O que é EPS
1. Visão Geral
O sistema de direção assistida elétrica EPS (direção assistida elétrica) é um sistema de direção assistida que depende diretamente do motor para fornecer torque auxiliar. Comparado com o sistema de direção hidráulica tradicional HPS (direção hidráulica), o sistema EPS tem muitas vantagens: somente quando a direção é necessária Somente quando o motor é acionado para gerar energia, ele pode reduzir o consumo de combustível do motor; ele pode fornecer a melhor assistência de potência sob várias condições de condução e reduzir a perturbação do torque de saída do motor causada pela superfície irregular da estrada para auxiliar o sistema através da ação do dispositivo de transmissão. Melhorar as características de direção do carro e melhorar a segurança ativa do carro; sem o circuito hidráulico, o ajuste e a detecção são mais fáceis, o grau de automação da montagem é maior e pode ser combinado rapidamente com diferentes modelos, definindo programas diferentes, encurtando o ciclo de produção e desenvolvimento; não Há um problema de vazamento de óleo e reduz a poluição ao meio ambiente.
O sistema EPS é uma tendência de desenvolvimento do futuro sistema de direção hidráulica.
Diagrama de estrutura EPS
Figura 1 diagrama de estrutura EPS
Conforme mostrado na Figura 1, o EPS é composto principalmente por um sensor de torque, um sensor de velocidade do veículo, um motor elétrico, um mecanismo de desaceleração e uma unidade de controle eletrônico (ECU). O sensor detecta a magnitude e direção do torque ou ângulo gerado pelo volante durante a operação de direção do motorista e converte as informações necessárias em sinais digitais e os insere na unidade de controle. Finalmente, o comando é emitido para acionar o motor para trabalhar, e o torque de saída do motor é auxiliado pela ação do dispositivo de transmissão. Portanto, o sensor de torque é um dos componentes mais importantes do sistema EPS. Existem muitos tipos de sensores de torque, incluindo principalmente sensores de torque potenciômetros, sensores de torque de medidores de tensão de resistência metálica, sensores de torque sem contato, etc. Com o avanço da tecnologia, haverá sensores com maior precisão e menor custo.
2. Sensor de torque do potenciômetro
Os sensores de torque do potenciômetro podem ser divididos principalmente em tipo de braço espiral, tipo de engrenagem planetária de duplo estágio e tipo de barra de torção. Dentre eles, a medição da barra de torção possui uma estrutura simples e confiabilidade relativamente alta, sendo amplamente utilizada nos primórdios.
2.1 Estrutura e princípio do sensor de torque da barra de torção em EPS
O sensor de torque da barra de torção é composto principalmente por uma mola da barra de torção, um conversor de deslocamento angular e um potenciômetro. A principal função da mola da barra de torção é detectar o torque que o motorista atua no volante e convertê-lo no ângulo de rotação correspondente. O conversor ângulo-deslocamento de rotação é um par de mecanismos helicoidais, que convertem o ângulo de rotação relativo das duas extremidades da mola da barra de torção no deslocamento axial da luva deslizante, que é composta por uma esfera rígida, uma ranhura espiral e um controle deslizante. O controle deslizante pode se mover em uma direção helicoidal em relação ao eixo de entrada, enquanto o controle deslizante é montado no eixo de saída através de um pino e pode se mover na direção vertical em relação ao eixo de saída. Portanto, quando o eixo de entrada gira em relação ao eixo de saída, o controle deslizante se move verticalmente de acordo com a direção de rotação do eixo de entrada e a quantidade de rotação em relação ao eixo de saída. Quando o volante é girado, o torque é transmitido para a barra de torção e a direção do eixo de entrada em relação ao eixo de saída é desviada. O desvio é o movimento do controle deslizante, o movimento dessas direções do eixo é convertido no ângulo de rotação da alavanca do potenciômetro, o movimento do contato deslizante na linha de resistência faz com que o valor da resistência do potenciômetro mude de acordo e a mudança de a resistência é convertida em tensão através do potenciômetro. Desta forma, o sinal de torque é convertido em um sinal de tensão.
2.2 Projeto do sensor de torque da barra de torção
A barra de torção é uma parte importante de todo o sensor de torque da barra de torção, então a chave para o projeto do sensor de torque da barra de torção é o projeto da barra de torção. A barra de torção é conectada ao eixo do volante por meio de uma ranhura de involuta de dentes finos, e a outra extremidade é conectada ao eixo de saída da direção por meio de um pino radial (diâmetro D). A estrutura básica é mostrada na Figura 2.
Estrutura da barra de torção de seção cilíndrica
Figura 2 Diagrama de estrutura da barra de torção de seção cilíndrica
Diâmetro externo da estrutura final da barra de torção estriada serrilhada
d{{0}}(1,15~1,25)d, comprimento L=(0.5~0,7)d, para evitar concentração excessiva de tensão, ao usar filete excessivo, o raio R=(3~5)d, o comprimento efetivo da barra de torção é l , d é o diâmetro do comprimento efetivo da barra de torção.
A rigidez de torção k da barra de torção é uma quantidade física importante da barra de torção, que pode ser calculada consultando a seguinte fórmula.
Quando submetido ao torque T, sua tensão de cisalhamento de torção τ e o ângulo de deformação φ são respectivamente:
Sua rigidez torcional é:
Onde d diâmetro da barra de torção, comprimento efetivo, momento de inércia Ip, coeficiente de seção de torção Zi
A Figura 3 mostra a curva de teste de uma barra de torção do sensor de torque, e a inclinação da curva é a rigidez torcional k.
O sensor de torque da barra de torção foi amplamente utilizado no início do EPS, mas por ser um tipo de contato, o atrito gerado durante a operação facilita o desgaste e afeta sua precisão, e será descontinuado.
3. Sensor de torque do medidor de tensão de resistência de metal
A medição de torque do sensor adota tecnologia de medição elétrica de deformação. Uma ponte de medição é formada colando um medidor de tensão no eixo elástico. Quando o eixo elástico é ligeiramente deformado pelo torque, o valor da resistência da ponte mudará e a mudança da resistência da ponte de deformação será convertida na mudança do sinal elétrico para realizar a medição do torque. O sensor conclui a seguinte conversão de informações:
O sensor é composto de eixo elástico, ponte de medição, amplificador de instrumento e circuito de interface. O eixo elástico é um elemento sensível, que gera tensão máxima de compressão e tensão de tração nas direções de 45 graus e 135 graus. Neste momento, a tensão principal e a tensão de cisalhamento são iguais. A fórmula de cálculo é:
onde τ—tensão principal, igual a σ neste momento
Wp—momento polar da seção do eixo
A ponte de medição pode utilizar strain gages de resistência semicondutora e conectá-los para formar uma ponte completa diferencial, cuja tensão de saída é proporcional ao torque recebido pelo eixo de torção. A resistência do strain gage R{{0}}R2=R3=R4=R0, a seguinte fórmula pode ser obtida:
O módulo de elasticidade do material do eixo E
u - tensão de alimentação da ponte
S - Coeficiente de sensibilidade do medidor de tensão de resistência
O circuito de amplificação adota o circuito de amplificação para instrumentos, que é composto de circuitos de amplificação para instrumentos especiais e também é composto por três circuitos de amplificador operacional único. O fator de amplificação é K, e a tensão amplificada V é:
Para ter alta precisão em conjunto, o coeficiente de sensibilidade deve ser constante.
No sensor de torque do extensômetro de resistência metálica, a chave técnica a ser resolvida é:
(1) A área de trabalho da haste elástica não deve ser maior que 1/3 da área elástica, e tomar o segmento inicial. Para minimizar o erro de histerese, selecione o maior diâmetro do eixo de acordo com o índice de capacidade de sobrecarga.
(2) O medidor de tensão de ponte completa sensível à força de difusão de silício tipo LM é usado, que tem melhor sensibilidade e pequena não linearidade.
(3), o uso de fonte de alimentação regulada de alta precisão.
4. Sensor de torque sem contato
Sensor de torque sem contato
A Figura 4 mostra uma estrutura típica de um sensor de torque sem contato. O eixo de entrada e o eixo de saída são conectados por uma barra de torção, o eixo de entrada possui ranhuras e o eixo de saída possui uma chaveta. Quando a barra de torção é torcida pelo momento de rotação do volante, a posição relativa entre as estrias no eixo de entrada e a chaveta no eixo de saída é alterada. A mudança de deslocamento relativo da ranhura e do rasgo de chaveta é igual à torção da haste de torção, de modo que a intensidade de indução magnética na ranhura muda e a mudança da intensidade de indução magnética é convertida em um sinal de tensão através da bobina. A parte de alta frequência do sinal é filtrada pelo circuito de detecção e apenas a parte do sinal de torque é amplificada. Devido ao método de trabalho sem contato, o sensor de torque sem contato tem uma longa vida útil, alta confiabilidade, não é suscetível ao desgaste, tem um atraso menor e é menos afetado pela deflexão do eixo e deslocamento axial. Ele tem sido amplamente utilizado agora. Em carros e veículos leves, é o principal produto de sensores EPS.
5. Outros sensores de torque
A Figura 5 mostra a estrutura e o princípio de medição de um sensor de torque que detecta o torque por detecção de diferença de fase. Este sensor tem as características de alta precisão e alta repetibilidade. O princípio de medição é o seguinte: instale uma engrenagem em cada extremidade do eixo de torção e instale um sensor eletromagnético oposto à superfície do dente, e dois sinais CA sem contato com o eixo de potência podem ser induzidos a partir do sensor. Retire a diferença de fase de seu sinal e insira um sinal de clock de alta precisão e alta estabilidade gerado por um oscilador de cristal entre as duas diferenças de fase. Com base neste sinal de relógio, o torque aplicado pode ser medido com precisão pelo uso inteligente da tecnologia de processamento de sinal digital.
O diagrama de estrutura e princípio de medição do sensor de torque que detecta o torque pelo método de detecção de diferença de fase
6. A tendência de desenvolvimento do sensor de torque EPS
Com a melhoria contínua e o desenvolvimento do sistema EPS, são apresentados requisitos mais elevados para a precisão, confiabilidade e velocidade de resposta do sensor de torque. Os sensores de torque EPS estão mostrando as seguintes tendências de desenvolvimento:
(1) O sistema de teste está se desenvolvendo para a miniaturização! Digitalização, inteligência, virtualização e networking;
(2) Desenvolvimento de função única para multifunção, incluindo autocompensação, autocorreção, autoadaptação, autodiagnóstico, configuração remota, combinação de estados, armazenamento de informações e memória;
(3) Desenvolver no sentido de miniaturização e integração. A parte de detecção do sensor pode ser miniaturizada por meio de design racional e otimização da estrutura, e a parte IC pode integrar o maior número possível de componentes semicondutores e resistores em um único componente IC, reduzindo o número de componentes externos.
(4) Desenvolva de testes estáticos para testes on-line dinâmicos.
