EPS扭矩傳感器的研究和發(fā)展.doc

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1、EＰS扭矩傳感器的研究和發(fā)展?徐志軍?黃妙華?武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院摘要:本文介紹了應(yīng)用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EＰS）中扭矩傳感器的種類,包括電位計式扭矩傳感器、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,并且詳細論述了各種扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)、測量原理和設(shè)計方法,并對未來EPS扭矩傳感器的發(fā)展方向提出一些看法。關(guān)鍵字:扭矩傳感器、非接觸式、電動助力轉(zhuǎn)向(EＰS)???1?綜述??電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EＰS（eleｃtric　powｅｒｓteerinｇ）是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動

2、力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ＨＰＳ(ｈyｄｒaulｉc　powersteeriｎg）相比,EPS系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：僅在需要轉(zhuǎn)向時才啟動電機產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動機燃油消耗;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機的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動裝置的作用而助力向系的擾動,改善汽車的轉(zhuǎn)向特性,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路，調(diào)整和檢測更容易,裝配自動化程度更高，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)是未來動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢

3、。????????圖１??EPS結(jié)構(gòu)圖???如圖1所示，ＥＰS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構(gòu)和電子控制單元（ECU）等組成。通過傳感器探測司機在轉(zhuǎn)向操作時方向盤產(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行運算后得到一個與行駛工況相適應(yīng)的力矩，最后發(fā)出指令驅(qū)動電動機工作,電動機的輸出轉(zhuǎn)矩通過傳動裝置的作用而助力。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

4、傳感器等，隨技術(shù)的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現(xiàn).2?電位計式扭矩傳感器?電位計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.2.１??。牛校又信U式扭矩傳感器的結(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、電位計組成.扭桿彈簧主要作用是檢測司機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構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為滑動套的軸向位移，由剛球、螺旋槽和滑塊組成?；瑝K相對于輸入軸可

5、以在螺旋方向上移動,同時滑塊通過一個銷安裝到輸出軸上，可以相對于輸出軸在垂直方向上移動.因此，當(dāng)輸入軸相對于輸出軸轉(zhuǎn)動時，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。　當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤的時候，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，這些軸方向的移動轉(zhuǎn)化為電位計的杠桿旋轉(zhuǎn)角度,滑動觸點在電阻線上的移動使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過電位計轉(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?扭桿是整個扭桿扭矩傳感器的重要部件，因而扭桿式扭

6、矩傳感器的設(shè)計關(guān)鍵是扭桿的設(shè)計.扭桿通過細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.???圖2?　圓柱截面扭桿結(jié)構(gòu)圖扭桿細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，半徑R=(3～5)d，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是扭桿的一個重要的物理量，可以參照下面的公式計算。當(dāng)其受到扭矩T的時候，其扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力τ和變

7、形角φ分別為:????其扭轉(zhuǎn)剛度為：???????其中d-扭桿直徑,有效長度，Ｉp慣性矩，Zｉ抗扭截面系數(shù)????????如圖3為某扭矩傳感器扭桿的試驗曲線，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，工作時產(chǎn)生的摩擦?使其易磨損，影響其精度,將會被逐步淘汰。?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)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)扭矩測量。傳感器就完成

8、如下的信息轉(zhuǎn)換:??傳感器由彈性軸、測量電橋、儀器用放大器、接口電路組成.彈性軸是敏感元件,在４5度和135度的方向上產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，這個時候承受的主應(yīng)力和剪應(yīng)力相等,其計算公式為：???式中τ—主應(yīng)力，此時與σ相等Ｗｐ—軸截面極矩?測量電橋可以采用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，并將它們接成差動全橋，其輸出電壓正比于扭轉(zhuǎn)軸所受的扭矩.應(yīng)變片的電阻R1＝R2=Ｒ3=Ｒ4＝R0，可以得到下面的