汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)證

呂祥 　張晶　韋錦佳　劉春元　楊魏綺

摘 要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)重要的組成部分，本文根據(jù)實(shí)際工作情況，介紹了汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算匹配，并驗(yàn)證了該方法的實(shí)用可行性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配；齒條力；電機(jī)匹配

1 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響著汽車(chē)行駛中的操縱穩(wěn)定性以及行車(chē)安全，是汽車(chē)重要的系統(tǒng)之一。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering，簡(jiǎn)稱(chēng)EPS）具有節(jié)能、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢(shì)，成為目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

電動(dòng)助力系統(tǒng)基本工作原理：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，控制器接收外部輸入信號(hào)進(jìn)而控制電機(jī)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹Υ笮〖胺较?，為汽?chē)轉(zhuǎn)向提供助力。開(kāi)發(fā)EPS系統(tǒng)首先需要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配，基于有刷電機(jī)技術(shù)成熟，控制器簡(jiǎn)單，成本低，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為有刷電機(jī)管柱式助力（即C-EPS），本文根據(jù)實(shí)際需要對(duì)C-EPS系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）進(jìn)行匹配。

2 轉(zhuǎn)向器匹配

轉(zhuǎn)向器是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，汽車(chē)上常用的轉(zhuǎn)向器較多為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，質(zhì)量小，布置占用體積小，省去循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的直拉桿和轉(zhuǎn)向搖臂結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)上[1]。本文選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。

2.1 轉(zhuǎn)向器最大輸出轉(zhuǎn)矩

汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中主要克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩、重力回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，汽車(chē)滿(mǎn)載時(shí)原地轉(zhuǎn)向到極限具有最大的轉(zhuǎn)向阻力矩，轉(zhuǎn)向器的最大輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)這一工況滿(mǎn)足下式：

其中：

R—輪胎靜半徑，mm；

σ—主銷(xiāo)內(nèi)傾角，deg；

rs—主銷(xiāo)偏移距（見(jiàn)右圖2），mm；

δ—輪胎內(nèi)轉(zhuǎn)角，deg。

2.2 最大齒條力計(jì)算

當(dāng)汽車(chē)輪胎轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力，此時(shí)最大齒條力計(jì)算如下公式：

（2-4）

其中：Fmax—最大齒條力，N；

Ff—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力，取Ff=200N；

L—轉(zhuǎn)向節(jié)臂有效長(zhǎng)度（圖3），mm。

3 助力電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

本文選用有刷電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿式，有刷電機(jī)常用減速比范圍在15～18.5，基于減速比越小其動(dòng)態(tài)性能影響越好，在滿(mǎn)足輸出扭矩的條件下，盡量選取小的減速比。

3.1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的匹配

汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱輸出力矩等于方向盤(pán)操縱力矩加上電機(jī)提供力矩，則有：

其中：

TC—轉(zhuǎn)向管柱輸出扭矩，N.m；Td—電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Th—最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩，N·m，取5N·m；η1—電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，取0.9；η2—轉(zhuǎn)向中間軸傳動(dòng)效率，取1；η3—轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率；

iw—減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；F推—轉(zhuǎn)向管柱輸出齒條推力，N；θ—方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，rad；

S—齒條全行程，mm；C—轉(zhuǎn)向器線(xiàn)角傳動(dòng)比，mm/rev；n—方向盤(pán)圈數(shù)。

3.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定功率的匹配

方向盤(pán)手轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nv一般為60-70r/min，可取平均值65r/min計(jì)算[4]，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為：

n=nv·iw （3-7）

電機(jī)額定輸出功率計(jì)算：

（3-8）

通常有些電機(jī)廠(chǎng)會(huì)將電機(jī)額定轉(zhuǎn)速圓整，但圓整公差大小應(yīng)該小于30r/min。

3.3 電流匹配

一般電機(jī)效率在45%～55%，負(fù)載轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)，效率將提高，根據(jù)電機(jī)輸入功率： P1=η·PN，又PN=UI，確定電機(jī)輸入電流[5]。為保證ECU功率模塊運(yùn)行安全，電機(jī)輸入電流IN應(yīng)該小于ECU輸出電流Iout，即：IN

4 計(jì)算及實(shí)車(chē)驗(yàn)證

4.1 計(jì)算驗(yàn)證

以某車(chē)型為實(shí)例，進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配的計(jì)算。輸入?yún)?shù)如下表1：

選用有刷電機(jī)參數(shù)如表2：

計(jì)算得：

Fmax=5807N

TD=3.1N<3.4N

n=nv·iw=1072.5r/min<1180r/min

PN=381.9W<420W

綜上計(jì)算數(shù)據(jù)，選用的有刷電機(jī)滿(mǎn)足系統(tǒng)匹配要求。

4.2 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

根據(jù)選用的有刷電機(jī)，實(shí)車(chē)安裝，在模擬輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)f=1.0的路面上，多組測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力均值：Fmax=5728N，與理論計(jì)算匹配數(shù)值相差79N?？紤]實(shí)車(chē)與設(shè)計(jì)匹配的四輪定位等輸入?yún)?shù)誤差，理論計(jì)算匹配選用的電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文計(jì)算匹配方法的實(shí)用性。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在開(kāi)始系統(tǒng)匹配時(shí)尤為重要，基于輸入?yún)?shù)較多及相互關(guān)聯(lián)影響變化，匹配設(shè)計(jì)時(shí)需要全面考慮。本文提供的計(jì)算匹配及驗(yàn)證方法，為縮短電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)重復(fù)，降低成本，有力解決電機(jī)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配問(wèn)題提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

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