用于檢測角度位置的裝置、電動機、轉向柱和減速齒輪的制作方法

專利名稱：用于檢測角度位置的裝置、電動機、轉向柱和減速齒輪的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動機軸的角度位置檢測領域。本發明還涉及機動車轉向柱 領域，其中期望精確地確定該轉向柱的角度位置。
背景技術：
具體地說，越來越多的車輛使用電力輔助轉向柱和轉向柱偏轉角度傳感 器以便于確定方向盤的角度并由此對制動器施加作用以用于軌跡校正。電力 輔助轉向柱往往使用無刷直流電動機，其開關動作對于閉環控制是必需的， 且由此必須知道轉子的絕對角度位置。助力電動才幾由此促動取向系統(orientation system),且它們機械連接到一起。依賴于制造者和車輛的類型， 在阻力電機和方向盤取向系統之間的機械連接可以在各種可能的位置形成， 例如在轉向柱軸上或者在方向盤取向臺架(orientation rack)上。在轉向柱 中，通常在轉向柱的旋轉速度和電動機的旋轉速度之間存在約為10-20的齒 輪減速，以致當轉向柱一轉(revolution)時，電機軸轉10-20轉。轉向柱從 一個最大的偏轉方向到另一個偏轉方向的最大轉數約為4轉。由此必須確定 電機軸在軸40到80轉中的絕對角度以及轉向柱在4轉中的絕對角度。文獻EP 1 026 068(TRW)描述了電力輔助轉向器，其包括轉向軸、電動 機、第一檢測器件、第二檢測器件和處理器件，其中電動機具有通過具有非 整數減速比的齒輪箱操作地連接到轉向軸的轉子，第 一檢測器件產生作為轉 向軸角度位置的函數的輸出，第二檢測器件產生作為轉子的角度位置的函數 的輸出，處理器件設計為處理兩個輸出信號以便于產生在大于完整一轉的范 圍上指示轉向軸的角度位置的角度位置信號。絕對角度位置傳感器被設置在 電機軸或轉向柱軸上，該傳感器由于是多轉絕對傳感器因此成本較高。此外， 可以在轉向柱軸或電機軸上設置分度(index)。然而，這些分度也不能提供 足夠的精度。文獻EP 1 413 499(Toyoda)描述了電力輔助轉向器，其在轉向柱上設置有 兩個傳感器并在電機上設置有一個傳感器。具有三個傳感器是昂貴的且需要
相對比較復雜的處理電子器件。文獻US 5 646 523(Kaiser)描述了一種用于確定方向盤偏轉角度位置的 設備,其包括精確傳感器和近似傳感器(approximate sensor),其與轉向柱軸 相關聯，精確傳感器具有四重齒輪減速(quadruple gear reduction )， 由于這 些齒輪它可以更加快速地驅動相應的編碼器。該裝置相對比較復雜且不能確 定電動機電極的位置。文獻US 6 248 993(柯世達，Leopold Kostal)描述了 一種偏轉角度傳感器 以便于確定方向盤偏轉的絕對角度位置，該傳感器包括兩個傳感器單元，一 個檢測整個偏轉角度范圍的角度段中的角度位置，另 一單元檢測通過具有不 是l的比的齒輪的偏轉，使得由兩個傳感器說檢測到的旋轉速度是不同的以 便于檢測絕對角度位置。同樣，該文獻的技術方案并不能確定電動馬達的轉 子的絕對角度位置。文獻JP2005 053 416(Toyoda Mach Works)的摘要描述了 一種用于完全電 轉向類型的測量的偏轉設備.電轉向馬達與兩個減速齒輪相關聯,一個用于方 向盤的偏轉且另 一個用于在從中間位置一轉中的旋轉的旋轉檢測，就是說總 共旋轉兩轉。發明內容本發明的目的是彌補上述文獻中的缺點和限制。本發明目的是通過單個模塊來測量電轉向電機的軸的絕對角度位置和 轉向方向盤的偏轉角度。通常方向盤的偏轉角度與轉向柱的角度位置成一一 對應關系。本發明的目的是通過可靠和成本低廉的裝置來提供所述角度位置。 用于檢測電動機的軸相對于旋轉元件的角度位置的裝置包括減速齒輪、 單轉式角度位置傳感器和角度位置傳感器，其中該減速齒輪包括旋轉連接到 軸的輸入端(input)和輸出端(output),使得減速齒輪的輸出端在小于2tt 的角度內移動，該單轉式角度位置傳感被安置以便于測量減速齒輪輸出端的 角度，且該角度位置傳感器被安置在減速齒輪輸入端上。這由此給出了設置 有輸入端角度位置傳感器和輸出端角度位置傳感器的減速齒輪，且其在安裝 到轉向機構中時可以提供兩個信號使得可以具有足夠精度地確定電動機轉 子的角度位置和方向盤的偏轉的角度位置。由此輔助系統可以在車輛的軌跡
上發揮作用。安裝有兩個傳感器的減速齒輪形成一子組件，其可以安裝到通 常類型的電轉向電機上。減速齒輪的減速比在5和100之間在一個實施例中，減速齒輪包括滾動軸承和殼體。滾動軸承包括安裝在 軸上的內滾道和安裝在殼體上的外滾道。編碼器可以由內滾道支撐，并與角 度位置傳感器相互作用。在一個實施例中，該單轉式傳感器是絕對角度位置傳感器。與多轉式絕 對角度位置傳感器相比，單轉式絕對角度位置傳感器顯著地降低了成本。在一個實施例中，單轉式傳感器安裝在由所述減速齒輪的殼體支撐的電 路板上。兩個傳感器可以安裝在電路板上。編碼器可以安裝在滾動軸承上。在一個實施例中，該裝置包括旋轉內滾道和非旋轉外滾道，該旋轉內滾 道安裝在軸上。在一個實施例中，減速齒輪包括至少一個行星輪系。這使得可以獲得約為5到20的減速比。在另一個實施例中，減速齒輪包括至少一個諧波減速齒輪。這使得可以 獲得在15和100之間的減速比。在一個實施例中，輸出端被設計為處于力矩中以用于裝置本身的阻力 矩。裝置的阻力矩可以主要包括減速齒輪的滾動軸承的阻力矩和減速齒輪的 齒輪的阻力矩。裝置的阻力矩非常微小。在一個實施例中，該輸入端角度位置適于測量以2丌為模的角度。由此 可以使用絕對或增量型的經濟的角度位置傳感器。在一個實施例中，該軸連接到由傳動裝置驅動的元件，其中該傳動裝置 具有在1和5之間的減速比。在一個實施例中，輸入端角度位置傳感器包括多極編碼器。角度位置傳感器處于編碼器的徑向外側。單轉式角度位置傳感器與編碼 器具有軸向氣隙。單轉式角度位置傳感器可以安置在角度位置傳感器的徑向外側。傳感器可以包括設置為與編碼器元件相對的一個或多個敏感元件，例如 一個或多個設置為與多極,茲性編碼環相對的霍爾效應單元。電動機包括轉子、定子和軸，其中軸支撐轉子和用于檢測軸相對于非旋 轉元件的角度位置的裝置。減速齒輪包括旋轉連接到軸的輸入端和輸出端。
減速齒輪的減速比被選擇為在5和100之間，使得減速齒輪的輸出端在一個小于2丌的角度上移動。單轉式角度位置傳感器被設置以測量減速齒輪的輸出端的角度，以及角度位置傳感器被設置在減速齒輪的輸入端上。動力輔助轉向裝置可以包括如上所述的電動機，以及由設置了由電動機驅動的軸以使得車輛的方向盤偏轉。減速齒輪包括減速機構、輸入端和輸出端、設置為用來測量輸出端的角度的單轉式位置傳感器，所述減速齒輪的減速比被選擇為使得減速齒輪的輸出端在一個小于2兀的角度上移動，和被設置在減速齒輪的輸入端上的角度位置傳感器。減速齒輪包括滾動軸承和殼體，滾動軸承包括安裝在軸上的內滾道、安 裝在殼體上的外滾道和編碼器，該編碼器由內滾道支撐并與角度位置傳感器 相互作用。


在閱讀了作為示例的實施例的具體描述之后，將會更好的理解本發明，其中實施例并不是限制性的且通過附圖示出，其中 圖1是角度位置檢測裝置的軸向截面圖； 圖2是圖1的裝置的分解透視圖；和 圖3是圖1的裝置的正視圖。
具體實施方式
如在這些圖中可以看出，角度位置檢測裝置1安裝在電動機的軸2上。 軸2還支撐由楔4所楔住的小齒輪3，該小齒輪3例如設計為用于驅動轉向 柱的附加齒輪。檢測裝置1包括減速齒輪5，在此情況下為諧波(harmonic)類型的減 速齒輪，滾動軸承6和檢測部分7。在此情況下為諧波類型的減速齒輪5包括設置有向內的齒的冠輪8、與 冠輪8在兩個徑向相對區域嚙合的徑向柔性齒輪(flexible gear ) 9 (見圖3 ), 以及波發生器IO,這些器件同心地安裝。柔性齒輪9設置有軸向內表面。波 發生器10包括環11,其孔眼安裝在軸2上，其方式是通過楔12被固定防止 其旋轉。兩個徑向相對的臂從環11徑向向外延伸。波發生器10包括兩個
撐觸爪13，其每一個都安裝在臂上。環、臂和觸爪可以是一件式的。波發生器10附有兩個光滑套筒14，其每一個都安裝在觸爪13上。套筒14與柔性 齒輪9的內表面接觸，它們迫使所述柔性齒輪9徑向變形以在兩個徑向相對 的區域與冠輪8的齒嚙合。可以預想用軸承來替代套筒14。波發生器10通 過楔12楔到軸2上。滾動軸承6安裝在軸2上，軸向上位于小齒輪3和減速齒輪5之間。滾 動軸承6包括套裝(sleeve-fitted)到軸2的內滾道15,外滾道16、 一系列 通過保持架保持圓周上均勻間隔分布的滾動元件17,其在此情況下為球，和 密封凸緣18，該密封凸緣18安裝在外滾道16的凹槽中并與內滾道15的軸 向軸承表面形成一窄通道。滾道15和16每一個都具有環形曲面的部分的形 狀以便于接收滾動元件17。滾道15和16是深槽類型。滾動軸承6可以是標 準類型的，其可以大批量經濟地制造。檢測裝置1包括圍繞減速齒輪5和滾動軸承6的殼體19，其例如由合成 材料制成。在所示的實施例中，殼體9是環形的且包括較小直徑的軸向部分 20,滾動軸承6的外滾道16剛性地連接到軸向部分20的孔眼中。在小齒輪 3的一側，較小直徑的軸向部分20通過指向內部的較短徑向凸緣21延伸并 與外滾道16的正面接觸，由此形成軸向止動件。殼體19還包括徑向部分22, 該徑向部分22從較小直徑軸向部分20的與徑向凸緣21相對的端部向外延 伸并具有基本與滾動軸承6的內滾道15和外滾道16的橫切徑向表面 (transverse radial surface )共面的面。殼體19包括較大直徑的軸向部分23 ， 該較大直徑的軸向部分23從徑向部分22的較大直徑端部沿與小齒輪3相反 的方向延伸。冠輪8固定地連接到較大直徑的軸向部分23。有利的，殼體19的一些部分與冠輪8以一件式制成，例如模制到一起。 殼體19可以用礦物填料增強的聚酰胺制成。檢測部分7通常安置在這樣一個空間中，該空間在軸向上一側由減速齒 輪5界定，另一側由滾動軸承6界定；且在徑向上一側由軸2界定，另一側 由殼體19的較大直徑軸向部分23界定。檢測部分7包括電路板24,該電路 板占用有限角度的扇形(見圖2和3),例如約為90。，其安裝到殼體19的 徑向部分22的內部徑向表面并與滾動軸承在減速齒輪5 —側的外滾道16的 橫向表面接觸。替代地，電路板可以安裝到外滾道16并與殼體19接觸。電路板24支撐電子處理電路25和兩個傳感器26和27,例如磁敏類型的。
傳感器26在角度上基本安裝在板24的中間，且徑向上位于柔性齒輪9處。 傳感器27在角度上基本安裝在板24的中間，且徑向上位于板24徑向向內 的內邊緣上。由此傳感器26徑向上安置在傳感器27的外側。傳感器26和 27每一個都可以是光或磁類型的。在后文中，將假設兩個傳感器26和27 是磁敏類型的情況。檢測部分7包括兩個環形編碼器28和29。編碼器28是具有細長矩形截 面的多極環的形狀，其例如通過焊接或者包覆模塑(overmolding)徑向連接 到柔性齒輪9的徑向表面，并且面向傳感器26且兩者之間具有微小的軸向 氣隙。比柔性元件9具有較小的剛性的編碼器28可以跟隨所述柔性齒輪9 的徑向變形并在傳感器26中產生磁信號。編碼器28和齒輪9可以形成為單件。編碼器29由滾動軸承6的內滾道15支撐并在傳感器27中產生^t信號。 編碼器29包括支承件30和活動部分31,其中支承件30例如為金屬板襯套 形式，其設置有套裝到內滾道15的外軸承表面的軸向部分、鄰接內滾道15 在減速齒輪5 —側的橫切徑向表面的徑向部分和沿著減速齒輪5方向延伸的 較小直徑軸向部分，活動部分31例如為塑性鐵素體(plastoferrite )類型， 包覆模塑到支承件29上，并圍繞較小直徑軸向部分和部分的較大直徑軸向 部分，且具有以較小徑向氣隙面向傳感器27的軸向外表面。在所示的實施例中，滾動軸承6在編碼器29—側沒有密封凸緣。然而 可以設置摩擦密封件或者適當形狀的凸緣與編碼器29的部分相互作用。檢測部分7由此包括相同類型的電路板，該電路板支撐兩個傳感器和電如通過未示出的有線或者無線連接，表示軸2的絕對角度位置的信息項和關 于偏轉角度的信息項。電路板25可以在簡單的格式化后傳送來自傳感器26 和27的輸出信號或者，替代地，執行處理使得一方面可以基于由傳感器27 供應的信息確定具有期望精度的電動機的軸2的絕對角度位置，且另 一方面 確定作為傳感器26的輸出信號和傳感器27的輸出信號的函數的方向盤 (wheel)偏轉角度。檢測裝置1由此可以包括單個滾動軸承，減速齒輪，兩個編碼器，兩個 傳感器和單個電路板，該電路板支撐傳感器，該檢測裝置1是非常經濟和緊湊 的。此外,檢測裝置1形成這樣的子組件，其可以容易地組裝到電動機的軸2
的一端，例如在轉向柱驅動小齒輪和電機的殼體(未示出)之間。這由此使 用單個和緊湊的系統以替代現有技術中分布在轉向柱和動力輔助轉向電機 上的系統。在操作中，電動機的軸2適于在驅動小齒輪3的同時旋轉，該小齒輪3致動方'向盤偏轉裝置，電機的軸2與方向盤取向系統機械連接使得電機的軸 2的角運動和轉向柱軸的角運動之間的減速比約為10到20。滾動軸承6的 內滾道15以及由此編碼器29被以與軸2相同的速度驅動。軸2的角運動由 此被傳感器27檢測并傳送到電子電路25以傳送到外部元件并適當地處理。 減速齒輪5的波發生器10也被以與軸2相同的旋轉速度驅動，該波發生器 以5到100的減速比旋轉柔性齒輪9,優選地減速比約為40到80。換句話 說，軸2移動40。到80°角時柔性齒輪9和編碼器28移動l度角。編碼器 28和柔性齒輪9的角運動被傳感器26檢測并傳送到電子電路25以用于傳輸 到外部元件并適當地處理。為了限定柔性齒輪9和編碼器28的角運動小于一轉，減速齒輪5的齒 輪比被設計為大于或等于與轉向柱相關的軸2的齒輪比和該轉向柱從一個止 動位置到另一個，也就是說方向盤向左的極限偏轉位置到向右的極限偏轉位 置的回轉數的乘積。這確保編碼器28具有小于360。的旋轉范圍。由此可以 使用單轉型的編碼器28和傳感器26,顯然這比多轉型傳感器更加經濟。傳 感器26和編碼器28的分辨率可以較低，因為傳感器27和編碼器29提供了 軸2的精確地角度位置然而傳感器26和編碼器28僅提供較低精度的信號。 由于由減速齒輪5所提供的齒輪減速，由此可以確定具有約為0.1°精度等 級的轉向柱的角度位置。編碼器28可以是圓周交替極型或者四個極類型的，具有在180°上的外 部北極和內部南極，以及在180。上的外部南極和內部北極。由傳感器所觀 察到的磁場根據編碼器28由于柔性齒輪9徑向變形而導致的角度位置和徑 向位置變化。為了控制電動機2，其可以是無刷直流類型的，期望可精確知道轉子的 電極以及由此軸2的角度位置。傳感器27和編碼器29是具有高分辨率的多 轉類型或者供應絕對角度。在所示的實施例中，殼體19設計為非旋轉型，例如旋轉固定地連接到 電動機的殼體，同時編碼器中的一個與滾動軸承的內滾道相關聯而另一個與
減速齒輪的柔性齒輪相關聯。作為變式，編碼器29可以安裝在波發生器10的軸向環形部分1上或者直接安裝在軸2上，這使得可以使用標準類型的滾動軸承和兩個也是標準類型的密封元件。這給出了這樣一個減速齒輪，其冠 輪可以設計為支撐傳感器，滾動軸承確保冠輪和電動機軸的同心。為了清楚起見，電動機的殼體32和轉向柱33在圖1中用虛線示出。 由于本發明，為使用者提供了非常緊湊和經濟的裝置，該裝置可以作為 子組件安裝到電力輔助轉向或完全電轉向系統的電動機軸上，且裝備有電路 板，該電路板供應指示電動機軸的精確角度位置的信號以及指示方向盤的偏 轉角度的信號。僅需要兩個傳感器就足以提供這些數據。此外，可以免除其 他的附加檢測系統，例如放置在轉向柱滾動軸承上或轉向架上的系統。還可以在不背離本發明的范圍的情況下，提供行星(epicyclic)類型的 減速齒輪以替代諧波類型的減速齒輪。
權利要求
1. 一種裝置(1)，用于檢測電動機的軸(2)相對于非旋轉元件的角度位置，其特征在于，它包括減速齒輪(5)、單轉式角度位置傳感器(26)和角度位置傳感器(27)，其中該減速齒輪(5)包括旋轉連接到軸(2)的輸入端和輸出端，使得減速齒輪的輸出端在小于2π的角度內移動，該單轉式角度位置傳感(26)被安置以便于測量減速齒輪輸出端的角度，且該角度位置傳感器(27)被安置在減速齒輪輸入端上。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述減速齒輪的減速比選擇在5和100 之間。
3. 如權利要求1或2所述的裝置，其中所述單轉式傳感器(26)是絕對角 度位置傳感器。
4. 如權利要求1到3中任一項所述的裝置，其中所述單轉式傳感器(26) 安裝在由所述減速齒輪的殼體(19)支撐的電路板上。
5. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述減速齒輪包括至少一 個行星輪系或至少一個諧波減速齒輪。
6. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述減速齒輪(5)包括滾動 軸承(6)和殼體(19),所述滾動軸承(6)包括安裝在軸(2)上的內滾道(15) 和安裝在殼體(19)上的外滾道(16)，由內滾道(15)支撐的編碼器(29) 與角度位置傳感器(27)相互作用。
7. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述角度位置傳感器(27) 處于編碼器(29)的徑向外側，和/或單轉式角度位置傳感器(26)與編碼器(28) 具有軸向氣隙。
8. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述單轉式角度位置傳感 器(26)安置在角度位置傳感器(27)的徑向外側。
9. 如前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述角度位置傳感器(27)能測量以2TT為模的角度。
10. —種電動機，包括轉子、定子和如前述權利要求中任一項所述的 裝置，所述轉子連接到所述減速齒輪(5)的輸入端。
11. 一種動力輔助轉向裝置，包括如權利要求IO所述的電動機，由電 動機驅動的軸(2)被設計為操縱車輛的方向盤。
12. —種減速齒4侖(5),包括減速^L構、輸入端和輸出端，其特4正在于， 它包括設置為用來測量輸出端的角度的單轉式位置傳感器(26)和角度位置傳感器(27)，所述減速齒輪的減速比被選擇為使得減速齒輪的輸出端在一 個小于2丌的角度上移動，該角度位置傳感器(27)被設置在減速齒輪的輸 入端上。
13. 如權利要求12所述的減速齒輪，包括單個滾動軸承。
全文摘要
一種裝置(1)，用于檢測電動機的軸(2)相對于非旋轉元件的角度位置，其特征在于它包括減速齒輪(5)、單轉式角度位置傳感器(26)和角度位置傳感器(27)，其中該減速齒輪(5)包括旋轉連接到軸(2)的輸入端和輸出端，使得減速齒輪的輸出端在小于2π的角度內移動，該單轉式角度位置傳感(26)被設置以便于測量減速齒輪輸出端的角度，且該角度位置傳感器(27)被設置在減速齒輪輸入端上。
文檔編號G01D5/12GK101400972SQ200780008740
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月13日 優先權日2006年3月14日
發明者弗蘭克·德布雷利 申請人:Skf公司