专利名称：机动车转向轴转角扭矩传感装置及其测定方法
技术领域：
本发明涉及机动车转向轴转角扭矩测试技术领域，更具体地说，是涉及一种机 动车转向轴转角扭矩传感装置以及测定方法。
背景技术：
在现代机动车控制系统中，需要得到精确、可靠的机动车转向轴转角信号和扭 矩信号。机动车的转向轴是这样设计的，它包括输入轴、输出轴以及两端连接所述输入 轴和输出轴的扭杆。所述输入轴连接方向盘，可与方向盘一起转动，所述输出轴连接转 向系统。当所述扭杆受到扭力变形时，在输入轴和输出轴间就产生一旋转角差，此旋转 角差与机动车转向轴所受扭矩成正比，因此测定出旋转角差即测得扭矩。现有技术中测定转角、扭矩的传感装置中，要么将测定转角的传感装置和测定 扭矩的传感装置分别单独设置，要么采用一套接触式传感装置同时完成转角和扭矩的测 定。前种方式存在传感装置位置不好布置、成本高、连线复杂等问题。而后种方式则存 在可靠性及寿命问题，并且随着使用时间的逐渐增加，其测量精度会相应逐渐降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种机动车转向轴转角扭矩传感装置，其 可同时测定机动车转向轴的转角和扭矩，并具有较高的可靠性。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种机动车转向轴转角扭矩的测定方 法，其可同时实现转角扭矩的测定。对于本发明机动车转向轴转角扭矩传感装置来说，上述技术问题是这样加以解 决的提供一种机动车转向轴转角扭矩传感装置，所述机动车转向轴包括输入轴、输出 轴以及两端连接所述输入轴和输出轴的扭杆，所述传感装置包括第一齿轮组、第二齿轮 组以及角位信息处理系统，所述第一齿轮组包括与所述输入轴固定连接的第一主动轮以及受所述第一主动 轮驱动并具有不同齿数的至少两个第一从动轮，所述至少两个第一从动轮齿数的最小公 倍数不小于所述第一主动轮的齿数与所述第一主动轮要求的最大旋转圈数的乘积；所述第二齿轮组包括与所述输出轴固定连接的第二主动轮以及受所述第二主动 轮驱动并具有不同齿数的至少两个第二从动轮，所述至少两个第二从动轮齿数的最小公 倍数不小于所述第二主动轮的齿数与所述第二主动轮要求的最大旋转圈数的乘积；所述角位信息处理系统包括单片机、与所述单片机电连接并可探测所述第一、 第二从动轮角位信息的角度侦测单元。对于本发明机动车转向轴转角扭矩测定方法来说，上述技术问题是这样加以解 决的采用上述的传感装置，包括以下步骤
1)进行工作状态的判定，如果第一、第二从动轮的旋转圈数N已知并可靠，则 采用常规测定方法测定各从动轮的旋转圈数，其它情况则采用非常规测定方法测定各从动轮的旋转圈数；2)将所述角位信息处理系统测得的第一、第二从动轮的角位信息J和在步骤1) 中得出的第一、第二从动轮的旋转圈数N，代入公式M = 360*N+J算出各第一从动轮的 绝对转角和各第二从动轮的绝对转角，进而得出输入轴和输出轴的转角信号；3)根据传动比关系，利用在步骤2)中得出的第一、第二从动轮的绝对转角得出 输入轴和输出轴之间的角差，进而得出输入轴和输出轴之间的扭矩信号。这样，由于本发明采用分别与输入轴和输出轴固定连接的第一齿轮组和第二齿 轮组，所述角位信息处理系统包括可探测所述第一、第二从动轮角位信息的角度侦测单 元，从而可通过采用常规或非常规测定方法测定各从动轮的旋转圈数N，将旋转圈数N 和通过角位信息处理系统测得的各个从动轮的角位信息J结合即得各从动轮的绝对旋转角 度，进而得出输入轴和输出轴的转角信号；两者相减即得出正比于输入轴和输出轴之间 扭矩的信号，进而得出输入轴和输出轴扭矩的信号，改变了现有技术中采用接触式传感 装置的做法，不仅可同时测得转角和扭矩，而且可靠性和精度也得到了提高。
图1是本发明机动车转向轴转角扭矩传感装置一较佳实施例的立体示意图；图2是本发明机动车转向轴转角扭矩测定方法一较佳实施例的流程图。
具体实施例方式为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下 结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参照图1，为本发明机动车转向轴转角扭矩传感装置的一较佳实施例，所述机 动车转向轴包括输入轴1、输出轴2以及两端连接所述输入轴和输出轴的扭杆(图中未示 出)。而且，输入轴1与输出轴2之间设有旋转限位结构，一般情况下，两者之间的角 差不大于10°。所述传感装置包括第一齿轮组3、第二齿轮组4以及角位信息处理系统 5。所述第一齿轮组3包括与所述输入轴1固定连接的第一主动轮31以及受所述第 一主动轮31驱动并具有不同齿数的三个第一从动轮32、33 (另一个第一从动轮图中未画 出)。三个第一从动轮齿数的最小公倍数不小于所述第一主动轮31的齿数与所述第一主 动轮31要求的最大旋转圈数的乘积。所述第二齿轮组4包括与所述输出轴2固定连接的第二主动轮41以及受所述第 二主动轮41驱动并具有不同齿数的三个第二从动轮42、43、44。三个第二从动轮齿数的 最小公倍数不小于所述第二主动轮31的齿数与所述第二主动轮41要求的最大旋转圈数的 乘积。本实施例中，为了运算简单(详见后述测定方法部分)，所述第一主动轮31与 所述第二主动轮41具有相同的齿数，其齿数均为360。至少一个第一从动轮与数量对 应的第二从动轮具有相同的齿轮参数，即可以使其中一个第一从动轮与其中一个第二从 动轮具有相同的齿轮参数；也可以使其中两个第一从动轮与其中两个第二从动轮具有相同的齿轮参数；还可以使其中三个第一从动轮与其中三个第二从动轮具有相同的齿轮参 数…。本实施例中，三个第一从动轮的齿数分别为与三个第二从动轮的齿数相等。即三 个第一从动轮的齿数分别为9、16、25，而三个第二从动轮42、43、44的齿数也分别为 9、 16、 25。由于输入、输出轴(对应第一、第二主动轮)的最大旋转圈数大约为3至4，而 9、16、25的最小公倍数为3600，即各个从动轮的齿位(即各从动轮转过整数圈后余下的 齿数)的组合足以表达输入、输出轴旋转10圈时，各个从动轮所转过的圈数。同一齿 轮组中，各个从动轮的齿位组合可被储存于单片机内，可供所述角位信息处理系统在测 试工作进行过程中，根据不同从动轮的齿位组合，确定各个从动轮的旋转圈数(详见后 述)。如需增加测量输入、输出轴的圈数，可选择减小主动轮的齿数。因此，本实施例 更能灵活地根据角度测量范围、传感精度以及装置体积的要求设计不同结构参数的传感
直ο很 然，在上述第一齿轮组3和所述第二齿轮组4中，可分别只设置两个第一从 动轮和两个第二从动轮，只要满足同一齿轮组中，该两个从动轮齿数的最小公倍数不小 于与其对应的主动轮的齿数与该主动轮要求的最大旋转圈数的乘积即可。同样道理，还 可在上述第一齿轮组3和所述第二齿轮组4中设置其它数量的第一从动轮和第二从动轮。所述角位信息处理系统5包括单片机、与所述单片机电连接并可探测所述第 一、第二从动轮角位信息的角度侦测单元。所述角位信息处理系统5与机动车车架固定 连接并位于所述第一齿轮组3和所述第二齿轮组4之间，其与第一齿轮组3和所述第二齿 轮组4之间均无浮动电接点。所述角度侦测单元包括分别设在所述至少两个第一从动轮 上和所述至少两个第二从动轮上的磁性元件，以及与机动车车架固定连接并位于所述第 一齿轮组和所述第二齿轮组之间的磁方向探测元件。所述磁方向探测元件在所述传感装 置轴向上与所述磁性元件具有一定间隙。当所述第一、第二主动轮31、41驱动各从动 轮旋转时，各个固定于从动轮上的磁性元件周围的磁场强度方向随被从动轮的转动在从 动轮径向上变化。所述磁方向探测元件通过探测所述磁场变化，即可感测每个从动轮在 O 360°范围内的角位信息。所述磁方向探测元件具有市面上普通8位编码(例如将 360度进行8位编码即可达到1.4°的分辨率)角位测量器件的精度。则本实施例可将绝 对角度分刻到1.4/(360/9) = 0.035度，大大提高了传感精度。另外，所述磁方向探测元 件也具有可与所述单片机进行信息交换的信息传递接口。当然，所述角位信息处理系统5除了上述采用磁性元件和磁方向探测元件配合 的方式外，还可以通过在各从动轮上设置标示，而在角度侦测单元中设置可测定所述标 示角位信息的光传感器等方式来加以实现。请参照图2，为本发明机动车转向轴转角扭矩测定方法一较佳实施例，采用上述 传感装置，包括以下步骤1)如果各个第一、第二从动轮的旋转圈数N已知并可靠，则采用常规测定方法 测定下一工作状态中第一、第二从动轮的旋转圈数，其它情况则采用非常规测定方法测 定现时各个第一、第二从动轮的旋转圈数。例如，在上述传感装置初始化时，角位信息 处理系统可测得的各从动轮的角位信息J，因各从动轮的旋转圈数N未知，故须采用非常 规测定方法取得各个从动轮的旋转圈数。
2)将所述角位信息处理系统测得的第一、第二从动轮的角位信息J和在步骤1) 中得出的第一、第二从动轮的旋转圈数N，代入公式M = 360*N+J算出各第一从动轮的 绝对转角和各第二从动轮的绝对转角，进而得出输入轴和输出轴的转角信号；3)根据传动比关系，利用在步骤2)中得出的第一、第二从动轮的绝对转角得出 输入轴和输出轴之间的角差，进而得出输入轴和输出轴之间的扭矩信号。本实施 例的步骤1)中，是这样判断各从动轮旋转圈数的可靠性的。在同一齿 轮组中，根据各从动轮所转过的齿数相等的原理，列等式N1*Z01+Z1 =N2*Z02+Z2 = N3*Z03+Z3 =...(其中Z01、Z02、Z03...为同一齿轮组中各从动轮的齿数；Zl、Z2、 Z3...为同一齿轮组中各从动轮的齿位；Ni、N2、N3...为同一齿轮组中各从动轮的旋转圈 数)检验各个第一、第二从动轮的旋转圈数N是否可靠。本实施例的步骤1)中，非常规测定方法有如下两种方式(1)设Φ为第一、第二从动轮单个轮齿所对应的齿轮圆心角，并测得各第一、 第二从动轮的角位信息为L则按以下非常规测定方法测定第一、第二从动轮的旋转圈数 N。通过取整公式2 =丨抛0!/0)，对J与Φ的商取整数，算得各从动轮停留的齿位。在 同一齿轮组中，通过在设定有各从动轮的齿位组合与各从动轮转过的总齿数的对应关系 的数据库查找，得出各从动轮所转过的总齿数，再用总齿数除以各从动轮的齿数算得各 从动轮的旋转圈数N。(2)设Φ为第一、第二从动轮单个轮齿所对应的齿轮圆心角，并测得各第一、 第二从动轮的角位信息为L则按以下非常规测定方法测定第一、第二从动轮的旋转圈数 N。通过公式Z = int(J/0)，对J与Φ的商取整数，算得各从动轮停留的齿位，在同 一齿轮组中，根据各从动轮所转过的齿数相等的原理，列等式Ν1*Ζ01+Ζ1 =Ν2*Ζ02+Ζ2 = Ν3*Ζ03+Ζ3 =...(其中Ζ01、Z02、Z03...为同一齿轮组中各从动轮的齿数；Zl、Z2、 Z3...为同一齿轮组中各从动轮的齿位；Ni、N2、N3...为同一齿轮组中各从动轮的旋转圈 数)，在该主动轮的齿数与所述主动轮的各种旋转圈数的乘积中，通过算法寻找满足上述 等式的各从动轮的旋转圈数Ni、N2、N3...，从而得出各从动轮的旋转圈数。本实施例的步骤1)中，常规测定方法是这样进行的测得现时各从动轮的角位信息Jl、J2、J3...，分别与对应的前次测得的各从动轮 的角位信息J01、J02、J03...进行比较以计算现旋转圈数，如过角位零点则据过零点的方 向不同对前次的旋转圈数加1或减1作为现各从动轮的旋转圈数Ni、N2、N3...，如未过 零点则保持前次的旋转圈数N01、N02、N03作为现时各从动轮的旋转圈数。这样，将所述角位信息处理系统测得的第一、第二从动轮的角位信息J和在步骤
1)中得出的第一、第二从动轮的旋转圈数N(不论是以常规测定方法得出还是以非常规测 定方法得出)，代入公式M = 360*N+J算出各第一从动轮的绝对转角和各第二从动轮的 绝对转角，进而得出输入轴和输出轴的转角信号。最后，根据传动比关系，利用在步骤
2)中得出的第一、第二从动轮的绝对转角得出输入轴和输出轴之间的角差，进而得出输 入轴和输出轴之间的扭矩信号。对于本实施例，采用非常规测定方法可实现静动态全程测量。也就是说，在常 规测定方法工作状态下，可同时采用非常规测定方法测出转角和扭矩，并将二者的结果 进行比较，以增加测量的可靠性。如可靠性和精度要求满足，就可只按照常规测定方法测定以增加传感频度，并简化测量过程。 以上所述仅为本发明的较佳实施 例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。
权利要求
1.一种机动车转向轴转角扭矩传感装置，所述机动车转向轴包括输入轴、输出轴以 及两端连接所述输入轴和输出轴的扭杆，其特征在于所述传感装置包括第一齿轮组、 第二齿轮组以及角位信息处理系统，所述第一齿轮组包括与所述输入轴固定连接的第一主动轮以及受所述第一主动轮驱 动并具有不同齿数的至少两个第一从动轮，所述至少两个第一从动轮齿数的最小公倍数 不小于所述第一主动轮的齿数与所述第一主动轮要求的最大旋转圈数的乘积；所述第二齿轮组包括与所述输出轴固定连接的第二主动轮以及受所述第二主动轮驱 动并具有不同齿数的至少两个第二从动轮，所述至少两个第二从动轮齿数的最小公倍数 不小于所述第二主动轮的齿数与所述第二主动轮要求的最大旋转圈数的乘积；所述角位信息处理系统包括单片机、与所述单片机电连接并可探测所述第一、第二 从动轮角位信息的角度侦测单元。
2.如权利要求1所述的机动车转向轴转角扭矩传感装置，其特征在于所述角度侦 测单元包括分别设在所述至少两个第一、第二从动轮上的磁性元件，以及位于所述第一 齿轮组和所述第二齿轮组之间的磁方向探测元件。
3.如权利要求1或2所述的机动车转向轴转角扭矩传感装置，其特征在于所述第一 主动轮与所述第二主动轮具有相同的齿轮参数。
4.如权利要求3所述的机动车转向轴转角扭矩传感装置，其特征在于至少一个第 一从动轮与数量对应的第二从动轮具有相同的齿轮参数。
5.如权利要求4所述的机动车转向轴转角扭矩传感装置，其特征在于所述第一从 动轮与所述第二从动轮的数量均为三个，所述三个第一从动轮分别和所述三个第二从动 轮具有相同的齿轮参数。
6.—种机动车转向轴转角扭矩测定方法，采用权利要求1所述的传感装置，包括以下 步骤1)如果各个第一、第二从动轮的旋转圈数N已知并可靠，则采用常规测定方法测定 下一工作状态中第一、第二从动轮的旋转圈数，其它情况则采用非常规测定方法测定现 时各个第一、第二从动轮的旋转圈数；2)将所述角位信息处理系统测得的第一、第二从动轮的角位信息J和在步骤1)中得 出的第一、第二从动轮的旋转圈数N，代入公式M = 360*N+J算出各第一从动轮的绝对 转角和各第二从动轮的绝对转角，进而得出输入轴和输出轴的转角信号；3)根据传动比关系，利用在步骤2)中得出的第一、第二从动轮的绝对转角得出输入 轴和输出轴之间的角差，进而得出输入轴和输出轴之间的扭矩信号。
7.如权利要求6所述的机动车转向轴转角扭矩测定方法，其特征在于在同一齿轮 组中，根据各从动轮所转过的齿数相等的原理，检验各个第一、第二从动轮的旋转圈数 N是否可靠。
8.如权利要求6所述的机动车转向轴转角扭矩测定方法，其特征在于设Φ为第 一、第二从动轮单个轮齿所对应的齿轮圆心角，并测得各第一、第二从动轮的角位信息 为J，则按以下非常规测定方法测定第一、第二从动轮的旋转圈数N:通过取整公式Z = int(J/0)算得各从动轮停留的齿位，在同一齿轮组中，通过在设 定有各从动轮的齿位组合与各从动轮转过的总齿数的对应关系的数据库查找，得出各从动轮所转过的总齿数，再用总齿数除以各从动轮的齿数算得各从动轮的旋转圈数N。
9.如权利要求6所述的机动车转向轴转角扭矩测定方法，其特征在于设Φ为第 一、第二从动轮单个轮齿所对应的齿轮圆心角，并测得各第一、第二从动轮的角位信息 为J，则按以下非常规测定方法测定第一、第二从动轮的旋转圈数N:在同一齿轮组中，根据各从动轮所转过的齿数相等的原理，通过算法在主动轮的齿 数与所述主动轮的各种旋转圈数的乘积中寻找满足条件的各从动轮的旋转圈数。
10.如权利要求6所述的机动车转向轴转角扭矩测定方法，其特征在于如果各个第 一、第二从动轮的旋转圈数N已知并可靠，则在下次测定时按以下常规测定方法进行测 定测得现时各从动轮的角位信息，分别与对应的前次测得的各从动轮的角位信息进行 比较以计算现旋转圈数，如过角位零点则据过零点的方向不同对前次的旋转圈数加1或 减1作为现各从动轮的旋转圈数，如未过零点则保持前次的旋转圈数作为现时各从动轮 的旋转圈数。
全文摘要
本发明公开了一种汽车转向轴转角扭矩传感装置及其测定方法，所述传感装置包括第一、第二齿轮组和角位信息处理系统，第一齿轮组固连至输入轴，第二齿轮组固连至输出轴。每幅齿轮组均由固连至输入或输出轴的主动轮驱动多个齿数不同的从动轮旋转，在同一齿轮组中，各从动轮齿数的最小公倍数不小于主动轮的齿数和最大旋转圈数的乘积；各从动轮上固连有磁性元件，所述角位处理电路包括单片机和磁方向探测元件。这样，通过所述磁方向探测元件测定所述从动轮的角位，通过常规和非常规两种测定方法得出各从动轮的旋转圈数，从而得出正比于输入轴转角的信号和正比于输出轴转角的信号，两者相减即得正比于扭矩的信号，进而测得转角和扭矩。
文档编号G01L3/04GK102012210SQ20091019011
公开日2011年4月13日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者冯卫, 唐新颖, 李维宏 申请人:比亚迪股份有限公司