Què és l'EPS
1. Visió general
El sistema de direcció d'energia elèctrica EPS (power steering) és un sistema de direcció d'energia que es basa directament en el motor per proporcionar parell auxiliar. En comparació amb el sistema de direcció d'energia hidràulica tradicional HPS (direcció d'energia hidràulica), el sistema EPS té molts avantatges: només quan es requereix direcció només quan el motor es comença a generar energia, pot reduir el consum de combustible del motor; pot proporcionar la millor assistència de potència en diverses condicions de conducció, i reduir la pertorbació del parell de sortida del motor causada per la superfície de la carretera irregular per ajudar el sistema a través de l'acció del dispositiu de transmissió. Millorar les característiques de direcció del cotxe i millorar la seguretat activa del cotxe; sense el circuit hidràulic, l'ajust i la detecció són més fàcils, el grau d'automatització de muntatge és més alt i es pot combinar ràpidament amb diferents models establint diferents programes, escurçant el cicle de producció i desenvolupament; No hi ha un problema de fuites de petroli i reduir la contaminació al medi ambient.
El sistema EPS és una tendència de desenvolupament del futur sistema de direcció d'energia.
Diagrama d'estructura EPS
Gràfic d'estructura EPS de la figura 1
Com es mostra a la figura 1, EPS es compon principalment d'un sensor de parell, un sensor de velocitat del vehicle, un motor elèctric, un mecanisme de desacceleració i una unitat de control electrònic (ECU). El sensor detecta la magnitud i la direcció del parell o angle generat pel volant durant l'operació de direcció del conductor, i converteix la informació requerida en senyals digitals i els introdueix a la unitat de control. Finalment, l'ordre s'emet per conduir el motor a funcionar, i el parell de sortida del motor és assistit per l'acció del dispositiu de transmissió. Per tant, el sensor de parell és un dels components més importants del sistema EPS. Hi ha molts tipus de sensors de parell, principalment incloent sensors de parell potenciòmetre, sensors de parell de soca de resistència metàl·lica, sensors de parell sense contacte, etc. Amb l'avanç de la tecnologia, hi haurà sensors amb major precisió i menor cost.
2. Sensor de parell potenciòmetre
Els sensors de parell potenciòmetre es poden dividir principalment en tipus de braç espiral, tipus d'engranatge planetari de doble etapa i tipus de barra de torsió. Entre ells, el mesurament de la barra de torsió té una estructura senzilla i una fiabilitat relativament alta, i va ser àmpliament utilitzat en els primers dies.
2.1 Estructura i principi del sensor de parell de barres de torsió en EPS
El sensor de parell de barres de torsió es compon principalment d'una molla de barra de torsió, un convertidor de desplaçament d'angle i un potenciòmetre. La funció principal de la molla de la barra de torsió és detectar el parell que el conductor actua sobre el volant i convertir-lo en l'angle de rotació corresponent. El convertidor angle-desplaçament de rotació és un parell de mecanismes helicoïdals, que converteixen l'angle de rotació relatiu dels dos extrems de la barra de torsió en el desplaçament axial de la màniga lliscant, que es compon d'una bola rígida, un solc espiral i un lliscador. El control lliscant es pot moure en una direcció helicoïdal en relació amb l'eix d'entrada, mentre que el control lliscant es munta a l'eix de sortida a través d'un passador i es pot moure en una direcció vertical en relació amb l'eix de sortida. Per tant, quan l'eix d'entrada gira en relació amb l'eix de sortida, el control lliscant es mou verticalment segons la direcció de rotació de l'eix d'entrada i la quantitat de rotació en relació amb l'eix de sortida. Quan es gira el volant, el parell es transmet a la barra de torsió i es desvia la direcció de l'eix d'entrada en relació amb l'eix de sortida. La desviació és el moviment del control lliscant, el moviment d'aquestes direccions de l'eix es converteix en l'angle de rotació de palanca del potenciòmetre, el moviment del contacte lliscant sobre la línia de resistència fa que el valor de resistència del potenciòmetre canviï en conseqüència, i el canvi de resistència es converteix en voltatge a través del potenciòmetre. D'aquesta manera, el senyal de parell es converteix en un senyal de voltatge.
2.2 Disseny del sensor de parell de barres de torsió
La barra de torsió és una part important de tot el sensor de parell de barres de torsió, de manera que la clau per al disseny del sensor de parell de barres de torsió és el disseny de la barra de torsió. La barra de torsió està connectada a l'eix del volant a través d'una línia d'involució de dents fines, i l'altre extrem està connectat a l'eix de sortida de direcció a través d'un passador radial (diàmetre D). L'estructura bàsica es mostra a la figura 2.
Estructura de la barra de torsió de secció cilíndrica
Figura 2 Diagrama d'estructura de la barra de torsió de secció cilíndrica
Diàmetre exterior de l'estructura final de la barra de torsió esponjosa involuntària
d0=(1,15~ 1,25)d, longitud L=(0,5~ 0,7)d, per tal d'evitar una concentració excessiva d'estrès, quan s'utilitza filet excessiu, el radi R =(3 ~ 5)d, la longitud efectiva de la barra de torsió és l , d és el diàmetre de la longitud efectiva de la barra de torsió.
La rigidesa torsional k de la barra de torsió és una quantitat física important de la barra de torsió, que es pot calcular fent referència a la següent fórmula.
Quan està sotmès al parell T, el seu estrès de cisallament torsional τ i l'angle de deformació φ són respectivament:
La seva rigidesa torsional és:
On diàmetre de la barra de torsió d, longitud efectiva, moment ip d'inèrcia, coeficient de secció torsional Zi
La figura 3 mostra la corba de prova d'una barra de torsió del sensor de parell, i el pendent de la corba és la rigidesa torsional k.
El sensor de parell de barres de torsió es va utilitzar àmpliament en l'EPS primerenc, però com que és un tipus de contacte, la fricció generada durant l'operació fa que sigui fàcil de portar i afecta la seva precisió, i s'eliminarà gradualment.
3. Sensor de parell de mesurador de resistència metàl·lica
El mesurament del parell del sensor adopta la tecnologia de mesura elèctrica de tensió. Un pont de mesura es forma enganxant un mesurador de tensió a l'eix elàstic. Quan l'eix elàstic es deforma lleugerament pel parell, el valor de resistència del pont canviarà, i el canvi de la resistència del pont de tensió es convertirà en el canvi del senyal elèctric per realitzar la mesura del parell. El sensor completa la següent conversió d'informació:
El sensor es compon d'eix elàstic, pont de mesura, amplificador d'instruments i circuit d'interfície. L'eix elàstic és un element sensible, que genera el màxim estrès compressiu i estrès de tracció en les direccions de 45 graus i 135 graus. En aquest moment, l'estrès principal i l'estrès de cisalla són iguals. La fórmula de càlcul és:
on τ- estrès principal, igual a σ en aquest moment
Wp- moment pol de la secció de l'eix
El pont de mesura pot utilitzar mesuradors de tensió de resistència semiconductora i connectar-los per formar un pont complet diferencial, la tensió de sortida del qual és proporcional al parell rebut per l'eix de torsió. La resistència del mesurador de tensió R1 = R2 = R3 = R4 = R0, es pot obtenir la següent fórmula:
El mòdul elàstic del material de l'eix E
u - tensió d'alimentació del pont
S - Coeficient de sensibilitat del mesurador de tensió de resistència
El circuit amplificador adopta el circuit d'amplificació per a instruments, que es compon de circuits amplificadors per a instruments especials, i també es compon de tres circuits d'op-amp. El factor d'amplificació és K, i el voltatge amplificat V és:
Per tal de tenir una alta precisió junts, el coeficient de sensibilitat s'ha de fer constant.
En el sensor de parell de mesurador de resistència metàl·lica, la clau tècnica a resoldre és:
(1) L'àrea de treball de l'eix elàstic no ha de ser superior a 1/3 de la zona elàstica, i prendre el segment inicial. Per tal de minimitzar l'error d'histèresi, seleccioneu el diàmetre de l'eix més gran segons l'índex de capacitat de sobrecàrrega.
(2) S'utilitza un mesurador de tensió sensible a la força de força de silici de tipus LM, que té una millor sensibilitat i poca no linealitat.
(3), l'ús d'alimentació regulada d'alta precisió.
4. Sensor de parell sense contacte
Sensor de parell sense contacte
La figura 4 mostra una estructura típica d'un sensor de parell sense contacte. L'eix d'entrada i l'eix de sortida estan connectats per una barra de torsió, l'eix d'entrada té splines i l'eix de sortida té un clau. Quan la barra de torsió es torça pel moment de rotació del volant, es canvia la posició relativa entre les splines de l'eix d'entrada i la clau de l'eix de sortida. El canvi de desplaçament relatiu de l'spline i la via clau és igual a la torsió de la vareta de torsió, de manera que la intensitat d'inducció magnètica a l'spline canvia, i el canvi de la intensitat d'inducció magnètica es converteix en un senyal de voltatge a través de la bobina. La part d'alta freqüència del senyal es filtra pel circuit de detecció i només s'amplifica la part del senyal de parell. A causa del mètode de treball sense contacte, el sensor de parell sense contacte té una llarga vida útil, alta fiabilitat, no és susceptible de desgast, té un retard menor i es veu menys afectat per la desviació de l'eix i el desplaçament axial. Actualment s'ha utilitzat àmpliament. En cotxes i vehicles lleugers, és el producte principal dels sensors EPS.
5. Altres sensors de parell
La figura 5 mostra el principi d'estructura i mesura d'un sensor de parell que detecta el parell per detecció de diferències de fase. Aquest sensor té les característiques d'alta precisió i alta repetibilitat. El principi de mesura és el següent: instal·lar un engranatge a cada extrem de l'eix de torsió i instal·lar un sensor electromagnètic davant de la superfície de la dent, i dos senyals de CA sense contacte amb l'eix de potència es poden induir des del sensor. Traieu la diferència de fase del seu senyal i inseriu un senyal de rellotge d'alta precisió i d'alta tensió generat per un oscil·lador de cristall entre les dues diferències de fase. Basant-se en aquest senyal de rellotge, el parell aplicat es pot mesurar amb precisió mitjançant l'ús intel·ligent de la tecnologia de processament de senyal digital.
El diagrama de principis d'estructura i mesura del sensor de parell que detecta el parell pel mètode de detecció de diferències de fase
6. La tendència de desenvolupament del sensor de parell EPS
Amb la millora contínua i el desenvolupament del sistema EPS, es presenten requisits més alts per a la precisió, fiabilitat i velocitat de resposta del sensor de parell. Els sensors de parell EPS mostren les següents tendències de desenvolupament:
(1) El sistema de proves s'està desenvolupant cap a la miniaturització! Digitalització, intel·ligència, virtualització i networking;
(2) Desenvolupament des d'una sola funció fins a multifuncional, incloent-hi l'auto-compensació, l'autocorrecció, l'autoavaluació, l'autodiagnòstic, la configuració remota, la combinació d'estats, l'emmagatzematge d'informació i la memòria;
(3) Desenvolupar cap a la miniaturització i la integració. La part de detecció del sensor es pot miniaturitzar mitjançant el disseny racional i l'optimització de l'estructura, i la part IC pot integrar tants components semiconductors i resistències com sigui possible en un únic component IC, reduint el nombre de components externs.
(4) Desenvolupar des de proves estàtiques fins a proves dinàmiques en línia.
