2014年第4期
仅表技术与传赢器 InstrumentTechniqueandSensor
车用转矩转角传感器无侧隙齿轮系统设计
马峻"2,刘本林"
（1.北京电子科技职业学院，北京100026;2.清华大学汽车工程系，北京100083）
2014 No. 4
摘要：国内现有EPS系统多采用转矩、转角传感器分别安装的办法解决两类信号的获取，造成成本的上升和精度不足。文中设计了转矩转角一体化传感器，选择了齿轮的材料及加工方法，并设计了齿轮侧陈消除机构，消除了皆轮换向时
的回差。该传感器实现了集转矩测量、绝对转角测量以及转动方向判定予一体。关键词：电动助力转向系统；转矩转角一体化传感器；齿轮设计；侧腺消除
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：10021841(2014)04007703 MA Jun'-2 , LIU Ben-lin'
(1. Beijing Polytechnic,Beijing 100026, China;2. Tsinghua University, Beijing 100083, China)
Abstract: The present domestic EPS system adopts the method of installing the torque and the angular sensor respectively to acquire two types of signals,which results in rising costs and a lack of precision, This paper designed a torque and angle integration sensor,which used the gear materials and its processing methods with the gear backlash elimination mechanism,eliminated the re turn difference when the gear reversed. The sensor integrates the torque measurement, the absolute angle measurement and the judg ment of the direction of rotation.
Key words: electric power steering system; torque and angle integration sensor;gear design;backlash elimination
EPS中的转矩转角一体化传感器 1
汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。当前助力转向系统已逐渐成为汽车的标准配置，主流的助力转向系统主要包括液压助力转向系统（HPS）和电动助力转向系统（EPS)。由于液压助力转向系统无法很好实现转向中轻便性和稳定性之间的统一，而且随着汽车微电子技术的发展汽车燃油节能的要求以及全球性倡导环保，HPS系统在布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面的不足已越来越明显。因此转向系统开始向着电动助力转向系统发展。电动助力转向系统不仅可以提高汽车在高速下的操纵稳定性，还能减小转向系统的质量并节省能源，因而迎合了下一代汽车对环保的要求。根据汽车车型的不同，使用电动助力系统能够降低燃油费用达3%~5%(")。这使得电动助力转向器获得了快速的发展。2011年电动助力市场份额为24.8%，与 2010年相比有所上升。未来电动助力转间系统装备率将不断上升，预计2015年其在中国汽车行业的装备率将超过40%。电动助力转向系统比传统的转向系统有更好的可控性，能较好地解决汽车转向"轻"和"灵”的矛盾。但目前电动助力转向系统的生产仍以进口或合资企业为主，纯国产EPS仅占10%左右，因此加快国产EPS系统的研发与生产具有十分重要的意义。
在EPS电子控制技术当中，转矩、转角传感器是保证系统基金项目：图家863计划资助项目(2011AA11A24)；北京高等学校"青年英才计划"资助项目（YETP1798）
收稿日期：20121204修改稿日期：201311-05
稳定、良好工作的重要部件。但目前的大部分EPS系统仅能从安装在方向盘转向柱上的转矩传感器处获得转矩信号，并据此进行转向助力矩的分配。而为了控制方向盘的主动回正及更好的分配转矩，方向盘转角信号的获取也十分重要。
目前大多采用转矩、转角传感器分别安装的办法解决两类信号的获取信号，这样不但造成成本的上升，还对信号的获取精度造成一定的影响。虽然国外已有转矩转角一体化传感器的先例，但由于采购成本较高，国内EPS系统很少使用。国内目前文献仅有从测量原理方面阐述了传感器的结构(3)，而对具体的齿轮组设计、齿轮回差的消除等间题没有涉及。
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转矩转角一体化传感器的设计
2.1
传感器齿轮组材料的选择
作为应用磁阻原理的传感器齿轮组，其特点在于负载较
小，但对于传动精度与传动噪音等控制严格，因此选用巴斯夫推出的高流动性UltradurHighSpeed(PBT=象对苯二甲酸丁二醇酯），并使用注塑的方法批量生产齿轮，用电火花加工注塑型腔()。使用该材料后，不仅可以大大缩短注塑的生产周期，同时能提高部件内部结构设计的精密度。目前德国博世公司选
用该种材料制作转角传感器齿轮组。 2.2
传感器芯片的选择
作为车用传感器，要求具有体积小、精度高、成本低、抗干扰能力强等特点，但目前的市场上主流传感器大多采用磁电式、光电式、磁阻式、霍尔式等测量原理，难以同时满足上述条件。因此考选用TLE5011角度传感器，它基于巨磁电阻（GMR)原理测量0-360°范围内的磁场角度位置，如图1所示，