扭矩传感器的制作方法

1.本实用新型涉及机械检测技术领域，尤其涉及一种扭矩传感器。


背景技术：

2.扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测装置，扭矩传感器可将扭力的物理变化转换成精确的电信号。例如，基于扭角相位原理的扭矩传感器即为目前常用的一种扭矩传感器。
3.目前，基于扭角相位原理的扭矩传感器主要由扭力桶和传感器等部件组成，扭力桶具有相对的两个端部，通过传感器测量扭力桶两个端部间的扭转角度，从而得出施加在扭矩传感器上的扭矩。为了能够准确测量施加的扭矩，可通过优化扭力桶的设计，来提高扭矩传感器的检测精度。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种检测精度高的扭矩传感器。
5.具体的，在本实用新型的一个实施例中，提供了一种扭矩传感器。该扭矩传感器包括扭力桶；
6.所述扭力桶具有弹性；
7.沿所述扭力桶的长度方向，具有第一段、第二段及第三段，所述第三段位于所述第一段和所述第二段之间；
8.通过测量所述第一段与所述第二段间的角度差确定扭矩；
9.所述第三段的桶壁上设有槽。
10.可选的，所述第三段的桶壁上设置的槽为螺旋槽。
11.可选地，所述螺旋槽的螺旋方向与所述第一段相对所述第二段扭转的方向相同。
12.可选地，所述螺旋槽为多个；多个所述螺旋槽中的任意两个螺旋槽相对设置。
13.可选地，所述螺旋槽包括条形槽及圆形槽；所述圆形槽位于所述条形槽的端部，所述圆形槽与所述条形槽连通；所述圆形槽的直径大于所述条形槽的宽度。
14.可选地，所述第一段的桶壁上设有用于辅助测量的标记；所述第二段的桶壁上设有用于辅助测量的标记；所述标记为激光蚀刻条纹，用于与光电传感器配合使用。
15.可选地，所述第一段远离所述第二段的端部具有第一连接结构，所述第一连接结构用于连接被测转动体。
16.可选地，所述第一连接结构为设置在第一段桶内壁的内花键。
17.可选地，所述第二段的端部具有第二连接结构，所述第二连接结构用于连接所述被测转动体驱动的负载。
18.可选地，第二连接结构为设置在所述第二段的端部桶外壁上的外花键。
19.可选地，所述第一段的端部桶外壁及所述第二段的端部桶外壁均设有密封结构。
20.可选地，所述第二段的端部还设有轴肩，沿所述扭力桶的长度方向，所述轴肩位于
所述第二连接结构及所述密封结构之间。
21.可选地，所述密封结构为篦齿。
22.在本实用新型实施例提供的技术方案中，扭矩传感器包括具有弹性的扭力桶，沿扭力桶的长度方向将扭力桶划分为三段，分别为第一段、第二段及第三段，第三段位于第一段和第二段之间，通过在第三段上设有槽，使扭力桶具有的弹性扭转能力提高；这样，对扭力桶的第一段施加转矩时，第一段相对第二段发生扭转、且能具有更大的扭转角度，也即当在扭力桶的第一段上施加的转矩不变时使得第二段与第一段之间的角度差更大。这样，即使施加在第一段的扭矩较小时，也能保证第一段相对第二段具有较大的扭转角度，从而能够提高扭矩传感器的检测精度。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型一实施例提供的一种扭矩传感器的结构示意图；
25.图2为本实用新型一实施例提供的一种扭力桶的结构示意图；
26.图3为本实用新型一实施例提供的一种扭力桶的结构示意图；
27.图4为本实用新型一实施例提供的一种扭矩传感器的部分结构示意图；
28.图5为本实用新型一实施例提供的一种扭矩传感器的剖面示意图；
29.图6为图5中的a部放大图。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。另外，下文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.参见图1所示，本实施例提供的一种扭矩传感器。如图1和图2所示，该扭矩传感器包括扭力桶1；所述扭力桶1具有弹性；沿所述扭力桶1的长度方向，具有第一段11、第二段12及第三段13，所述第三段13位于所述第一段11和所述第二段12之间；通过测量所述第一段11与所述第二段12间的角度差确定扭矩；所述第三段13的桶壁上设有槽。例如，所述第三段13的桶壁上设有螺旋槽14。
32.扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测装置，扭矩传感器可将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器在使用过的过程中，扭矩传感器中扭力桶的一端与被测转动体连接，扭矩传感器中扭力桶的另一端可以与某一固定物体连接或者用于连接被测转动体所驱动的负载。这样，在被测转动体发生转动时，可通过检
测转矩传感器中的扭力桶两端的角度差实现对被测转动体输出的转矩的测量。具体为，在被测转动体发生转动时，扭矩传感器中的扭力桶1在被测转动体的转矩带动作用下发生扭转变形，使得扭力桶1的两端也即扭力桶的第一段11和第二段12之间具有相对扭转的角度差，再利用扭矩传感器中的其他传感器测量扭力桶1的第一段11和第二段12之间的角度差，扭矩传感器可根据该角度差得出被测转动体施加在扭矩传感器上的扭矩。可见，扭矩传感器进行扭矩检测时，先将扭矩传感器中的扭力桶1作为中间的被测量元件，通过扭矩传感器中的用于进行角度检测的传感器来测量扭力桶两端的角度差，最终利用该角度差得出被测转动体施加在扭矩传感器上的转矩。
33.示例的，请参见图1所示，扭矩传感器还可以具有传动轴2，被测转动体通过传动轴2与扭力桶1的第一段11连接，扭力桶1的第二段12与被测转动体所驱动的负载连接，这样，在被测转动体转动时，通过传动轴2将被测转动体的转矩传递给扭力桶1的第一段11，使得第一段11相对第二段12扭转，进而在扭力桶1的两端产生角度差，再利用扭力桶1两端的角度差得出被测转动体施加在扭矩传感器上的扭矩。例如，传动轴2可以与扭力桶1第一段11的内壁连接，实现与被测转动体的连接，使得扭力桶1的第一段11能跟随传动轴2发生同步转动。在具体实施时，传动轴2与扭力桶1的第一段11的具体连接方式可以采用任意合适的连接方式，在此不进行详细说明。
34.在此，下述实施例仅以扭矩传感器中扭力桶1的两端分别连接有被测转动体、被测转动体的负载为例进行具体说明，当扭矩传感器应用于其他的使用场景下时，可参见本实施例的具体设置。
35.进一步的，请参见图2所示，沿所述扭力桶1的长度方向将扭力桶1分为三段，第三段13位于第一段11和第二段12之间，在第三段13的桶壁上设有螺旋槽14，所述螺旋槽14的螺旋方向与所述第一段11相对所述第二段12扭转的方向相同。示例的，如图2所示，扭力桶1的第一段11能相对第二段12沿着s方向扭转，将第三段13的桶壁上的螺旋槽14的螺旋方向也设置为s方向。当第一段11沿着s方向扭转时，扭力桶1在自身的弹性作用下产生扭转变形；同时，在扭力桶1在发生扭转变形的过程中，位于第三段13上的螺旋槽14的槽壁发生变形，从而能够增大第三段13的扭转形变量，也即增大了扭力桶1的整体扭转形变量，使得第二段12和第一段11之间具有的角度差增大。
36.由此可见，本实施例在扭力桶1的第三段13上设置有螺旋槽14，且螺旋槽14的螺旋方向与第一段11相对第二段12扭转方向相同，也即图2中，当第一段11相对第二段12沿s方向发生扭转时，设在第三段13上的螺旋槽14能进一步提高扭力桶1的扭转变形能力，使扭力桶1的第一段11和第二段12之间具有的角度差值更大，这样，即使被测转动体输出的转矩较小的情况下，第一段11和第二段12之间的角度差也不至于过小，便于扭矩传感器中的其他传感器测量出第一段11和第二段12之间的角度差，从而也就提高了扭矩传感器的检测精度。
37.进一步的，所述螺旋槽14可以为多个。多个螺旋槽14的螺旋方向均与第一段11相对第二段12的扭转方向相同。这里对螺旋槽14的数量不做特殊限定，螺旋槽14的数量可以根据实际需要选择设计。除此之外，对螺旋槽14的在扭力桶1桶壁上的延伸长度也不做特殊限定。比如在扭力桶1的整体长度较短的情况下，扭力桶1上的螺旋槽14的在桶壁上延伸长度可以较小，这样既能保持扭力桶1的自身强度，又能使扭力桶1具有较高的扭转变形能力。
还比如，在扭力桶1的自身长度较长的情况下，设在第三段13上的螺旋槽14的长度可以设计为较长的长度，这样，在使扭力桶1发生扭转的过程中，第一段11和第二段12之间的角度差增大，能扩大扭矩传感器的测量范围，进而能扩大扭矩传感器的适用范围。
38.示例的，如图4所示，扭力桶1上也可以只设有一个螺旋槽14，这里假设扭力桶1的长度方向为x方向，螺旋槽14沿着x方向在扭力桶1的桶壁上延伸，比如图4中，螺旋槽14在扭力桶1的桶壁上延伸长度较长，螺旋槽14在垂直于x方向的截面上的正投影的形状为一个完整的圆形。当然，当螺旋槽14的长度更长的情况下，螺旋槽14在垂直于x方向的截面上的正投影的形状可以为多条重合投影形成的一个完整的圆形。
39.具体的，在一些可选的实施方式中，多个螺旋槽14均匀分布在扭力桶1桶壁的周围，这样，在扭力桶1发生扭转形变时，能确保多个螺旋槽14带来的形变区域均布在扭力桶1的第三段13的周侧，若多个螺旋槽14由于分布不均导致的变形区域不均匀，容易导致扭力桶1在扭转过程中桶壁破裂，损坏扭力桶1的结构。
40.示例的，在另一些实施方式中，多个螺旋槽14还可以沿着扭力桶1的第一段11相对第二段12的扭转方向顺次分布在扭力桶1的桶壁上，这样，当扭力桶1发生扭转时，多个螺旋槽14形成的变形区域能沿着扭力桶1的扭转方向上顺次分布，这样也能保证扭力桶1不被多个螺旋槽14产生的形变区域所破坏，能够延长扭力桶1的使用寿命。
41.示例的，在更多的一些实施方式中，多个所述螺旋槽14中的任意两个螺旋槽14相对设置。这里以螺旋槽14的数量为两个进行示例说明，例如，将两个螺旋槽14相对设在扭力桶1的桶壁上，且两个螺旋槽14在垂直于扭力桶1长度方向的截面上的正投影的形状均为半圆弧，这样，两个螺旋槽14在垂直于扭力桶长度方向的截面上的正投影能够拼接形成一个完整的圆形。在扭力桶1发生扭转形变时，扭力桶1上两个螺旋槽14在桶壁上形成的变形区域能围绕扭力桶1均匀分布，换句话说，在扭力桶1上形成一圈的变形区域，能保证扭力桶1在发生扭转动作的过程中不被损坏。
42.进一步的，请参见图2-图4所示，所述螺旋槽14还可以包括条形槽及圆形槽；所述圆形槽位于所述条形槽的端部，且所述圆形槽与所述条形槽连通；所述圆形槽的直径大于所述条形槽的宽度。这里将每个螺旋槽14的两个末端均设置为圆形槽的形状，每个螺旋槽的两个圆形槽之间为槽宽均匀的条形槽，圆形槽的直径大于条形槽的宽度，这样当扭力桶1发生扭转形变时，螺旋槽14的两个末端部位作为形变区域的边缘位置，将螺旋槽14的两个端部边界形状设置为圆形，对条形槽产生的形变区域和扭力桶上没有槽的部位之间起到缓冲的作用，避免扭力桶1的桶壁被撕裂，能进一步提高扭力桶1的形变能力。
43.需要指出的是，在具体实施的过程中，螺旋槽14的具体设计可通过计算机辅助软件模拟出合适的设计，螺旋槽14的设计具体例如为，螺旋槽14的数量、槽宽、圈数以及螺距等等。
44.进一步的，请参见图2和图3所示，第一段11的桶壁上设有用于辅助测量的标记，第二段12的桶壁上也可以设有用于辅助测量的标记。为了方便描述，图2和图3中示出第一段11上设置的标记，为第一标记31；第二段12上设置的标记，为第二标记32。在扭矩传感器中还可以设有第一传感器41和第二传感器42，第一传感器41用于与第一段11上的第一标记31配合使用，第二传感器42用于与第二段12上的第二标记32配合使用。由于扭力桶1的扭角为第一段11相对第二段12扭转的角度差，当扭力桶1的第一段11相对第二段12发生转动时，第
一段11上的第一标记31对应的第一传感器41具有一个检测结果，第二段12上的第二标记32对应的第二传感器42具有另一个检测结果，第一传感器41和第二传感器42之间的检测结果差值即为第一段11相对于第二段12的角度差，也即为扭力桶1的扭角。
45.这里需要说明的是，第一标记31与第二标记32可以采用相同或者不同类型的设置形式，如图2所示，在此示例了一种第一标记31与第二标记32采用相同类型的具体实现方式。相应的，第一传感器41和第二传感器42的具体设置类型也可以相同或者不同，这里不做过多说明，本领域技术人员可以根据实际需要选择设置。
46.示例的，所述第一标记31和第二标记32可以均为激光蚀刻条纹。如图2所示，激光刻蚀条纹可以包括均布间隔设置在扭力桶1桶壁上的多个黑色条纹，扭矩传感器中的第一传感器41、第二传感器42可以包括但不限制为光电传感器，多个黑色条纹与对应的光电传感器配合使用，从而测量出第一段11相对第二段12扭转的角度差。其中，光电传感器在扭矩传感器中的位置要与黑色条纹在第一段11上的位置对应，也即是第一传感器41与第一段11上第一标记31的位置对应、第二传感器42与第二段12上的第二标记32的位置对应，这样，当第一段11相对第二段12发生扭转时，可以通过光电传感器检测到的黑色条纹来记录第一段11相对第二段12扭转的角度差。
47.需要说明的是，第一标记31和第二标记32的具体形式并不限制为激光刻蚀条纹，第一标记31和第二标记32可以采用其他任意可以实现的形式，例如可以是多个通孔、多个凸起、多个凹槽或者多个齿状结构，用于与扭矩传感器中的对应的传感器配合使用来记录第一段11相对于第二段12的角度差。这里举例说明，如图3所示，第一标记31和第二标记32均采用齿状结构，扭力桶1发生扭转时，第一传感器41用于检测与第二传感器41正对的齿状结构、第一传感器42用于检测与第二传感器42正对的齿状结构，通过第一传感器41与第二传感器42的检测结果的差值来记录第一段11相对第二段12扭转的角度差，也即实现了对扭力桶1的扭角的测量，这里扭角表示第一段11相对于第二段12发生扭转的角度差。
48.进一步的，请参见图2和图3所示，所述第一段11远离所述第二段12的端部具有第一连接结构15，所述第一连接结构15用于连接被测转动体。如图1所示，扭矩传感器通过设置在扭力桶1桶壁内的传动轴2与被测转动体连接，传动轴2与扭力桶1传动连接以将被测转动体的转矩传递至扭力桶1。如图2所示，第一连接结构15可以为设置在第一段11桶内壁的内花键，传动轴2上设有与内花键适配的外花键，将传动轴2上的外花键与扭力桶1第一段11上的内花键的匹配作用，实现扭力桶1与传动轴2的传动连接。这里，不能视为对传动轴2和扭力桶1的连接方式的具体限定，传动轴2与扭力桶1之间的连接形式可以采用其他任意可以实现的方式，比如，扭力桶1与传动轴2之间也是通过键槽和键的配合作用实现传动连接。
49.进一步的，如图2-图3所示，第二段12的端部具有第二连接结构16，所述第二连接结构16用于连接所述被测转动体驱动的负载。具体的，扭矩传感器中扭力桶1的一端通过传动轴2连接有被测转动件，扭力桶1的另一端通过第二连接结构16连接有被旋转件，被旋转件作为被测转动件的负载。
50.示例的，第二连接结构16为设置在所述第二段12的端部桶外壁上的外花键。在具体实施时，可通过链条与外花键的适配实现扭力桶1的第二段12与被旋转件的传动连接。例如，链条的一端套设在第二段12上的外花键上，链条的另一端套设在被旋转件的转轴上，这样，当被测转动件输出转矩时，转矩通过扭矩传感器的传动轴2、扭力桶1、链条传递给被旋
转件，从而带动被旋转件转动。
51.进一步的，请参见图1所示，扭矩传感器还可以包括外壳6，外壳6包覆在扭力桶1的桶壁外侧，在被测转动件转动时，传动轴2转动并带动扭力桶1在外壳6内转动，此时外壳6不发生转动，外壳6为静止状态。在具体实施时，所述第二段12的端部还可以设有轴肩17，轴肩17对外壳6具有轴向限位作用。
52.在具体实施时，第一传感器41和第二传感器42可以固定在外壳6上，当扭力桶1发生扭转变形时，第一传感器41和第二传感器42均设在外壳6上，在被测转动件输出转矩时，扭力桶1的第一段11在传动轴2的驱动下转动，外壳6为静止状态，这样，外壳6上的第一传感器41和第二传感器42通过分别对第一段11上的第一标记31、第二段12上的第二标记32进行检测，从而顺利实现对扭力桶1的扭角的测量。
53.示例的，如图2所示，所述第一段11的端部桶外壁及所述第二段12的端部桶外壁均设有密封结构18，从而在扭力桶1和外壳6之间形成密封保护。如图2所示，密封结构18可以为两个，当外壳6包覆在扭力桶1的外壁上后，也即如图5所示，两个密封结构18与外壳6上对应的部分外壳内壁形成密封保护，也即在靠近外壳6的两端的位置上形成密封保护，第一传感器41和第二传感器42设置在外壳6的中间位置，这样密封结构18能对外壳6内部的第一传感器41和第二传感器42具有密封保护作用，在扭矩传感器不慎落入水中后者处于水下工作的环境中，能够避免外壳6内部的第一传感器41或者第二传感器42与水接触，使得扭矩传感器具有防水功能。
54.具体的，请参见图2所示，所述密封结构18为篦齿。如图2中所示，在扭力桶1的第二段12和第一段11均设置有多圈篦齿，相邻两圈篦齿之间具有环形槽。具体的，相邻两圈篦齿之间具有环形槽的结构可参见图6所示的设置。当扭矩传感器置于液体环境中使用时，外部液体要通过外壳6与扭力桶1的外壁之间的间隙进入扭矩传感器的内部，通过在扭力桶1的桶壁上设置篦齿，增大了外部液体进入扭矩传感器内部的阻力，这里设置多圈篦齿的形式，也能进一步提高扭矩传感器的防水性。
55.可选的，篦齿上还可以填充防水润滑物，使得进入篦齿的外部液体能在篦齿上旋转后形成防水膜以防止液体漏进扭矩传感器的内部，起到进一步提高扭矩传感器的防水性的作用。
56.在具体实施时，如图2所示，沿所述扭力桶1的长度方向，所述轴肩17位于所述第二连接结构16及所述密封结构18之间，轴肩17对外壳6的端部具有限位作用，比如在扭矩传感器在使用的过程中，轴肩17的设置能避免外壳6相对扭力桶1发生轴向窜动，进而避免轴向窜动带来的其他可能性的测量误差。
57.举例说明，本实用新型实施例中，扭矩传感器可应用在自行车上，具体可以设置在自行车两个脚踏板之间。例如，请参见图1所示结构，扭矩传感器的外壳6可以与自行车车架固定，扭力桶1位于外壳6内部，扭力桶1的第一段11的桶内壁通过设有内花键实现与传动轴2的传动连接，传动轴2的端部比如通过自行车曲柄与脚踏板连接，扭力桶1的第二段12的桶外壁通过设有外花键实现与链条的传动连接，同时链条还与自行车后轮传动连接。这样，当脚踏脚踏板后，传动轴2转动带动扭力桶1的第一段11相对第二段12扭转使得扭力桶1转动，扭力桶1的第二段12的桶外壁通过外花键再带动链条驱动自行车的后轮转动，实现自行车的前进动作，此时作用在脚踏板上的作用力可视为被测转动体施加在扭力桶1的第一段11
上的扭矩。
58.在具体实施时，可以是自行车链条的一端套设在扭力桶1第二段12桶外壁的外花键上，自行车链条的另一端套设在自行车后轮的旋转轴上。如此，实现了扭力桶1的第二段12与自行车后轮之间的传动连接。
59.在自行车运动的第一瞬间，扭力桶1上与链条连接的一端为瞬间静止状态，此时，扭力桶1产生的扭转变形最大，扭力桶1的第一段11相对第二段12具有最大的角度差，也即此时扭力桶1具有最大扭角。这里假设自行车的行驶路面的摩擦阻力相同，随着自行车起步后的加速、进入匀速的过程中，自行车运动中由于惯性的存在，扭力桶1的扭角逐渐减小。这里，在扭力桶1的第三段13也即扭力桶1的中间段上设有螺旋槽14，使得在施加给脚踏板上的作用力较小的情况下，扭矩传感器中的扭力桶1也能具有足够大的扭角，便于测量出扭力桶1的扭角，再根据扭力桶1的扭角得出施加在脚踏板上的扭矩。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。