專利名稱：機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置及其測定方法
技術領域：
本發明涉及機動車轉向軸轉角扭矩測試技術領域，更具體地說，是涉及一種機 動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置以及測定方法。
背景技術：
在現代機動車控制系統中，需要得到精確、可靠的機動車轉向軸轉角信號和扭 矩信號。機動車的轉向軸是這樣設計的，它包括輸入軸、輸出軸以及兩端連接所述輸入 軸和輸出軸的扭桿。所述輸入軸連接方向盤，可與方向盤一起轉動，所述輸出軸連接轉 向系統。當所述扭桿受到扭力變形時，在輸入軸和輸出軸間就產生一旋轉角差，此旋轉 角差與機動車轉向軸所受扭矩成正比，因此測定出旋轉角差即測得扭矩。現有技術中測定轉角、扭矩的傳感裝置中，要么將測定轉角的傳感裝置和測定 扭矩的傳感裝置分別單獨設置，要么采用一套接觸式傳感裝置同時完成轉角和扭矩的測 定。前種方式存在傳感裝置位置不好布置、成本高、連線復雜等問題。而后種方式則存 在可靠性及壽命問題，并且隨著使用時間的逐漸增加，其測量精度會相應逐漸降低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，其 可同時測定機動車轉向軸的轉角和扭矩，并具有較高的可靠性。本發明所要解決的另一技術問題在于提供一種機動車轉向軸轉角扭矩的測定方 法，其可同時實現轉角扭矩的測定。對于本發明機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置來說，上述技術問題是這樣加以解 決的提供一種機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，所述機動車轉向軸包括輸入軸、輸出 軸以及兩端連接所述輸入軸和輸出軸的扭桿，所述傳感裝置包括第一齒輪組、第二齒輪 組以及角位信息處理系統，所述第一齒輪組包括與所述輸入軸固定連接的第一主動輪以及受所述第一主動 輪驅動并具有不同齒數的至少兩個第一從動輪，所述至少兩個第一從動輪齒數的最小公 倍數不小于所述第一主動輪的齒數與所述第一主動輪要求的最大旋轉圈數的乘積；所述第二齒輪組包括與所述輸出軸固定連接的第二主動輪以及受所述第二主動 輪驅動并具有不同齒數的至少兩個第二從動輪，所述至少兩個第二從動輪齒數的最小公 倍數不小于所述第二主動輪的齒數與所述第二主動輪要求的最大旋轉圈數的乘積；所述角位信息處理系統包括單片機、與所述單片機電連接并可探測所述第一、 第二從動輪角位信息的角度偵測單元。對于本發明機動車轉向軸轉角扭矩測定方法來說，上述技術問題是這樣加以解 決的采用上述的傳感裝置，包括以下步驟
1)進行工作狀態的判定，如果第一、第二從動輪的旋轉圈數N已知并可靠，則 采用常規測定方法測定各從動輪的旋轉圈數，其它情況則采用非常規測定方法測定各從動輪的旋轉圈數；2)將所述角位信息處理系統測得的第一、第二從動輪的角位信息J和在步驟1) 中得出的第一、第二從動輪的旋轉圈數N，代入公式M = 360*N+J算出各第一從動輪的 絕對轉角和各第二從動輪的絕對轉角，進而得出輸入軸和輸出軸的轉角信號；3)根據傳動比關系，利用在步驟2)中得出的第一、第二從動輪的絕對轉角得出 輸入軸和輸出軸之間的角差，進而得出輸入軸和輸出軸之間的扭矩信號。這樣，由于本發明采用分別與輸入軸和輸出軸固定連接的第一齒輪組和第二齒 輪組，所述角位信息處理系統包括可探測所述第一、第二從動輪角位信息的角度偵測單 元，從而可通過采用常規或非常規測定方法測定各從動輪的旋轉圈數N，將旋轉圈數N 和通過角位信息處理系統測得的各個從動輪的角位信息J結合即得各從動輪的絕對旋轉角 度，進而得出輸入軸和輸出軸的轉角信號；兩者相減即得出正比于輸入軸和輸出軸之間 扭矩的信號，進而得出輸入軸和輸出軸扭矩的信號，改變了現有技術中采用接觸式傳感 裝置的做法，不僅可同時測得轉角和扭矩，而且可靠性和精度也得到了提高。
圖1是本發明機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置一較佳實施例的立體示意圖；圖2是本發明機動車轉向軸轉角扭矩測定方法一較佳實施例的流程圖。
具體實施例方式為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下 結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施 例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。請參照圖1，為本發明機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置的一較佳實施例，所述機 動車轉向軸包括輸入軸1、輸出軸2以及兩端連接所述輸入軸和輸出軸的扭桿(圖中未示 出)。而且，輸入軸1與輸出軸2之間設有旋轉限位結構，一般情況下，兩者之間的角 差不大于10°。所述傳感裝置包括第一齒輪組3、第二齒輪組4以及角位信息處理系統 5。所述第一齒輪組3包括與所述輸入軸1固定連接的第一主動輪31以及受所述第 一主動輪31驅動并具有不同齒數的三個第一從動輪32、33 (另一個第一從動輪圖中未畫 出)。三個第一從動輪齒數的最小公倍數不小于所述第一主動輪31的齒數與所述第一主 動輪31要求的最大旋轉圈數的乘積。所述第二齒輪組4包括與所述輸出軸2固定連接的第二主動輪41以及受所述第 二主動輪41驅動并具有不同齒數的三個第二從動輪42、43、44。三個第二從動輪齒數的 最小公倍數不小于所述第二主動輪31的齒數與所述第二主動輪41要求的最大旋轉圈數的 乘積。本實施例中，為了運算簡單(詳見后述測定方法部分)，所述第一主動輪31與 所述第二主動輪41具有相同的齒數，其齒數均為360。至少一個第一從動輪與數量對 應的第二從動輪具有相同的齒輪參數，即可以使其中一個第一從動輪與其中一個第二從 動輪具有相同的齒輪參數；也可以使其中兩個第一從動輪與其中兩個第二從動輪具有相同的齒輪參數；還可以使其中三個第一從動輪與其中三個第二從動輪具有相同的齒輪參 數…。本實施例中，三個第一從動輪的齒數分別為與三個第二從動輪的齒數相等。即三 個第一從動輪的齒數分別為9、16、25，而三個第二從動輪42、43、44的齒數也分別為 9、 16、 25。由于輸入、輸出軸(對應第一、第二主動輪)的最大旋轉圈數大約為3至4，而 9、16、25的最小公倍數為3600，即各個從動輪的齒位(即各從動輪轉過整數圈后余下的 齒數)的組合足以表達輸入、輸出軸旋轉10圈時，各個從動輪所轉過的圈數。同一齒 輪組中，各個從動輪的齒位組合可被儲存于單片機內，可供所述角位信息處理系統在測 試工作進行過程中，根據不同從動輪的齒位組合，確定各個從動輪的旋轉圈數(詳見后 述)。如需增加測量輸入、輸出軸的圈數，可選擇減小主動輪的齒數。因此，本實施例 更能靈活地根據角度測量范圍、傳感精度以及裝置體積的要求設計不同結構參數的傳感
直ο很 然，在上述第一齒輪組3和所述第二齒輪組4中，可分別只設置兩個第一從 動輪和兩個第二從動輪，只要滿足同一齒輪組中，該兩個從動輪齒數的最小公倍數不小 于與其對應的主動輪的齒數與該主動輪要求的最大旋轉圈數的乘積即可。同樣道理，還 可在上述第一齒輪組3和所述第二齒輪組4中設置其它數量的第一從動輪和第二從動輪。所述角位信息處理系統5包括單片機、與所述單片機電連接并可探測所述第 一、第二從動輪角位信息的角度偵測單元。所述角位信息處理系統5與機動車車架固定 連接并位于所述第一齒輪組3和所述第二齒輪組4之間，其與第一齒輪組3和所述第二齒 輪組4之間均無浮動電接點。所述角度偵測單元包括分別設在所述至少兩個第一從動輪 上和所述至少兩個第二從動輪上的磁性元件，以及與機動車車架固定連接并位于所述第 一齒輪組和所述第二齒輪組之間的磁方向探測元件。所述磁方向探測元件在所述傳感裝 置軸向上與所述磁性元件具有一定間隙。當所述第一、第二主動輪31、41驅動各從動 輪旋轉時，各個固定于從動輪上的磁性元件周圍的磁場強度方向隨被從動輪的轉動在從 動輪徑向上變化。所述磁方向探測元件通過探測所述磁場變化，即可感測每個從動輪在 O 360°范圍內的角位信息。所述磁方向探測元件具有市面上普通8位編碼(例如將 360度進行8位編碼即可達到1.4°的分辨率)角位測量器件的精度。則本實施例可將絕 對角度分刻到1.4/(360/9) = 0.035度，大大提高了傳感精度。另外，所述磁方向探測元 件也具有可與所述單片機進行信息交換的信息傳遞接口。當然，所述角位信息處理系統5除了上述采用磁性元件和磁方向探測元件配合 的方式外，還可以通過在各從動輪上設置標示，而在角度偵測單元中設置可測定所述標 示角位信息的光傳感器等方式來加以實現。請參照圖2，為本發明機動車轉向軸轉角扭矩測定方法一較佳實施例，采用上述 傳感裝置，包括以下步驟1)如果各個第一、第二從動輪的旋轉圈數N已知并可靠，則采用常規測定方法 測定下一工作狀態中第一、第二從動輪的旋轉圈數，其它情況則采用非常規測定方法測 定現時各個第一、第二從動輪的旋轉圈數。例如，在上述傳感裝置初始化時，角位信息 處理系統可測得的各從動輪的角位信息J，因各從動輪的旋轉圈數N未知，故須采用非常 規測定方法取得各個從動輪的旋轉圈數。
2)將所述角位信息處理系統測得的第一、第二從動輪的角位信息J和在步驟1) 中得出的第一、第二從動輪的旋轉圈數N，代入公式M = 360*N+J算出各第一從動輪的 絕對轉角和各第二從動輪的絕對轉角，進而得出輸入軸和輸出軸的轉角信號；3)根據傳動比關系，利用在步驟2)中得出的第一、第二從動輪的絕對轉角得出 輸入軸和輸出軸之間的角差，進而得出輸入軸和輸出軸之間的扭矩信號。本實施 例的步驟1)中，是這樣判斷各從動輪旋轉圈數的可靠性的。在同一齒 輪組中，根據各從動輪所轉過的齒數相等的原理，列等式N1*Z01+Z1 =N2*Z02+Z2 = N3*Z03+Z3 =...(其中Z01、Z02、Z03...為同一齒輪組中各從動輪的齒數；Zl、Z2、 Z3...為同一齒輪組中各從動輪的齒位；Ni、N2、N3...為同一齒輪組中各從動輪的旋轉圈 數)檢驗各個第一、第二從動輪的旋轉圈數N是否可靠。本實施例的步驟1)中，非常規測定方法有如下兩種方式(1)設Φ為第一、第二從動輪單個輪齒所對應的齒輪圓心角，并測得各第一、 第二從動輪的角位信息為L則按以下非常規測定方法測定第一、第二從動輪的旋轉圈數 N。通過取整公式2 =丨拋0!/0)，對J與Φ的商取整數，算得各從動輪停留的齒位。在 同一齒輪組中，通過在設定有各從動輪的齒位組合與各從動輪轉過的總齒數的對應關系 的數據庫查找，得出各從動輪所轉過的總齒數，再用總齒數除以各從動輪的齒數算得各 從動輪的旋轉圈數N。(2)設Φ為第一、第二從動輪單個輪齒所對應的齒輪圓心角，并測得各第一、 第二從動輪的角位信息為L則按以下非常規測定方法測定第一、第二從動輪的旋轉圈數 N。通過公式Z = int(J/0)，對J與Φ的商取整數，算得各從動輪停留的齒位，在同 一齒輪組中，根據各從動輪所轉過的齒數相等的原理，列等式Ν1*Ζ01+Ζ1 =Ν2*Ζ02+Ζ2 = Ν3*Ζ03+Ζ3 =...(其中Ζ01、Z02、Z03...為同一齒輪組中各從動輪的齒數；Zl、Z2、 Z3...為同一齒輪組中各從動輪的齒位；Ni、N2、N3...為同一齒輪組中各從動輪的旋轉圈 數)，在該主動輪的齒數與所述主動輪的各種旋轉圈數的乘積中，通過算法尋找滿足上述 等式的各從動輪的旋轉圈數Ni、N2、N3...，從而得出各從動輪的旋轉圈數。本實施例的步驟1)中，常規測定方法是這樣進行的測得現時各從動輪的角位信息Jl、J2、J3...，分別與對應的前次測得的各從動輪 的角位信息J01、J02、J03...進行比較以計算現旋轉圈數，如過角位零點則據過零點的方 向不同對前次的旋轉圈數加1或減1作為現各從動輪的旋轉圈數Ni、N2、N3...，如未過 零點則保持前次的旋轉圈數N01、N02、N03作為現時各從動輪的旋轉圈數。這樣，將所述角位信息處理系統測得的第一、第二從動輪的角位信息J和在步驟
1)中得出的第一、第二從動輪的旋轉圈數N(不論是以常規測定方法得出還是以非常規測 定方法得出)，代入公式M = 360*N+J算出各第一從動輪的絕對轉角和各第二從動輪的 絕對轉角，進而得出輸入軸和輸出軸的轉角信號。最后，根據傳動比關系，利用在步驟
2)中得出的第一、第二從動輪的絕對轉角得出輸入軸和輸出軸之間的角差，進而得出輸 入軸和輸出軸之間的扭矩信號。對于本實施例，采用非常規測定方法可實現靜動態全程測量。也就是說，在常 規測定方法工作狀態下，可同時采用非常規測定方法測出轉角和扭矩，并將二者的結果 進行比較，以增加測量的可靠性。如可靠性和精度要求滿足，就可只按照常規測定方法測定以增加傳感頻度，并簡化測量過程。 以上所述僅為本發明的較佳實施 例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的 精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之 內。
權利要求
1.一種機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，所述機動車轉向軸包括輸入軸、輸出軸以 及兩端連接所述輸入軸和輸出軸的扭桿，其特征在于所述傳感裝置包括第一齒輪組、 第二齒輪組以及角位信息處理系統，所述第一齒輪組包括與所述輸入軸固定連接的第一主動輪以及受所述第一主動輪驅 動并具有不同齒數的至少兩個第一從動輪，所述至少兩個第一從動輪齒數的最小公倍數 不小于所述第一主動輪的齒數與所述第一主動輪要求的最大旋轉圈數的乘積；所述第二齒輪組包括與所述輸出軸固定連接的第二主動輪以及受所述第二主動輪驅 動并具有不同齒數的至少兩個第二從動輪，所述至少兩個第二從動輪齒數的最小公倍數 不小于所述第二主動輪的齒數與所述第二主動輪要求的最大旋轉圈數的乘積；所述角位信息處理系統包括單片機、與所述單片機電連接并可探測所述第一、第二 從動輪角位信息的角度偵測單元。
2.如權利要求1所述的機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，其特征在于所述角度偵 測單元包括分別設在所述至少兩個第一、第二從動輪上的磁性元件，以及位于所述第一 齒輪組和所述第二齒輪組之間的磁方向探測元件。
3.如權利要求1或2所述的機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，其特征在于所述第一 主動輪與所述第二主動輪具有相同的齒輪參數。
4.如權利要求3所述的機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，其特征在于至少一個第 一從動輪與數量對應的第二從動輪具有相同的齒輪參數。
5.如權利要求4所述的機動車轉向軸轉角扭矩傳感裝置，其特征在于所述第一從 動輪與所述第二從動輪的數量均為三個，所述三個第一從動輪分別和所述三個第二從動 輪具有相同的齒輪參數。
6.—種機動車轉向軸轉角扭矩測定方法，采用權利要求1所述的傳感裝置，包括以下 步驟1)如果各個第一、第二從動輪的旋轉圈數N已知并可靠，則采用常規測定方法測定 下一工作狀態中第一、第二從動輪的旋轉圈數，其它情況則采用非常規測定方法測定現 時各個第一、第二從動輪的旋轉圈數；2)將所述角位信息處理系統測得的第一、第二從動輪的角位信息J和在步驟1)中得 出的第一、第二從動輪的旋轉圈數N，代入公式M = 360*N+J算出各第一從動輪的絕對 轉角和各第二從動輪的絕對轉角，進而得出輸入軸和輸出軸的轉角信號；3)根據傳動比關系，利用在步驟2)中得出的第一、第二從動輪的絕對轉角得出輸入 軸和輸出軸之間的角差，進而得出輸入軸和輸出軸之間的扭矩信號。
7.如權利要求6所述的機動車轉向軸轉角扭矩測定方法，其特征在于在同一齒輪 組中，根據各從動輪所轉過的齒數相等的原理，檢驗各個第一、第二從動輪的旋轉圈數 N是否可靠。
8.如權利要求6所述的機動車轉向軸轉角扭矩測定方法，其特征在于設Φ為第 一、第二從動輪單個輪齒所對應的齒輪圓心角，并測得各第一、第二從動輪的角位信息 為J，則按以下非常規測定方法測定第一、第二從動輪的旋轉圈數N:通過取整公式Z = int(J/0)算得各從動輪停留的齒位，在同一齒輪組中，通過在設 定有各從動輪的齒位組合與各從動輪轉過的總齒數的對應關系的數據庫查找，得出各從動輪所轉過的總齒數，再用總齒數除以各從動輪的齒數算得各從動輪的旋轉圈數N。
9.如權利要求6所述的機動車轉向軸轉角扭矩測定方法，其特征在于設Φ為第 一、第二從動輪單個輪齒所對應的齒輪圓心角，并測得各第一、第二從動輪的角位信息 為J，則按以下非常規測定方法測定第一、第二從動輪的旋轉圈數N:在同一齒輪組中，根據各從動輪所轉過的齒數相等的原理，通過算法在主動輪的齒 數與所述主動輪的各種旋轉圈數的乘積中尋找滿足條件的各從動輪的旋轉圈數。
10.如權利要求6所述的機動車轉向軸轉角扭矩測定方法，其特征在于如果各個第 一、第二從動輪的旋轉圈數N已知并可靠，則在下次測定時按以下常規測定方法進行測 定測得現時各從動輪的角位信息，分別與對應的前次測得的各從動輪的角位信息進行 比較以計算現旋轉圈數，如過角位零點則據過零點的方向不同對前次的旋轉圈數加1或 減1作為現各從動輪的旋轉圈數，如未過零點則保持前次的旋轉圈數作為現時各從動輪 的旋轉圈數。
全文摘要
本發明公開了一種汽車轉向軸轉角扭矩傳感裝置及其測定方法，所述傳感裝置包括第一、第二齒輪組和角位信息處理系統，第一齒輪組固連至輸入軸，第二齒輪組固連至輸出軸。每幅齒輪組均由固連至輸入或輸出軸的主動輪驅動多個齒數不同的從動輪旋轉，在同一齒輪組中，各從動輪齒數的最小公倍數不小于主動輪的齒數和最大旋轉圈數的乘積；各從動輪上固連有磁性元件，所述角位處理電路包括單片機和磁方向探測元件。這樣，通過所述磁方向探測元件測定所述從動輪的角位，通過常規和非常規兩種測定方法得出各從動輪的旋轉圈數，從而得出正比于輸入軸轉角的信號和正比于輸出軸轉角的信號，兩者相減即得正比于扭矩的信號，進而測得轉角和扭矩。
文檔編號G01L3/04GK102012210SQ20091019011
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者馮衛, 唐新穎, 李維宏 申請人:比亞迪股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
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