輕型商用車用循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向器的開發(fā)

摘 要：本文主要介紹了輕型商用車用循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向器的性能特點、設(shè)計要點、主要性能指標及有益效果。

關(guān)鍵詞：循環(huán)球；電動轉(zhuǎn)向器；商用車；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；

中圖分類號：F407.44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-05-00-01

一、循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向器的基本特點及工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向已成為汽車行業(yè)、特別是汽車轉(zhuǎn)向器行業(yè)新的發(fā)展方向。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）只需電力不用液壓，與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較省略了許多元件，沒有液壓系統(tǒng)所需要的油泵、油管、壓力流量控制閥、儲油罐等，零件數(shù)目少，布置方便，重量輕。值得注意的是汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向助力是變化的。因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉(zhuǎn)向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉(zhuǎn)向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低動力，但這種變化必須平順過度，這種情況只有采用電動轉(zhuǎn)向才能解決。由于近年來傳感器技術(shù)的發(fā)展，已具有角度信號，使電動轉(zhuǎn)向器主動回正功能得以實現(xiàn)，進一步解決了汽車擺頭問題——汽車操縱穩(wěn)定性重要問題。而且電動助力轉(zhuǎn)向器且無“寄生損失”和液體泄漏損失。因此電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種行駛條件下均可節(jié)能5 ～ 8%左右，減少了油耗，提高了汽車的運行性能，也減少了漏油污染、改善了環(huán)境。

目前，車輛用電動助力轉(zhuǎn)向器分管柱式、齒輪齒條式和循環(huán)球式三種。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器是電動轉(zhuǎn)向器其中的一種分支。它同樣有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種特點。它是專門為各種貨車、客車等帶有車架的車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器也是一種通過電機為駕駛員操縱轉(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PWM方式輸出電流對電機進行控制的。 通過控制器的控制可以在駕駛員操縱汽車轉(zhuǎn)向過程中向電機提供最理想的電流，從而控制電機提供最佳助力進行工作。ECU采集的信號來自扭矩傳感器、車速傳感器和發(fā)動機的信號。扭矩傳感器的信號來自于轉(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)動機信號取自發(fā)動機點火線圈。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器同樣實現(xiàn)了電動轉(zhuǎn)向器以下幾方面更好的轉(zhuǎn)向性能：

——從根本上提高了汽車操縱穩(wěn)定性

——有較好的汽車轉(zhuǎn)向輕便性

——有較好的汽車安全性

——降低了發(fā)動機功率損耗

——節(jié)省了油料

——減少了污染

——提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低溫工作性能

二、輕型商用車用循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)顯示的是該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)圖。該循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器，包括循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器、減速器、電機、傳感器和控制器。

這種循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)在主傳動機構(gòu)中采用的就是螺桿螺母，是典型的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，是按滿載前橋質(zhì)量3.5噸車機械轉(zhuǎn)向器的參數(shù)設(shè)計的（螺桿螺母、齒條齒扇）。在該轉(zhuǎn)向器上部，加裝了與電機相連接的蝸輪蝸桿減速器部分，可以實現(xiàn)電機助力和減低轉(zhuǎn)速、增大螺桿轉(zhuǎn)動扭矩的作用。在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸與螺桿之間安裝了一個彈性扭桿，在轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時與螺桿之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，用它可以反映出轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動力矩。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)，是一字型的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩者之間±5°的相對轉(zhuǎn)角。這個相對轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)向力矩成正比，通過傳感器可以反映出產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩信號，傳到所配的控制器，通過進一步計算機的處理，由控制器發(fā)出電機的控制電流，使助力電機產(chǎn)生助力扭矩，對轉(zhuǎn)向器起助力作用。

三、該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的控制器的設(shè)計

該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的控制器完全遵循理想的電動轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向手力模型實施的。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)動手力變化和在不同車速時有以下規(guī)律：

（一）方向盤力矩增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律增大；

（二）方向盤轉(zhuǎn)動速度增大，電機轉(zhuǎn)速增加；

（三）隨方向盤轉(zhuǎn)動方向不同，電機轉(zhuǎn)動方向不同，換向時不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨汽車車速增大，電機電流（扭矩）按一定規(guī)律減??；

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

四、該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的主要技術(shù)指標

——前軸負荷36260N。

——轉(zhuǎn)向螺母齒條底部的嚙合齒和搖臂頂部的嚙合齒的模數(shù)為6。轉(zhuǎn)向螺母齒條上并排設(shè)有相同的兩組鋼球循環(huán)滾道。兩組鋼球循環(huán)滾道，保證了轉(zhuǎn)向器的機械強度、可靠性和安全性。所述鋼球的直徑為7.144mm。

——傳動比23.562。

——搖臂轉(zhuǎn)角89.2°。

——總?cè)?shù)5.83。

——電機為直流電機，額定功率為400w，輸出轉(zhuǎn)矩為4N·m，額定電壓為12V/24V，額定電流50A/25A。

——BI扭矩傳感器的輸出力矩為0～20N·m轉(zhuǎn)角輸出±900o。

五、輕型商用車用循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器所具有的有益效果是

——轉(zhuǎn)向輕便、靈活，主動回正：采用可同時輸出輸出扭矩信號和轉(zhuǎn)角信號的BI扭矩傳感器，感應(yīng)更靈敏，不但可實現(xiàn)主動回正，保證助力效果，而且轉(zhuǎn)向輕便、靈活，手感連續(xù)平滑。

——安全性高、轉(zhuǎn)向可靠：采用兩組轉(zhuǎn)向螺母齒條并排設(shè)置，形成兩組兩滾道的鋼球循環(huán)滾道，充分保證了轉(zhuǎn)向器的機械強度、可靠性和安全性。

——降低能耗、減少污染：采用的電機為直流電機，降低了發(fā)動機的功率損耗，節(jié)省了油料，降低了污染，也提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的低溫工作性能。

——裝配方便：在轉(zhuǎn)向器殼體的右端面上設(shè)置安裝螺栓，使得循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向器在車架上的安裝簡單方便，且其連接尺寸可以與車輛機械轉(zhuǎn)向互換。

六、結(jié)論

該循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向器是為輕型商用車、新能源汽車專門設(shè)計的，尤其是適用于新能源汽車，在我國的輕型商用車上的應(yīng)用是有廣泛前途的。我們應(yīng)該大力生產(chǎn)這種具有中國特色且有專利保護的新型汽車轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品。

參考文獻：

[1]汽車電動轉(zhuǎn)向教材，畢大寧主編