專利名稱：磁電式非接觸扭矩傳感器以及使用該傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及車輛的助力轉(zhuǎn)向裝置，具體涉及一種用于車輛助力轉(zhuǎn)向的磁電式非接觸扭矩傳感器以及使用該傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置。
背景技術(shù)：
在作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而提供的電動轉(zhuǎn)向裝置中，轉(zhuǎn)向扭矩傳感器通常用于感應(yīng)通 過駕駛的轉(zhuǎn)向操作從轉(zhuǎn)向輪施加到轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向扭矩。電動轉(zhuǎn)向裝置根據(jù)從轉(zhuǎn)向扭矩傳感 器感應(yīng)的扭矩信號控制轉(zhuǎn)向力輔助電機(jī)，并且減少駕駛員的轉(zhuǎn)向力，以便提供舒適的轉(zhuǎn)向 感受。磁電式非接觸扭矩傳感器作為在電動轉(zhuǎn)向裝置中使用的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器是眾所 周知的。在這種磁電式非接觸扭矩傳感器中，兩個磁電式非接觸檢測環(huán)安裝在轉(zhuǎn)向軸上的 兩個特定位置。在磁電式非接觸扭矩傳感器的制造過程中，在部分轉(zhuǎn)向軸的特定表面的整 個周邊表面上，即圓柱形旋轉(zhuǎn)軸中的特定軸向?qū)挾壬?，裝配磁電式非接觸檢測環(huán)。兩個檢測 環(huán)相對位置中的變化對應(yīng)于當(dāng)將扭矩從轉(zhuǎn)向輪施加于轉(zhuǎn)向軸時該轉(zhuǎn)向軸的扭矩。磁電式非接觸扭矩傳感受器具有圓柱形傳感線圈，在圓柱形旋轉(zhuǎn)軸的整個周邊上 安裝檢測環(huán)，旋轉(zhuǎn)軸軸向的磁電式非接觸檢測環(huán)的寬度實(shí)質(zhì)上與相同軸向上傳感線圈寬度 相匹配。將磁電式非接觸檢測環(huán)寬度和傳感線圈寬度以及扭矩檢測環(huán)和傳感線圈的內(nèi)周表 面之間的間隙限定為與磁電式非接觸扭矩傳感器中的磁電式非接觸檢測環(huán)和傳感線圈的 大小和方位放置之間的關(guān)系有關(guān)的尺寸。下面參照附圖9和10，對與磁電式非接觸檢測環(huán)寬度、傳感線圈寬度和磁電式非 接觸扭矩傳感器中的間隙有關(guān)的問題進(jìn)行了描述。附圖9表示在磁電式非接觸檢測環(huán)和傳感線圈之間的旋轉(zhuǎn)軸軸向方向上的失調(diào) (水平軸mm)和傳統(tǒng)的磁電式非接觸扭矩傳感器(垂直軸)的靈敏度變化率之間的關(guān)系。 附圖10表示磁電式非接觸檢測環(huán)和傳感線圈之間的間隙(旋轉(zhuǎn)軸徑向上的空間，水平軸 mm)和相同的磁電式非接觸扭矩傳感器(垂直軸)的靈敏度變化率之間的關(guān)系。在附圖9中的曲線101中，將不具有位置失調(diào)(水平軸上為0.0，垂直軸上的靈敏 度變化率為“1”)的情況作為參考，如果向上(附圖9中的右側(cè))或向下(附圖9中的左 側(cè))出現(xiàn)位置失調(diào)時，靈敏度的變化率展現(xiàn)出降到0.98以下的特性。磁電式非接觸扭矩傳 感器是需要高傳感精度的裝置。因此，如果靈敏度的變化率降0.98以下，則在實(shí)際上將該 傳感器安裝到車輛中的情況下，駕駛者對于轉(zhuǎn)向響應(yīng)會經(jīng)歷不舒適的感覺。根據(jù)附圖10中的曲線102，當(dāng)水平軸上的間隙是0.5mm時，靈敏度的變化率同樣 是1. 0?；谠撝担?dāng)該間隙兩倍于Imm時，即當(dāng)該間隙以0. 5mm失調(diào)時，靈敏度的變化率展 現(xiàn)出降到大約0. 85的不良特性。在磁電式非接觸扭矩傳感器中，該傳感器的靈敏度特性降 低，當(dāng)在旋轉(zhuǎn)軸上形成的磁電式非接觸檢測環(huán)和環(huán)繞磁電式非接觸檢測環(huán)的周邊布置的傳 感線圈之間的位置關(guān)系中出現(xiàn)位置失調(diào)時，該傳感器的靈敏度特性降低。特別地，當(dāng)在汽車電動轉(zhuǎn)向裝置中使用這種磁電式非接觸扭矩傳感器時，不希望出現(xiàn)這種位置失調(diào)，因?yàn)樵撾妱愚D(zhuǎn)向裝置在操作時會產(chǎn)生不舒適的感覺。在制造電動轉(zhuǎn)向裝置的環(huán)境下，當(dāng)附著傳感線圈時，裝配過程期間預(yù)期的位置失 調(diào)大約是0.2mm，而當(dāng)附著轉(zhuǎn)向軸(旋轉(zhuǎn)軸)時，預(yù)期的位置失調(diào)也大約是0.2mm。因此，允 許將傳感線圈和轉(zhuǎn)向軸以彼此相對大約0. 4mm的最大值未對準(zhǔn)在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｒ罁?jù)使用該 裝置的環(huán)境，包括制造期間的位置失調(diào)，合并到汽車中的電動轉(zhuǎn)向裝置會出現(xiàn)大約Imm的 最大位置失調(diào)，這是由于隨時間的變化或者來自路面的過度轉(zhuǎn)向造成的。因此，需要在汽車 電動轉(zhuǎn)向裝置中使用的磁電式非接觸扭矩傳感器中提供結(jié)構(gòu)電阻，以使得位置失調(diào)(包括 在制造和隨后的操作期間出現(xiàn)的失調(diào))即使在最大時也小于1mm。因此，需要開發(fā)一種磁電式非接觸扭矩傳感器，以及一種使用該傳感器的電動轉(zhuǎn) 向裝置，其中可以優(yōu)化磁電式非接觸檢測環(huán)的形狀和在旋轉(zhuǎn)軸上形成的傳感線圈之間的尺 寸關(guān)系，以便提高該傳感器的靈敏度特性，并且可以增加該裝置裝配期間的位置失調(diào)容差。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種提高傳感器的靈敏度，并 且可以增加裝置裝配期間的位置失調(diào)容差的磁電式非接觸扭矩傳感器以及使用該傳感器 的電動轉(zhuǎn)向裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種磁電式非接觸扭矩傳感器，包 括通過施加扭矩而旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，以及環(huán)繞該旋轉(zhuǎn)軸的磁電式非接觸檢測環(huán)，磁電式非接 觸檢測環(huán)外側(cè)設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸同軸向的傳感線圈，傳感線圈與磁電式非接觸檢測環(huán)之間具有 一段間隙，傳感線圈的信號輸出端與扭矩計算單元連接，其中，所述的磁電式非接觸檢測環(huán) 的軸向?qū)挾萕l大于傳感線圈的軸向?qū)挾萕2。進(jìn)一步，如上所述的磁電式非接觸扭矩傳感器，其中，所述的磁電式非接觸檢測環(huán) 的軸向?qū)挾萕l與傳感線圈的軸向?qū)挾萕2滿足如下關(guān)系式1. 1 < (W1/W2) < 1. 2o進(jìn)一步，如上所述的磁電式非接觸扭矩傳感器，其中，所述的磁電式非接觸檢測環(huán) 是在所述旋轉(zhuǎn)軸表面上形成的Al-Ni-Fe磁性材料伸縮薄膜。一種使用上述磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，包括與轉(zhuǎn)向輪連接的轉(zhuǎn) 向軸，以及以轉(zhuǎn)向軸作為旋轉(zhuǎn)軸的磁電式非接觸扭矩傳感器，磁電式非接觸扭矩傳感器與 由計算機(jī)構(gòu)成的控制裝置連接，控制裝置連接用于將輔助轉(zhuǎn)向力施加于轉(zhuǎn)向軸的電機(jī)，其 中，所述的磁電式非接觸扭矩傳感器包括環(huán)繞轉(zhuǎn)向軸的磁電式非接觸檢測環(huán)，磁電式非接 觸檢測環(huán)外側(cè)設(shè)有與轉(zhuǎn)向軸同軸向的傳感線圈，傳感線圈與磁電式非接觸檢測環(huán)之間具有 一段間隙，傳感線圈的信號輸出端與控制裝置的扭矩計算單元連接，所述的磁電式非接觸 檢測環(huán)的軸向?qū)挾萕l大于傳感線圈的軸向?qū)挾萕2。進(jìn)一步，如上所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其中，所述的 磁電式非接觸扭矩傳感器的磁電式非接觸檢測環(huán)的軸向?qū)挾萕l與傳感線圈的軸向?qū)挾萕2 滿足如下關(guān)系式1. 1 < (W1/W2) < 1. 2。進(jìn)一步，如上所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其中，所述的 將輔助轉(zhuǎn)向力施加于轉(zhuǎn)向軸的電機(jī)通過動力傳送機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸連接，動力傳送機(jī)構(gòu)包括固定在電機(jī)傳送軸上的蝸桿齒輪，以及固定在轉(zhuǎn)向軸上的蝸輪，蝸桿齒輪與蝸輪相互連接。進(jìn)一步，如上所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其中，所述的 轉(zhuǎn)向軸的下部通過齒條和齒輪機(jī)構(gòu)連接拉桿，拉桿的外端與車輛的前輪連接。本實(shí)用新型的有益效果如下本實(shí)用新型通過設(shè)置磁電式非接觸扭矩傳感器的磁 電式非接觸檢測環(huán)的軸向?qū)挾萕l與傳感線圈的軸向?qū)挾萕2之間的尺寸關(guān)系，從而，可以提 高磁電式非接觸扭矩傳感器的靈敏度，并且可以增加該傳感器裝配期間的位置失調(diào)容差。 使得在制造該傳感器裝置時，該容差更易于管理。通過使用這種磁電式非接觸扭矩傳感器 構(gòu)成的電動轉(zhuǎn)向裝置，可以適當(dāng)?shù)乇３衷摯烹娛椒墙佑|扭矩傳感器的靈敏度變化率，即使 出現(xiàn)該轉(zhuǎn)向軸和傳感線圈之間的軸向位置關(guān)系在隨后的使用中變成相對未對準(zhǔn)的情況，也 可以長時間地將該電動轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向感覺保持在滿意的水平。

圖1為本實(shí)用新型的磁電式非接觸扭矩傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的磁電式非接觸扭矩傳感器的電原理示意圖；圖3為本實(shí)用新型的磁電式非接觸扭矩傳感器在電動轉(zhuǎn)向裝置中的裝配圖；圖4為本實(shí)用新型的磁電式非接觸扭矩傳感器中的傳感線圈的檢測特性和磁電 式非接觸特性曲線的曲線圖。圖5為本實(shí)用新型的電動轉(zhuǎn)向裝置的整體構(gòu)造示意圖；圖6為實(shí)施例中磁電式非接觸檢測環(huán)和傳感線圈的位置關(guān)系示意圖；圖7為表示靈敏度變化率中的變量相對于磁電式非接觸檢測環(huán)寬度(Wl)和傳感 線圈寬度(W2)之間的比率D( = W1/W2)的曲線圖；圖8為表示比率D的靈敏度變化率和位置失調(diào)之間的關(guān)系的曲線圖；圖9為表示傳感器的靈敏度變化率和傳統(tǒng)的磁電式非接觸扭矩傳感器中的旋轉(zhuǎn) 軸軸向上的磁電式非接觸檢測環(huán)與傳感線圈之間的位置失調(diào)關(guān)系的曲線圖；圖10為表示傳感器的靈敏度變化率和傳統(tǒng)的磁電式非接觸扭矩傳感器中磁電式 非接觸檢測環(huán)與傳感線圈之間的間隙的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。首先，參照圖1至圖3，描述磁電式非接觸扭矩傳感器的構(gòu)造。磁電式非接觸扭矩傳感器10由旋轉(zhuǎn)軸11以及環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸11的周邊布置的兩個 傳感線圈13A、13B構(gòu)成。當(dāng)磁電式非接觸扭矩傳感器10用作汽車電動轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向 傳感器時，旋轉(zhuǎn)軸11構(gòu)成轉(zhuǎn)向軸的一部分。在圖3中表示這種狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)軸11具有圓柱桿形狀，并且繞軸Ila受到右手旋轉(zhuǎn)(順時針)或左手旋轉(zhuǎn) (逆時針)的旋轉(zhuǎn)力(扭矩)，如箭頭A所示。旋轉(zhuǎn)軸11由例如鎳鉻鋼制成的金屬扭力桿 形成。磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C由三部分組成，均在旋轉(zhuǎn)軸11的軸向上具有特定 的寬度，并裝配在旋轉(zhuǎn)軸11的整個周向上，根據(jù)特定的條件任意地設(shè)置三個磁電式非接觸 檢測環(huán)14A、14B、14C之間的空間的尺寸。例如，通過銷釘將磁電式非接觸檢測環(huán)的三部分14A、14B、14C作為磁電式非接觸檢測環(huán)部分銷接在旋轉(zhuǎn)軸11的表面上即可形成磁電式非接觸檢測環(huán)的磁電式非接觸區(qū) 域。在磁電式非接觸扭矩傳感器10中，將旋轉(zhuǎn)軸11的軸向上的磁電式非接觸檢測環(huán) 14A、14B、14C的寬度Wl設(shè)置成大于相同軸向上的傳感線圈13A、13B的寬度W2。本實(shí)施例中 提出，磁電式非接觸檢測環(huán)的軸向?qū)挾萕l與傳感線圈的軸向?qū)挾萕2滿足如下關(guān)系式1. 1 < (W1/W2) < 1. 2。如圖1、圖6所示，傳感線圈13A、13B的寬度尺寸小于磁電式非接觸檢測環(huán)14A、 14BU4C的寬度尺寸。檢測環(huán)14C中間帶有凹槽，它與14A、14B之間存在一定裝配間隙，由 此來定位Wl的變化范圍。傳感線圈13A與檢測環(huán)14A之間、13B與14B之間具有一插入間 隙。使用環(huán)形支架15A、15B將傳感線圈13A、13B環(huán)繞磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C周 圍的周邊空間纏繞，將所述支架15A、15B設(shè)置到旋轉(zhuǎn)軸11的周邊，以便環(huán)繞該旋轉(zhuǎn)軸11。 在圖2中，示意性地示出傳感線圈13A、13B與旋轉(zhuǎn)軸11的磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、 14C的電關(guān)系。將不斷地提供AC激勵電流的AC電源16連接到由磁電式非接觸檢測環(huán)14A、 14B、14C各自的激勵線圈13A、13B。同樣，從分別提供到磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C 的傳感線圈13A、13B的輸出終端輸出對應(yīng)于感應(yīng)的扭矩的感生電壓VA、VB。將從傳感線圈 13AU3B輸出的感生電壓VA、VB提供至扭矩計算單元17。扭矩計算單元在感生電壓VA、VB 的基礎(chǔ)上計算施加于旋轉(zhuǎn)軸11的扭矩，并且根據(jù)該扭矩輸出信號(T)。扭矩計算單元17由 微處理器或者其它計算裝置或計算電路構(gòu)成。在旋轉(zhuǎn)軸11的表面上固定的磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C是通過使用 AL-Ni-Fe磁性材料伸縮薄膜形成的齒型磁電式非接觸檢測環(huán)。當(dāng)通過旋轉(zhuǎn)力將扭矩施加于 旋轉(zhuǎn)軸11時，使用環(huán)繞磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的周邊布置的傳感線圈13A、13B 感應(yīng)在磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C中產(chǎn)生的相反的磁電感應(yīng)特性。下面參照圖3對特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，其中將磁電式非接觸扭矩傳感器10作為轉(zhuǎn)向 扭矩傳感器合并到電動轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向軸。圖3中與圖1和2所述的實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)件用 相同的附圖標(biāo)記表示。圖3及圖5示出轉(zhuǎn)向扭矩轉(zhuǎn)感器及用于轉(zhuǎn)向軸21的支撐結(jié)構(gòu)、小齒輪齒條結(jié)構(gòu) 34、動力傳送機(jī)構(gòu)35以及轉(zhuǎn)向力輔助電機(jī)42的具體構(gòu)造。在圖3中，將轉(zhuǎn)向軸21的頂部連接到車輛的轉(zhuǎn)向輪(未示出)。配置轉(zhuǎn)向軸21的 底部，以便將轉(zhuǎn)向力經(jīng)由齒條和齒輪機(jī)構(gòu)34傳送到包括齒條軸的車輛軸。磁電式非接觸扭 矩傳感器20配置在齒輪箱體的項(xiàng)部。轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20對應(yīng)組件包括磁電式非接觸檢測 環(huán) 14A、14B、14C、14C 及線圈 13AU3B 等。在形成齒輪箱31的殼體37中，由兩個軸承可旋轉(zhuǎn)地支撐轉(zhuǎn)向軸21。將齒條和齒 輪機(jī)構(gòu)34以及動力傳送機(jī)構(gòu)35容納在殼體37的內(nèi)部。將轉(zhuǎn)向軸21 (對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)軸11) 的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20設(shè)置到殼體37的上側(cè)。將上述磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C形 成在轉(zhuǎn)向軸21上，并且通過擋板15和軛36A、36B支撐與磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C 對應(yīng)的傳感線圈13A、13B。在轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20中，將所示的磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的寬度相對 于傳感線圈13A、13B的寬度放大，并且設(shè)置磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的寬度和傳 感線圈13A、13B的寬度之間的尺寸關(guān)系被設(shè)置為滿足稍后所述的條件。[0044]動力傳送機(jī)構(gòu)35包括在傳送軸43上固定的蝸桿齒輪44，該傳送軸連接到轉(zhuǎn)向力 輔助電機(jī)42的輸出軸，并且還包括在轉(zhuǎn)向軸21上固定的蝸輪45。將轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20附 著在齒輪箱殼體37的圓柱形部分的內(nèi)部。轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20感應(yīng)施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩，將感應(yīng)的值輸入到控制裝 置(在圖3中未示出)，并且用作參考信號，以便在電機(jī)42中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮o助轉(zhuǎn)向扭矩。 當(dāng)來自轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向扭矩施加于轉(zhuǎn)向軸21時，轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20電感應(yīng)磁電式 非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的磁特性變化，該變化對應(yīng)于轉(zhuǎn)向軸21的扭轉(zhuǎn)。將該變化做為 來自傳感線圈13A、13B的輸出終端的感生電壓VA、VB的變化而感應(yīng)。圖4示出根據(jù)兩個傳感線圈13A、13B中的每一個獲得的電信號而做出的磁電式非 接觸特性曲線51A、51B。該磁電式非接觸特性曲線51A、51B對應(yīng)于感生電壓的變化特性，并 且其分別來自傳感線圈13A、13B的傳感輸出。轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20在兩個磁電式非接觸特性曲線51A、51B的基礎(chǔ)上計算來自兩 個傳感線圈的輸出感生電壓之間的差異，并且依據(jù)計算值的符號和大小，感應(yīng)施加于轉(zhuǎn)向 軸21的轉(zhuǎn)向扭矩的旋轉(zhuǎn)方向(向右或向左)和大小。當(dāng)轉(zhuǎn)向扭矩作用于轉(zhuǎn)向軸21時，在轉(zhuǎn)向軸21中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)彈性形變。從而，在磁電 式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C中產(chǎn)生磁電式感應(yīng)效應(yīng)。由于在轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20中不斷地 將激勵電流從AC電源16提供至線圈13A、13B，因此由于磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C 中的磁電式非接觸效應(yīng)引起的磁場變化被傳感線圈13A、13B感應(yīng)并表現(xiàn)為感生電壓VA、VB 的變化。根據(jù)轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20，在感生電壓VA、VB的變化的基礎(chǔ)上將兩個感生電壓VA、 VB之間的差作為傳感電壓值輸出。從而，可以在轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20的輸出電壓(VA-VB)的 基礎(chǔ)上感應(yīng)施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩(T)的方向和大小?，F(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地描述附圖4。如上所述，附圖4是分別表示磁電式非接觸檢測 環(huán)14A、14B、14C的磁電式非接觸特性曲線51A、51B的示圖。在圖4中，水平軸表示施加于 轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩，其中正側(cè)(+)對應(yīng)于右旋轉(zhuǎn)，而負(fù)側(cè)(_)對應(yīng)于左旋轉(zhuǎn)。圖4中的 垂直軸表示電壓軸。磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的磁電式非接觸特性曲線51A、51B同步表示 出傳感線圈13A、13B的傳感輸出特性。特別地，通過激勵線圈13A、13B將激勵交變電流提 供給具有磁電式非接觸特性曲線51A、51B的磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C ；傳感線圈 13A、13B通過輸出感生電壓而對應(yīng)響應(yīng)于該激勵交變電流。因此，傳感線圈13A、13B的感生 電壓的變化特性對應(yīng)于磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的磁電式非接觸特性曲線51A、 51B。換句話說，磁電式非接觸特性曲線51A表示從傳感線圈13A輸出的感生電壓VA的變 化特性，而的磁電式非接觸特性曲線51B表示從傳感線圈13B輸出的感生電壓VB的變化特 性。根據(jù)磁電式非接觸特性曲線51A，隨著轉(zhuǎn)向扭矩的值從負(fù)值變成正值，并且接近正 值轉(zhuǎn)向扭矩值Tl時，從傳感線圈13A輸出的感生電壓VA的值以大致線性的方式增加，然后 當(dāng)轉(zhuǎn)向扭矩達(dá)到正值Tl時達(dá)到峰值，并且隨著該轉(zhuǎn)向扭矩超過Tl而逐漸降低。根據(jù)磁電 式非接觸特性曲線51B，從傳感線圈13B輸出的感生電壓VB的值隨著轉(zhuǎn)向扭矩的值接近負(fù) 值-Tl而逐漸增加，然后當(dāng)該轉(zhuǎn)向扭矩達(dá)到負(fù)值-Tl時達(dá)到峰值，并且隨著該轉(zhuǎn)向扭矩進(jìn)一 步超過-Tl并且從負(fù)值變成正值時以大致線性的方式降低。[0053]如圖4所示，與傳感線圈13A有關(guān)的磁電式接觸特性曲線51A和與傳感線圈13B 有關(guān)的磁電式非接觸特性曲線51B反映了磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C具有彼此相反 的磁各向異性，并且具有相對于垂直軸實(shí)質(zhì)上線性的對稱關(guān)系，該垂直軸包括所述兩個磁 電式非接觸特性曲線的交叉點(diǎn)。圖4中所示的線52表示一曲線圖，該曲線圖基于在磁電式非接觸特性曲線51A、 51B共有的區(qū)域中獲得的值而產(chǎn)生，并且有實(shí)質(zhì)上線性的特性。通過從作為傳感線圈13A的 輸出電壓獲得的磁電式非接觸特性曲線51A的值中減去作為傳感線圈13B的輸出電壓獲得 的磁電式非接觸特性曲線51B的對應(yīng)值而獲得該曲線的值。當(dāng)該轉(zhuǎn)向扭矩為零時，從傳感 =線圈13A、13B輸出的感生電壓相等，因此它們的差是零。在轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20中，通過使 用磁電式非接觸特性曲線51A、51B在該轉(zhuǎn)向扭矩的平均點(diǎn)(零點(diǎn))具有大致恒定的斜率。 圖4中的垂直軸表示指出線52的特性圖的電壓差的零值的軸。線52是特性曲線圖，其是 穿過原點(diǎn)(0，0)，并且位于垂直軸和水平軸的正向側(cè)的直線。由于將轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20的 傳感輸出值作為從傳感線圈13A、13B輸出的感生電壓之間的差(VA-VB)而獲得，如上所述， 因此可以基于使用直線52的使用而感應(yīng)施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩的方向和大小。如上所述可以獲得與輸入到轉(zhuǎn)向軸21 (旋轉(zhuǎn)軸11)的轉(zhuǎn)向扭矩的旋轉(zhuǎn)方向和大小 對應(yīng)的傳感信號。基于轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20的輸出值獲得該信號。特別地，可以從轉(zhuǎn)向扭矩 傳感器20輸出的傳感值知道施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩的旋轉(zhuǎn)方向和大小。換句話說，將 轉(zhuǎn)向扭矩傳感受器20的傳感值以與轉(zhuǎn)向扭矩一致的垂直線52上的任一點(diǎn)而輸出。當(dāng)該傳 感值位于水平軸的正側(cè)時，確定該轉(zhuǎn)向扭矩向右旋轉(zhuǎn)，且當(dāng)該傳感值位于水平軸的負(fù)側(cè)時， 確定該轉(zhuǎn)向扭矩向左旋轉(zhuǎn)。垂直軸上傳感值的絕對值即該轉(zhuǎn)向扭矩的大小。這樣，可以能 過利用垂直線52的特性在傳感受線圈13A、13B的輸出電壓值的基礎(chǔ)上感應(yīng)轉(zhuǎn)向扭矩。下面參照圖5對安裝在汽車中的電動轉(zhuǎn)向裝置的一般構(gòu)造和操作進(jìn)行的示意性 描述，并且該描述與圖3中的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。圖5中與圖3中描述的構(gòu)件大致相同的構(gòu)件用相 同的附圖標(biāo)記表示。圖5所示電動轉(zhuǎn)向裝置60，包括以便將輔助轉(zhuǎn)向力(轉(zhuǎn)向扭矩)提供到與轉(zhuǎn)向輪 61連接的轉(zhuǎn)向軸21。該轉(zhuǎn)向軸21包括頂端連接到轉(zhuǎn)向輪61的上部轉(zhuǎn)向軸21a，底端設(shè) 置有花鍵軸38，以及連接花鍵軸38和下部轉(zhuǎn)向軸21b的萬向聯(lián)軸器21c。下部轉(zhuǎn)向軸21b 的齒輪軸48具有齒條軸39，該齒條軸具有與該小齒輪嚙合的齒條39a。通過齒輪軸48和 齒條軸39 (齒條39a)形成齒條和齒輪機(jī)構(gòu)34。在齒條軸39的兩端設(shè)置拉桿46，并有將前 輪62附著于該拉桿46的外端。將電機(jī)42經(jīng)由動力傳送機(jī)構(gòu)35提供到下部轉(zhuǎn)向軸21b。通過蝸桿齒輪44和蝸 輪45形成動力傳送機(jī)構(gòu)35。電機(jī)42輸出補(bǔ)充轉(zhuǎn)向扭矩的旋轉(zhuǎn)力(扭矩)，并且通過動力 傳送機(jī)構(gòu)35將該旋轉(zhuǎn)力施加于下部轉(zhuǎn)向軸21b。將轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20設(shè)置到下部轉(zhuǎn)向軸21b。當(dāng)駕駛者操作轉(zhuǎn)向輪61并且將轉(zhuǎn) 向扭矩施加于轉(zhuǎn)向軸21時，轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20感應(yīng)施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn)向扭矩。附圖標(biāo)記63表示用于感應(yīng)汽車速度的速度傳感器，64表示由計算機(jī)構(gòu)成的控制 裝置?？刂蒲b置64接收從轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20輸出的轉(zhuǎn)向扭矩信號T以及從速度傳感器63 輸出的速度信號V，并且輸出驅(qū)動控制信號SG1，以便在基于與轉(zhuǎn)向扭矩有關(guān)的信息和與車 輛速度有關(guān)的信息的基礎(chǔ)上控制電機(jī)42的操作。[0061]電動轉(zhuǎn)向裝置60包括轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20、速度傳感器63、控制裝置64、電機(jī)42、 齒條和齒輪機(jī)構(gòu)34以及其它添加到規(guī)則常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)的組件。當(dāng)駕駛者操作轉(zhuǎn)向輪61以便改變車輛進(jìn)行的方向時，基于施加于轉(zhuǎn)向軸21的轉(zhuǎn) 向扭矩的旋轉(zhuǎn)力通過齒條和齒輪機(jī)構(gòu)34被轉(zhuǎn)變成沿齒條軸39的軸向上的線性運(yùn)動，并且 通過拉桿46改變前輪62的行進(jìn)方向。此時，設(shè)置到轉(zhuǎn)向軸21a的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20同時 感應(yīng)轉(zhuǎn)向扭矩，根據(jù)駕駛者對轉(zhuǎn)向輪61的轉(zhuǎn)向，將該轉(zhuǎn)向扭矩轉(zhuǎn)換成電轉(zhuǎn)向扭矩信號T，并 且將轉(zhuǎn)向拒矩信號T傳遞到控制裝置64。速度傳感器63感應(yīng)車輛速度，將該速度轉(zhuǎn)換成速 度信號V，然后將該速度信號V輸出到控制裝置64?？刂蒲b置64在轉(zhuǎn)向扭矩信號T和速度 信號V的基礎(chǔ)上產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)42的電機(jī)電流。由電機(jī)電流驅(qū)動的電機(jī)42經(jīng)由動力傳送機(jī) 構(gòu)35將輔助轉(zhuǎn)向力施加于下部轉(zhuǎn)向軸21c。如上所述，通過驅(qū)動電機(jī)42降低了由駕駛者施 加于轉(zhuǎn)向輪61的轉(zhuǎn)向力。其次，參照圖6至圖8描述根據(jù)本實(shí)用新型的磁電式非接觸扭矩傳感器10的特性構(gòu)造。圖6是圖1中所示磁電式非接觸扭矩傳感器10的構(gòu)造的側(cè)視圖，其以放大的形式選 擇性地示出磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C和傳感線圈13A、13B的安裝位置關(guān)系。圖7 示出靈敏度變化率相對于磁電式非接觸檢測環(huán)的寬度(Wl)和傳感線圈的寬度(W2)的比率 D( = ffl/W2)的變化曲線圖。附圖8示出比率D的靈敏度變化率和位置失調(diào)之間的關(guān)系曲 線圖。在圖1中描述過的構(gòu)件在圖6中用相同的附圖標(biāo)記表示。圖6中磁電式非接觸檢 測環(huán)14A、14B、14C的寬度尺寸由Wl'，Wl 〃表示，傳感線圈13A、13B的寬度尺寸由W2 ‘， W2"表示。在圖6中，箭頭71表示提供到磁電式非接觸檢測環(huán)14A的磁各向異性的方向， 而箭頭72表示提供到磁電式非接觸檢測環(huán)14B的磁各向異性的方向。如圖6所示，磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C的寬度Wl( = Wl' +Wl〃)大于 傳感線圈13A、13B的寬度W2( = W2' +W2〃)，設(shè)置所述寬度，以使得比率D( = W1/W2)滿 足下面的條件1. 1 < D < 1. 2。該條件的滿足大大提高了磁電式非接觸扭矩傳感器10的靈 敏度。接下來將描述上述比率條件是最優(yōu)選的原因，并描述和導(dǎo)出該條件的基礎(chǔ)。首先，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B、14C具有下面的特性穿過旋轉(zhuǎn)軸 11的軸向上檢測環(huán)的寬度的靈敏度是不統(tǒng)一的，而是中間高兩端低。靈敏度在磁電式非接 觸檢測環(huán)14A、14B、14C的兩端低的原因是，因?yàn)榫植看帕€存在于兩端，并且當(dāng)通過施加 的扭矩在磁電式非接觸檢測環(huán)中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，由磁電式非接觸檢測環(huán)14A、14B產(chǎn)生的相反 的磁電特性被磁力線降低。相反地，如果傳感線圈太窄，則出現(xiàn)在傳感線圈和磁電式非接觸 檢測環(huán)中的磁力線的比率會降低，且靈敏度也會降低。通過將磁電式非接觸檢測環(huán)和傳感線圈之間的間隙設(shè)置成0. 4mm，測量圖7中磁 電式非接觸檢測環(huán)的寬度Wl和傳感線圈的寬度W2之間的比率D的靈敏感度變化率的變量 變化。在通過圖7所示的最小二乘方法獲得的曲線圖73中，錄敏度的變化率當(dāng)D= 1時超 過1，隨著D從1增加而增加，并且當(dāng)D = Ll時達(dá)到最大值。在此之后，隨著D的增加，靈 敏度的變化率隨著D的增加而降低，并且當(dāng)D超過1. 4時小于1. 1。如上所述，磁電式非接 觸扭矩傳感器10的靈敏度的變化率增加或降低，取決于比率D的值；即取決于磁電式非接 觸檢測環(huán)的寬度Wl和傳感線圈的寬度W2的比率(W1/W2)，并且當(dāng)1. 1 < D < 1. 2時基本大于1。在附圖8中表示位置失調(diào)和比率D的靈敏度變化率的關(guān)系曲線圖中，曲線81對應(yīng)于Omm的位置失調(diào)，曲線82對應(yīng)于0. 5mm的位置失調(diào)。術(shù)語“位置失調(diào)”是指磁電式非接 觸檢測環(huán)14A、14B、14C和傳感線圈13A、13B之間沿旋轉(zhuǎn)軸11的軸向的位置失調(diào)。從附圖 8中的曲線81至84可以清楚地看出，當(dāng)比率D在1 < D < 1. 2的范圍內(nèi)時，在0至Imm的 位置失調(diào)范圍內(nèi)的靈敏度變化率基本大于1。在傳統(tǒng)的磁電式非接觸扭矩傳感器中，當(dāng)位置失調(diào)超過0. 75mm時，靈敏度的變化 率降到0. 98以下。參照圖8，通過將D設(shè)置為最優(yōu)值，即使在位置失調(diào)超過1. 5mm的情況 下，靈敏度的變化率也不會降到0. 98以下的范圍。根據(jù)如上所述的圖7和圖8中的曲線圖，使用根據(jù)本實(shí)施方式的磁電式非接觸扭 矩傳感器10可以將最優(yōu)值的范圍設(shè)置為1 < D < 1. 2，該范圍位于傳感器的靈敏度變化率 之上。在這里，將其作為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向扭矩傳感器20時，基于將1. Omm設(shè)置為期望的最大位 置失調(diào)，可以將1. 1 < D < 1. 25范圍中的值設(shè)置為更優(yōu)選的值，其中，在該范圍內(nèi)，靈敏度 的變化率不會降到0. 98以下。由于對應(yīng)于靈敏度最大變化率的值D大約是1. 1，如圖7所示，如上所述增加磁電 式非接觸檢測環(huán)的寬度Wl使其大于傳感線圈的寬度W2，可以獲得具有最高可能的傳感器 靈敏度特性的磁電式非接觸扭矩傳感器。同樣，將值D設(shè)置成最優(yōu)水平可以使得即使在靈 敏度的變化率隨著圖10所示的間隙增加而降低的情況下，也可以將靈敏底的變化率保持 在0. 98或者0. 98以上。
權(quán)利要求一種磁電式非接觸扭矩傳感器，包括通過施加扭矩而旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸(11)，以及環(huán)繞該旋轉(zhuǎn)軸(11)的磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)，磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)外側(cè)設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸同軸向的傳感線圈(13A、13B)，傳感線圈(13A、13B)與磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)之間具有一段間隙，傳感線圈(13A、13B)的信號輸出端與扭矩計算單元(17)連接，其特征在于所述的磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)的軸向?qū)挾萕1大于傳感線圈(13A、13B)的軸向?qū)挾萕2。
2.如權(quán)利要求1所述的磁電式非接觸扭矩傳感器，其特征在于所述的磁電式非接觸 檢測環(huán)(14A、14B、14C)的軸向?qū)挾萕l與傳感線圈(13A、13B)的軸向?qū)挾萕2滿足如下關(guān)系 式1· 1 < (W1/W2) < 1. 2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磁電式非接觸扭矩傳感器，其特征在于所述的磁電式非 接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)是在所述旋轉(zhuǎn)軸(11)表面上形成的Al-Ni-Fe磁性材料伸縮薄 膜。
4.一種使用上述磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，包括與轉(zhuǎn)向輪連接的轉(zhuǎn)向 軸(21)，以及以轉(zhuǎn)向軸(21)作為旋轉(zhuǎn)軸的磁電式非接觸扭矩傳感器(20)，磁電式非接觸扭 矩傳感器(20)與由計算機(jī)構(gòu)成的控制裝置(64)連接，控制裝置(64)連接用于將輔助轉(zhuǎn) 向力施加于轉(zhuǎn)向軸(21)的電機(jī)(42)，其特征在于所述的磁電式非接觸扭矩傳感器(20) 包括環(huán)繞轉(zhuǎn)向軸的磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)，磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、 14C)外側(cè)設(shè)有與轉(zhuǎn)向軸同軸向的傳感線圈(13A、13B)，傳感線圈(13A、13B)與磁電式非接 觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)之間具有一段間隙，傳感線圈(13A、13B)的信號輸出端與控制裝 置(64)的扭矩計算單元連接，所述的磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)的軸向?qū)挾萕l 大于傳感線圈(13A、13B)的軸向?qū)挾萕2。
5.如權(quán)利要求4所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于 所述的磁電式非接觸扭矩傳感器(20)的磁電式非接觸檢測環(huán)(14A、14B、14C)的軸向?qū)挾?Wl與傳感線圈(13AU3B)的軸向?qū)挾萕2滿足如下關(guān)系式1. 1 < (W1/W2) <1.2。
6.如權(quán)利要求4或5所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其特征在 于所述的將輔助轉(zhuǎn)向力施加于轉(zhuǎn)向軸的電機(jī)(42)通過動力傳送機(jī)構(gòu)(35)與轉(zhuǎn)向軸(21) 連接，動力傳送機(jī)構(gòu)(35)包括固定在電機(jī)傳送軸(43)上的蝸桿齒輪(44)，以及固定在轉(zhuǎn)向 軸(21)上的蝸輪(45)，蝸桿齒輪(44)與蝸輪(45)相互連接。
7.如權(quán)利要求6所述的使用磁電式非接觸扭矩傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置，其特征在于 所述的轉(zhuǎn)向軸的下部(21b)通過齒條和齒輪機(jī)構(gòu)(34)連接拉桿(46)，拉桿(46)的外端與 車輛的前輪(62)連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于車輛助力轉(zhuǎn)向的磁電式非接觸扭矩傳感器以及使用該傳感器的電動轉(zhuǎn)向裝置。該磁電式非接觸扭矩傳感器包括通過施加扭矩而旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸以及環(huán)繞該旋轉(zhuǎn)軸的磁電式非接觸檢測環(huán)，磁電式非接觸檢測環(huán)外側(cè)設(shè)有與旋轉(zhuǎn)軸同軸向的傳感線圈，傳感線圈與磁電式非接觸檢測環(huán)之間具有一段間隙，傳感線圈的信號輸出端與扭矩計算單元連接，所述的磁電式非接觸檢測環(huán)的軸向?qū)挾萕1大于傳感線圈的軸向?qū)挾萕2，且滿足關(guān)系式1.1＜(W1/W2)＜1.2。本實(shí)用新型能夠提高傳感器的靈敏度，并且可以增加電動轉(zhuǎn)向裝置裝配期間的位置失調(diào)容差。
文檔編號G01L3/10GK201594026SQ20092027829
公開日2010年9月29日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者李軍, 李軍良, 李翊 申請人:東莞市精航達(dá)電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司;東莞市易方鑫達(dá)汽車科技有限公司;李軍