用于检测变速器轴转矩的激光传感器和方法技术

这里提供了一种非接触转矩传感器设备或方法，用于测量通过拉长的动力传输构件所传输的即时转矩或扭转应力／张力，所述构件例如是旋转轴。偏振光沿着轴空腔中的测量光路被定向，其中它截取偏振滤光镜。偏振滤光镜可操作用于根据轴的扭转扭绞来改变光的偏振角度。测量设备测量光的偏振角度的变化以获得轴的扭绞角。接着根据扭绞角来计算轴转矩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于通过测量沿着轴传输的光的至少一个属性的 变化确定由该轴传输的转矩来无接触测量动力传输旋转轴中的扭转 (torsional )应力的传感器或设备， 一个这样的例子是变速器的输入 或输出轴。
技术介绍
当将转矩施加到轴时，沿着轴的表面方向的压力和拉力的螺旋线 施加应力。用于测量轴中转矩的各种方法是已知的。 一个方法是将张 力仪结合到轴的外表面且张力仪位于交叉结构中。张力仪用作为电阻 电桥电路的元件，当轴扭转地扭绞(twist)时，这些元件沿着它们的 长度测量轴表面中的压力和拉力。当使用张力仪作为传感元件时，实 现旋转轴中的转矩测量是有挑战的，因为张力仪必须需要与其它离轴 电子装置在电气上对接。离轴电子装置是执行电阻电桥测量所必须的， 以便检测和量化由轴的扭转扭绞所导致的拉力和压力，如所传输的轴 转矩所表示的。轴中所传输的转矩还可以通过测量两个齿轮之间的角位移来确 定，所述两个齿轮沿着轴的旋转轴以末端间隔关系安装在轴上。使用 该方法，相间隔的齿轮的角位移表示齿轮之间轴长度上的扭绞角，扭 绞角表示沿着轴传输的转矩。
技术实现思路
'本专利技术涉及一种非接触传感器或设备，用于测量通过拉长的动力 传输构件所传输的、或在变速器内、或在车辆动力传动系统内的其它地方的即时转矩或扭转应力/张力，所述构件例如是旋转轴，比如(例 如)将发动机与车辆变速器可驱动耦合的轴。根据所公开的本专利技术， 旋转轴在轴的第一部分和轴的第二部分之间的部分轴长度中具有一个 空腔。提供光源将沿着空腔中的测量光路的偏振光从轴的第 一部分发 射到轴的第二部分。偏振滤光镜被提供并固定在轴的第二部分中的空 腔中。偏振滤光镜可操作用于改变偏振光束中光的角偏振。提供测量 设备来检测由偏振滤光镜引入的光路中偏振角度的变化。当转矩由轴传输时，传输的转矩引起围绕轴的旋转轴的在轴中的弹性扭绞。轴的 扭转扭绞导致偏振滤光镜相对于偏振光束的偏振方向的角旋转，并由此导致穿过偏振滤光镜的光的偏振角度的变化。这个偏振角度的变化 被检测并表示在轴中传输的转矩，提供了计算轴中的所传输转矩的基 础，如将在后面的部分中更全面讨论的。根据本专利技术的一个方面，光源是激光源，该光源包括光偏振滤光 镜，用于提供相干的单波长偏振光束以沿着测量光路传输。根据本专利技术的另一个方面，转矩传感器设备包括分束器，配置为 将来自光源的光束分成两个光束， 一个光束跟随测量光路且一个光束 跟随参考光路。分束器提供参考光路，该参考光路具有由来自光源的 光的角偏振所确定的角偏振。在本专利技术的这个方面中，测量设备检测 偏振角度的变化，以作为参考光路的角偏振与偏振滤光镜之后的光的 角偏振中所检测的差异。所检测的角偏振的差异表示轴中的扭转扭绞 以及因此由轴传输的转矩。根据本专利技术的另 一个方面，转矩传感器设备中的光源是激光源， 该激光源包括用于使由光源发射的光偏振的第二光偏振滤光镜。光源 位于轴的外部而不是在轴的空腔内。来自第二偏振滤光镜的偏振光被 定向以通过轴的第 一部分中的入口孔进入到轴空腔。入口孔延伸穿过 轴的空腔和外表面之间的轴的壁。转矩传感器设备还包括第 一反射元 件，该第一反射元件固定在轴空腔的第一部分内且配置为在一个方面 重定向来自入口孔的偏振光，以便截取在轴空腔的第二部分的空腔中 提供的偏振滤光镜。第二反射元件也固定在轴空腔内且配复为重定向 离开空腔中偏振滤光镜的偏振光通过轴中的出口孔而离开4i。测量设 备位于轴的外侧且^皮对准以检测通过出口孔发射的偏振光。入口孔和 出口孔在轴上对准以当轴位于轴旋转的至少一个角位置时，允许来自安装在轴外部的光源的光重定向通过空腔并到达测量设备。根据本专利技术的另 一方面，第 一反射元件包括第 一反射元件安装于 其中的第一金属管。类似地，第二反射元件包括第二反射元件安装于 其中的第二金属管。第一和第二金属管被设置大小并适于固定到轴空腔内的轴。根据本专利技术的另一方面，轴空腔是穿过轴的一端的轴向钻孔的一 部分，轴向钻孔提供对空腔的访问以{更通过轴的末端钻孔来安.装第一 反射元件和第二反射元件。根据本专利技术的另一方面，第一反射元件包括第一反射表面，配置 为沿着轴空腔的长度反射将偏振光从入口孔重定向到轴空腔中偏振滤 光镜。第二反射元件包括第二反射表面，配置为重定向来自空腔中的 偏振滤光镜的偏振光以便通过反射而穿过轴中的出口孔离开轴空腔。根据本专利技术的另一方面，第一和第二反射元件的反射表面是基本 平坦的反射表面。根据本专利技术的另一方面，第一和第二反射元件反射表面均是锥形 反射表面。根据本专利技术的另一方面，在光源和第二偏振滤光镜之后且在分束 器之前提供和定位半波片。半波片的效杲是测量设备在检测轴转矩中 的灵敏度增倍，如将在后面全面阐述的。根据本专利技术的另 一 方面，离开位于轴空腔中的偏振滤光镜的光的 偏振角度的变化导致离开轴的出口孔且到达测量设备的光的强度的变 化 在本专利技术的这个方面，测量设备被配置为并适于检测和利用光强 度的变化来确定从轴出口孔到达测量设备的光的偏振角度的变化。此 外，测量设备被配置为检测参考光路中光强度的变化并根据所测量的 参考光路强度的变化来校正来自轴出口孔的所测量的光强度，以抵消 由光源发射的光强度的变化。此外，公开了一种方法，用于根据本专利技术的前述设备来测量由轴 传输的转矩，如将在后面全面阐述的。当结合附图时，从随后最佳实施本专利技术的方式的详细描迷中可以 清楚得知本专利技术的上述特征和优点以及其它特征和优点。附图说明附图示出了当前优选的本专利技术的形式；但是，本专利技术不限于附图 中精确的布置。图1说明与本专利技术 一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的一个实施例的示意侧视图，描绘了固定在钻孔中的反射元件 以及激光转矩传感器的其它部件；图2说明与本专利技术一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的另 一个实施例的示意截面图；图3说明与本专利技术 一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的又一个实施例的示意截面图，其中反射元件适于允许使用轴 中的多个入口和出口孑L。图4说明与本专利技术一致的还包括半波片的图2的激光转矩传感器的示意图，用于有效地使转矩传感器的灵敏度增倍；图5说明与本专利技术一致的切入图3的轴的示意截面图(不具有反射 元件)，描绘光入口孔或光出口孔的一个布置；图6说明与本专利技术的至少一个实施例一致的曲线图，该曲线图描绘 在光检测器/传感器所接收的规格化光强度和轴扭绞角之间的一般关 系，该关系是由当测量路径中的偏振光穿过轴空腔中的偏振滤光镜时 该偏振光强度的衰减所引起的；图7a是装备有用于转矩测量的本专利技术的特征的轴的示意性说明， 这里被描绘以支持轴扭绞角和所传输转矩之间的数学关系的讨论；图7b是沿着图7A的轴的B-B的横截面示意性说明，其中只有轴壁被 示出以清楚地标记在圆柱形轴截面的惯性力矩的计算中使用的参数， 以便将扭'绞角与所传输的转矩关联；和图8描绘与本专利技术 一致的轴中所传输转矩的非接触测量方法。具体实施方式图l说明应用于测量即时转矩或由旋转轴12所传输的扭转应力/张 力的激光转矩传感器10的 一个实施例的示意侧视图。根据所公开的本 专利技术，旋转轴12在轴12的第一部分20和轴12的第二部分22^间的部分 轴长度中具有一个空腔14。在所说明的实施例中，空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量轴中转矩的方法，包括：　　　　引起偏振光进入相对于所述轴定位的光偏振滤光镜的一侧并离开所述光偏振滤光镜的相对侧；和　　　　测量所述光在进入和离开所述光偏振滤光镜之间的至少一个属性变化，由此确定所述轴中的转矩。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：H瓦哈布扎德，A查卡里，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]