万向轴扭矩传感器 知识点探讨：如何正确选择扭矩传感器的联轴器

知识点探讨：如何正确选择扭矩传感器的联轴器

说到扭矩传感器，如今感到陌生的人其实还是很多的，因为其所应用的领域还是比较的专业的，如果不是相关的工作人员的话，一般是不会对其有所接触的。而其作为一种对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测的设备，很多时候也是发挥着一个比较一个比较重要的作用的。因此如果是有所涉及的人员的话，还是多多少少需要知道一些与之相关的信息的。

比如如何正确选择扭矩传感器的联轴器，就非常值得一起探讨一下：

扭矩传感器是一种高精度传感器，其能够测量非常小的不确定性。但是，为了能够获得高精度的测量结果，减少影响传感器的寄生负载是非常重要的。其经常是由传动系的安装或组合不正确造成的。安装在测量法兰上的轴端的径向偏移将会产生径向力和弯矩，同样，径向角偏移将会对传感器产生轴向力和弯矩。

在实际的应用中，所有的偏移和寄生负载会同时发生。传动系的精确地对中只能解决部分问题，因为固有的偏移公差无法完全消除。因此，需要安装扭转硬度高的弹性补偿部件，尤其是在高转速情况下，几乎能完全补偿残留的偏差。采用补偿部件能提高传感器的精度，并且能保护传动系轴承，具有更高的耐磨性。

联轴器作为补偿部件包含两个元素，其具有万向轴功能。其可以补偿角度，径向和平行误差。补偿部件的紧凑形式是全耦合，两个具有万向轴功能的元件(半耦合)紧邻安装。由于彼此之间间隙非常小，因此补偿的偏差也非常小，更大的补偿需要更大的间隙。考虑到需要在传动系上安装扭矩传感器补偿部件这种组合形式，因此产生了多种联轴器和安装部件变种。

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齿条平行式电动助力转向器

背景技术：

以往在车辆的转向装置中，利用经由带以及带轮传递电动马达的扭矩的螺母部件的旋转，对形成有滚珠丝杠槽 的转向轴施加轴向的移动力。从控制器向电动马达供给在与方向盘连接的转向传动轴产生的扭矩所对应的电流，使电动马达产生扭矩。若螺母部件通过电动马达的扭矩而旋转，则对转向轴施加轴向的移动力，辅助驾驶员对方向盘的转向操纵操作。

美国专利的转向装置在金属制的螺母部件的外周侧配置有由树脂构成的筒状带轮。在带轮的外周挂绕有带，通过分别在带轮以及带形成的多个齿的啮合，从带向带轮传递旋转力。在螺母部件的周向的一个位置形成有凹部，带轮的凸部与该凹部卡合，由此螺母部件与带轮无法相对旋转。另外带轮相对于螺母部件的轴向移动通过与形成于螺母部件的外周面的环状槽嵌合的保持架而被限制。日本公报的转向装置在环状的金属芯的外周一体地形成有树脂制的带轮，金属芯固定于螺母部件的外周。在带轮的外周挂绕有带，将电动马达的扭矩从带向带轮传递，并将其经由金属芯向螺母部件传递。如上述那样构成的转向装置通过使带轮为树脂制，装置重量减轻以及变安静。

但是另一方面，根据树脂与金属的热膨胀率的不同，例如可能因发动机室内的温度变化产生以下问题。即如美国记载的转向装置，在将由树脂构成的筒状带轮配置于螺母部件的外周并通过凹部与凸部的嵌合限制了双方的相对旋转的构造中，担心可能在温度上升时带轮以比螺母部件高的比例膨胀从而带轮发生松动，在电动马达的旋转时产生噪声、振动。另外如日本记载的转向装置，在固定于螺母部件的外周的金属芯一体地形成有树脂制的带轮的构造中，担心可能因螺母部件与带轮的热膨胀率不同而在温度上升或下降时产生应力，导致带轮的强度降低。

为此，捷太格特发明专利提供了一种转向装置，包括齿条轴、螺母部件、带轮、带、电动马达和止动环。齿条轴在轴向进行进退移动，由金属构成的圆筒状的螺母部件经由多个滚珠与形成于齿条轴的外周面的螺旋状的螺纹槽螺合，由树脂构成的带轮以无法相对旋转的方式外嵌于螺母部件，带挂绕于带轮，电动马达经由带使带轮以及螺母部件旋转，止动环以板簧部已弹性变形的状态配置于螺母部件的外周面与带轮的内周面之间。止动环通过板簧部的恢复力向径向外侧按压形成于带轮的内周面的第二平面部。本发明的转向装置能够将由树脂构成的带轮，以无法相对旋转的方式外嵌于由金属构成的螺母部件，并且还能够抑制由温度变化引起的带轮发生松动、强度降低的问题。

齿条平行式电动助力转向器： 通过带传动的循环球丝杠减速器，将电机的旋转运动转化为齿条直线运动。

齿条平行式电动助力转向器：RP-EPS。

产品特点： 适用于豪华级车辆、跑车和轻型商用车的理想电动转向系统；出色的转向手感，支持所有的辅助功能，以提高安全性和舒适性；可实现半自动驾驶，未来将实现高度自动驾驶；网络安全：防止外部未经授权访问的系统架构；通过可扩展的电机系列和控制单元进行性能优化配置。

转向装置的组成：

转向装置包括转向传动轴、齿条轴、壳体、电动马达和移动力施加机构 ，转向传动轴连结有驾驶员进行转向操纵操作的方向盘，作为转向轴的齿条轴通过方向盘的转向操纵操作沿车宽方向在轴向进行进退移动，壳体收容齿条轴，电动马达固定于壳体，移动力施加机构通过电动马达驱动，并对齿条轴施加轴向的移动力。电动马达以及移动力施加机构构成，辅助驾驶员对方向盘的转向操纵操作的转向操纵辅助装置。

1、转向装置，10、方向盘，11、转向传动轴，19、前轮，3、壳体，40、电动马达。

转向装置通过齿条轴在轴向移动使作为转向轮的左右的前轮转向。齿条轴经由包含左右的横拉杆，通过转向节臂的连杆机构与左右的前轮连结。在壳体的两端部与横拉杆之间分别设置有，具有可伸缩的蛇腹构造的波纹管，在齿条轴的两端部经由滚珠接头连结有左右的横拉杆的一端部。若齿条轴在车宽方向进行移动，则通过左右的横拉杆将左右的前轮分别转向。

16、滚珠接头，17、横拉杆，18、波纹管，140、小齿轮齿，141、扭杆，2、齿条轴，20、齿条齿，4、移动力。

转向传动轴 包括柱轴、中间传动轴以及小齿轮轴，柱轴在一端部固定方向盘，中间传动轴经由第一万向节与柱轴连结，小齿轮轴经由第二万向节与中间传动轴连结。第一二万向节均由万向接头构成。在小齿轮轴的前端部形成有小齿轮齿，在齿条轴形成有与小齿轮齿啮合的齿条齿以及螺旋状的螺纹槽。小齿轮轴构成为其一部分通过施加于方向盘的转向操纵扭矩能够扭曲的具有柔性的扭杆，扭杆的扭转角通过扭矩传感器检测。扭矩传感器根据扭杆的扭转角的大小检测转向操纵扭矩。

12、柱轴，13、中间传动轴，151-152、万向节，14、小齿轮轴，313-323、安装部，41、扭矩传感器。

壳体 包括第一部件和第二部件，第一部件与第二部件通过多个螺栓紧固。第一部件一体地具有收容移动力施加机构的收容部、在靠右前轮侧收容齿条轴的第一筒部以及用于向车体安装的第一安装部。第二部件一体地具有在比移动力施加机构靠左前轮侧收容齿条轴的第二筒部、收容小齿轮轴的一端部的小齿轮轴收容部以及用于向车体安装的第二安装部。第一安装部与第二安装部通过螺栓固定于作为车体的安装对象的转向构件。

31-32、部件，311-322、收容部，312-321、筒部，313-323、安装部，401、驱动部，402、控制部。

电动马达 包括驱动部以及控制部，驱动部具有固定件以及旋转件，控制部向驱动部的固定件供给马达电流。控制部向驱动部供给与通过扭矩传感器检测出的转向操纵扭矩、车速对应的马达电流。驱动部通过从控制部供给的马达电流产生扭矩，并经由带使螺母部件以及从动带轮相对于壳体旋转。电动马达通过多个螺栓固定于第二部件在第一部件侧的端部。

移动力施加机构 包括螺母部件、从动带轮、止动环、轴承和带，螺母部件由钢材构成，因此与由树脂构成的带轮相比，更难热膨胀。即从动带轮的热膨胀率比螺母部件的热膨胀率高。从动带轮能够优选使用成形精度、强度特性以及耐热性优异的聚酰胺等合成树脂，也可使用配合了混合玻璃纤维而提高了强度的强化聚酰胺作为从动带轮的材料。从动带轮不具有金属芯，能够容易通过注塑成形制造。

5、螺母部件，54、卡合槽，6、从动带轮，61、肋，7、止动环，721、中央部。

圆筒状的螺母部件经由多个滚珠与形成于齿条轴的外周面的螺纹槽螺合，由树脂构成的从动带轮以无法相对旋转的方式外嵌于螺母部件，止动环防止从动带轮相对于螺母部件脱落，轴承将螺母部件支承为能够相对于壳体旋转。由合成橡胶构成的带挂绕于从动带轮。在螺母部件的内周面形成有与齿条轴的螺纹槽对置的螺旋状的螺纹槽。多个滚珠在由齿条轴的螺纹槽以及螺母部件的螺纹槽形成的滚动路滚动。在螺母部件形成有在滚动路的两个位置开口而使滚珠在滚动路环流的环流路。多个滚珠通过螺母部件的旋转经由环流路在滚动路循环。

21-51、螺纹槽，33-34、螺栓，42、滚珠，500、滚动路，8、轴承，90、带，900、带齿。

带是在内周面设置有多个带齿的带齿传送带，带挂绕于与电动马达的轴结合的驱动带轮与从动带轮之间，将驱动带轮的旋转力传递至从动带轮。从动带轮的直径比驱动带轮的直径大，驱动带轮的旋转力通过带被减速而被传递至从动带轮。

31a、承受面，403、轴，404、驱动带轮，81-82、外-内圈，83、滚动体，91、开口环，92、锁止螺母。

轴承是在外圈与内圈之间配置有多个球状滚动体的滚珠轴承。外圈通过在壳体的第一部件形成的承受面以及与第一部件嵌合的开口环限制了相对于壳体的轴向移动。螺母部件一体地具有切削由钢构成的母材形成并供带轮外嵌的第一筒部、供内圈外嵌的第二筒部以及在外周面形成有螺旋状的螺纹槽的外螺纹部。第二筒部的直径比第一筒部的直径小，在第一筒部在第二筒部侧的端面抵接有内圈的一个侧面。内圈被夹持在与外螺纹部螺合的锁止螺母与端面之间。

51-52、第一-二筒部，51a、端面，53、外螺纹部，9、组装体。

止动环通过由弹簧钢制成的钢板冲压成形而形成，止动环一体地具有形成为环状的圆环部、一对板簧部、连接部、卡止部以及多个爪部。连接部分别连接圆环部与一对板簧部，卡止部设置为和板簧部中的与圆环部相反一侧的端部连续且用于与带轮卡止，多个爪部从圆环部向径向内侧突出，一对板簧部设置于隔着圆环部的中心的位置。

6c、轴向端面，71、圆环部，72、板簧部，73、连接部，74、卡止部，75、爪部。

圆环部和带轮中的与轴承相反一侧的轴向端面对置，在圆环部的内侧插通有齿条轴。圆环部的外周侧的端部与带轮的轴向端面弹性抵接，在圆环部的内周侧的端部与轴向端面之间形成有缝隙。一对连接部以及多个爪部从圆环部的内周侧的端部向径向内侧突出，并与带轮的轴向端面对置。卡止部从板簧部中的与圆环部相反一侧的端部向径向外侧突出。

板簧部配置于在螺母部件的外周面形成的第一平面部，与在带轮的内周面形成的第二平面部之间。板簧部被夹持于第一平面部与第二平面部之间，而在螺母部件以及带轮的径向被压缩。板簧部的中央部朝向内侧弯曲，因此该中央部与第一平面部弹性接触，隔着中央部的板簧部的长度方向的两端部与第二平面部弹性接触。

5a-6a、平面部，5b-6b、抵接面，62、突部，63、带轮齿，64、阻挡部，65、减重部。

在电动马达未产生扭矩的状态下，第一平面部与第二平面部之间的间隔比加上中央部的弯曲得到的板簧部的整体的厚度，并且比板簧部中的钢板的板厚。因此板簧部以至少一部分已弹性变形的状态配置于螺母部件的外周面与带轮的内周面之间，止动环通过该已弹性变形的部分的恢复力将带轮的内周面向其径向外侧按压。带轮的第二平面部始终从板簧部受到从第一平面部分离的方向的力。

带轮在其内周面具有一对第二平面部。在带轮的内侧配置螺母部件之前的状态下，上述第二平面部相互平行地相对。另外带轮在各第二平面部的周向两侧的内周面具有与后述螺母部件的抵接面抵接的一对抵接面。第二平面部与隔着该第二平面部的一对抵接面相互平行，一对抵接面比第二平面部更向径向内侧突出。

另外在带轮的内周面设置有其前端面与螺母部件的外周面接触的多个肋。肋沿带轮的轴向延伸并从相邻的肋之间的带轮的内周面向径向内侧突出。八个肋在带轮的周向等间隔设置，在带轮的温度为常温或低于常温时，八个肋与螺母部件的外周面接触。第二平面部形成为以比肋进一步向径向内侧突出的方式设置的突部的前端面，八个肋中的两个肋与突部连接。突部设置于带轮在与轴承相反一侧的一端部，止动环的卡止部与突部卡止。

在带轮的外周面形成有与带的带齿啮合的多个带轮齿以及限制带相对于带轮的轴向移动的一对阻挡部。多个带轮齿在一对阻挡部之间相对于轴向倾斜形成。另外为了减轻重量、防止成型时的缩痕以及提高散热性，在带轮以在轴向端面开口的方式形成有多个减重部。减重部的从轴向端面侧观察到的形状是圆弧状，并沿带轮的轴向延伸。

螺母部件在其外周面具有一对第一平面部，另外螺母部件在第一筒部的外周面中的各第一平面部的周向两侧具有与带轮的抵接面抵接的一对抵接面。一对抵接面与第一平面部无阶梯差地连续形成，第一平面部与一对抵接面整体形成为一个平面状。第一筒部为包含第一平面部以及一对抵接面的两个平面以旋转轴线为对称轴形成为对称形的双幅面形状。另外，除形成有第一平面部以及抵接面的部分之外，在第一筒部的与第二筒部相反一侧的端部的外周面形成有沿螺母部件的周向延伸的卡合槽。卡合槽是止动环的爪部卡合的凹部的一个方式。

在电动马达未产生扭矩的状态下，螺母部件的第一平面部与带轮的第二平面部隔着止动环的板簧部相互平行。在该状态下，螺母部件的抵接面与带轮的抵接面经由规定的缝隙相互平行地相对。若从该状态向电动马达的驱动部供给马达电流，并且电动马达工作产生扭矩，则驱动带轮的旋转力经由带传递至带轮。然后因该旋转力，止动环的板簧部的变形量在其宽度方向的一端部增大，位于这个端部侧的抵接面彼此抵接。螺母部件与带轮通过该抵接面彼此的抵接，相对旋转被限制。电动马达以向与方向盘的转向操纵方向对应的方向施加转向操纵辅助力的方式产生扭矩，因此在向一个方向转向操纵方向盘之后，在板簧部的一侧，抵接面抵接，在向另一方向转向操纵方向盘之后，在板簧部的另一侧抵接面抵接。

止动环的多个爪部以已弹性变形的状态与卡合槽卡合，圆环部通过多个爪部的恢复力按压于带轮的轴向端面。而且带轮相对于螺母部件从轴承分离的方向的向轴向一侧的相对移动通过止动环被限制。

在组装体组装时，使止动环的板簧部以及连接部弹性变形，使卡止部与带轮的突部卡止，之后将带轮和止动环一起外嵌于螺母部件。而且在沿轴向推压止动环的圆环部至其内周侧的端部与带轮的轴向端面抵接为止，之后解放推压力，使爪部的前端部与卡合槽卡合。此外可以在带轮以及止动环组装于螺母部件之后通过锁止螺母固定轴承，也可以在带轮以及止动环组装于螺母部件之前通过锁止螺母固定轴承。

综上所述： 转向装置包括转向轴、螺母部件、从动带轮、带、电动马达以及弹性部件，转向轴在轴向进行进退移动，圆筒状的由金属构成的螺母部件经由多个滚珠与形成于转向轴的外周面的螺旋状的螺纹槽螺合，由树脂构成的带轮以无法相对旋转的方式外嵌于螺母部件，带挂绕于带轮，电动马达经由带使从动带轮以及螺母部件旋转，弹性部件以至少局部已弹性变形的状态配置于螺母部件的外周面与从动带轮的内周面之间，弹性部件通过已弹性变形的状态的至少局部的恢复力将从动带轮的内周面向从动带轮的径向外侧按压。

止动环的板簧部以已弹性变形的状态配置于螺母部件的第一平面部与外嵌于螺母部件的带轮的第二平面部之间，并通过板簧部的恢复力将第二平面部向带轮的径向外侧按压，因此能够将由树脂构成的带轮以无法相对旋转的方式外嵌于由金属构成的螺母部件，并且还能够抑制在温度上升时带轮相对于螺母部件在径向发生松动。由此能够防止在电动马达的旋转时产生由带轮发生松动引起车辆的驾驶员、乘客能感知的程度的噪声、振动。

止动环的板簧部配置于相互平行的螺母部件的第一平面部与带轮的第二平面部之间，因此能够通过板簧部的宽度方向整体将第二平面部向带轮的径向外侧按压，能够可靠抑制带轮相对于螺母部件发生松动。螺母部件与带轮通过设置于第一以及第二平面部的周向两侧的抵接面彼此的抵接，相对旋转被限制，因此止动环的板簧部不会被过度压扁，能够适当维持板簧部的弹性。即假如板簧部的一部分被压缩至平坦，则担心板簧部可能会塑性变形，即便除去负载，仍残留无法返回至原来形状的永久变形，通过上述结构能够防止这种塑性变形。

止动环一体地具有圆环部与多个板簧部，因此与止动环仅具有一个板簧部的情况比较，螺母部件与带轮的同心度提高，能够相对于螺母部件更稳定地支承带轮。另外由于止动环一体地具有圆环部与卡止部，所以能够以卡止部预先与带轮的突部卡止的状态将带轮外嵌于螺母部件从而容易进行止动环的组装。由于止动环的爪部与螺母部件的卡合槽卡合，并且圆环部与带轮的轴向端面接触，所以能够通过止动环防止带轮脱落。即止动环具有抑制带轮发生松动的功能与防止带轮脱落的功能。另外由于止动环的圆环部还通过已弹性变形的爪部的恢复力弹性地推压于带轮的轴向端面，所以带轮被无缝隙地夹持于轴承的内圈与止动环的圆环部之间，带轮相对于螺母部件的轴向位置稳定。

总结：

捷太格特转向装置包括齿条轴、螺母部件、带轮、带、电动马达和止动环。齿条轴在轴向进行进退移动，由金属构成的圆筒状的螺母部件经由多个滚珠与形成于齿条轴的外周面的螺旋状的螺纹槽螺合，由树脂构成的带轮以无法相对旋转的方式外嵌于螺母部件，带挂绕于带轮，电动马达经由带使带轮以及螺母部件旋转，止动环以板簧部已弹性变形的状态配置于螺母部件的外周面与带轮的内周面之间。止动环通过板簧部的恢复力向径向外侧按压形成于带轮的内周面的第二平面部。本发明的转向装置能够将由树脂构成的带轮，以无法相对旋转的方式外嵌于由金属构成的螺母部件，并且还能够抑制由温度变化引起的带轮发生松动、强度降低的问题。

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