EPS扭矩传感器的研究和发展
07-12-14 02:53 资讯来源：老古开发网 本文介绍了应用于电动助力转向系统（EPS）中扭矩传感器的种类,包括电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器以及其它类型的新型扭矩传感器,并且详细论述了各种扭矩传感器的结构、测量原理和设计方法,并对未来EPS扭矩传感器的发展方向提出一些看法。 上一页 1 2 3 4 5 6 7 8 9 下一页
图1 EPS结构图
1 综述
电动助力转向系统EPS(electric power steering)是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统,与传统的液压助力转向系统HPS(hydraulic power steering)相比,EPS系统具有很多优点：仅在需要转向时才启动电机产生助力,能减少发动机燃油消耗;能在各种行驶工况下提供最佳助力,减小由路面不平所引起电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力向系的扰动,改善汽车的转向特性,提高汽车的主动安全性;没有液压回路,调整和检测更容易,装配自动化程度更高,且可通过设置不同的程序,快速与不同车型匹配,缩短生产和开发周期;不存在漏油问题,减小对环境的污染。EPS系统是未来动力转向
系统的一个发展趋势。
如图1所示,EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元(ECU)等组成。通过传感器探测司机在转向操作时方向盘产生的扭矩或转角的大小和方向,并将所需信息转化成数字信号输入控制单元,再由控制单元对这些信号进行运算后得到一个与行驶工况相适应的力矩,最后发出指令驱动电动机工作,电动机的输出转矩通过传动装置的作用而助力。因此扭矩传感器是EPS系统中最重要的器件之一。扭矩传感器的种类有很多,主要有电位计式扭矩传感器、金属电阻应变片的扭矩传感器、非接触式扭矩传感器等,随技术的进步将会有精度更高、成本更低的传感器出现。
2 电位计式扭矩传感器
电位计式扭矩传感器主要可以分为旋臂式、双级行星齿轮式、扭杆式。其中扭杆式测量结构简单、可靠性能相对比较高,在早期应用比较多。
2.1 EPS中扭杆式扭矩传感器的结构、原理
扭杆式扭矩传感器主要由扭杆弹簧、转角-位移变换器、电位计组成。扭杆弹簧主要作用是检测司机作用在方向盘上的扭矩,并将其转化成相应的转角值。转角-位移变换器是一对螺旋机构,将扭杆弹簧两端的相对转角转化为滑动套的轴向位移,由刚球、螺旋槽和滑块组成。滑块相对于输入轴可以在螺旋方向上移动,同时滑块通过一个销安装到输出轴上,可以相对于输出轴在垂直方向上移动。因此,当输入轴相对于输出轴转动时,滑块按照输入轴的旋转方向和相对于输出轴的旋转量,垂直移动。当转动方向盘的时候,钮矩被传递到扭力杆,输入轴相对于输出轴方向出现偏差。该偏差是滑块出现移动,这些轴方向的移动转化为电位计的杠杆旋转角度,滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化,电阻的变化通过电位计转化为电压。这样扭矩信号就转化为了电压信号。
2.２ 扭杆式扭矩传感器的设计
扭杆是整个扭杆扭矩传感器的重要部件,因而扭杆式扭矩传感器的设计关键是扭杆的设计。扭杆通过细齿形渐开线花键和方向盘轴连接,另外的一端通过径向销（直径D）与转向输出轴连接,基本结构如图2所示。
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图2 圆柱截面扭杆结构图
扭杆细齿形渐开线花键端部结构外直径
d0=(1.15~1.25)d ,长度 L=（0.5~0.7）d,为了避免过大的应力集中,采用过度圆角时,半径 R=（3~5）d,扭杆的有效长度为l,d为扭杆有效长度的直径。
扭杆的扭转刚度k是扭杆的一个重要的物理量,可以参照下面的公式计算。 当其受到扭矩Ｔ的时候,其扭转的切应力τ和变形角φ分别为：
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