ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ВАЛА Российский патент 2005 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 №1395954 (публ. 29.05.1975 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 №4173265 (публ. 06.11.1979 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 РСТ №88/05742 (публ. 11.08.1988 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.

Известно устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вращающегося вала, описанное в авторском свидетельстве СССР №1781566 (публ. 15.12.1992 г.). 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, токовые 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).

Наиболее близким по технической сущности является датчик крутящего момента вала, описанный в патенте РФ №2163076 (публ. 10.04.2001 г.), взятый за прототип.

Датчик крутящего момента вала содержит торсионный вал, корпус, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, и экраны с перфорированными в них окнами. Части вала 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. В одном из рассмотренных вариантов окна первого и второго экранов имеют трапецеидальное сечение. Каркас катушек индуктивности выполнен составным в виде диска, прилегающего к одному из экранов с подпружиниванием относительно корпуса. В качестве пружинящего элемента использовано упругое резиновое кольцо. Левая обмотка установлена в кольцевом пазу первой детали составного каркаса, а вторая обмотка установлена в кольцевом пазу второй детали составного каркаса. Обе детали соединены так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала, концентрично указанному валу. Каркас установлен в направляющих пазах корпуса посредством радиальных выступов. Направляющие пазы выполнены на внутренней поверхности корпуса датчика параллельно оси контролируемого вала. Корпус датчика выполнен зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля, внутренняя поверхность корпуса расположена концентрично контролируемому валу.

В рассмотренном примере реализации экраны установлены у обращенных друг к другу торцов частей вала при помощи втулок. Втулки жестко посажены на части контролируемого вала при помощи резьбы.

Недостатком описанного решения является нестабильность выходной характеристики из-за температурного изменения зазора между экранами, поскольку они установлены жестко на частях контролируемого вала вдоль оси этого вала.

Задачей изобретения является повышение стабильности выходной характеристики 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, где экраны выполнены в виде дисков, расположенных у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, первый экран установлен на первой части контролируемого вала посредством втулки, а второй экран жестко закреплен на второй части контролируемого вала, причем каркас катушек индуктивности установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала, каркас катушек размещен концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к первому экрану с подпружиниванием относительно корпуса, решается тем, что первая часть контролируемого вала снабжена шлицами, образованными на ее боковой поверхности у торца, обращенного ко второй части вала, торцевые выступы которого с нормируемым зазором расположены между шлицами, каждый шлиц снабжен продольной канавкой, втулка первого экрана установлена на шлицах с возможностью перемещения по ним и выполнена с внутренними радиальными выступами, расположенными в продольных канавках шлицов, причем каждый выступ втулки подпружинен к стенке канавки шлица в одном направлении вдоль проходящей через выступы втулки окружности, лежащей в плоскости поперечного сечения контролируемого вала, с центром, совпадающим с проекцией оси вала на эту плоскость, путем установки в гнезде выступа плоской изогнутой пружины, воздействующей на противоположную стенку канавки шлица.

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

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

Каркас катушек индуктивности выполнен предпочтительно в виде составного диска, прилегающего к первому экрану, 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.

Обмотки катушек индуктивности включены преимущественно в мостовую измерительную цепь переменного тока.

Окна могут быть 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.

Окна первого и второго экранов выполнены предпочтительно трапецеидального 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, в другом варианте - 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 по экрану; на фиг.3 приведен поперечный разрез датчика по месту установки втулки экрана на шлицах первой части контролируемого вала; на фиг.4 изображен электроусилитель рулевого управления, в который встроен заявляемый датчик крутящего момента вала; на фиг.5 показана пружина, установленная между выступом втулки первого экрана и стенкой канавки шлица первой части контролируемого вала.

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.

Первая часть 1 вала и вторая часть 2 вала соединены торсионным валом 3, у обращенных друг к другу торцов частей вала 1, 2 установлены экраны 8, 9, выполненные в виде дисков. Первый экран 8 установлен на первой части 1 контролируемого вала посредством втулки 12, а второй экран 9 жестко закреплен на второй части 2 контролируемого вала, например, винтами 13. Окна 10 в рядах первого экрана 8 выполнены в два ряда 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 трапецеидальное сечение. Экраны 8, 9 изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, мерных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов.

Каркас 5 катушек индуктивности установлен в корпусе 4 посредством радиальных выступов 14, расположенных в направляющих пазах 15 корпуса 4, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала. Каркас 5 катушек размещен концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к первому экрану 8 с подпружиниванием относительно корпуса 4. В качестве пружинящего элемента может использоваться упругое резиновое кольцо 16. Первая обмотка 6 установлена в кольцевом пазу первой детали 17 составного каркаса 5, а вторая обмотка 7 установлена в кольцевом пазу второй детали 18 составного каркаса 5. Обе детали 17, 18 соединены так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала 1, 2, концентрично указанному валу. Детали 17, 18 жестко соединены между собой, например, заклепками.

Первая часть 1 контролируемого вала снабжена шлицами 19, образованными на ее боковой поверхности у торца, обращенного ко второй части 2 вала. На второй части 2 вала выполнены торцевые выступы 20, расположенные между шлицами 19 с нормируемым зазором, допускающим поворот частей 1, 2 контролируемого вала относительно друг друга до упора шлицов 19 в выступы 20. Каждый шлиц 19 снабжен продольной канавкой 21. Втулка 12 первого экрана 8 установлена на шлицах 19 с возможностью перемещения по ним и выполнена с внутренними радиальными выступами 22, расположенными в продольных канавках 21 шлицов 19. Каждый выступ 22 втулки 12 подпружинен к стенке канавки 21 шлица 19 в одном направлении вдоль проходящей через выступы 22 втулки 12 окружности, лежащей в плоскости поперечного сечения контролируемого вала, с центром, совпадающим с проекцией оси вала на эту плоскость, путем установки в гнезде 23 выступа 22 плоской изогнутой пружины 24, воздействующей на противоположную стенку канавки 21 шлица 19.

Корпус 4 датчика может быть выполнен зацело с кожухом 25 электроусилителя 26 рулевого управления автомобиля, внутренняя поверхность корпуса 4 расположена, как правило, концентрично контролируемому валу, через корпус 4 (кожух 25) проходят электрические выводы 27 обмоток 6, 7 катушек индуктивности, которые могут быть включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока. В электроусилителе 26 первой частью 1 контролируемого вала является ведущий вал, на котором закреплено рулевое колесо, а второй частью 2 контролируемого вала служит ведомый вал, связанный с редуктором рулевого управления.

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 5 катушек устраняет зазор между катушками и экраном 8. Подвижное шлицевое соединение первой части 1 контролируемого вала и втулки 12 первого экрана 8 в совокупности с подпружиниванием первого экрана 8 ко второму экрану 9 через каркас 5 катушек позволяет выбрать зазор между экранами 8, 9 и поддерживать это состояние при эксплуатации в любых условиях вне зависимости от температурных деформаций первой и второй частей 1, 2 контролируемого вала и торсионного вала 3. Более четкое позиционирование первого экрана 8 на первой части 1 контролируемого вала является результатом подпружинивания втулки 12 первого экрана 8 через выступы 22 в канавках 21 шлицов 19 указанной первой части 1 вала.

Таким образом, задача изобретения - повышение стабильности выходной характеристики датчика крутящего момента вала - решена за счет стабилизации взаимного расположения элементов магнитной цепи и, следовательно, стабилизации сопротивления магнитному потоку.

Изобретение 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 в них окнами. Первая и вторая части вала соединены торсионным валом, у обращенных друг к другу торцов частей вала установлены экраны. Первый экран установлен посредством втулки, а второй экран жестко закреплен. Каркас катушек индуктивности установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, и выполнен прилегающим к первому экрану с подпружиниванием относительно корпуса. Первая часть контролируемого вала снабжена шлицами, образованными на ее боковой поверхности у торца, обращенного к торцевым выступам второй части вала, расположенным между шлицами с нормируемым зазором, допускающим поворот частей контролируемого вала относительно друг друга до упора шлицов в выступы. Каждый шлиц снабжен продольной канавкой. Втулка первого экрана установлена на шлицах с возможностью перемещения по ним и выполнена с внутренними радиальными выступами, расположенными в продольных канавках шлицов. Каждый выступ втулки подпружинен к стенке канавки шлица в одном направлении путем установки в гнезде выступа плоской изогнутой пружины, воздействующей на противоположную стенку канавки шлица. Техническим результатом является повышение стабильности выходной характеристики датчика крутящего момента вала. 9 з.п. ф-лы, 5 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, экраны выполнены в виде дисков, расположенных у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, первый экран установлен на первой части контролируемого вала посредством втулки, а второй экран жестко закреплен на второй части контролируемого вала, причем каркас катушек индуктивности установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала, каркас катушек размещен концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к первому экрану с подпружиниванием относительно корпуса, отличающийся тем, что первая часть контролируемого вала снабжена шлицами, образованными на ее боковой поверхности у торца, обращенного ко второй части вала, торцевые выступы которого с нормируемым зазором расположены между шлицами, каждый шлиц снабжен продольной канавкой, втулка первого экрана установлена на шлицах с возможностью перемещения по ним и выполнена с внутренними радиальными выступами, расположенными в продольных канавках шлицов, причем каждый выступ втулки подпружинен к стенке канавки шлица в одном направлении вдоль проходящей через выступы втулки окружности, лежащей в плоскости поперечного сечения контролируемого вала, с центром, совпадающим с проекцией оси вала на эту плоскость, путем установки в гнезде выступа плоской изогнутой пружины, воздействующей на противоположную стенку канавки шлица.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 п.1, отличающийся тем, что каркас катушек индуктивности выполнен в виде составного диска, прилегающего к первому экрану, 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.5. Датчик по п.1 или 4, отличающийся тем, что обмотки катушек индуктивности включены в мостовую измерительную цепь переменного тока.6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что 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.7. Датчик по п.1 или 6, отличающийся тем, что окна первого и второго экранов выполнены трапецеидального сечения, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана.8. Датчик по п.6 или 7, отличающийся тем, что в первом экране окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда.9. Датчик по пп.1, 6-8, отличающийся тем, что экраны выполнены из меди и/или медных сплавов.10. Датчик по пп.1, 6 - 8, отличающийся тем, что экраны выполнены из алюминия и/или алюминиевых сплавов.