電動助力轉向係統EPS(electricpowersteering)是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的動力轉向係統,與傳統的液壓助力轉向係統HPS(hydraulicpowersteering)相比,EPS係統具有很多優點：僅在需要轉向時才啟動電機產生助力,能減少發動機燃油消耗
；能neng在zai各ge種zhong行xing駛shi工gong況kuang下xia提ti供gong最zui佳jia助zhu力li，減jian小xiao由you路lu麵mian不bu平ping所suo引yin起qi電dian動dong機ji的de輸shu出chu轉zhuan矩ju通tong過guo傳chuan動dong裝zhuang置zhi的de作zuo用yong而er助zhu力li向xiang係xi的de擾rao動dong，改gai善shan汽qi車che的de轉zhuan向xiang特te性xing,提高汽車的主動安全性；沒有液壓回路,調整和檢測更容易,裝配自動化程度更高,且可通過設置不同的程序

，快速與不同車型匹配,縮短生產和開發周期
；不存在漏油問題,減小對環境的汙染。

 

EPS係統是未來動力轉向係統的一個發展趨勢。

 

圖1 EPS結構圖

 

如圖1所示，EPS主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構和電子控製單元(ECU)等組成。通過傳感器探測司機在轉向操作時方向盤產生的扭矩或轉角的大小和方向

，並將所需信息轉化成數字信號輸入控製單元,再由控製單元對這些信號進行運算後得到一個與行駛工況相適應的力矩,最後發出指令驅動電動機工作，電動機的輸出轉矩通過傳動裝置的作用而助力。因此扭矩傳感器是EPS係統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
、金屬電阻應變片的扭矩傳感器、非接觸式扭矩傳感器等，隨技術的進步將會有精度更高、成本更低的傳感器出現。

 

 

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、扭杆式。其中扭杆式測量結構簡單、可靠性能相對比較高，在早期應用比較多。

 

 

扭杆式扭矩傳感器主要由扭杆彈簧、轉角-位移變換器、電位計組成。扭杆彈簧主要作用是檢測司機作用在方向盤上的扭矩
，並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，將扭杆彈簧兩端的相對轉角轉化為滑動套的軸向位移
，由剛球
、螺(luo)旋(xuan)槽(cao)和(he)滑(hua)塊(kuai)組(zu)成(cheng)。滑(hua)塊(kuai)相(xiang)對(dui)於(yu)輸(shu)入(ru)軸(zhou)可(ke)以(yi)在(zai)螺(luo)旋(xuan)方(fang)向(xiang)上(shang)移(yi)動(dong)，同(tong)時(shi)滑(hua)塊(kuai)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)銷(xiao)安(an)裝(zhuang)到(dao)輸(shu)出(chu)軸(zhou)上(shang)
，可(ke)以(yi)相(xiang)對(dui)於(yu)輸(shu)出(chu)軸(zhou)在(zai)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)上(shang)移(yi)動(dong)。因(yin)此(ci)
，當(dang)輸(shu)入(ru)軸(zhou)相(xiang)對(dui)於(yu)輸(shu)出(chu)軸(zhou)轉(zhuan)動(dong)時(shi)，滑(hua)塊(kuai)按(an)照(zhao)輸(shu)入(ru)軸(zhou)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)方(fang)向(xiang)和(he)相(xiang)對(dui)於(yu)輸(shu)出(chu)軸(zhou)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)量(liang)，垂(chui)直(zhi)移(yi)動(dong)。當(dang)轉(zhuan)動(dong)方(fang)向(xiang)盤(pan)的(de)時(shi)候(hou)，鈕(niu)矩(ju)被(bei)傳(chuan)遞(di)到(dao)扭(niu)力(li)杆(gan)，輸(shu)入(ru)軸(zhou)相(xiang)對(dui)於(yu)輸(shu)出(chu)軸(zhou)方(fang)向(xiang)出(chu)現(xian)偏(pian)差(cha)。該(gai)偏(pian)差(cha)是(shi)滑(hua)塊(kuai)出(chu)現(xian)移(yi)動(dong)，這(zhe)些(xie)軸(zhou)方(fang)向(xiang)的(de)移(yi)動(dong)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)位(wei)計(ji)的(de)杠(gang)杆(gan)旋(xuan)轉(zhuan)角(jiao)度(du)
，滑(hua)動(dong)觸(chu)點(dian)在(zai)電(dian)阻(zu)線(xian)上(shang)的(de)移(yi)動(dong)使(shi)電(dian)位(wei)計(ji)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)隨(sui)之(zhi)變(bian)化(hua)，電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)通(tong)過(guo)電(dian)位(wei)計(ji)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)扭(niu)矩(ju)信(xin)號(hao)就(jiu)轉(zhuan)化(hua)為(wei)了(le)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)。

 

 

扭(niu)杆(gan)是(shi)整(zheng)個(ge)扭(niu)杆(gan)扭(niu)矩(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)重(zhong)要(yao)部(bu)件(jian)
，因(yin)而(er)扭(niu)杆(gan)式(shi)扭(niu)矩(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)設(she)計(ji)關(guan)鍵(jian)是(shi)扭(niu)杆(gan)的(de)設(she)計(ji)。扭(niu)杆(gan)通(tong)過(guo)細(xi)齒(chi)形(xing)漸(jian)開(kai)線(xian)花(hua)鍵(jian)和(he)方(fang)向(xiang)盤(pan)軸(zhou)連(lian)接(jie)
，另(ling)外(wai)的(de)一(yi)端(duan)通(tong)過(guo)徑(jing)向(xiang)銷(xiao)（直徑D）與轉向輸出軸連接，基本結構如圖2所示。

 

圖2 圓柱截麵扭杆結構圖

 

扭杆細齒形漸開線花鍵端部結構外直徑

 

d0=(1.15~1.25)d,長度L=（0.5~0.7）d，為了避免過大的應力集中
，采用過度圓角時

，半徑R=（3~5）d，扭杆的有效長度為l
，d為扭杆有效長度的直徑。

 

扭杆的扭轉剛度k是扭杆的一個重要的物理量，可以參照下麵的公式計算。

 

當其受到扭矩Ｔ的時候

，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-扭杆直徑，有效長度，Ip慣性矩
，Zi抗扭截麵係數

 

圖3

 

如圖3為某扭矩傳感器扭杆的試驗曲線，曲線的斜率即為扭轉剛度k。

 

扭杆式扭矩傳感器在早期的EPS中應用比較多
，但由於是接觸式的
，工作時產生的摩擦使其易磨損，影響其精度

，將會被逐步淘汰。

 

 

chuanganqiniujuceliangcaiyongyingbiandiancejishu。zaidanxingzhoushangzhantieyingbianjizuchengceliangdianqiao，dangdanxingzhoushouniujuchanshengweixiaobianxinghouyinqidianqiaodianzuzhibianhua，yingbiandianqiaodianzudebianhuazhuanbianweidianxinhaodebianhuacongershixianniujuceliang。chuanganqijiuwanchengruxiadexinxizhuanhuan：

 

 

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度的方向上產生最大壓應力和拉應力，這個時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
，此時與σ相等

 

Ｗp-軸截麵極矩

 

測量電橋可以采用半導體電阻應變片，並將它們接成差動全橋,其輸出電壓正比於扭轉軸所受的扭矩。應變片的電阻R1=R2=R3=R4＝R0,可以得到下麵的式子：

 

 

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係數

 

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成，也有三隻單運放電路組合而成，放大倍數為K，放大後的電壓Ｖ為：

 

為了使一起具有高精度，必須使靈敏度係數為常數。

 

在金屬電阻應變片的扭矩傳感器中，需要解決的技術關鍵是：

 

(1)彈性軸的工作區域不應該大於彈性區域的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型矽擴散力敏全橋應變片
，較好的敏感性，很小的非線形度

 

(3)采用高精度的穩壓電源。

 

 

圖4

 

如圖4suoshiweifeijiechushiniujuchuanganqidedianxingjiegou。shuruzhouheshuchuzhouyouniuganlianjieqilai，shuruzhoushangyouhuajian
，shuchuzhoushangyoujiancao。dangniuganshoufangxiangpandezhuandonglijuzuoyongfashengniuzhuanshi，shuruzhoushangdehuajianheshuchuzhoushangjiancaozhijiandexiangduiweizhijiubeigaibianle。huajianhejiancaodexiangduiweiyigaibianliangdengyuniuzhuangandeniuzhuanliang，shidehuajianshangdeciganqiangdugaibian，ciganqiangdudebianhua，tongguoxianquanzhuanhuaweidianyaxinhao。xinhaodegaopinbufenyoujiancedianlulvbo，jinyouniujuxinhaobufenbeifangda。feijiechuniujuchuanganqiyouyucaiyongdeshifeijiechudegongzuofangshi
，yinershoumingchang
、可靠性高
，不易受到磨損、有更小的延時
、受軸的偏轉和軸向偏移的影響更小，現在已經廣泛用於轎車和輕型車中，是EPS傳感器的主流產品。

 

 

如圖5所示為相位差傳感方式來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，高重複性的特點。其測量原理為：在zai受shou扭niu軸zhou的de兩liang端duan各ge安an上shang一yi個ge齒chi輪lun，對dui著zhe齒chi麵mian再zai各ge裝zhuang一yi個ge電dian磁ci傳chuan感gan器qi，從cong傳chuan感gan器qi上shang就jiu能neng感gan應ying出chu兩liang個ge與yu動dong力li軸zhou非fei接jie觸chu的de交jiao流liu信xin號hao。取qu出chu其qi信xin號hao的de相xiang位wei差cha，在zai這zhe兩liang個ge相xiang位wei差cha之zhi間jian，插cha入ru由you晶jing體ti震zhen蕩dang器qi產chan生sheng的de高gao精jing度du，高gao穩wen定ding的de時shi鍾zhong信xin號hao。以yi這zhe個ge時shi鍾zhong信xin號hao為wei基ji準zhun
，巧qiao妙miao運yun用yong數shu字zi信xin號hao處chu理li技ji術shu就jiu能neng精jing確que地di測ce出chu所suo承cheng受shou的de扭niu矩ju。

 

圖5

 

 

隨著EPS係統的不斷完善和發展
，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展趨勢：

 

（1）、測試係統向微型化!數字化、智能化、虛擬化和網絡化方向發展;

 

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

 

（3）、向著小型化、集成化方向發展。傳感器的檢測部分可以通過結構的合理設計和優化來實現小型化，IC部分可以整合盡可能多的半導體部件、電阻到一個單獨的IC部件上
，減少外部部件的數量。

 

（4）
、由靜態測試向動態在線檢測方向發展。