循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的研制

畢大寧，康富生，馬慧

(1.山東先河悅新機(jī)電股份有限公司，山東淄博255120;2.北京汽車股份有限公司汽車工程研究院，北京100021)

作為我國(guó)完全自主創(chuàng)新的汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品——循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器經(jīng)過(guò)10年的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成功了。下面主要就該產(chǎn)品的特點(diǎn)做一闡述。

1 循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的分類屬性及基本性能特點(diǎn)

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的一種專門用于各種輕型到重型貨車和客車的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是具有完全自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型汽車零部件產(chǎn)品，完全是具有中國(guó)特色的高科技產(chǎn)品。循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器擁有我國(guó)三個(gè)已批專利保護(hù)。

表1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器分類

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器是電動(dòng)轉(zhuǎn)向器其中的一種分支。它同樣有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種特點(diǎn)。它是專門為各種商用車、客車等帶有車架的車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。在獨(dú)立懸掛的車型中也有采用循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，但是采用了復(fù)雜的轉(zhuǎn)向桿系，如江鈴皮卡、北汽勇士牌軍車等。

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器也是一種通過(guò)電機(jī)為駕駛員操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力的裝置。這種助力的大小同樣是由控制器 (ECU)通過(guò)PWM方式輸出電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的。通過(guò)控制器的控制可以在駕駛員操縱汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中向電機(jī)提供最理想的電流，從而控制電機(jī)提供最佳助力進(jìn)行工作。ECU采集的信號(hào)來(lái)自扭矩傳感器、車速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)。扭矩傳感器的信號(hào)來(lái)自于轉(zhuǎn)向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿，其兩端在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，反映到扭矩傳感器上，轉(zhuǎn)向力的扭矩大小與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度和成正比;角度傳感器是隨轉(zhuǎn)向軸車速傳感器安裝在轎車變速器上，也可以直接從電子儀表盤上取得，它反映的是變化的汽車行駛速度。發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)取自發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈。

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器同樣實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)轉(zhuǎn)向器以下幾方面更好的轉(zhuǎn)向性能:

(1)從根本上提高了汽車操縱穩(wěn)定性;

(2)有較好的汽車轉(zhuǎn)向輕便性;

(3)有較好的汽車安全性;

(4)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗;

(5)節(jié)省了油料;

(6)減少了污染;

(7)提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低溫工作性能。

2 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的開(kāi)發(fā)

2.1 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)思路

(1)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器與其他電動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置一樣，都由減速器部分、機(jī)械轉(zhuǎn)向部分、傳感器部分、助力電機(jī)組成。關(guān)鍵是其組成結(jié)構(gòu)不同，雖然作用原理是基本一樣的。循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的機(jī)械轉(zhuǎn)向部分是循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，這是這種電動(dòng)轉(zhuǎn)向器與齒輪齒條助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器和電動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱的區(qū)別。

(2)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器本身基本結(jié)構(gòu)一樣，都有減速器部分、循環(huán)球轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部分、傳感器部分、助力電機(jī)。但是不同汽車車型的轉(zhuǎn)向器也有以下不同之處:

根據(jù)汽車車型整車重量不同、前軸負(fù)荷不同，螺桿螺母的模數(shù)不同;

根據(jù)汽車車型整車不同，轉(zhuǎn)向器與車架連接結(jié)構(gòu)不同;

根據(jù)不同車型對(duì)轉(zhuǎn)向器輸出力矩要求不同，各種電動(dòng)轉(zhuǎn)向器電機(jī)匹配不同;

根據(jù)不同轉(zhuǎn)向器所配扭矩傳感器不同，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)也有不同;

同樣不同車型對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能要求不同，扭桿的剛性、尺寸不同。

2.2 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)如圖1所示，顯示的是一種典型循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)圖。在循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器中，扭矩傳感器，直流電機(jī)，減速裝置和循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器是安裝成一體的。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸是獨(dú)立的，它與機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸機(jī)械相連;而控制器與扭矩傳感器、直流電機(jī)是用電線束相連的。傳感器有電位計(jì)式，更多的是安裝BI傳感器的具有主動(dòng)回正能力的循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。

(2)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)首要的是確定設(shè)計(jì)載荷:根據(jù)汽車車型整車重量不同、前軸負(fù)荷不同，螺桿螺母的模數(shù)不同。車型從輕型汽車到重型汽車，其螺桿螺母的模數(shù)從4到8或更大。

(3)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的連接支架的設(shè)計(jì)要根據(jù)汽車車型整車不同、轉(zhuǎn)向器與車架連接結(jié)構(gòu)不同，因此轉(zhuǎn)向器的支架部分與車架連接尺寸和形狀都不同。

(4)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器所配電機(jī)的選擇要根據(jù)不同車型對(duì)轉(zhuǎn)向器輸出力矩要求不同，各種電動(dòng)轉(zhuǎn)向器所配不同輸出扭矩的電機(jī)不同。實(shí)際是電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的匹配問(wèn)題。

(5)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器傳感器的選擇:根據(jù)不同轉(zhuǎn)向器所配扭矩傳感器不同，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)也有不同。EPS傳感器有電位計(jì)式、BI傳感器、海拉傳感器等，其相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)也必須有相應(yīng)改動(dòng)。

(6)循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器扭桿的選擇:根據(jù)轉(zhuǎn)向器不同輸出扭矩和性能要求不同，同樣不同車型對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能要求不同，扭桿的剛性、尺寸不同。

圖1就是一個(gè)典型的循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，它是專門為2噸貨車設(shè)計(jì)的。

這種循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)在主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用的就是螺桿螺母 (滾珠絲杠各種結(jié)構(gòu)+齒條齒扇結(jié)構(gòu)，是典型的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，是按2噸車機(jī)械轉(zhuǎn)向器的參數(shù)設(shè)計(jì)的 (螺桿螺母、齒條齒扇))。在該轉(zhuǎn)向器上部，加裝了與電機(jī)相連接的蝸輪蝸桿減速器部分，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)助力和減低轉(zhuǎn)速、增大蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的作用。在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸與螺桿之間安裝了一個(gè)彈性扭桿，在轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與螺桿之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，用它可以反映出轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。在轉(zhuǎn)向軸與螺桿的相應(yīng)端部也有轉(zhuǎn)角限位結(jié)構(gòu)，可以是一字型、花鍵式等各種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩者之間± (6°～8°)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。這個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)向力矩成正比，通過(guò)傳感器可以反映出產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩信號(hào)，傳到所配的控制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)一步的處理，由控制器發(fā)出電機(jī)的控制電流，使助力電機(jī)產(chǎn)生助力扭矩，對(duì)轉(zhuǎn)向器起助力作用。

該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器與車架的連接支架結(jié)構(gòu)是與同類機(jī)械轉(zhuǎn)向器的連接結(jié)構(gòu)和尺寸是相同的，在汽車上去掉原機(jī)械轉(zhuǎn)向器，安裝上該電動(dòng)轉(zhuǎn)向器就可以了，完全可以做到互換的。

該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器中的蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)，是按照電機(jī)轉(zhuǎn)速與要求的轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)速相關(guān)的關(guān)系做的。它們的速比應(yīng)基本滿足轉(zhuǎn)向器60～90 r/min的要求，中重型車為下限，輕型車可以根據(jù)用戶要求相對(duì)提高。只有高檔轎車才能到上限，但這是齒輪齒條轉(zhuǎn)向器才需要的。

該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器采用的傳感器可以是電位計(jì)式、選變式、霍爾式、電磁感應(yīng)接觸式或非接觸式。

該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器采用的助力電機(jī)可以是220 W、360 W以及更高?？梢允侵绷饔兴㈦姍C(jī)，也可以是交流無(wú)刷電機(jī)，關(guān)鍵是能保證該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器輸出扭矩。在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中該循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器電機(jī)的位置是最關(guān)鍵的。因?yàn)樵谲囆蜕想姍C(jī)位置決定于相應(yīng)的安裝空間大小。要保證設(shè)計(jì)的電機(jī)位置與周圍空間至少保持20 mm以上的尺寸。這在我們以往設(shè)計(jì)的循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器在整車布置時(shí)是經(jīng)常遇到的。

2.3 循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的控制器的設(shè)計(jì)

循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的控制器是完全遵循理想的電動(dòng)轉(zhuǎn)向手力模型實(shí)施的。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求操縱穩(wěn)定性，隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)手力變化和在不同車速時(shí)有以下規(guī)律:

(1)方向盤力矩增大，電機(jī)電流 (扭矩)按一定規(guī)律增大;

(2)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加;

(3)隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，換向時(shí)不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨汽車車速增大，電機(jī)電流 (扭矩)按一定規(guī)律減小;

(4)隨著客車或貨車載重量的增加，前橋負(fù)荷也要加大，汽車本身回正能力不夠，電動(dòng)轉(zhuǎn)向器必須具有主動(dòng)回正能力，以幫助提高汽車操縱性能。

圖2就是我們?cè)O(shè)計(jì)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向手力按速度變化的特性。該特性設(shè)計(jì)得是否合理就是看能不能在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，在高速時(shí)應(yīng)當(dāng)加大轉(zhuǎn)向手力，從而解決高速時(shí)操縱穩(wěn)定性問(wèn)題。曲線形狀應(yīng)為在40～50 km/h以下車速時(shí)，助力均應(yīng)較大，可有較小的下降;而在70～80 km/h以上車速時(shí)，助力應(yīng)較小，且有較小的下降。在中間車速過(guò)渡段應(yīng)有一個(gè)圓滑雙曲線的過(guò)渡，保證駕駛員全過(guò)程操縱平滑。其下降助力比應(yīng)為100∶30，在高速時(shí)仍應(yīng)保持30%助力。

圖3就是我們?cè)O(shè)計(jì)循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器所遵循的手力特性。

2.4 循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能設(shè)計(jì)要求

(1)防止高速發(fā)飄功能

由于汽車行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的。有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺(jué)，容易造成轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時(shí)要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過(guò)渡。該控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須按理想的電動(dòng)轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行，該電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過(guò)控制助力電機(jī)，降低高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問(wèn)題，而且成本相對(duì)較低。

(2)主動(dòng)回正功能

如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應(yīng)減小。于是轉(zhuǎn)向力在減小的同時(shí)，轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向的速度都相應(yīng)地減小，回轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)被精確地檢測(cè)到?？刂茊卧鶕?jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和存儲(chǔ)在控制單元中的特性曲線圖計(jì)算出電動(dòng)機(jī)需要的必要的回正力，并控制電動(dòng)機(jī)工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。

(3)制止擺頭功能

在方向盤撒手回正過(guò)程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個(gè)方向擺頭時(shí)，回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng);出現(xiàn)第二個(gè)方向回?cái)[，回正角度超過(guò)零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)再次出現(xiàn)相對(duì)零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)再次控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng);可使汽車迅速制止擺頭。

(4)維持直線行駛功能

直線行駛功能是主動(dòng)回正功能的一個(gè)擴(kuò)展，當(dāng)沒(méi)有力矩作用在方向盤上時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復(fù)到中心位置。為實(shí)現(xiàn)直線行駛功能，又分為長(zhǎng)時(shí)間法則和短時(shí)間法則兩種不同的情況。我們開(kāi)發(fā)的循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能都能達(dá)到這個(gè)要求，尤其是在3噸以上貨車和客車上，都必須滿足這個(gè)性能要求，特別是主動(dòng)回正功能。

3 循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用

我們獨(dú)自開(kāi)發(fā)的自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的循環(huán)球助力式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器已在8個(gè)車型上應(yīng)用了各種循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。這八個(gè)循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的實(shí)物照片和車型如下:

(1)長(zhǎng)城皮卡循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖4所示。

(2)江陵皮卡 (湖南電力工程車)循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖5所示。

(3)北汽吉普循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖6所示。

(4)北汽勇士混合動(dòng)力軍車循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖7所示。

(5)東風(fēng)3噸貨車循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖8所示。

(6)淄博2噸貨車循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖9所示。

(7)解放4.5噸混合動(dòng)力貨車循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖10所示。

(8)東風(fēng)4噸混合動(dòng)力貨車循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器如圖11所示。

要說(shuō)明的是為3.5噸混合動(dòng)力貨車開(kāi)發(fā)的循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器已經(jīng)是世界上最大的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器了，電機(jī)參數(shù)已達(dá)到900 W、24 V、80 A。

4 循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的發(fā)展方向

4.1 在中重型客車和載貨汽車上發(fā)展應(yīng)用

(1)在中重型客車和載貨汽車上也可以發(fā)展循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器(EPS);

(2)發(fā)展無(wú)刷電機(jī)及控制器的使用。

4.2 在軍車上的應(yīng)用

在軍車上進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，提高軍車機(jī)動(dòng)性。

在越野汽車和軍車上將重點(diǎn)發(fā)展全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng):發(fā)展高性能電動(dòng)轉(zhuǎn)向器——全自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 (QS-EPS)、半自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器 (BS-EPS)。

在不同軸上采用不同的電動(dòng)轉(zhuǎn)向橋就可以實(shí)現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向。如:兩軸車前橋采用全自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，在后橋采用半自動(dòng)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，就可以實(shí)現(xiàn)兩軸車實(shí)現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向。

4.3 發(fā)展多軸車輛的EPS系統(tǒng)

(1)雙輪左輪裝手動(dòng)S-EPS，右輪裝半自動(dòng)S-EPS，最大負(fù)載6 000 kg;基本滿足公路重型汽車要求。就是說(shuō)無(wú)論輕中重型貨車都是可以使用EPS系統(tǒng)。

(2)雙前橋轉(zhuǎn)向同樣可以用左輪裝手動(dòng)S-EPS，其他3個(gè)采用半自動(dòng)S-EPS，由一個(gè)控制器控制。其轉(zhuǎn)向桿系部分保持原拉桿系統(tǒng)。

(3)三軸車輛電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可在前后軸上分別安裝電動(dòng)轉(zhuǎn)向器。

5 結(jié)論

(1)循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器在我國(guó)的載重貨車和客車上的應(yīng)用是有廣泛前途的。

(2)循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器在我國(guó)軍車市場(chǎng)存在很好的市場(chǎng)前景。

(3)應(yīng)該大力生產(chǎn)和發(fā)展這種具有中國(guó)特色的專利產(chǎn)品——新型汽車轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品。