CN108254198A - 一种扭矩和角度测量系统及扭矩和角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扭矩和角度测量系统，包括输入轴及输出轴，输入轴与输出轴间连接有一扭杆，其中，输入轴与输出轴分别设有输入转子及输出转子，扭矩和角度测量系统还包括：第一角度测量设备、第二角度测量设备、齿轮组及控制模块；第一角度测量设备设于输入轴与输出轴间，第一角度测量设备分别测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度；齿轮组与输入轴啮合连接，输入轴基于齿轮组的传动比i传动齿轮组；第二角度测量设备设于齿轮组外，测量齿轮组旋转角度；控制模块接收输入转子旋转角度、输出转子旋转角度和齿轮组旋转角度，根据输入转子旋转角度、齿轮组旋转角度和输出转子旋转角度的差值测量扭矩和绝对角度。因此，扩大了扭矩和角度的测量范围。

Description

一种扭矩和角度测量系统及扭矩和角度测量方法

技术领域

本发明涉及车辆工程领域，尤其涉及一种扭矩和角度测量系统及扭矩和角度测量方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速增长、汽车电子行业及相关产业的急速发展，用户对于车辆的要求逐渐提高。尤其是汽车电子助力转向系统逐渐成为车辆的标配。在此发展形势下，对于车辆扭矩的测量也是用户对于汽车电子助力转向系统中必要的配置。为了测量车辆的扭矩，扭矩角度传感器被广泛的使用到，其主要作用是测量汽车方向盘转动的角度和受到的扭矩大小。然而现有的用于EPS的扭矩角度传感器，有以下的不足：

1.扭矩的测量范围不能满足所有应用车型的要求，目前主流的扭矩角度传感器的扭矩测量范围在±8°以内，对于更大的扭矩测量范围比如±10°，没有满足其需求的产品，一旦超过上述区间，将无法进行测量；

2.方向盘转动的绝对角度测量范围不能满足所有应用车型的要求，目前主流的扭矩角度传感器的角度测量范围在1600°以内，只能满足方向盘5圈左右的需求，而对于比如重型卡车7圈左右的需求，没有满足其要求的产品。

因此，需要一种用于车辆的新型扭矩和角度测量系统，可扩大扭矩和绝对角度的测量范围，满足用户的需求。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种扭矩和角度测量系统及扭矩和角度测量方法，可测量如重型卡车的各种车型在各种工况下的方向盘扭矩和绝对角度。

本发明公开了一种扭矩和角度测量系统，包括输入轴及输出轴，所述输入轴与输出轴间连接有一扭杆，其中，所述输入轴与输出轴互相相对的端部分别设有输入转子及输出转子，所述输入转子与所述输入轴同轴旋转，所述输出转子与所述输出轴同轴旋转，所述扭矩和角度测量系统还包括：第一角度测量设备、第二角度测量设备、齿轮组及控制模块；所述第一角度测量设备设于所述输入轴与输出轴间，所述第一角度测量设备产生一测量磁场，根据所述输入转子与输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压，分别测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度，其中所述输入转子包括第一扇叶组，所述输出转子包括第二扇叶组，所述第一扇叶组的数量是第二扇叶组数量的两倍；所述齿轮组与所述输入轴啮合连接，所述输入轴基于所述齿轮组的传动比i传动所述齿轮组；所述第二角度测量设备设于所述齿轮组外，测量齿轮组旋转角度；所述控制模块接收所述输入转子旋转角度、输出转子旋转角度和齿轮组旋转角度，根据所述输入转子旋转角度、齿轮组旋转角度和输出转子旋转角度的差值测量扭矩和绝对角度。

优选地，所述第一角度测量设备包括激励线圈、接收线圈、控制芯片及PCB板；所述激励线圈设于所述PCB板上，产生所述测量磁场；所述接收线圈设于所述PCB板上，并与所述接收线圈设于同一端面，测量所述输入转子和输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压；所述控制芯片设于所述PCB板上，接收所述感应电压，以测量所述输入转子旋转角度和输出转子旋转角度。

优选地，所述PCB板中部设有通孔，所述扭杆贯穿所述通孔。

优选地，所述齿轮组包括驱动齿轮及从动齿轮；所述输入轴包括延伸部，相对于所述输入轴转子而设，所述驱动齿轮套设于所述延伸部上与所述输入轴同轴旋转；所述从动齿轮以所述传动比i与所述驱动齿轮咬合。

优选地，所述传动比i＝45:37、45：41或45:43中的一种。

优选地，所述第一扇叶组包括m片第一金属叶片，所述第二扇叶组包括n片第二金属叶片；所述控制模块根据所述第二金属叶片的周期角度及所述齿轮组的周期角度和所述第一金属叶片的周期角度的结合计算所述差值和绝对角度。

优选地，所述m＝10，所述n＝5。

本发明还公开了一种扭矩和角度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：一第一角度测量设备于一输入轴与一输出轴间产生测量磁场，并根据所述输入转子和输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度，其中输入转子包括的第一扇叶组的数量是输出转子包括的第二扇叶组的数量的两倍；

步骤2：将一齿轮组与输入轴啮合连接，所述输入轴基于所述齿轮组的传动比i传动所述齿轮组；

步骤3：一第二角度测量设备测量所述齿轮组的齿轮组旋转角度；

步骤4：一控制模块根据输入转子旋转角度、齿轮组旋转角度和输出转子旋转角度的差值测量扭矩和绝对角度。

优选地，所述步骤1中，所述第一角度测量设备测量所述输入轴上的输入转子的第一金属叶片的周期角度和所述输出轴上的输出转子的第二金属叶片的周期角度，以测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度。

优选地，所述步骤2中，齿轮组包括驱动齿轮及从动齿轮，所述第二角度测量设备测量所述从动齿轮的旋转角度，以得到所述齿轮组旋转角度。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.扩大了扭矩的测量范围，测量范围可知±10°甚至±15°；

2.扩大了方向盘绝对角度的测量范围，即便是重型卡车的方向盘在一个方向打满3.5-4圈，也可测量打满时的方向盘绝对角度。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中输入轴、输出轴及第一角度测量设备的结构示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中第一角度测量设备的结构示意图；

图3为符合本发明一优选实施例中扭矩和角度测量系统的爆炸图。

附图标记：

10-输入轴、11-输入转子、12-第一扇叶组；

20-输出轴、21-输出转子、22-第二扇叶组；

30-扭杆；

40-第一角度测量设备、41-激励线圈、42-接收线圈、43-控制芯片、44-PCB板、45-通孔；

50-第二角度测量设备；

60-齿轮组、61-驱动齿轮、62-从动齿轮。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

参阅图1及图2，汽车转向系统包括了转向管柱，该转向管柱包括有输入轴10及输出轴20，两者之间通过扭杆30连接，当方向盘受力后，扭杆30会发生形变。该实施例中对扭杆30的测量系统，将上述输入轴10及输出轴20涵盖在内，且输入轴10与输出轴20互相相对的端部上设有输入转子11及输出转子21，即输入轴10与输出轴20互相面对的端部上设有该输入转子11及输出转子21，同时，输入转子11与输入轴10、输出转子21与输出轴20分别同轴旋转，使得输入轴10与输出轴20间的扭矩可转化为输入转子11与输出转子21间的扭矩，对输入转子11与输出转子21间的扭矩测量即可完成方向盘转向的扭矩测量。

为了对输入转子11和输出转子21的扭矩测量，扭矩测量系统还包括：

-第一角度测量设备40

设置在输入轴10与输出轴20间，并产生一测量磁场，该磁场可感应处于磁场内的所有部件对磁力线的切割效果。因此，其产生的磁场可覆盖至输入轴10与输出轴20的位置，当方向盘旋转驱动输入转子11及输出转子21旋转时，输出转子21及输入转子11的旋转将切割磁场，根据电磁感应原理，测量磁场在输出转子21及输入转子11上感应出感应电流及感应电压，通过感应出的感应电压的大小，可获知输入转子11及输出转子21在磁场中的位置，进而可获知输入转子11及输出转子21的旋转角度。

在该实施例中，输入转子11包括第一扇叶组12，输出转子21包括第二扇叶组22，以确保对测量磁场切割时，第一扇叶组12和第二扇叶组22内包含的多个金属叶片间隔性地切割测量磁场，而金属叶片与金属叶片间的空隙则可更准确地作为判断扇叶切割测量磁场的计算依据。

基于上文所述的，第一扇叶组12包括的第一金属叶片数量是第二扇叶组22包括的第二金属叶片的两倍，例如，第一扇叶组12包括m片第一金属叶片，第二叶片组包括n片第二金属叶片，其中m＝2n。在测量扭矩时，第一扇叶组12旋转并切割测量磁场的周期角度为第二扇叶组22旋转并切割测量磁场的周期角度为本文所指的周期角度，意为相邻两金属叶片切割同一测量磁场时的间隔角度，例如，第一扇叶组12包括18片第一金属叶片，且第一扇叶组12呈对称设置，即每一第一金属叶片间的周期角度均相同，为20°。经过一周期角度，又回到一完全相同的第一金属叶片处。

第一金属叶片数量是第二金属叶片数量两倍的好处在于，输入转子11的接收线圈42和输出转子21的接收线圈42可以间隔布置，不会相互干扰。输入转子11的周期角度是输出转子21的周期角度的在输入转子11与输出转子21同时切割测量磁场时，第一金属叶片将同时或间隔性地与第二金属叶片切割测量磁场，更方便第一角度测量设备40对输入转子11旋转角度与输出转子21旋转角度的测量。基于此，第一金属叶片的数量可以是18片，第二金属叶片的数量可以是9片，最优选地，第一金属叶片的数量可以是10片，第二金属叶片的数量为5片则使得输入转子11的周期角度为36°，而输出转子21的周期角度为72°。

-齿轮组60

参阅图3，齿轮组60与输入轴10啮合连接，并与方向盘转向系统连接，当方向盘转动时，首先将与其咬合的齿轮组60驱动旋转，进而带动输入轴10旋转。通常使用者在进行车辆转弯时，小型车辆的方向盘的转动圈数为左右3圈(±1080°)，大型车辆的方向盘的转动圈数为左右4圈(±1440°)。后通过输入轴10与齿轮组60间的传动比i，将方向盘的旋转角度转化为输入轴10的另一旋转角度。例如，当方向盘的转动296°时，齿轮组60基于传动比i转动296°*i，当i＝45：37时，从动齿轮62转动360°，产生一个周期的信号，相当于从动齿轮62的周期为296°。

-第二角度测量设备50

第二角度测量设备50设于齿轮组60的外部，测量齿轮组60中从动齿轮62的旋转角度。此角度结合第一扇叶组12旋转并切割测量磁场的周期角度为可反演出方向盘转动的大角度。

通过上述设备的设置，可测得以下数据：

1)输入转子11的输入转子11旋转角度；

2)输出转子21的输出转子21旋转角度；

3)齿轮组60中从动齿轮62的旋转角度。

通过计算上述数据1)和数据2)，两者的差值即为扭杆形变角度，即扭矩，而数据1)和3)的最小公倍数，即为方向盘的绝对角度。

该实施例中的扭矩和角度测量系统，还包括了：

-控制模块

控制模块与第一角度测量设备40及第二角度测量设备50通信连接，接收上述测得的数据，并根据输入转子11旋转角度与输出转子21旋转角度的差值计算扭矩，并结合齿轮组60中从动齿轮62的旋转角度，计算出在方向盘转动的绝对角度。

继续参阅图2，一优选实施例中，第一角度测量设备40包括：激励线圈41、接收线圈42、控制芯片43及PCB板44。激励线圈41与接收线圈42设于PCB板44上的同一端面并面向输入转子11，其中激励线圈41产生测量磁场，接收线圈42测量输入转子11及输出转子21切割测量磁场产生的感应电压。接收线圈42同时与同样设置在PCB板44上的控制芯片43通信连接，接收测得的感应电压的数据，并根据感应电压的大小计算输入转子11旋转角度与输出转子21旋转角度。通过该实施例中的第一角度测量设备40替换霍尔传感器，原本使用霍尔传感器所无法得知的输入转子11旋转角度与输出转子21旋转角度可呈现至使用者。

安装该第一角度测量设备40时，在PCB板44的中部设有一通孔45，则扭杆30贯穿通孔45，使得第一角度测量设备40可安装在输入轴10与输出轴20间，并在第一角度测量设备40外部，可另设一安装支架，稳固第一角度测量设备40的位置。

另一优选或可选实施例中，齿轮组60的传动比i由其内包含的驱动齿轮61及从动齿轮62形成。输入轴10与齿轮组60间通过输入轴10包括的延伸部连接。具体地，输入轴10面向齿轮组60的端部向齿轮组60延伸直至与齿轮组60啮合，从动齿轮62与驱动齿轮61啮合，而驱动齿轮61套设在延伸部上与输入轴10同轴旋转。驱动齿轮61与从动齿轮62的齿轮数之比为i，以形成传动比i。例如，传动比i＝45:37，当方向盘旋转296°时，从动齿轮62旋转360°，即从动齿轮62产生一个周期296°的信号，其他传动比如45：41或45:43等皆可适用。当传动比为45:41时，方向盘旋转328°，从动齿轮62旋转360°，即从动齿轮62产生一个周期328°的信号，当传动比为45:43时，方向盘旋转344°，从动齿轮62旋转360°，即从动齿轮62产生一个周期344°的信号。

具有上述配置后，当方向盘转动时，第一角度测量设备40将测量输入转子11的旋转角度，以及输出转子21的旋转角度。例如，m＝10，n＝5时，第一角度测量设备40将测量输入转子11以36°为周期的旋转角度，以及输出转子21以72°为周期的旋转角度，两者之间的差为因扭矩产生的输入轴10与输出轴20间的旋转差值。同时，结合测量的从动齿轮62的度数，如296°(经传动比i传动后)，对应至方向盘的转向度数，从而使得使用者可获知在方向盘某一旋转角度下的绝对角度。因为，基于输入转子11的周期角度36°和从动齿轮62的周期角度296°的最小公倍数2664°，在0-2664°的范围内，输入转子11的周期角度及周期个数和从动齿轮62的周期角度及周期个数均为一一对应的，在上述范围内，均可不重复地测量方向盘旋转角度。

使用上述扭矩和角度测量系统时，可通过以下步骤执行：

步骤1：在造成扭矩的输入轴10和输出轴20间设置一第一角度测量设备40，且该第一角度测量设备40可产生测量磁场，当设置于输入轴10上的输入转子11与设置于输出轴20上的输出转子21切割测量磁场时，将产生感应电压，通过第一角度测量设备40对感应电压的测量，可测量输入转子11和输出转子21的旋转角度。且在该步骤中，输出转子21包括的第一扇叶组12的数量是输出转子21包括的第二扇叶组22的数量的两倍，使得输入转子11所旋转的周期角度是输出转子21所旋转的周期角度的1/2。

步骤2：一齿轮组60与输入轴10啮合连接，通过齿轮组60的传动比i传动齿轮组60，则齿轮组60的旋转角度与输入轴10的旋转角度具有以传动比i为正比的关系。

步骤3：一霍尔传感器作为第二角度测量设备50，测量齿轮组60中从动齿轮62的第二旋转角度，以对应车辆方向盘的旋转角度。

步骤4：一控制模块接收上述测得的输入转子11旋转角度、输出转子21旋转角度和齿轮组60中从动齿轮62的旋转角度，并根据输入转子11旋转角度和输出转子21旋转角度的差值计算扭矩，根据输入转子11旋转角度和齿轮组60中从动齿轮62的旋转角度计算方向盘转动的绝对角度。

在上述步骤1中，对输入轴10的旋转角度和输出轴20旋转角度的测量，可转化为对输入转子11包括的第一金属叶片和对输出转子21包括的第二金属叶片的周期角度的测量。

此外，优选或可选地，齿轮组60旋转角度的测量可通过对其内包括的驱动齿轮61和从动齿轮62的测量实现。具体地，驱动齿轮61和从动齿轮62间具有一传动比i，方向盘的旋转角度通过该传动比i转化成另一角度，对该角度的测量即为对方向盘角度的测量。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种扭矩和角度测量系统，包括输入轴及输出轴，所述输入轴与输出轴间连接有一扭杆，其中，所述输入轴与输出轴互相相对的端部分别设有输入转子及输出转子，所述输入转子与所述输入轴同轴旋转，所述输出转子与所述输出轴同轴旋转，其特征在于，

所述扭矩和角度测量系统还包括：第一角度测量设备、第二角度测量设备、齿轮组及控制模块；

所述第一角度测量设备设于所述输入轴与输出轴间，所述第一角度测量设备产生一测量磁场，根据所述输入转子与输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压，分别测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度，其中

所述输入转子包括第一扇叶组，所述输出转子包括第二扇叶组，所述第一扇叶组的数量是第二扇叶组数量的两倍；

所述齿轮组与所述输入轴啮合连接，所述输入轴基于所述齿轮组的传动比i传动所述齿轮组；

所述第二角度测量设备设于所述齿轮组外，测量齿轮组旋转角度；

所述控制模块接收所述输入转子旋转角度、输出转子旋转角度和齿轮组旋转角度，根据输入转子旋转角度、齿轮组旋转角度和输出转子旋转角度的差值测量扭矩和绝对角度。

2.如权利要求1所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述第一角度测量设备包括激励线圈、接收线圈、控制芯片及PCB板；

所述激励线圈设于所述PCB板上，产生所述测量磁场；

所述接收线圈设于所述PCB板上，并与所述接收线圈设于同一端面，测量所述输入转子和输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压；

所述控制芯片设于所述PCB板上，接收所述感应电压，以测量所述输入转子旋转角度和输出转子旋转角度。

3.如权利要求2所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述PCB板中部设有通孔，所述扭杆贯穿所述通孔。

4.如权利要求1所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述齿轮组包括驱动齿轮及从动齿轮；

所述输入轴包括延伸部，相对于所述输入轴转子而设，所述驱动齿轮套设于所述延伸部上与所述输入轴同轴旋转；

所述从动齿轮以所述传动比i与所述驱动齿轮咬合。

5.如权利要求4所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述传动比i＝45:37、45：41或45:43中的一种。

6.如权利要求1所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述第一扇叶组包括m片第一金属叶片，所述第二扇叶组包括n片第二金属叶片；

所述控制模块根据所述第二金属叶片的周期角度及所述齿轮组的周期角度和所述第一金属叶片的周期角度的结合计算所述差值以及绝对角度。

7.如权利要求6所述的扭矩和角度测量系统，其特征在于，

所述m＝10，所述n＝5。

8.一种扭矩和角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：一第一角度测量设备于一输入轴与一输出轴间产生测量磁场，并根据所述输入转子与输出转子切割所述测量磁场而产生的感应电压测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度，其中输入转子包括的第一扇叶组的数量是输出转子包括的第二扇叶组的数量的两倍；

步骤2：将一齿轮组与输入轴啮合连接，所述输入轴基于所述齿轮组的传动比i传动所述齿轮组；

步骤3：一第二角度测量设备测量所述齿轮组的齿轮组旋转角度；

步骤4：一控制模块根据输入转子旋转角度、齿轮组旋转角度和输出转子旋转角度的差值测量扭矩以及绝对角度。

9.如权利要求8所述的扭矩和角度测量方法，其特征在于，

所述步骤1中，所述第一角度测量设备测量所述输入轴上的输入转子的第一金属叶片的周期角度和所述输出轴上的输出转子的第二金属叶片的周期角度，以测量输入转子旋转角度和输出转子旋转角度。

10.如权利要求8所述的扭矩和角度测量方法，其特征在于，

所述步骤2中，齿轮组包括驱动齿轮及从动齿轮，所述第二角度测量设备测量所述从动齿轮的旋转角度，以得到所述齿轮组旋转角度。