ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ВАЛА Российский патент 2001 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля.

Известен сервомеханизм электроусилителя руля, описанный в заявке Великобритании N 1395954 (опубл. 29.05.75 г.), содержащий торсионный элемент, соединяющий две части рулевого вала. Крутящий момент замеряется на торсионе посредством следящего выключателя, выполненного в виде потенциометра, установленного на частях рулевого вала.

Недостатком конструкции является ее недостаточная надежность, вызванная наличием трущихся частей в потенциометре. Кроме того, чувствительность потенциометра не позволяет производить точное измерение на малых перемещениях.

Из патента США N 4173265 (опубл. 06.11.79 г.) известно устройство для измерения крутящего момента на валу, выполненное на принципе детектирования магнитного поля. Устройство содержит две части вала, соединенные торсионом, на одной части вала установлен постоянный магнит, а на другой части вала, напротив магнита, расположен пластинчатый датчик магнитного поля. При скручивании торсиона магнит перемещается относительно датчика, который детектирует изменение магнитного поля.

Однако чувствительность устройства также недостаточна, поскольку измерения осуществляются в зоне малых перемещений постоянных магнитов, имеющих, как правило, большой разброс параметров.

Известен датчик крутящего момента, описанный в заявке PCT N 88/05742 (опубл. 11.08.88 г.). Указанный датчик состоит из индуктивных катушек, установленных на одной части вала, и кольцевого элемента, установленного на другой части вала с возможностью осевого смещения при скручивании торсиона, соединяющего обе части вала. В результате перемещения кольцевого элемента в индуктивных катушках, связанных с ним, индуцируется соответствующий сигнал. Недостатком рассмотренного технического решения является снижение надежности датчика в процессе эксплуатации из-за наличия механического трения и, соответственно, износа кольцевого элемента.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вращающегося вала, описанное в авторском свидетельстве СССР N 1781566 (опубл. 15.12.92 г.), взятое за прототип.

Устройство содержит корпус, внутри которого размещены каркас катушек индуктивности с обмотками и торсионный вал с установленными на нем подшипниками. На валу закреплена центральная двусторонняя зубчатая втулка и боковые односторонние зубчатые втулки, обращенные зубцами к центральной втулке, а на концах вала установлены экраны с выполненными в них окнами, простирающиеся в зазоре между втулками и катушками индуктивности. Боковые втулки выполнены из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, причем количество слоев соответствует числу окон экранов.

Размещение экранов между втулками и катушками увеличивает длину магнитной цепи и ее магнитное сопротивление, что снижает чувствительность устройства. К недостаткам можно также отнести конструктивную и технологическую сложность устройства из-за большого числа деталей и необходимости изготовления втулок из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, что затрудняет его изготовление в массовом производстве. Основной недостаток прототипа - нестабильность выходной характеристики из-за невозможности обеспечения постоянства зазоров между взаимно перемещающимися частями устройства (экраном и катушками).

Задачей изобретения является повышение стабильности выходной характеристики, упрощение конструкции и повышение технологичности датчика крутящего момента вала.

Указанная задача в датчике крутящего момента вала, содержащем торсионный вал, электропроводящие экраны с перфорированными в них окнами и корпус, внутри которого установлен каркас катушек индуктивности с обмотками, решается тем, что экраны выполнены в виде дисков, установленных у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, окна в первом экране расположены по окружности в два ряда со смещением, а во втором экране окна расположены в один ряд, захватывающий по ширине оба ряда окон первого экрана, при этом каркас катушек индуктивности выполнен в виде составного диска, прилегающего к одному из экранов, причем первая обмотка установлена в кольцевом пазу первой детали каркаса, а вторая обмотка установлена в кольцевом пазу второй детали каркаса, соединенной с первой деталью так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала, концентрично указанному валу.

Корпус датчика выполнен преимущественно зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля.

Внутренняя поверхность корпуса датчика расположена, как правило, концентрично контролируемому валу.

Каркас катушек индуктивности может быть установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала.

Каркас катушек индуктивности расположен преимущественно концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к экрану с подпружиниванием относительно корпуса.

Обмотки катушек индуктивности включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Экраны установлены на частях контролируемого вала преимущественно посредством втулок.

Окна первого экрана могут быть выполнены круглого сечения, а окна второго экрана могут иметь сечение двух состыкованных кругов, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана.

В другом случае окна первого и второго экранов могут быть выполнены трапецеидального или прямоугольного сечения, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана.

В первом экране окна одного ряда расположены, как правило, напротив межоконных перемычек другого ряда.

Экраны могут быть выполнены из меди и/или медных сплавов или из алюминия и/или алюминиевых сплавов.

Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "новизна". В то же время, совокупность отличительных признаков, приводящая к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому заявляемое техническое решение соответствует условию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез датчика; на фиг. 2 показан поперечный разрез датчика.

Датчик крутящего момента вала 1, 2 содержит торсионный вал 3, корпус 4, внутри которого размещен каркас 5 катушек индуктивности с обмотками 6, 7 и экраны 8,9 с перфорированными в них окнами 10, 11.

Часть вала 1 и часть вала 2 соединены торсионным валом 3, у обращенных друг к другу торцов частей вала 1, 2 установлены экраны 8, 9, выполненные в виде дисков. В частном случае экраны 8, 9 могут быть установлены посредством втулок 12, 13. Окна 10 в рядах первого экрана 8 выполнены со смещением, как правило окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда. Ряд окон 11 второго экрана 9 захватывает по ширине оба ряда окон 10 первого экрана 8, наиболее предпочтителен вариант, когда ряд окон 11 охватывает оба ряда окон 10. Окна 10 первого экрана 8 могут иметь круглое сечение, а сечение окон 11 второго экрана 9 может иметь форму двух состыкованных кругов. В другом случае окна 10, 11 первого и второго экранов 8, 9 могут иметь трапецеидальное или прямоугольное сечение. Экраны 8, 9 изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов.

Каркас 5 катушек индуктивности выполнен составным в виде диска, прилегающего к одному из экранов, например ко второму экрану 9 (фиг. 1), как правило, с подпружиниванием относительно корпуса 4. В качестве пружинящего элемента может использоваться упругое резиновое кольцо 14. Первая обмотка 6 установлена в кольцевом пазу первой детали 15 составного каркаса 5, а вторая обмотка 7 установлена в кольцевом пазу второй детали 16 составного каркаса 5. Обе детали 15,16 соединены так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала 1, 2, концентрично указанному валу. Детали 15, 16 жестко соединены между собой, например, заклепками. Каркас 5 расположен преимущественно концентрично контролируемому валу 1, 2 и установлен в направляющих пазах 17 корпуса 4 посредством радиальных выступов 18. Направляющие пазы 17 выполнены, как правило, на внутренней поверхности корпуса 4 датчика параллельно оси контролируемого вала.

Корпус 4 датчика выполнен преимущественно зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля, внутренняя поверхность корпуса 4 расположена, как правило, концентрично контролируемому валу 1, 2, через него проходят электрические выводы обмоток 6, 7 катушек индуктивности, которые могут быть включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии крутящего момента напротив каждого окна 11 второго экрана 9 симметрично устанавливают части окон 10 обоих рядов первого экрана 8. При этом напротив каждой катушки индуктивности расположение окон 10, 11 одинаково, соответственно равны длины просветов совместного окна напротив каждой катушки. В результате индуктивности катушек одинаковы и мостовая измерительная цепь переменного тока находится в состоянии баланса.

При приложении между частями контролируемого вала 1, 2 крутящего момента окна 10, 11 экранов 8, 9 взаимно смещаются, длина просвета совместного окна напротив одной катушки увеличивается, а напротив другой уменьшается. Индуктивности катушек изменяются в противоположных направлениях, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и генерации сигнала, величина которого пропорциональна моменту скручивания. При этом, меняя конфигурацию окон 10, 11, можно получить различные виды характеристик выходного сигнала.

В случае приложения к контролируемому валу крутящего момента противоположного направления мостовая измерительная цепь разбалансируется и выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 эл.град. Таким образом, с помощью заявляемого устройства определяется направление и величина крутящего момента вала.

Подпружинивание каркаса катушек устраняет зазор между катушками и экраном, вследствие чего сопротивление магнитному потоку в датчике остается стабильным, следовательно, стабильна и выходная характеристика датчика.

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля. Датчик крутящего момента вала содержит торсионный вал, корпус, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, и экраны с перфорированными окнами. Части валов соединены торсионным валом. У обращенных друг к другу торцов частей вала установлены экраны, выполненные в виде дисков. Окна в рядах первого экрана выполнены со смещением. Ряд окон второго экрана захватывает по ширине оба ряда окон первого экрана. Каркас катушек индуктивности выполнен составным в виде диска, прилегающего к одному из экранов с подпружиниванием относительно корпуса. Первая обмотка установлена в кольцевом пазу одной детали составного каркаса. Вторая обмотка установлена в кольцевом пазу другой детали составного каркаса. Обе детали соединены так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала, концентрично указанному валу. Технический результат - повышение стабильности выходной характеристики, упрощение конструкции и повышение технологичности. 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Датчик крутящего момента вала, содержащий торсионный вал, электропроводящие экраны с перфорированными в них окнами и корпус, внутри которого установлен каркас катушек индуктивности с обмотками, отличающийся тем, что экраны выполнены в виде дисков, установленных у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, окна в первом экране расположены по окружности в два ряда со смещением, а во втором экране окна расположены в один ряд, захватывающий по ширине оба ряда окон первого экрана, при этом каркас катушек индуктивности выполнен в виде составного диска, прилегающего к одному из экранов, причем первая обмотка установлена в кольцевом пазу первой детали каркаса, а вторая обмотка установлена в кольцевом пазу второй детали каркаса, соединенной с первой деталью так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала, концентрично указанному валу. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что его корпус выполнен зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля. 3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса расположена концентрично контролируемому валу. 4. Датчик по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что каркас катушек индуктивности установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала. 5. Датчик по п.1 или 4, отличающийся тем, что каркас катушек индуктивности расположен концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к экрану с подпружиниванием относительно корпуса. 6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что обмотки катушек индуктивности включены в мостовую измерительную цепь переменного тока. 7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что экраны установлены на частях контролируемого вала посредством втулок. 8. Датчик по п.1 или 7, отличающийся тем, что окна первого экрана выполнены круглого сечения, а окна второго экрана имеют сечение двух состыкованных кругов, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана. 9. Датчик по п. 1 или 7, отличающийся тем, что окна первого и второго экранов выполнены трапецеидального или прямоугольного сечения, причем оба ряда первого экрана охвачены рядом окон второго экрана. 10. Датчик по любому из пп.1, 8 и 9, отличающийся тем, что в первом экране окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда. 11. Датчик по любому из пп.1, 7 - 10, отличающийся тем, что экраны выполнены из меди и/или медных сплавов. 12. Датчик по любому из пп.1, 7 - 10, отличающийся тем, что экраны выполнены из алюминия и/или алюминиевых сплавов.