扭矩传感器的研究和发展;扭矩传感器原理与应用、扭矩传感器的分类 摘要: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。 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。 图1 EPS结构图 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。 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
如图3为某扭矩传感器扭杆的试验曲线,曲线的斜率即为扭转刚度k。 传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥,当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化,应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。传感器就完成如下的信息转换: 传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器、接口电路组成。弹性轴是敏感元件,在45度和135度的方向上产生最大压应力和拉应力,这个时候承受的主应力和剪应力相等,其计算公式为: 式中τ—主应力,此时与σ相等
E-轴材料的弹性模量 为了使一起具有高精度,必须使灵敏度系数 为常数。 4 非接触式扭矩传感器 如图4所示为非接触式扭矩传感器的典型结构。输入轴和输出轴由扭杆连接起来,输入轴上有花键,输出轴上有键槽。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时,输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量,使得花键上的磁感强度改变,磁感强度的变化,通过线圈转化为电压信号。信号的高频部分由检测电路滤波,仅有扭矩信号部分被放大。非接触扭矩传感器由于采用的是非接触的工作方式,因而寿命长、可靠性高,不易受到磨损、有更小的延时、 受轴的偏转和轴向偏移的影响更小,现在已经广泛用于轿车和轻型车中,是EPS传感器的主流产品。 5 其它扭矩传感器 如图5所示为相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图,这种传感器具有高精度,高重复性的特点。其测量原理为:在受扭轴的两端各安上一个齿轮,对着齿面再各装一个电磁传感器,从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差,在这两个相位差之间,插入由晶体震荡器产生的高精度,高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准,巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。
6 EPS扭矩传感器的发展趋势 |
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