专利名称：汽车转向扭矩测量装置及汽车转向扭矩的测量方法
技术领域：
本发明涉及汽车转向扭矩的测量装置及其测量方法，尤其是一种非接触式扭矩测 量装置及测量方法。
背景技术：
转向盘扭矩传感器是电动助力转向系统中的关键部件，电动助力转向系统根据转 向盘扭矩传感器输出信号的大小和车速信号的大小来控制助力电机的电流以输出助力，因 此转向盘扭矩传感器品质的好坏直接影响电动助力转向系统的性能。非接触式转向盘扭矩 传感器由于具有体积小，精度高、寿命长等优点，已成为电动助力转向的首选。非接触式扭 矩传感器又可分为电容式、电磁式、电感式、光电式等等。中国专利02116308. 1公开了一种光电式转向盘扭矩传感器，该种转向盘扭矩传 感器结构简单，但是其导线引出不方便。中国专利L200610031787.3公开了一种电磁式转 向盘扭矩传感器，该种转向盘扭矩传感器结构也较简单，灵敏度高，但是需要专门的信号发 生与处理电路，信号容易受干扰。

发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、调整方便、性能可靠、成本低的汽车转向扭矩 传感装置，用于电动助力转向系统中转向盘扭矩的测量。本发明解决现有问题的技术方案是一种汽车转向扭矩测量装置，包括输入轴、输 出轴、PCB电路板，作为本发明的改进，所述的输入轴、输出轴之间设有随输入轴与输出轴相 对转动而联动产生轴向位移的滑套，滑套上设有环状交错分布的N、S磁极；所述的滑套套 接有两个与滑套磁极对称的导磁环，所述的两个导磁环之间设有检测环磁通量、连接于PCB 电路板上的霍尔元件。作为本发明的进一步改进，所述的滑套通过螺旋导轨连接于输入轴、输出轴之间， 随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移；所述的导磁环通过导磁环套机体固定连 接。作为本发明的进一步改进，所述的导轨还包括设置于输入轴或输出轴上的导向 轨；所述的导磁环一侧均布有梯形凸缘；所述的导磁环套其材质为树脂。作为本发明的进一步改进，所述的霍尔元件为可编程霍尔元件。作为本发明的进一步改进，所述的滑套上设有三个交错的磁极，其磁极分布为N、 S、N 或 S、N、S0本发明还公开了一种汽车转向扭矩的测量方法，利用霍尔元件检测由扭矩引起磁通量变化，输出与磁通变化量成比例的电信号变 化量，输出与扭杆变形量成比例，而扭杆变形量与作用在输入轴、输出轴上的扭矩成比例， 测量出作用在输入轴、输出轴上的扭矩。作为本发明方法的进一步改进，具体为输入轴、输出轴之间设有随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移的滑套，滑套上设有环状交错分布的N、S磁极；所述的滑 套套接有两个与滑套磁极对称的导磁环，所述的两个导磁环之间环设有检测磁通量连接与 PCB电路板上的霍尔元件，其测量具体如下a、滑套没有轴向移动时，两个导磁环之间的磁通量为(K;b、输入轴与输出轴发生相对转动，固定连接于输入轴与输出轴之间的扭杆也随之 产生变形，滑套的轴向位移与扭杆变形量成比例，即当滑套产生轴向移动时，两个导磁环对 应的N、S极面积发生改变，且极性变化方向相反，两个导磁环之间的磁通量为Φ ‘ ^ ；滑套 产生轴向移动后的两个导磁环之间的磁通变化量Δ φ = (φ ‘ 0-φ0)与滑套的轴向移动 位移成比例；C、霍尔元件输出与磁通变化量成比例的电信号变化量，霍尔元件输出电信号给电 动助力转向控制器。作为本发明的进一步改进，所述的霍尔元件为可编程霍尔元件；所述的导磁环通 过导磁环套机体固定连接。作为本发明方法的进一步改进，所述的导轨还包括设置于输入轴或输出轴上的导 向轨；所述的导磁环一侧均布有梯形凸缘；所述的导磁环套其材质为树脂。作为本发明方法的进一步改进，所述的滑套上设有三个交错的磁极，其磁极分布 为 N、S、N 或 S、N、S。本发明是一种非接触式转向盘扭矩传感器和测量方法，采用可编程霍尔元件检测 随作用扭矩变化的磁通量，磁通量的变化量与扭矩变化量成比例。与现有技术相比较其有 益效果是可以应用于电动助力转向系统，检测转向盘扭矩，不仅结构简单、安装方便，而且 成本较低、精度较高，具有很好的应用前景。


本发明的上述结构可以通过附图和实施例作进一步说明。图1是本发明采用钢球连接的滑套上布置三个磁极的结构示意图。图2是图1结构中滑套与导磁环的结构图。图3-5是图1结构中滑套与导磁套的位置关系图。图6是本发明的扭矩传感器输出信号大小与扭杆变形的关系图。图7是本发明采用钢球连接的滑套上布置两个磁极的结构示意图。图8是图7结构中导磁环的立体图。图9是图7结构中滑套与导磁环的结构图。图10-图12是图7结构中滑套与导磁套的位置关系图。图13是本发明采用双销连接的滑套上布置三个磁极的结构示意图。图14是本发明采用双销连接的滑套上布置两个磁极的结构示意图。上述图中，1为输入轴；2为输出轴；3为扭杆；4为扭杆固定销；5为滑套机体；5A 为S磁极；5B为N磁极；5C为S磁极；6为蜗轮；7为弹簧；8为钢球；8A为输入轴销；8B为 输出轴销-M为左侧导磁环；9B为右侧导磁环；9为导磁环机体；11为霍尔元件；12为PCB 电路板。
具体实施例方式下面结合实施案例进一步阐述本发明的装置及测量方法参见图1，包括输入轴1、输出轴2、固定连接与输入轴1与输出轴2之间的扭杆3、 PCB电路板12，输入轴1、输出轴2之间设随输入轴1与输出轴2相对转动而联动产生轴向 位移的滑套5，滑套5上设有环状交错分布的N、S磁极；滑套5套接有两个与滑套5磁极对 称的导磁环，两个导磁环之间设有检测磁通量、连接于PCB电路板12上的霍尔元件11，霍尔 元件11为可编程霍尔元件。滑套5通过螺旋导轨连接于输入轴1、输出轴2之间，随输入轴1与输出轴2相对 转动而联动产生轴向位移。导轨还包括设置于输入轴1或输出轴2上的导向轨。实施案例1，参见图1-6，输入轴1与扭杆3的一端通过过盈配合的方式固定连接；输出轴2与 扭杆3的另一端通过销固定连接；蜗轮6与输出轴2过盈配合；滑套5的上两个环状槽，滑 套5至少一个环状槽通过滚珠8与输入轴1的导向槽配合，滑套5另一侧至少一个环状槽 通过滚珠8与输入轴2的螺旋槽相配合。本实施案例中，滑套5的每个环状球槽中均勻嵌 有4个钢球；当输入轴1与输出轴2之间作用扭矩时，扭杆3会发生扭转变形，输入轴1与 输出轴2之间产生相对转动；滑套5的靠近输入轴1 一侧环状槽中的滚珠8受输出轴2上 的螺旋槽和输入轴1上的轴向导向槽作用下，产生轴向移动，滑套5也产生轴向移动。滑套5上压配有环状磁极5A、磁极5B、磁极5C，其中磁极组合为S、N、S或者N、S、 N。磁极5A、磁极5B、磁极5C的结合处对应布置导磁环套9，导磁环套9包括导磁环9A和导 磁环9B，磁极5A与磁极5B的结合处对应布置导磁环9A，磁极5B与磁极5C的结合处对应 布置导磁环9B ；导磁环9A和导磁环9B通过导磁环套9机体固定连接在一起，两个可编程 霍尔元件11设置于导磁环9A、9B之间，霍尔元件11焊接在PCB电路板12上，PCB电路板 12安装在导磁环套9内(图2所示)。输入轴1与输出轴2之间没有作用扭矩，如图3所示，导磁环9A内孔面一半对着磁 极5A另一半对着磁极5B，导磁环9B内孔面一半对着磁极5B另一半对着磁极5C，此时导磁 环9A与导磁环9B之间的磁通量基本等于零；当输入轴1与输出轴2之间作用扭矩后滑套 5带动磁极5A、磁极5B、磁极5C —同轴向移动，若向左移动，如图4所示，则导磁环9A内孔 面对着磁极5A的面积增加，对着磁极5B的面积减小，导磁环9A的极性将与磁极5A相同， 导磁环9B内孔面对着磁极5B的面积增加，对着磁极5C的面积减小，导磁环9B的极性将与 磁极5B相同，导磁环9A与导磁环9B之间出现磁通量，极性与磁极5A、5B之间的极性相同， 若向右移动，则情况正好相反，如图5所示，导磁环9A与导磁环9B之间出现磁通量，极性与 磁极5B、5C之间的极性相同。两个霍尔元件11分别用于检测导磁环9A与导磁环9B之间的磁通量大小和方向， PCB电路板将霍尔元件11的信号调理后经线束护套端子送给电动助力转向控制器。图6所示曲线为两个霍尔元件11输出信号与扭杆变形的关系，横坐标为扭杆变 形，纵坐标为两个霍尔元件11输出信号大小，两个霍尔元件11分别独立输出信号，是一种 扭矩传感器冗余设计，用于电动助力转向控制器对扭矩传感器信号进行故障诊断。实施案例2:参见图6-12，本实施例中滑套5的轴向移动的传动机构与实施案例1相同，如图5所示，滑套5上配两个有环状磁极5A、磁极5B，其中磁极分布为S、N或N、S，滑套5外设置 有，相结合的磁极5A与磁极5B其分别对应布置导磁环9A、导磁环9B ；导磁环9的凸缘分布 与导磁环9B的凸缘分布在圆周上的相位相差15° ；如图7所示，霍尔元件11设置于导磁 环9A、9B之间。输入轴1与输出轴2之间没有作用扭矩时，如图10所示，导磁环9A上每个凸缘轴 向长度的一半对着磁极5A另一半对着磁极5B，导磁环9B上每个凸缘轴向长度的一半对着 磁极5A另一半对着磁极5B ；由于凸缘是梯形形状，此时导磁环9A的磁极性与磁极5A相同， 导磁环9B的磁极性与磁极5B相同，导磁环9A与导磁环9B之间的磁通量为；当输入轴 1与输出轴2之间作用扭矩后滑套5带动磁极5A、5B —同轴向移动，若向左移动，如图11所 示，则导磁环9A每个凸缘对着磁极5A的面积减小，对着磁极5B的面积增加，同样导磁环9B 每个凸缘对着磁极5A的面积减小，对着磁极5B的面积增加，导磁环9A与导磁环9B之间的 磁通量减小，极性与磁极5A、5B之间的极性相同，若向右移动，则情况正好相反，如图12所 示，导磁环9A与导磁环9B之间的磁通量增加，极性与磁极5A、5B之间的极性相同；通过检 测导磁环9A与导磁环9B之间的磁通量变化就可得到扭杆变形的大小，该磁通量变化的检 测原理与图1所示的实施例相同。实施案例3参见图13，输入轴1与扭杆3的过盈配合固定连接；输出轴2与扭杆3的另一端 通过销固定连接；蜗轮6与输出轴2过盈配合；导轨为设置于滑套5上靠近输出轴2侧的内 壁螺旋槽，输出轴2径向上设有凸出轴径的销8b，凸出轴径的销8b与滑套5内壁所设的螺 旋槽配合，导向轨为设置于滑套5上靠近输入轴1侧内壁上的导向槽，输入轴1径向上设有 凸出轴径的销8a，凸出轴径的销8a与滑套5内壁所设的导向槽配合。输入轴1与输出轴2之间作用扭矩时，扭杆3扭转变形，输入轴1与输出轴2之间 产生相对转动；滑套5在销8B及其嵌套的螺旋槽和销8A及其嵌套的导向槽的作用下，产生 轴向移动，该移动量与扭杆3的变形成比例，为了获得扭杆3的变形大小，检测滑套5的轴 向移动量，该移动量的检测原理实施案例1、2相同。实施案例4 如图14所示，本实施例滑套5的轴向移动结构与实施案例3相同，磁极、导磁环9 的布置及磁通量的检测原理实施案例2相同。
权利要求
一种汽车转向扭矩测量装置，包括输入轴、输出轴、PCB电路板，其特征是所述的输入轴、输出轴之间设有随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移的滑套，滑套上设有环状交错分布的N、S磁极；所述的滑套套接有两个与滑套磁极对称的导磁环，所述的两个导磁环之间设有检测磁通量、连接于PCB电路板上的霍尔元件。
2.如权利要求1所述的汽车转向扭矩测量装置，其特征是所述的滑套通过螺旋导轨 连接于输入轴、输出轴之间，随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移；所述的导磁 环通过导磁环套机体固定连接。
3.如权利要求1或2所述的汽车转向扭矩测量装置，其特征是所述的导轨还包括设 置于输入轴或输出轴上的导向轨；所述的导磁环一侧均布有梯形凸缘；所述的导磁环套其 材质为树脂。
4.如权利要求1或2所述的汽车转向扭矩测量装置，其特征是所述的霍尔元件为可 编程霍尔元件。
5.如权利要求1或2所述的汽车转向扭矩测量装置，其特征是所述的滑套上设有三 个交错的磁极，其磁极分布为N、S、N或S、N、S。
6.一种汽车转向扭矩的测量方法，其特征是利用霍尔元件检测由扭矩引起磁通量变 化，输出与磁通变化量成比例的电信号变化量，输出与扭杆变形量成比例，而扭杆变形量与 作用在输入轴、输出轴上的扭矩成比例，测量出作用在输入轴、输出轴上的扭矩。
7.如权利要求6所述的汽车转向扭矩的测量方法，其特征是具体为输入轴、输出轴之 间设有随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移的滑套，滑套上设有环状交错分布 的N、S磁极；所述的滑套套接有两个与滑套磁极对称的导磁环，所述的两个导磁环之间设 有检测磁通量、连接与PCB电路板上的霍尔元件，其测量具体如下a、滑套没有轴向移动时，两个导磁环之间的磁通量为Φ。；b、输入轴与输出轴发生相对转动，固定连接于输入轴与输出轴之间的扭杆也随之产生 变形，滑套的轴向位移与扭杆变形量成比例，即当滑套产生轴向移动时，两个导磁环对应的 N、S极面积发生改变，且极性变化方向相反，两个导磁环之间的磁通量为Φ ‘ ^ ；滑套产生 轴向移动后的两个导磁环之间的磁通变化量Δ φ = (φ' 0-φ0)与滑套的轴向移动位移 成比例；C、霍尔元件输出与磁通变化量成比例的电信号变化量，霍尔元件输出电信号给电动助 力转向控制器。
8.如权利要求6或7所述的汽车转向扭矩的测量方法，其特征是所述的霍尔元件为 可编程霍尔元件；所述的导磁环通过导磁环套机体固定连。
9.如权利要求8所述的汽车转向扭矩的测量方法，其特征是所述的导轨还包括设置 于输入轴或输出轴上的导向轨；所述的导磁环一侧均布有梯形凸缘；所述的导磁环套其材 质为树脂。
10.如权利要求7所述的汽车转向扭矩的测量方法，其特征是所述的滑套上设有三个 交错的磁极，其磁极分布为N、S、N或S、N、S。
全文摘要
本发明公开了一种汽车转向扭矩测量装置及汽车转向扭矩的测量方法，包括输入轴、输出轴、PCB电路板，作为本发明的改进，所述的输入轴、输出轴之间设有随输入轴与输出轴相对转动而联动产生轴向位移的滑套，滑套上设有环状交错分布的N、S磁极；所述的滑套套接有两个与滑套磁极对称的导磁环，所述的两个导磁环之间设有检测环磁通量、连接于PCB电路板上的霍尔元件。本发明的测量方法，采用可编程霍尔元件检测随作用扭矩变化的磁通量，磁通量的变化量与扭矩变化量成比例。与现有技术相比较其有益效果是可以应用于电动助力转向系统，检测转向盘扭矩，不仅结构简单、安装方便，而且成本较低、精度较高，具有很好的应用前景。
文档编号G01L3/10GK101949750SQ20101027248
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者华建平, 田地 申请人:杭州飞越汽车零部件有限公司