馬　峻，劉本林

(1．北京電子科技職業(yè)學院，北京　100026；2．清華大學汽車工程系，北京　100083)

1　EPS中的轉矩轉角一體化傳感器

汽車轉向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機構。當前助力轉向系統(tǒng)已逐漸成為汽車的標準配置，主流的助力轉向系統(tǒng)主要包括液壓助力轉向系統(tǒng)(HPS)和電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)。由于液壓助力轉向系統(tǒng)無法很好實現(xiàn)轉向中輕便性和穩(wěn)定性之間的統(tǒng)一，而且隨著汽車微電子技術的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導環(huán)保，HPS系統(tǒng)在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的不足已越來越明顯。因此轉向系統(tǒng)開始向著電動助力轉向系統(tǒng)發(fā)展。電動助力轉向系統(tǒng)不僅可以提高汽車在高速下的操縱穩(wěn)定性，還能減小轉向系統(tǒng)的質量并節(jié)省能源，因而迎合了下一代汽車對環(huán)保的要求。根據汽車車型的不同，使用電動助力系統(tǒng)能夠降低燃油費用達3%～5%[1]。這使得電動助力轉向器獲得了快速的發(fā)展。2011年電動助力市場份額為24.8%，與2010年相比有所上升。未來電動助力轉向系統(tǒng)裝備率將不斷上升，預計2015年其在中國汽車行業(yè)的裝備率將超過40%。電動助力轉向系統(tǒng)比傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)有更好的可控性，能較好地解決汽車轉向“輕”和“靈”的矛盾。但目前電動助力轉向系統(tǒng)的生產仍以進口或合資企業(yè)為主，純國產EPS僅占10%左右，因此加快國產EPS系統(tǒng)的研發(fā)與生產具有十分重要的意義。

在EPS電子控制技術當中，轉矩、轉角傳感器是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、良好工作的重要部件。但目前的大部分EPS系統(tǒng)僅能從安裝在方向盤轉向柱上的轉矩傳感器處獲得轉矩信號，并據此進行轉向助力矩的分配。而為了控制方向盤的主動回正及更好的分配轉矩，方向盤轉角信號的獲取也十分重要。

目前大多采用轉矩、轉角傳感器分別安裝的辦法解決兩類信號的獲取信號，這樣不但造成成本的上升，還對信號的獲取精度造成一定的影響。雖然國外已有轉矩轉角一體化傳感器的先例，但由于采購成本較高，國內EPS系統(tǒng)很少使用。國內目前文獻僅有從測量原理方面闡述了傳感器的結構[2]，而對具體的齒輪組設計、齒輪回差的消除等問題沒有涉及。

2　轉矩轉角一體化傳感器的設計

2．1傳感器齒輪組材料的選擇

作為應用磁阻原理的傳感器齒輪組，其特點在于負載較小，但對于傳動精度與傳動噪音等控制嚴格，因此選用巴斯夫推出的高流動性Ultradur High Speed( PBT-聚對苯二甲酸丁二醇酯)，并使用注塑的方法批量生產齒輪，用電火花加工注塑型腔[3]。使用該材料后，不僅可以大大縮短注塑的生產周期，同時能提高部件內部結構設計的精密度。目前德國博世公司選用該種材料制作轉角傳感器齒輪組。

2．2傳感器芯片的選擇

作為車用傳感器，要求具有體積小、精度高、成本低、抗干擾能力強等特點，但目前的市場上主流傳感器大多采用磁電式、光電式、磁阻式、霍爾式等測量原理，難以同時滿足上述條件。因此考慮選用TLE5011角度傳感器，它基于巨磁電阻(GMR)原理測量0-360°范圍內的磁場角度位置，如圖1所示，能夠較好滿足車用傳感器的條件。

圖1　GMR角度傳感器

TLE5011主要功能部分是由巨磁電阻(GMR)材料制成的2個惠通斯感應橋，如圖2所示。4個磁矩方向平行的巨磁電阻(GMR)元件連接成一個惠通斯感應橋。當巨磁電阻處在一定的磁場中時，當磁場方向改變時巨磁電阻的阻值就會發(fā)生變化，如圖2所示，當磁場位置與芯片處于0°時，X方向的巨磁電阻與磁場平行，其阻值有最大變化，磁矩與磁場正平行的有最小電阻，磁矩與磁場反平行的有最大電阻，其組成的惠通斯感應橋有最大輸出，Y方向的巨磁電阻與磁場垂直，其阻值基本無變化，其組成的惠通斯感應橋基本無輸出。這樣在一定的磁場作用下TLE5011的2個惠通斯感應橋分別輸出與磁場方位角度有關的兩個量：X、Y。由芯片手冊得到，它們與磁場相對于芯片的角度成一定的正(余)弦函數關系，并有一定的補償量。

圖2　TLE5011測量原理

因此，圖3中的芯片IC1、IC2、IC3在安裝于齒輪上的磁鋼作用下，產生周期為180°的正(余)弦信號。

2．3傳感器齒輪組方案設計

轉向軸分上下兩部分，中間有彈性扭桿相連接，轉向柱上端與方向盤剛性連接，轉向柱下端與轉向器連接。如圖3所示，大齒輪1分別帶動雙聯(lián)齒輪3和雙聯(lián)齒輪5，進而帶動小齒輪6、8；大齒輪2通過雙聯(lián)齒輪4帶動小齒輪7。通過測量小齒輪6、8的相對轉角差確定轉向軸即方向盤的絕對轉角與轉動方向。

此外通過材料力學中扭轉的計算公式可知轉角

由上式可知在扭桿長度一定的前提下，扭矩與轉角呈線性關系，因此，扭矩的測量可以轉化為扭桿轉角的測量。圖3中通過測量小齒輪6、7的相對轉角差測量扭桿轉角，并進而確定轉矩；

設計傳感器齒輪結構如圖3所示，設大齒輪1、2；雙聯(lián)齒輪3、4、5；小齒輪6、7齒數分別相等，由此可見，大齒輪1與小齒輪6、小齒輪8以及雙聯(lián)

圖3　傳感器齒輪組布置

齒輪3是參數設計的主要問題。

其傳動比分別為

(1)

設方向盤在回正位置角度為0°，則此位置時，小齒輪6與小齒輪8的轉角差Δθ13也為0°。若方向盤轉動角度θ，則小齒輪6、8產生的轉角差為Δθ13，由此可以看出方向盤轉角與小齒輪的轉角差一一對應。因此方向盤轉角的測量也可以轉化為2個小齒輪轉角差的測量。

當方向盤轉動角度θ時，由傳動比可知：

小齒輪6轉過的角度為θ6=i1θ

∴Δθ13=i2θ-i1θ=(i2-i1)θ

∵IC芯片產生的正(余)弦信號周期為180°

∴-180°<Δθ13<180°，

即

-180°<(i2-i1)θ<180°

(2)

考慮傳感器的測量范圍，設方向盤轉動角度范圍為-900°<θ<900°

(3)

綜合式(2)、式(3)，得

(4)

綜合式(1)、式(4)，得出傳動比應滿足的條件為

(5)

繼而，若IC產生周期為180°的正(余)弦信號，經調理后產生鋸齒波，由此可分別求得可測的轉向柱轉角周期為

白菜白斑病是秋季對白菜危害較大的病害，大片發(fā)生時田間白菜外葉常發(fā)黃枯死，嚴重影響白菜的品質和產量。對種子進行處理是目前生產上防治病害的一種方法，溫湯浸種可以在一定程度上提高植株的抗病性，同時對種子進行藥劑拌種處理，例如75%百菌清可濕性粉劑，可以預防白菜苗期病害?；瘜W防治是田間防治病害見效最快的方法，也是目前對于病害常采用的防治方法。病害未發(fā)生時可用70%代森錳鋅可濕性粉劑500倍液或用64%殺毒礬可濕性粉劑600倍液噴霧，每隔10天左右噴1次藥，連噴2～3次，能起到較好的防治效果，提早防治既可以減少農藥的使用量減少經濟投入也可以減輕病害的發(fā)生。

綜合上述兩式分析可知，傳感器可測的方向盤轉角范圍既是T1與T2的最小公倍數，

即

式中M為Z6Z8的最大公約數。

設定傳感器可測轉角范圍±900°。

即

(6)

同時還要滿足

(7)

將上述結果代入式(1)，求得傳動比

i1=0.138 9，i2=0.142 8=i3

經驗證，i2-i1=0.003 9，滿足式(5)的條件。

此外，在滿足彎曲疲勞強度的前提下，應盡量降低模數。由于d=mz，當齒輪的分度圓直徑d一定時，模數m越小，則齒數z越多，增加了重疊系數，從而降低齒輪傳動的噪聲。由于轉向軸直徑一般在15～25 mm之間，齒輪的模數選取第一系列中的0.8。

不難驗證，當轉向軸扭桿轉角為1°時，小齒輪6與小齒輪7轉角差為7°。通過增加雙聯(lián)齒輪使小齒輪6與小齒輪7之間的轉角差有所增加，方便了轉矩的測量。

3　傳感器齒輪組側隙的消除

在漸開線圓柱齒輪傳動中，嚙合齒面間存在較大的相對滑動[4-5]，為了避免因摩擦發(fā)熱而導致輪齒卡死，同時改善齒輪副的潤滑狀態(tài)，減輕齒面磨損，在設計時預先留有一定的齒側間隙，這樣的間隙在齒輪換向時會使從動輪產生延遲，這就是回差。此外制造和裝配的誤差也會造成齒輪的回差。概括起來，造成回差的主要因素包括齒輪固有誤差和裝配誤差2大類。因此，在需要傳遞高精度角度信號或者位置信息的場合，必須采用合適的誤差調整方法，以控制誤差量，提高傳動精度，進而達到更好的運行效果[6]。

傳感器齒輪組由于經常處于換向狀態(tài)，如果傳動鏈中齒輪傳動副存在間隙，反向時就會使信號采集滯后于動作，影響了傳動鏈的系統(tǒng)精度，從而影響信號精度。通過對齒輪組的實驗測量可知，由于齒輪組回差引起的測量結果誤差接近1°，而轉向柱中選用的彈性扭桿扭轉角度為5°左右，因此側隙的消除是傳感器能否正常工作的關鍵因素之一?；诖耍氲玫礁叩膫鞲衅餍盘柧?，就必須采取措施除齒輪傳動副中的間隙。

常見的消除側隙的措施分為剛性調整機構和彈性調整機構兩類，剛性調整法主要有調整中心距[7]、軸向墊片法[8]等，其特點在于結構簡單，但調整過程復雜，無法實現(xiàn)自適應。而彈性調整法中，雙片齒輪錯齒調整法[9]齒輪結構較復雜，不適用于儀表等較小的齒輪；游絲法對雖然結構簡單，但除了需要重新設計蝸卷彈簧外，該方法對齒輪的旋轉角度也有一定限制。因此需要重新設計轉矩轉角傳感器中齒輪組的消隙方法。

基于軸向墊片調整法，借鑒吳雙勝，景留平的實用新型專利《側隙可調齒輪副》[10]，將傳感器中的齒輪組設計成連續(xù)變位圓柱齒輪，通過連續(xù)變位形成約為2°～3°的小錐角，如圖4所示。裝配時應先將齒輪2裝在齒輪軸3上，再在齒輪軸5上裝入調整墊片4，最后裝入齒輪1，然后檢測齒輪側隙的實際數值。完成后拆卸齒輪1，對墊片4進行調整，并重新安裝即可。

圖4　傳感器齒輪組消隙

由于傳感器齒輪材料為聚對苯二甲酸丁二醇酯，通過注塑的方式生產，因此只要在試驗設計階段確定參數就可以精確的進行加工生產，小錐角的齒輪外形也便于注塑生產。此外在使用過程中由于傳感器本身承受負載較小，不會產生較大的磨損量，因此能保證較長的使用壽命。

4　結束語

文中對電動助力轉向系統(tǒng)中的重要零件——轉矩轉角一體化傳感器進行了齒輪機構的設計，給出了齒輪組的設計方案，并對方案中的齒輪參數進行了計算，滿足了轉矩轉角一體化傳感器的工作要求，同時還根據所查文獻中關于齒輪側隙消除的常用方法設計了傳感器齒輪組的結構，消除了由側隙引起的齒輪換向時的回差。

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