eps扭矩傳感器的研究和發(fā)展

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1、EPS扭矩傳感器的研究和發(fā)展07-12-1402:53???資訊來源：老古開發(fā)網(wǎng)本文介紹了應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）中扭矩傳感器的種類,包括電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器以及其它類型的新型扭矩傳感器,并且詳細(xì)論述了各種扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)、測量原理和設(shè)計(jì)方法,并對未來EPS扭矩傳感器的發(fā)展方向提出一些看法。上一頁?1?2?3?4?5?6?7?8?9?下一頁圖1EPS結(jié)構(gòu)圖1綜述電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS(hydraul

2、icpowersteering)相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉(zhuǎn)向時(shí)才啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗;能在各種行駛工況下提供最佳助力,減小由路面不平所引起電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng),改善汽車的轉(zhuǎn)向特性,提高汽車的主動(dòng)安全性;沒有液壓回路,調(diào)整和檢測更容易,裝配自動(dòng)化程度更高,且可通過設(shè)置不同的程序,快速與不同車型匹配,縮短生產(chǎn)和開發(fā)周期;不存在漏油問題,減小對環(huán)境的污染。EPS系統(tǒng)是未來動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。如圖1所示,EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電子控制單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機(jī)在轉(zhuǎn)向

3、操作時(shí)方向盤產(chǎn)生的扭矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向,并將所需信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進(jìn)行運(yùn)算后得到一個(gè)與行駛工況相適應(yīng)的力矩,最后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統(tǒng)中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類有很多,主要有電位計(jì)式扭矩傳感器、金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等,隨技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn)。2電位計(jì)式扭矩傳感器電位計(jì)式扭矩傳感器主要可以分為旋臂式、雙級行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對比較高,在早期應(yīng)用比較多。2.1EPS中扭桿式扭

4、矩傳感器的結(jié)構(gòu)、原理扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角-位移變換器、電位計(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測司機(jī)作用在方向盤上的扭矩,并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的轉(zhuǎn)角值。轉(zhuǎn)角-位移變換器是一對螺旋機(jī)構(gòu),將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)套的軸向位移,由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對于輸入軸可以在螺旋方向上移動(dòng),同時(shí)滑塊通過一個(gè)銷安裝到輸出軸上,可以相對于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此,當(dāng)輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滑塊按照輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向和相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)量,垂直移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的時(shí)候,鈕矩被傳遞到扭力桿,輸入軸相對于輸出軸方向出現(xiàn)偏差。該偏差是滑塊出現(xiàn)移動(dòng),這些軸方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為電

5、位計(jì)的杠桿旋轉(zhuǎn)角度,滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線上的移動(dòng)使電位計(jì)的電阻值隨之變化,電阻的變化通過電位計(jì)轉(zhuǎn)化為電壓。這樣扭矩信號就轉(zhuǎn)化為了電壓信號。2.２扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)扭桿是整個(gè)扭桿扭矩傳感器的重要部件,因而扭桿式扭矩傳感器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是扭桿的設(shè)計(jì)。扭桿通過細(xì)齒形漸開線花鍵和方向盤軸連接,另外的一端通過徑向銷（直徑D）與轉(zhuǎn)向輸出軸連接,基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。上一頁?1?2?3?4?5?6?7?8?9?下一頁圖2圓柱截面扭桿結(jié)構(gòu)圖扭桿細(xì)齒形漸開線花鍵端部結(jié)構(gòu)外直徑d0=(1.15~1.25)d,長度L=（0.5~0.7）d,為了避免過大的應(yīng)力集中,采用過度圓角時(shí),半徑R=（3~5）d

6、,扭桿的有效長度為l,d為扭桿有效長度的直徑。扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度k是扭桿的一個(gè)重要的物理量,可以參照下面的公式計(jì)算。當(dāng)其受到扭矩Ｔ的時(shí)候,其扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力τ和變形角φ分別為：上一頁?1?2?3?4?5?6?7?8?9?下一頁圖3如圖3為某扭矩傳感器扭桿的試驗(yàn)曲線,曲線的斜率即為扭轉(zhuǎn)剛度k。扭桿式扭矩傳感器在早期的EPS中應(yīng)用比較多,但由于是接觸式的,工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦使其易磨損,影響其精度,將會(huì)被逐步淘汰。３金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器傳感器扭矩測量采用應(yīng)變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測量電橋,當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化,應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖?/p>

7、化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換：上一頁?1?2?3?4?5?6?7?8?9?下一頁為了使一起具有高精度,必須使靈敏度系數(shù)為常數(shù)。在金屬電阻應(yīng)變片的扭矩傳感器中,需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是：(1)、彈性軸的工作區(qū)域不應(yīng)該大于彈性區(qū)域的1/3,且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底,按照超載能力指數(shù)選取最大的軸徑。(2)、采用LM型硅擴(kuò)散力敏全橋應(yīng)變片,較好的敏感性,很小的非線形度(3)、采用高精度的穩(wěn)壓電源。上一頁?1?2?3?4?5?6?7?8?9?下一頁圖4如圖4所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結(jié)構(gòu)。輸入軸和輸出軸由扭