電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配研究

彭海蘭 張春苗

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車分院，浙江 嘉興314036）

0 引言

隨著人們對(duì)汽車性能要求的不斷提升，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其轉(zhuǎn)向輕便、節(jié)能和操控性能佳等優(yōu)點(diǎn)被市場(chǎng)認(rèn)可。目前市場(chǎng)上電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，直流有刷電機(jī)常被用于前軸最大載荷小于900kg的小型車上；直流無刷電機(jī)具有高效、高功率密度的特點(diǎn)，常被用于大型車上；永磁同步電機(jī)由于其扭矩波動(dòng)小、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)佳，常被用于高端車型。本文研究的平臺(tái)是一款小型SUV車型，基于成本考慮，其電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選擇采用直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的匹配計(jì)算

表1是用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配初步計(jì)算的整車參數(shù)輸入。

表1 整車參數(shù)

1.1 EPS電機(jī)最大助力力矩計(jì)算

首先按照車輛前軸最大載荷計(jì)算地面最大轉(zhuǎn)向阻力矩。匹配車型的前軸滿載載荷為895kg，由經(jīng)驗(yàn)公式（1）可計(jì)算出地面最大轉(zhuǎn)向阻力矩。

式中，Mr為原地轉(zhuǎn)向阻力矩（N·mm）；f為輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.8；G1為轉(zhuǎn)向軸軸荷（N）；P為輪胎氣壓（MPa）。

計(jì)算得原地最大轉(zhuǎn)向阻力矩Mr＝438 769N·mm。

另外，在已知轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比igear＝19、系統(tǒng)效率ηgear＝0.9、EPS減速器減速比imotor＝16.5的前提下，根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)，初定轉(zhuǎn)向盤最小力矩Twheel＿min＝3＝3N·m，根據(jù)式（2）可計(jì)算出EPS電機(jī)需要提供的最大扭矩Tmotor＿max＝1.37N·m。

1.2 EPS電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

如上所述，在考慮了汽車靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)向輕便性要求的前提下，已經(jīng)得出一個(gè)EPS驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要提供的最大扭矩。而在某些特殊工況下，如緊急掉頭、緊急避讓、側(cè)方停車等時(shí)，需要EPS電機(jī)既能提供較大的轉(zhuǎn)速，其扭矩又不能衰減得過大。

直流有刷電機(jī)由于其本身特性的限制，在高速運(yùn)行時(shí)扭矩會(huì)存在較大的衰減，這樣就造成在特殊工況下要求駕駛員提供較大的操作力，從而影響駕駛的舒適性和安全性。

因此，按照一般的駕駛經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速一般情況下應(yīng)設(shè)定為60～70r／min。在轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)速為70r／min時(shí)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速必須大于1 155r／min，且電機(jī)此時(shí)的扭矩應(yīng)不小于1.37N·m。由于電機(jī)最大轉(zhuǎn)速通常為額定轉(zhuǎn)速的2倍，因此最終設(shè)定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 155r／min，最大轉(zhuǎn)速（空轉(zhuǎn)）為2 310r／min。

1.3 EPS電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)

EPS電機(jī)額定功率可按照式（3）計(jì)算。

式中，λ 為功率系數(shù)，設(shè)定為 1.2；ηmotor為電機(jī)效率，設(shè)定為83%。

因此，電機(jī)的額定功率Pmotorrated設(shè)定值為243W。

1.4 EPS電機(jī)選型

根據(jù)以上計(jì)算與設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合市場(chǎng)中成熟的EPS驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)品系列，選擇的電機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)性能參數(shù)

2 實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證匹配設(shè)計(jì)的EPS電機(jī)性能是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求，基于GB／T6323—1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》，對(duì)實(shí)車進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證匹配方案的合理性。

2.1 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

EPS的基本功能就是改善車輛低速駕駛時(shí)轉(zhuǎn)向的輕便性和高速時(shí)的路感。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的EPS系統(tǒng)這兩方面的性能，在雙紐線道路上對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向輕便性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1是車輛在有EPS和沒有EPS的兩種情況下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤扭矩之間的關(guān)系曲線，表3是車輛在有EPS和沒有EPS的兩種情況下轉(zhuǎn)向盤力矩的對(duì)比數(shù)據(jù)。由此可以看出，設(shè)計(jì)的EPS系統(tǒng)對(duì)改善車輛的轉(zhuǎn)向輕便性具有較好的效果。

圖1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—扭矩曲線

表3 轉(zhuǎn)向盤力矩

2.2 轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性能是指駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤后由于回正力矩的作用使方向盤回到中間位置的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，由于輪胎與地面以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部存在摩擦阻力，低速時(shí)摩擦阻力大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤回正不到位，高速時(shí)摩擦阻力小又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤回正過度。因此，回正性能是判斷EPS轉(zhuǎn)向性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。

經(jīng)過實(shí)車轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)，對(duì)比分析圖2和圖3車輛在有EPS和沒有EPS兩種情況下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化曲線，驗(yàn)證了選用的EPS電機(jī)方案具備良好的回正性能。

圖2 低速工況回正性能

由圖2可以看出，車輛低速時(shí)，在沒有EPS的情況下轉(zhuǎn)向盤無法自動(dòng)回到中間位置，殘余轉(zhuǎn)向角為20°；而轉(zhuǎn)向盤在經(jīng)過EPS控制后，基本上能夠回到中間位置。圖3中車輛在高速行駛時(shí)，在沒有EPS的情況下轉(zhuǎn)向盤回正出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象；經(jīng)過EPS控制后，轉(zhuǎn)向盤回正則基本消除了超調(diào)現(xiàn)象。

圖3 高速工況回正性能

3 結(jié)語

本文基于一款純電動(dòng)小型SUV實(shí)車平臺(tái)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機(jī)性能及參數(shù)進(jìn)行了匹配和計(jì)算，選擇了一款既滿足性能要求又具備成本經(jīng)濟(jì)性的電機(jī)方案。最后，通過在實(shí)車上對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，得出其各項(xiàng)性能均滿足目標(biāo)車型性能要求的結(jié)論。

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