汽車(chē)電動(dòng)助力轉向系統扭矩傳感器技術(shù)詳解

1、綜述

電動(dòng)助力轉向系統EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動(dòng)力轉向系統,與傳統的液壓助力轉向系統HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS系統具有很多優(yōu)點(diǎn)：僅在需要轉向時(shí)才啟動(dòng)電機產(chǎn)生助力,能減少發(fā)動(dòng)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(dòng)機的輸出轉矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力向系的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉向特性,提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性；沒(méi)有液壓回路,調整和檢測更容易,裝配自動(dòng)化程度更高,且可通過(guò)設置不同的程序，快速與不同車(chē)型匹配,縮短生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)周期；不存在漏油問(wèn)題,減小對環(huán)境的污染。

EPS系統是未來(lái)動(dòng)力轉向系統的一個(gè)發(fā)展趨勢。

圖1 EPS結構圖

如圖1所示，EPS主要由扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、電動(dòng)機、減速機構和電子控制單元(ECU)等組成。通過(guò)傳感器探測司機在轉向操作時(shí)方向盤(pán)產(chǎn)生的扭矩或轉角的大小和方向，并將所需信息轉化成數字信號輸入控制單元,再由控制單元對這些信號進(jìn)行運算后得到一個(gè)與行駛工況相適應的力矩,最后發(fā)出指令驅動(dòng)電動(dòng)機工作，電動(dòng)機的輸出轉矩通過(guò)傳動(dòng)裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS系統中最重要的器件之一。扭矩傳感器的種類(lèi)有很多，主要有電位計式扭矩傳感器、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、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。

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。其中扭桿式測量結構簡(jiǎn)單、可靠性能相對比較高，在早期應用比較多。

2.1EPS中扭桿式扭矩傳感器的結構、原理

扭桿式扭矩傳感器主要由扭桿彈簧、轉角-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(pán)上的扭矩，并將其轉化成相應的轉角值。轉角-位移變換器是一對螺旋機構，將扭桿彈簧兩端的相對轉角轉化為滑動(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(guò)一個(gè)銷(xiāo)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，當輸入軸相對于輸出軸轉動(dòng)時(shí)，滑塊按照輸入軸的旋轉方向和相對于輸出軸的旋轉量，垂直移動(dòng)。當轉動(dòng)方向盤(pán)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偏差。該偏差是滑塊出現移動(dòng)，這些軸方向的移動(dòng)轉化為電位計的杠桿旋轉角度，滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻線(xiàn)上的移動(dòng)使電位計的電阻值隨之變化，電阻的變化通過(guò)電位計轉化為電壓。這樣扭矩信號就轉化為了電壓信號。

2.２扭桿式扭矩傳感器的設計

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計關(guān)鍵是扭桿的設計。扭桿通過(guò)細齒形漸開(kāi)線(xiàn)花鍵和方向盤(pán)軸連接，另外的一端通過(guò)徑向銷(xiāo)（直徑D）與轉向輸出軸連接，基本結構如圖2所示。

圖2 圓柱截面扭桿結構圖

扭桿細齒形漸開(kāi)線(xiàn)花鍵端部結構外直徑

d0=(1.15~1.25)d,長(cháng)度L=（0.5~0.7）d，為了避免過(guò)大的應力集中，采用過(guò)度圓角時(shí)，半徑R=（3~5）d，扭桿的有效長(cháng)度為l，d為扭桿有效長(cháng)度的直徑。

扭桿的扭轉剛度k是扭桿的一個(gè)重要的物理量，可以參照下面的公式計算。

當其受到扭矩Ｔ的時(shí)候，其扭轉的切應力τ和變形角φ分別為：

其扭轉剛度為：

其中d-扭桿直徑，有效長(cháng)度，Ip慣性矩，Zi抗扭截面系數

圖3

如圖3為某扭矩傳感器扭桿的試驗曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的斜率即為扭轉剛度k。

扭桿式扭矩傳感器在早期的EPS中應用比較多，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、金屬電阻應變片的扭矩傳感器

傳感器扭矩測量采用應變電測技術(shù)。在彈性軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮?shí)現扭矩測量。傳感器就完成如下的信息轉換：

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)生最大壓應力和拉應力，這個(gè)時(shí)候承受的主應力和剪應力相等，其計算公式為：

式中τ—主應力，此時(shí)與σ相等

Ｗp-軸截面極矩

測量電橋可以采用半導體電阻應變片，并將它們接成差動(dòng)全橋,其輸出電壓正比于扭轉軸所受的扭矩。應變片的電阻R1=R2=R3=R4＝R0,可以得到下面的式子：

Ｅ－軸材料的彈性模量

u－電橋的供電電壓

S－電阻應變片的靈敏度系數

放大電路采用儀器用放大電路，它由專(zhuān)用儀器用放大電路構成，也有三只單運放電路組合而成，放大倍數為K，放大后的電壓Ｖ為：

為了使一起具有高精度，必須使靈敏度系數為常數。

在金屬電阻應變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是：

(1)彈性軸的工作區域不應該大于彈性區域的1/3，且取初始段。為了將遲滯誤差減低到最底，按照超載能力指數選取最大的軸徑。

(2)采用LM型硅擴散力敏全橋應變片，較好的敏感性，很小的非線(xiàn)形度

(3)采用高精度的穩壓電源。

４、非接觸式扭矩傳感器

圖4

如圖4所示為非接觸式扭矩傳感器的典型結構。輸入軸和輸出軸由扭桿連接起來(lái)，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當扭桿受方向盤(pán)的轉動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對位移改變量等于扭轉桿的扭轉量，使得花鍵上的磁感強度改變，磁感強度的變化，通過(guò)線(xiàn)圈轉化為電壓信號。信號的高頻部分由檢測電路濾波，僅有扭矩信號部分被放大。非接觸扭矩傳感器由于采用的是非接觸的工作方式，因而壽命長(cháng)、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，現在已經(jīng)廣泛用于轎車(chē)和輕型車(chē)中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品。

5、其它扭矩傳感器

如圖5所示為相位差傳感方式來(lái)檢測扭矩的扭矩傳感器的結構和測量原理圖，這種傳感器具有高精度，高重復性的特點(diǎn)。其測量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個(gè)齒輪，對著(zhù)齒面再各裝一個(gè)電磁傳感器，從傳感器上就能感應出兩個(gè)與動(dòng)力軸非接觸的交流信號。取出其信號的相位差，在這兩個(gè)相位差之間，插入由晶體震蕩器產(chǎn)生的高精度，高穩定的時(shí)鐘信號。以這個(gè)時(shí)鐘信號為基準，巧妙運用數字信號處理技術(shù)就能精確地測出所承受的扭矩。

圖5

6、EPS扭矩傳感器的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)EPS系統的不斷完善和發(fā)展，對扭矩傳感器的精度、可靠性和響應速度提出了跟高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現以下的發(fā)展趨勢：

（1）、測試系統向微型化!數字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展;

（２）、從單功能向多功能發(fā)展,包括自補償、自修正、自適應、自診斷、遠程設定、狀態(tài)組合、信息存儲和記憶;

（3）、向著(zhù)小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測部分可以通過(guò)結構的合理設計和優(yōu)化來(lái)實(shí)現小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個(gè)單獨的IC部件上，減少外部部件的數量。

（4）、由靜態(tài)測試向動(dòng)態(tài)在線(xiàn)檢測方向發(fā)展。