EPS扭矩傳感器的研究和發(fā)展

摘　要：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(cè)量原理和設(shè)計(jì)方法，并對(duì)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）
 
1 綜述

　　電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS(electric power steering)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(hydraulic power steering)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(cè)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(duì)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(shì)。

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(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(cè)司機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時(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(hào)輸入控制單元,再由控制單元對(duì)這些信號(hào)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(jí)行星齒輪式、扭桿式。其中扭桿式測(cè)量結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能相對(duì)比較高，在早期應(yīng)用比較多。

2.1  EPS中扭桿式扭矩傳感器的結(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(jì)組成。扭桿彈簧主要作用是檢測(cè)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(duì)螺旋機(jī)構(gòu)，將扭桿彈簧兩端的相對(duì)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(duì)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(duì)于輸出軸在垂直方向上移動(dòng)。因此，當(dāng)輸入軸相對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)就轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)。

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。

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，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：

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(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(cè)量采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。在彈性軸上粘貼應(yīng)變計(jì)組成測(cè)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?hào)的變化從而實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。傳感器就完成如下的信息轉(zhuǎn)換：

　　傳感器由彈性軸、測(cè)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(gè)時(shí)候承受的主應(yīng)力和剪應(yīng)力相等，其計(jì)算公式為：

　　式中τ—主應(yīng)力，此時(shí)與σ相等Ｗp—軸截面極矩測(cè)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(dòng)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,可以得到下面的式子：

式中，Ｅ－軸材料的彈性模量u－電橋的供電電壓S－電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)
放大電路采用儀器用放大電路，它由專用儀器用放大電路構(gòu)成，也有三只單運(yùn)放電路組合而成，放大倍數(shù)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(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。

４  非接觸式扭矩傳感器

　　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桿連接起來，輸入軸上有花鍵，輸出軸上有鍵槽。當(dāng)扭桿受方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，輸入軸上的花鍵和輸出軸上鍵槽之間的相對(duì)位置就被改變了?；ㄦI和鍵槽的相對(duì)位移改變量等于扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)量，使得花鍵上的磁感強(qiáng)度改變，磁感強(qiáng)度的變化，通過線圈轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。信號(hào)的高頻部分由檢測(cè)電路濾波，僅有扭矩信號(hào)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、可靠性高，不易受到磨損、有更小的延時(shí)、 受軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響更小，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于轎車和輕型車中，是EPS傳感器的主流產(chǎn)品?！?/P>

5   其它扭矩傳感器

　　如圖5所示為相位差傳感方式來檢測(cè)扭矩的扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理圖，這種傳感器具有高精度，高重復(fù)性的特點(diǎn)。其測(cè)量原理為：在受扭軸的兩端各安上一個(gè)齒輪，對(duì)著齒面再各裝一個(gè)電磁傳感器，從傳感器上就能感應(yīng)出兩個(gè)與動(dòng)力軸非接觸的交流信號(hào)。取出其信號(hào)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(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。以這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)，巧妙運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)就能精確地測(cè)出所承受的扭矩。
  

   
6  EPS扭矩傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
　
　　隨著EPS系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，對(duì)扭矩傳感器的精度、可靠性和響應(yīng)速度提出了跟高的要求。EPS扭矩傳感器正呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)：
　　
　　（1）、測(cè)試系統(tǒng)向微型化!數(shù)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(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲(chǔ)和記憶;

　?。?）、向著小型化、集成化方向發(fā)展。傳感器的檢測(cè)部分可以通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導(dǎo)體部件、電阻到一個(gè)單獨(dú)的IC部件上，減少外部部件的數(shù)量。
　　
　?。?）、由靜態(tài)測(cè)試向動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

1 Yuji Kozaki, Electric Power Steering (EPS)，Steering Technology Department Automotive Technology Center.

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4  Eps of Delphi , Delphi Corporation