专利名称：一种角度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种角度测量装置，主要用于测量汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴的相对角度差，也可用于其它需要测量两个轴之间的相对角度的场合。
二背景技术：
汽车电动助力转向系统在实现助力功能时，首先需要测量转向系统的输入轴与输出轴之间的相对角度差，转向系统的控制器根据收到的角度差信号，按照预先设定的程序指挥转向系统完成相应的助力动作。如图ι所示，由于汽车电动助力转向系统的输入轴⑵ 与输出轴⑷是用一根细长的扭杆⑶连接的，两个轴之间难以避免地存在同轴度误差，如果将测量装置与输入轴、输出轴直接连接，将在测量装置内部零件之间产生较大的相互作用力，使零件很快就会磨损，无法用于量产车辆。为了适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴之间存在同轴度误差的客观现实，目前应用较多的是采用摆臂式结构与可变电阻器相结合的方式。如图2、图3所示，在一个可变电阻器(5)的中心轴(6)上安装一个摆臂(7)，摆臂(7)的前端有一个圆柱形滑块(8)，在转向系统的输入轴( 上铣出一个螺旋形的斜槽(9)，摆臂的滑块(8)嵌入在输入轴⑵的斜槽(9)中。滑块⑶的顶部与输入轴滑槽(9)的底部之间留有的间隙，即使汽车电动助力转向系统输入轴(2)与输出轴(4)之间存在同轴度误差，也不会影响摆臂滑块的运动。为了使摆臂滑块⑶的运动相对于输入轴滑槽(9)的转动没有滞后，同时为了防止在汽车发生较大振动时摆臂滑块(8)与输入轴滑槽(9)不会发生瞬间脱离现象，在可变电阻器(5)内部设置有一个扭力较大的扭簧。这个扭簧的一端固定在可变电阻器(5)的壳体上，另一端固定在可变电阻器的中心轴(6)上，并通过摆臂(7)将扭力传递给摆臂的滑块 (8)，使摆臂滑块(8)紧贴在输入轴滑槽(9)的某个斜面上(在图2中是紧贴在输入轴滑槽的下斜面上)。当汽车方向盘⑴按图3中的箭头方向转动时，摆臂滑块⑶在扭簧的作用下将以可变电阻器的中心轴(6)为中心，沿顺时针方向转动，带动可变电阻器的中心轴(6)沿顺时针方向转动；当方向盘(1)按图3箭头所示方向相反的方向转动时，摆臂滑块(8)将在输入轴滑槽(9)下斜面的抬升作用下，以可变电阻器中心轴(6)为中心，沿逆时针方向转动， 带动可变电阻器的中心轴(6)沿逆时针方向转动。于是，可变电阻器(5)就能测量出转向系统的输入轴(2)相对于输出轴的转动方向及角度，从而使转向系统能够完成预设的助力动作。采用摆臂滑块(8)与输入轴滑槽(9)配合的方式，较好地回避了汽车电动助力转向系统输入轴(2)与输出轴(4)存在的同轴度误差的问题，得到较为广泛的应用。但由于在可变电阻器(5)内部的扭簧的作用下，摆臂滑块(8)与输入轴滑槽(9)之间的接触压力较大，使摆臂滑块(8)和输入轴滑槽(9)的磨损较大，对系统的使用寿命有一些影响，已渐渐难以满足用户对使用寿命不断提高的需求。三
实用新型内容为了解决现有的摆臂滑块与可变电阻器相结合的测量方式的使用寿命较低的缺陷，使测量系统能适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴之间存在的同轴度误差，本实用新型根据汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴的结构特点，借鉴金属弹性膜片式联轴器及片式弹簧的原理和结构，旨在提供一种新型的角度测量装置，以适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴之间存在的同轴度误差，解决现有角度测量装置存在的磨损较快，使用寿命较低的缺陷。本实用新型采用的技术方案，是根据汽车电动助力转向系统的输入轴与输出轴的结构特点，借鉴金属弹性膜片式联轴器及片式弹簧的原理和结构，设计了一种新型的角度测量装置，该装置能适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴存在的较大的同轴度误差。该测量装置的两个有相对转动的零部件分别与输入轴和输出轴直接连接，能准确测量输入轴与输出轴相对角度差；同时，该测量装置与外部零部件之间没有相对滑动运动，上述两轴的同轴度误差在测量装置内部各零件之间引起的相互作用力很小，零件的磨损可以忽略不计，使整个测量装置的使用寿命得到较大的提高，满足了用户的需求。本实用新型主要由托盘、弹性架部件、爪形簧圈、开口簧圈组成。本实用新型中的弹性架部件包含轴套、弹性架和圆形转盘，其中的弹性架是用金属片材冲制而成，有内环、中环、外环三个同心的圆环，以这三个圆环的厚度方向为ζ向，在弹性架的X向设置两个连接内环和中环的X向片形弹簧，其厚度方向为X向，长度方向为y 向，宽度方向为ζ向；在y向设置两个连接中环和外环的y向片形弹簧，其厚度方向为y向， 长度方向为χ向，宽度方向也为ζ向；中环起到ζ向的片形弹簧的作用，并通过χ向、y向的片形弹簧，将内环、外环连接成一体。轴套和圆形转盘是通过注塑方式分别成型在弹性架的内环和外环上，通过弹性架上的片形弹簧将这两个零件之间连接为一体，形成弹性架部件。在注塑成型轴套时，在轴套的内圆柱面上同时生成有多个塑料簧片，塑料簧片与转向系统输入轴下端的外圆柱面为无间隙配合；为加强塑料簧片对输入轴的抱紧力，在这些塑料簧片形成的外圆柱面上套有一个金属线材制作的开口簧圈；在上述的一个塑料簧片的前端部，同时注塑成型有一个凸台， 这个凸台嵌入在输入轴花键槽中。在塑料簧片、开口簧圈、凸台的共同作用下，使轴套与输入轴之间没有相对移动和转动，只能跟随输入轴同步地移动和转动。通过弹性架上的χ向、y向、ζ向的片形弹簧，圆形转盘与轴套连接为一个部件。 由于片形弹簧在厚度方向有较大挠度，当轴套在X、1、Z三个方向上有不太大的位移时，圆形转盘可以保持静止不动；同时由于片形弹簧在宽度与长度方向有较大的刚性，当轴套在 χ-y平面上转动时，圆形转盘只能立即跟随转动，除非转动阻力过大，导致弹性架上的片形弹簧破坏性损坏。在圆形转盘的下表面成型有弧形的定位槽，这些定位槽与托盘上的弧形定位块是同轴的，通过托盘定位块与圆形转盘定位槽的配合，使托盘实现对圆形转盘的定位和导向作用。本实用新型中的托盘为一个圆环形的塑料件，其内圆柱面上有多个塑料簧片，其上表面上两个弧形的定位块。托盘的塑料簧片与转向系统输出轴上端的外圆柱面为无间隙配合，为了加强这些簧片的抱紧力，在每个簧片后面插入一个用金属片材制成的爪形簧圈的簧片；在上述的塑料簧片中的一个簧片的根部有一个凸台，这个凸台嵌入在输出轴花键槽中。由于在托盘与输出轴之间采取了上述的配合方式，使托盘与输出轴之间的运动完全同步。托盘上表面的定位块，与弹性架部件的圆形转盘的定位槽配合，使圆形转盘与托盘同轴，使圆形转盘相对于托盘——也即相对于输出轴——只能在χ-y平面转动，不能在其它方面有位移。当汽车电动助力转向系统的输入轴与输出轴有同轴度误差时，弹性架部件的轴套与托盘会有同样大小的同轴度误差。由于圆形转盘与托盘轴套同轴，于是圆形转盘与轴套的轴心将产生错位，使弹性架上连接内环和外环的X向、y向的片形弹簧产生相应的变形， 在测量装置内部产生一个相互作用力。由于是通过片形弹簧来传递同轴度误差，这个相互作用力仅与片形弹簧的参数有关，通过在片形弹簧在宽度和长度方向的刚性和厚度方向的挠度的合理平衡，可以使前述的“相互作用力”对有相对运动的零件的磨损在受控范围内， 使测量装置的使用寿命能满足用户的需求。当汽车电动助力转向系统的输入轴相对于输出轴发生转动时，轴套与输入轴同步转动，此时作用在弹性架上片形弹簧的力在x-y平面上，为χ向片形弹簧、y向片形弹簧、ζ 向片形弹簧的宽度和长度方向。由于片形弹簧在其宽度和长度方向上有较强的刚性，将带动圆形转盘也同步转动，使圆形转盘与托盘之间产生一个相对角度差。将敏感元件分别安装在圆形转盘和托盘上，角度测量装置就能测出转向系统输入轴和输出轴之间的相对角度差。从上述方案介绍可以看出，本实用新型能适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴之间的同轴度误差，本实用新型内部零件之间的磨损很小，使用寿命较高；当输入轴相对于输出轴发生转动时，圆形转盘能立刻跟随转动，与托盘产生同样大小的相对角度差。将敏感元件安置在托盘和圆形转盘上，就能容易的测量出输入轴与输出轴的相对角度差。本实用新型的有益效果是，由于轴套与输入轴采用无间隙连接、托盘与输出轴采用无间隙连接、用弹性架上的片形弹簧来容纳输入轴与输出轴之间的同轴度误差、用托盘上的定位块对圆形转盘进行定位及导向作用等技术措施，使得本实用新型能够适应汽车电动助力转向系统输入轴与输出轴之间存在的同轴度误差；由于这种测量装置内部的相互作用力是由片形弹簧的变形产生的，作用力很小，使有相对运动的零件之间磨损也很小，使这种角度测量装置的使用寿命能够满足用户的要求。将本实用新型与不同的敏感元件——如厚膜电阻与电刷、霍尔元件与磁石、磁阻元件与磁石等——相结合，能形成多种测量两个轴之间的相对角度差的角度传感器。
四
图1为汽车电动助力转向系统结构示意图。图2为采用摆臂与可变电阻器相结合的测量装置的侧面示意图。图3为采用摆臂与可变电阻器相结合的测量装置的正面示意图。图4 图16为本实用新型的一个实施例的示意图图4为本实用新型实施例的轴向剖视图。图5为本实用新型实施例的部分零部件的装配关系示意图。[0026]图6为弹性架示意图。图7为弹性架部件示意图。图8为输入轴下端、输出轴上端的结构示意图。图9为托盘部件示意图。图10为弹性架部件后视图。图11为厚膜电阻元件正面的示意图。图12为厚膜电阻元件背面的示意图。图13为本实用新型实施例的电路原理图。图14为托盘部件的后视图。图15为集电环元件正面的示意图。图16为集电环元件背面的示意图。下面对图4 图16中的符号进行说明2.输入轴，4.输出轴，10.开口卡簧，11.弹性架部件，12.托盘，13.爪形簧圈， 14.簧片，15.弹性架，16.内环，17.中环，18.外环，19. χ向片形弹簧，20. y向片形弹簧， 21.轴套，22.圆形转盘，23.塑料簧片，24.凸台，25.输入轴下端，26.输入轴花键槽，27.输出轴上端，28.输出轴花键槽，30.定位块，31.塑料簧片，32.凸台，33.厚膜电阻元件， 34.定位槽，35.双爪电刷部件，36.电源正极，37.电源负极，38. 1#输出端，39.姊输出端， 40.厚膜电阻层，41.耐磨导电层，42.基板，43.金属化过孔，44.单爪电刷部件，45.集电环元件，46.基板，47.环形电极，48.耐磨导电环，49.片形电极，50.金属化过孔。
五具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的一个实施例对具体实施方式
进行说明。图4是本实用新型的一个实施例的轴向剖视图，本实施例为接触式角度测量装置，是用厚膜电阻元件(3 与双爪电刷部件(3 组成一个电位计，通过测量输出电压变化的方式来测量输入轴( 与输出轴的相对角度差。首先，用金属片材冲制出一个弹性架(15)，弹性架(15)包含内环(16)、中环(17)、 外环(18)、x向片形弹簧(19)、y向片形弹簧00)。在外环上注塑成型一个圆形转盘02)， 在内环上注塑成型一个轴套(21)，轴套内圆柱面上同时生成有塑料簧片(23)，塑料簧片03)与输入轴下端05)为无间隙配合。为了加强塑料簧片03)对输入轴O)的抱紧力，在塑料簧片的外表面套有开口卡簧(10)。在上述的一个塑料簧片的端部注塑成型有一个凸台(M)，在安装到输入轴( 上时，将凸台04)嵌入输入轴花键槽06) 中。圆形转盘02)是通过弹性架(15)上的y向片形弹簧00)、中环(17)、χ向片形弹簧(19)与轴套连接为弹性架部件(11)，在圆形转盘0 的下表面注塑成型有两个弧形的定位槽(34)，这两个槽与托盘(1 上表面的两个弧形的定位块(30)同轴。托盘(12)为塑料件，包含有两个定位块(30)、多个塑料簧片(31)、一个凸台(32)。 塑料簧片(31)生成在托盘(12)的内圆柱面上，与输出轴上端(XT)为无间隙配合。为了加强塑料簧片(31)对输出轴的抱紧力，在每个塑料簧片(31)的后面都插入有一个爪形簧圈(13)的簧片(14)。爪形簧圈(13)是用金属片材制成，弹力较大，可减少塑料簧片(31)的变形量，防止疲劳断裂。在上述的一个塑料簧片(31)的根部注塑成型有一个凸台(32)， 在安装到输出轴(4)上时，将凸台(3 嵌入在输出轴花键槽08)中。托盘(1 上表面注塑成型有两个弧形的定位块(30)，这两个定位块(30)与圆形转盘0 的定位槽(34)同轴，装配时将定位块(30)插入在定位槽(34)中，使圆形转盘0 相对于托盘(1 只能绕轴线转动，而不能在其它方向有相对位移。当输入轴O)与输出轴⑷不同轴时，输入轴O)与输出轴⑷在χ向、y向将产生错位。这个错位将在测量装置内部产生相互作用力，错位首先使塑料簧片产生变形，然后将作用力传递给轴套(21)，通过轴套(2)使χ向片形弹簧(19)、y向片形弹簧QO) 产生变形，将作用力传递给圆形转盘(22)，然后再通过圆形转盘0 的定位槽(34)将作用力传递给托盘(1 上的定位块(30)，最后传递到塑料簧片(31)，使塑料簧片(31)也产生变形。与轴套上的塑料簧片(23)、托盘(12)上的塑料簧片(31)相比，弹性架(15) 上的χ向片形弹簧(19)、y向片形弹簧OO)的长度较长、宽度较窄，厚度薄很多倍，所以输入轴(2)与输出轴(4)错位主要引起弹性架(15)上的χ向片形弹簧(19)、y向片形弹簧 (20)产生变形，相互作用力的大小主要这两个弹簧的弹力有关。通过合理选择χ向片形弹簧(19)、y向片形弹簧OO)的尺寸参数，就能使测量装置内部的相互作用力很小，使内部的磨损很小，不对使用寿命产生影响。将双爪电刷部件(3 安装在圆形转盘0 的下表面，如图所示。将一个厚膜电阻元件(33)安装在托盘(12)的上表面。厚膜电阻元件(3 的基板0 由双面覆铜箔层压板制成，通过腐蚀，在基板G2) 正面形成电源正极(36)、电源负极(37)、1#输出端(38)、姊输出端(39)，在基板02)的背面也形成电源正极(36)、电源负极(37)、1#输出端(38)、姊输出端(39)，正面和背面的对应电极通过金属化过孔G3)分别导通。在基板02)正面印刷有厚膜电阻层GO)和耐磨导电层(41)，厚膜电阻层00)和耐磨导电层Gl)为弧形的，与托盘(12)上的定位块(30) 同轴，并与圆形转盘0 上的双爪电刷部件(3 滑动接触。如图13所示，双爪电刷部件(35)是横跨在厚膜电阻层GO)和耐磨导电层之间的。在托盘(12)的下表面有八个单爪电刷部件G4)，以两个为一组，单爪电刷部件 (44)的一端分别与基板G2)背面的电源正极(36)、电源负极(37)、1#输出端(38)、2#输出端(39)电连接，另一端与集电环元件G5)上的耐磨导电环G7)滑动接触。从图13可以看出，只需要一个双爪电刷部件(35)和四个单爪电刷部件G4)就能完成电压信号的测量与传输，在本实施例中使用了两个双爪电刷部件(3 和八个单爪电刷部件(44)，提高了系统的冗余度。集电环元件0 的基板06)也是用双面覆铜箔层压板制成，通过腐蚀，在其正面形成有四个环形电极(47)，环形电极07)上覆盖有耐磨导电环G8)；在基板06)的背面形成有四个片形电极(49)，用于与测量装置外部进行电连接。四个环形电极07)与四个片形电极G9)通过金属化过孔(50)分别导通。片形电极09)是与汽车电动助力转向系统的控制器(图中未表示)进行电连接的，通过四个片形电极G9)中的两个，将外部电源电压传递到两个耐磨导电环G8)上，通过与单爪电刷部件G4)的滑动接触，将电压施加在电源正极(36)和电源负极(37)之间；于是，在双爪电刷部件(3 与厚膜电阻层00)的接触点将产生分压信号，通过双爪电刷部件(35)把分压信号分别传递给耐磨导电层(扎)，分别传递到1#输出端(38)和姊输出端 (39)，再通过连接在1#输出端(38)和姊输出端(39)上的单爪电刷部件G4)把分压信号传递到耐磨导电环G8)上，并通过片形电极G9)把分压信号传递到控制器。 当输入轴⑵相对于输出轴⑷在χ-y平面转动时，由于这个方向为χ向片形弹簧(19)、y向片形弹簧O0)、中环(17)(起ζ向片形弹簧的作用)、塑料簧片03)、塑料簧片 (31)的长度或宽度方向，各簧片基本不会发生形变，圆形转盘0 将与轴套同步转动，使圆形转盘0 与托盘(1 发生相对转动，使双爪电刷部件(3 与厚膜电阻层GO) 的接触点发生变化。接触点的变化将引起传输到控制器的分压信号发生变化，控制器将根据分压信号的变化判断出输入轴( 相对于输出轴的转动方向和转动速度，然后按照预先设定的程序，指挥汽车电动助力转向系统完成相应的助力转向功能。
权利要求1.一种角度测量装置，包含弹性架部件(11)、托盘(12)、开口卡簧(10)和爪形簧圈(13)，其特征在于所述弹性架部件(11)包含轴套(21)、弹性架(15)、圆形转盘(22)，轴套(21)和圆形转盘(22)通过注塑方式分别成型在弹性架(15)的内环(16)和外环(18)上， 圆形转盘0 下表面有的定位槽(34)，在轴套的内圆柱面上同时生成有多个塑料簧片(23)，所述托盘(1 为圆环形的塑料件，其内圆柱面上有多个塑料簧片(31)，其上表面上两个弧形的定位块(30)，托盘(1 上的定位块(30)与圆形转盘0 的定位槽(34)配合，使托盘(12)实现对圆形转盘02)的定位和导向作用，所述开口卡簧(10)由金属线材制成，开口卡簧(10)套在塑料簧片形成的外圆柱面上，所述爪形簧圈(1 包含簧片(14)，由金属片材制成，簧片(14)插在塑料簧片03)的后面。
2.如权利要求1所述的角度测量装置，其弹性架部件(11)包含轴套(21)、弹性架(15)、圆形转盘(22)，其特征在于弹性架(11)是用金属片材冲制而成，包含内环(16)、中环(17)、外环(18)，在χ向设置有两个连接内环(16)与中环(17)的χ向片形弹簧(19)， 在y向设置有两个连接中环(17)和外环(18)的y向片形弹簧(20)，轴套01)、圆形转盘(22)分别注塑成型在弹性架(1 的内环(16)、外环(18)上，在轴套的内圆柱面上成型有塑料簧片(23)，在一个塑料簧片的端部成型有凸台(M)，在圆形转盘0 的下表面成型有弧形的定位槽(34)。
3.如权利要求1所述的角度测量装置，其托盘(1 是用塑料注塑而成，其特征在于在内圆柱面上成型有塑料簧片(31)，在一个塑料簧片(31)的根部成型有一个凸台(32)，在托盘(1 的上表面成型有弧形的定位块(30)，外圆柱面之间为无间隙配合，凸台嵌入在输入轴的花键槽中。
专利摘要本实用新型涉及一种角度测量装置，包含弹性架部件(11)、托盘(12)、开口卡簧(10)和爪形簧圈(13)，所述弹性架部件(11)包含轴套(21)、弹性架(15)、圆形转盘(22)，轴套(21)和圆形转盘(22)通过注塑方式分别成型在弹性架(15)的内环(16)和外环(18)上，圆形转盘(22)下表面有的定位槽(34)，在轴套(21)的内圆柱面上同时生成有多个塑料簧片(23)，所述托盘(12)为圆环形的塑料件，其内圆柱面上有多个塑料簧片(31)，其上表面上两个弧形的定位块(30)。利用片形弹簧的弹性变形来容纳输入轴与输出轴之间的错位。当输入轴在x-y平面转动时，由于片形弹簧在宽度和长度方向有较强的刚性，使弹性架部件与输入轴同步转动，从而能正常测量输入轴与输出轴的相对角度差。
文档编号G01B7/31GK202057296SQ201020263930
公开日2011年11月30日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者尉敬宇 申请人:尉敬宇