单位文秘网 2021-07-06 08:14:23 点击: 次
摘 要:汽车电动助力转向(electric power steering简称EPS)作为汽车转向助力的一种形式,能够在各种行驶工况下为转向操作提供合理的助力,改善汽车低速时的转向力,并提高高速时的转向稳定性,改善驾驶体验的同时减少能量消耗,是傳统机械转向器的发展。本文论述了汽车电动助力转向在汽车上的应用,在介绍EPS系统的基础原理和分类的基础上,以C型EPS为例分析EPS匹配的技术及方法,并根据经验总结了设计的几个要点。
关键词:转向;电动助力;设计
1 汽车电动助力转向技术基础及分类
1.1 技术基础
汽车电动助力转向系统是在传统机械转向系统基础上逐步发展起来的,机械转向系统依靠驾驶员操作方向盘实现改变或保持汽车直线行驶。随着机电一体化和自动化技术的进步,汽车也向着舒适化方向发展,在机械转向系统基础上增设一套电动机动力传动装置,由电子控制单元ECU根据各传感器监测和反馈的车速和驾驶员转向力等信号对电机输出进行控制,电机提供的辅助转矩经过减速机构减速增扭的放大作用,实现了降低驾驶员操作强度的同时完成实时控制转向。它可以很容易地实现根据不同的车速提供相应的助力效果保证汽车低速转向的轻便性和高速转向行驶的安全可靠性。
1.2 EPS系统组成及分类
EPS的关键部件包括扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构及电子控制单元等[1]。其中电动机是EPS的动力源泉,对EPS的性能影响重大。
根据电动机在EPS中的助力位置不同,齿轮齿条式电动助力转向系统分为转向管柱助力式(简称C型EPS)、齿轮助力式(简称P型EPS)和齿条助力式(简称R型EPS)三种类型。具体特征及应用如下:
(1)转向管柱助力式(简称C型EPS):该类型电动机布置在转向轴一侧,其助力转向作用通过减速机构放大后直接作用在转向轴上,通过管柱传递扭矩,适用于整车前轴载荷较小的车型。这种类型要求电动机的减速机构传动比小一些,电机布置在驾驶舱内密封要求低但噪声要求严格。
(2)齿轮助力式(简称P型EPS):该类型电动机连接在转向器的齿轮轴上,其助力转向作用通过减速机构放大后作用在齿轮上,适用于整车前轴载荷中等的车型。这种类型减速机构传动比也较小,电机噪声要求不严,但对电机密封要求高。
(3)齿条助力式(简称R型EPS):该类型电动机直接作用在齿条上提供助力,适用于整车前轴载荷较大的车型。这种类型要求电动机的减速机构传动比大一些,电机密封要求严格但噪声要求不高。
当然,随着EPS研究的深入,当前汽车上主要应用的还有双小齿轮助力式和间接齿条驱动式等结构稍复杂的EPS结构形式,也是上述三种类型的拓展结构。
2 C型EPS匹配设计及经验
由于转向系统在整车中的重要性,设计时要充分考虑转向系统的助力特性及可靠性和安全性。同时EPS是一个系统,所以设计时要有全局观念,要综合考虑系统与整车的匹配及系统内部各组成部分之间的匹配及相互影响。电动助力转向系统匹配设计主要包括机械结构的匹配、系统参数的匹配、助力特性的匹配还有各传感器的匹配设计。电动机与EPS系统的匹配影响控制系统性能、转向操纵性能及驾驶路感等[1]。
(1)设计之初要根据整车系统布置选择转向器的结构和类型,选择时主要考虑车型、使用条件和工况、前轴载荷等因素。在此基础上,根据EPS系统对电机的输出扭矩和扭矩波动大小、控制难易程度、功率密度、效率等初选电机类型。当前使用较多的是直流有刷电机,其成本低、技术成熟、控制起来简单等特点使其能满足当前多数用户需求。直流无刷电机也是当前许多厂家的研发对象,其性能优势和维护特点也被众多厂家所看好。后面的设计就是选择电机减速机构的类型,主要有蜗轮蜗杆式和行星齿轮式,蜗轮蜗杆式当前应用较多。关于助力位置的选择是转向系统性能的重要一步,选择的主要依据是整车前轴载荷值、电机相关要求、系统设计和安装的可操作性等。
(2)机械结构选定之后进行系统参数的设计计算,关键结构参数计算是保证产品助力性能的重要步骤。这方面计算涉及转向器线角传动比和最大输出转矩的计算,最大输出转矩按照大于汽车原地转向时的最大转向阻力矩计算,计算公式如下:
其中,Tr—原地转向阻力矩,单位N.m;f—轮胎与路面间的滑动摩擦系数,一般取f=0.7;G—前轴载荷,单位N;P—轮胎气压,单位Pa。
(3)电机参数计算和选择也都可以参照公式,在此不详细介绍。蜗轮蜗杆减速机构设计关键是传动比的选取和扭杆尺寸和性能设计。
(4)助力特性的匹配设计。助力转向系统的轻便型、回正性和路感特性都与助力特性的设计密切相关。助力特性指的是电动机提供助力的大小随汽车运动的车速、方向盘转矩、方向盘角度的变化而变化的规律。助力特性曲线设计要满足特定的条件,由软件设置来设定并根据实车需要进行调试和修正。常用的助力特性曲线有方向盘输入扭矩与电动机的输出电流关系曲线和输入输出力关系特性曲线。
(5)传感器的匹配设计。传感器作为监测和反馈工况信息的元件,配置时需要先明确助力转向系统的具体控制目标,然后根据目标确定传感器的种类。
(6)设计经验总结。1)设计EPS产品结构要充分了解并考虑整车对EPS的性能要求,无论机械转向系统改装EPS还是全新研发的产品,都要以整车需要为出发点,避免盲目设计而过度依赖试验验证的做法,从而节约开发周期和反复试验的成本。2)作为转向系统的一部分,转向助力机械结构设计时,充分考虑各种工况下对驾驶员的保护。3)EPS设计时考虑助力失效情况下要保证正常的机械转向功能。4)零部件设计时考虑环保要求和出口产品目标对象国家的特定要求。5)机械零部件和控制器等结构设计时充分考虑加工、装配工艺和售后维护等有利于降低产品成本和节省资源。
3 结语
电动助力转向系统是机械机构和电子技术及控制原理高度结合的产品,一方面会随着汽车技术发展的需要而不断完善以满足消费者对汽车功能提升的需求,另一方面自动化技术的快速发展必然会不断推出更为先进的EPS产品,EPS系统具有广泛的市场前景。
参考文献:
[1]俞瑞华.汽车电动助力转向系统及改装技术[J].装备制造技术,2008(08):170-173.
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