專利名稱：扭矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種例如可在用于驅(qū)動裝置的控制裝置或調(diào)節(jié)裝置中應(yīng)用的扭矩傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器包含具有第一旋轉(zhuǎn)件(通過該第一旋轉(zhuǎn)件可以在一個旋轉(zhuǎn)方向上將待確定的扭矩傳輸至與第一旋轉(zhuǎn)件同軸的第二旋轉(zhuǎn)件)的單向離合器和用以確定第一旋轉(zhuǎn)件在所述旋轉(zhuǎn)方向上相對于第二旋轉(zhuǎn)件的扭轉(zhuǎn)角大小以及根據(jù)所確定的扭轉(zhuǎn)角大小來確定扭矩的裝置。根據(jù)本發(fā)明，通過兩個旋轉(zhuǎn)件在所述方向的相互扭轉(zhuǎn)角大小來推斷出產(chǎn)生該扭轉(zhuǎn)角的扭矩。有利之處在于，單向離合器可以實現(xiàn)傳輸旋轉(zhuǎn)運動的機械元件和產(chǎn)生測量效果 的傳感器部件的雙重功能。為了作為扭矩傳感器使用，只需要對單向離合器稍作改進。因為可能直接檢測旋轉(zhuǎn)件的相互扭轉(zhuǎn)度，因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了所述用以確定相互扭轉(zhuǎn)角的裝置，以彼此獨立地確定兩個旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)角。有利地，該用以確定旋轉(zhuǎn)件扭轉(zhuǎn)角的裝置可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角相對于時間的導(dǎo)數(shù)，并且由此確定第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)速度n和第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)速度n’。用以確定旋轉(zhuǎn)件扭轉(zhuǎn)角的裝置例如持續(xù)地比較n和n’。若第一旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)速度n達到了第二旋轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)速度n’，則這表示扭矩開始傳輸。用以確定旋轉(zhuǎn)件扭轉(zhuǎn)角的裝置將確定自該時刻起經(jīng)過的旋轉(zhuǎn)角并且也確定旋轉(zhuǎn)速度n、n’。旋轉(zhuǎn)速度n暫時超過旋轉(zhuǎn)速度n’，并且隨后在恒定扭矩情況下再次靠近n’。若存在n = n’，則單向離合器傳輸?shù)氖谴郎y扭矩。從關(guān)于上述時刻確定的旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)角之差可得出相互扭轉(zhuǎn)角a。隨后扭矩傳感器根據(jù)所存儲的角度a與扭矩之間的關(guān)系確定待測扭矩。用以確定旋轉(zhuǎn)件相互扭轉(zhuǎn)角的裝置優(yōu)選包含至少一個與旋轉(zhuǎn)件中的一個同軸的測量環(huán)，該測量環(huán)具有環(huán)繞的標記和探測該標記的探測器。所述標記可以是一種可進行光學(xué)探測的線條刻度。但是所述標記優(yōu)選由測量環(huán)在圓周方向上可變化的磁化構(gòu)成。探測器可相應(yīng)探測所述磁化。適宜地，測量環(huán)按照一個周期函數(shù)進行循環(huán)磁化。本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式是，將磁化限制于測量環(huán)的外圈，探測器相對于該外圈徑向?qū)χ?。?yōu)選探測器包含兩個在測量環(huán)圓周方向上按一定距離布置的測值傳感器，這樣設(shè)計其距離，使得通過測量值可以確定探測器在周期函數(shù)的一個周期內(nèi)的位置，而通過對周期計數(shù)來確定更大的旋轉(zhuǎn)角。本發(fā)明的一種實施方式是，可以設(shè)置兩個在相反的旋轉(zhuǎn)方向上起作用的單向離合器。因此可以在兩個旋轉(zhuǎn)方向進行扭矩測量，即可以測量正扭矩和負扭矩。本發(fā)明的另一種設(shè)計是，設(shè)置記錄第一和第二旋轉(zhuǎn)件之間滑差的裝置。這種滑差可能會去除在旋轉(zhuǎn)件相互扭轉(zhuǎn)角a和產(chǎn)生該扭轉(zhuǎn)的扭矩M之間的單值關(guān)系并且使扭矩的測量值出錯。若待測扭矩具有確定的隨時間分布曲線，特別是有一定的周期性，則可以進行滑差控制。例如，這種情況可以是在扭矩通過自行車踏板曲柄導(dǎo)入單向離合器時。最大扭矩每次總是在踏板力垂直于相應(yīng)踏板連桿時出現(xiàn)。優(yōu)選設(shè)置用以獲取周期長度T的裝置。本發(fā)明的另一種設(shè)計是，可以設(shè)置用以探測旋轉(zhuǎn)件間的扭轉(zhuǎn)角達到極值時的時刻的裝置。隨后，所述記錄旋轉(zhuǎn)件間滑差的裝置可以將兩個旋轉(zhuǎn)件之間扭轉(zhuǎn)角的依次相繼的各極值的時間間隔與周期長度T相比。若該時間間隔等于周期長度T，則可以排除旋轉(zhuǎn)件間 的滑差。本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式中，設(shè)置用以獲取在待測扭矩隨時間分布曲線的確定時間段T’內(nèi)的旋轉(zhuǎn)件之間扭轉(zhuǎn)角的裝置。適宜地，在該確定時間段期間出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)件之間扭轉(zhuǎn)角a的最大值。所述用以檢測確定時間段內(nèi)扭轉(zhuǎn)角的裝置可以用于檢測從最大值出現(xiàn)的時刻直到所述確定時間段T’結(jié)束時的扭轉(zhuǎn)角A a。在最大值附近可以認為滑差最小。


下面相據(jù)實施例和與實施例相關(guān)的附圖對本發(fā)明進行進一步說明。其中圖I根據(jù)本發(fā)明的扭矩傳感器示意圖；圖2通過一個探測器來探測圖I中扭矩傳感器測量環(huán)的說明圖；圖3圖I中扭矩傳感器測量環(huán)的磁化說明圖；圖4扭轉(zhuǎn)傳感器旋轉(zhuǎn)件間的相互扭轉(zhuǎn)角a隨時間變化圖；圖5待測扭矩與相互扭轉(zhuǎn)角a的變化量A a之間的關(guān)系圖。
具體實施例方式扭矩傳感器包含設(shè)計成單向軸承的具有第一旋轉(zhuǎn)件2和與第一旋轉(zhuǎn)件2同軸的第二旋轉(zhuǎn)件3的單向離合器I。旋轉(zhuǎn)件2可能例如與同軸的驅(qū)動軸相連，旋轉(zhuǎn)件3可能例如與自行車車輪處于驅(qū)動連接(驅(qū)動軸和車輪未畫出)。滾珠軸承4和5處于空心圓柱狀的旋轉(zhuǎn)件2、3之間。附圖標記6表不通過第一旋轉(zhuǎn)件2使第二旋轉(zhuǎn)件3這樣同步的裝置，使得可以通過第一旋轉(zhuǎn)件2在一個旋轉(zhuǎn)方向上將扭矩傳輸至第二旋轉(zhuǎn)件3。在相反的旋轉(zhuǎn)方向上不能進行這樣的傳輸。旋轉(zhuǎn)件3可以沿該相反的旋轉(zhuǎn)方向在旋轉(zhuǎn)件2上自由旋轉(zhuǎn)。如從圖I進一步可知，旋轉(zhuǎn)件2與測量環(huán)7相連，旋轉(zhuǎn)件3與測量環(huán)8相連。根據(jù)圖3，與旋轉(zhuǎn)件2、3同軸并且軸向錯開布置的測量環(huán)7、8含有一個外層9，該外層環(huán)繞地相應(yīng)于由10表示的函數(shù)曲線進行磁化。相對于測量環(huán)7、8的各環(huán)外部表面位置固定布置的、分別與數(shù)據(jù)分析裝置15相連的探測器11、12探測在圓周方向上進行周期性變化的測量環(huán)7、8的磁化。如圖2所示，各探測器分別含有兩個分別提供信號的傳感器13、14，所述傳感器在測量環(huán)7、8的圓周方向上按一定距離這樣布置，使得可以從傳感器13、14的測量信號之比確定分別在磁化的一個周期內(nèi)測量環(huán)的準確位置。在沒有扭矩傳輸?shù)目蛰d運行方式中，旋轉(zhuǎn)件3的旋轉(zhuǎn)速度n’大于旋轉(zhuǎn)件2的旋轉(zhuǎn)速度n，該旋轉(zhuǎn)件2可能處于靜止狀態(tài)。若在第一旋轉(zhuǎn)件2上施加扭矩，則旋轉(zhuǎn)件2的旋轉(zhuǎn)加速度將使旋轉(zhuǎn)速度n向旋轉(zhuǎn)速度n’靠近，并最終將其超過。探測器11、12彼此獨立地連續(xù)確定測量環(huán)7、8的與旋轉(zhuǎn)件2、3的旋轉(zhuǎn)角或旋轉(zhuǎn)速度n、n’相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)速度。從旋轉(zhuǎn)件2的旋轉(zhuǎn)速度n剛好超過旋轉(zhuǎn)件3的旋轉(zhuǎn)速度n’的時刻起，確定相互扭轉(zhuǎn)角(即所測得的旋轉(zhuǎn)件2與旋轉(zhuǎn)件3的旋轉(zhuǎn)角之差)。相互扭轉(zhuǎn)角a越大，則所傳輸?shù)呐ぞ鼐驮酱蟆８鶕?jù)所存儲的扭轉(zhuǎn)角a與扭矩M間的關(guān)系，數(shù)據(jù)分析裝置15確定所傳輸?shù)呐ぞ豈。一方面，通過對經(jīng)過的磁化周期進行計數(shù)來確定旋轉(zhuǎn)角。可以通過數(shù)據(jù)分析裝置15對傳感器13和14的兩個測量信號進行分析來對周期內(nèi)的中間位置進行精確確定。根據(jù)周期性的函數(shù)曲線，在周期內(nèi)存在的兩個測量信號之比與測量環(huán)位置之間的單值關(guān)系。
·
測量環(huán)7、8也可能按照多個軌跡(例如按照一個正弦函數(shù)和一個余弦函數(shù))進行磁化，并且給每個傳感器13、14分配一個軌跡。隨后可以從傳感器13、14的測量信號確定精確的位置和旋轉(zhuǎn)方向。在確定扭矩時，上述方式的前提條件是，旋轉(zhuǎn)件2、3在n Sn’時能夠以角度a互相無滑差扭轉(zhuǎn)，同時會產(chǎn)生一個與作用的扭矩相應(yīng)的反轉(zhuǎn)扭矩M( a )，該反轉(zhuǎn)扭矩始終隨角度a增長并大致與角度a成正比。但是相互扭轉(zhuǎn)也不總是無滑差的。首先，在單向離合器I較長時間運行后，盡管滿足條件n Sn’，仍然可以出現(xiàn)單向離合器的鎖緊的顯著的延遲。除此之外，即使在鎖緊后并且滿足條件n > n’時，也不能排除旋轉(zhuǎn)件2、3的相互滑移運動，即滑移運動也可能在通過單向離合器I進行扭矩轉(zhuǎn)輸過程中產(chǎn)生。這種旋轉(zhuǎn)件2、3之間的滑移運動將致使施加于單向離合器I上的扭矩M和旋轉(zhuǎn)件
2、3的相互扭轉(zhuǎn)角a之間不存在單值的、可以用于單值地確定M的關(guān)聯(lián)。因此，現(xiàn)在的目標是，消除滑移運動對確定扭矩M所產(chǎn)生的影響。，以下根據(jù)圖4說明對此的可能方案。圖4示出將待測扭矩M通過例如踏板曲柄(特別是自行車踏板曲柄)導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)件2時旋轉(zhuǎn)件2、3的扭轉(zhuǎn)角a曲線?？偸窃谑┘拥奶ぐ辶Υ怪庇谶B桿時，轉(zhuǎn)矩M達到最大。由于M和a間的比例關(guān)系，角度a也存在一個這樣的最大值。在對踏板曲柄進行均衡操作和沒有滑差情況下，存在如圖4所示的周期為T的周期性時間變化曲線a (t)。可以對周期T(即在旋轉(zhuǎn)件2、3的相互扭轉(zhuǎn)角a兩個最大值之間的時間段)進行測量。替代地，可以通過測量旋轉(zhuǎn)件2的角速度或旋轉(zhuǎn)速度通過關(guān)系式n = 2 /T來確定周期T。在均衡操作踏板曲柄情況下，若每次在周期T之后角度a能達到其最大值并且每次能達到相同的角度值，則可以排除旋轉(zhuǎn)件2、3之間的滑差影響。無論滑差是否出現(xiàn)，都可以進行持續(xù)控制，即獲取到每次角度a出現(xiàn)最大值的時刻t’和其角速度n并且而后確定在t’+T時刻是否會再次出現(xiàn)最大值。若是這種情況，則沒有滑差，并且所確定的旋轉(zhuǎn)件2、3間的扭轉(zhuǎn)角a值可用于確定扭矩M。但是，若存在滑差，在確定M時，則需要在時間變化曲線a (t)上的一個階段(在該階段滑差盡可能小的)期間確定旋轉(zhuǎn)件2、3的相互扭轉(zhuǎn)角。根據(jù)圖4，為此觀察例如最大值a_之后長度為T’的階段，其中，任意確定長度T’與周期T的比例。在該階段T’內(nèi)，旋轉(zhuǎn)件2、3的相互扭轉(zhuǎn)角減小角度A a，Aa與amax成一定比例。在與a _相對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩Mmax和角度△ 之間存在一個函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系可用于從測得的Aa值來確定Mniax。Mniax和A a之間大致成比例關(guān)系，如圖5所示。為了測量M_，需要確定最大值a.出現(xiàn)的時刻t’，并且隨后確定從該時刻到時間段T’結(jié)束所出現(xiàn)的變化量A a。周期T并因而階段T’長度可以由旋轉(zhuǎn)件2的角速度n 確定(T = 2 /n)，其中，測量角速度n可以與確定時刻T’例如同時進行。也可以將函數(shù)a (t)的靠近的兩個拐點之一與a _之間的時間間隔或所述兩個拐點之間的時間間隔作為階段T’。
權(quán)利要求
1.扭矩傳感器，其特征為設(shè)有包含第一旋轉(zhuǎn)件(2)的單向離合器(1)，通過該第一旋轉(zhuǎn)件能在一個旋轉(zhuǎn)方向上將待確定的扭矩傳輸至與第一旋轉(zhuǎn)件(2)同軸的第二旋轉(zhuǎn)件(3);和設(shè)有用以確定第一旋轉(zhuǎn)件(2)在所述旋轉(zhuǎn)方向上相對于第二旋轉(zhuǎn)件(3)的扭轉(zhuǎn)角a以及根據(jù)所確定的扭轉(zhuǎn)角來確觸扭矩M的裝置(7-15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的扭矩傳感器，其特征在于，用以確定旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間相互扭轉(zhuǎn)角a的裝置(7-15)設(shè)置用于彼此獨立確定旋轉(zhuǎn)件(2、3)的旋轉(zhuǎn)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的扭矩傳感器，其特征在于，用以確定旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間相互扭轉(zhuǎn)角a的裝置(7-15)設(shè)置用以確定兩個旋轉(zhuǎn)件(2、3)的旋轉(zhuǎn)角對于時間的導(dǎo)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之ー的扭矩傳感器，其特征在于，用以確定旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間相互扭轉(zhuǎn)角a的裝置(7-15)包舍至少一個與其中一個旋轉(zhuǎn)件(2、3)同軸的測量環(huán)(7、8)，所述測量環(huán)具有環(huán)繞的標記(10)和探測該標記的探測器(11、12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的扭矩傳感器，其特征在于，所述標記由測量環(huán)(7、8)的在圓周方向上可變化的磁化(10)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的扭矩傳感器，其特征在干，測量環(huán)(7、8)在圓周方向上按照ー個周期函數(shù)進行磁化。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6之ー的扭矩傳感器，其特征在干，測量環(huán)(7、8)的外層(9)是被磁化的。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7之ー的扭矩傳感器，其特征在于，探測器(11、12)包含兩個在測量環(huán)圓周方向上這樣按一定距離布置的測值傳感器(13、14)，使得通過測值傳感器(13、14)的測量值能確定周期函數(shù)的ー個周期內(nèi)的測量環(huán)(7、8)位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8之ー的扭矩傳感器，其特征在于，扭矩傳感器包含多個同軸的、在相反旋轉(zhuǎn)方向上起作用的單向離合器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9之ー的扭矩傳感器，其特征在于，設(shè)置用于記錄旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間滑差的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10之ー的扭矩傳感器，其特征在于，待測扭矩具有確定的隨時間分布曲線，特別是具有周期性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的扭矩傳感器，其特征在于，設(shè)置用以檢測周期長度(T)的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12之ー的扭矩傳感器，其特征在于，設(shè)置用以檢測旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間的扭轉(zhuǎn)角a達到極值時的時刻a’ )的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的扭矩傳感器，其特征在干，設(shè)置記錄旋轉(zhuǎn)件之間滑差的裝置，以將旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間扭轉(zhuǎn)角(a)的依次相繼的各極值之間的時間間隔與周期長度(T)比較。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14之ー的扭矩傳感器，其特征在于，設(shè)置用以在待確定扭矩的隨時間分布曲線的確定時間段(T’ )內(nèi)檢測旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間扭轉(zhuǎn)角(Aa)的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的扭矩傳感器，其特征在于，在所述確定時間段期間出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)件(2、3)之間扭轉(zhuǎn)角(a)的最大值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的扭矩傳感器，其特征在于，所述用以檢測在確定時間段期間扭轉(zhuǎn)角(△ a)的裝置設(shè)置用于檢測從最大值出現(xiàn)的時刻(t’)直到所述確定時間段(T’)結(jié)束時的扭轉(zhuǎn)角(A a )，其中，時間段長度(T’ )與周期(T)成確定的比例。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種扭矩傳感器，其包舍一個具有第一旋轉(zhuǎn)件(2)的單向離合器(1)，通過該第一旋轉(zhuǎn)件可以在一個旋轉(zhuǎn)方向上將待確定的扭矩傳輸至與第一旋轉(zhuǎn)件(2)同軸的第二旋轉(zhuǎn)件(3)，和用以確定第一旋轉(zhuǎn)件(2)在所述旋轉(zhuǎn)方向上相對于第二旋轉(zhuǎn)件(3)的扭轉(zhuǎn)角以及根據(jù)所確定的扭轉(zhuǎn)角來確定扭矩的裝置(7-15)。
文檔編號G01L3/00GK102798493SQ20121028430
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者羅爾夫·施特羅特曼 申請人:羅爾夫·施特羅特曼