雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）的結(jié)構(gòu)原理及噪音分析

鄭勇，方濱

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）的結(jié)構(gòu)原理及噪音分析

鄭勇，方濱

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

文章主要闡述了電動助力轉(zhuǎn)向機(EPS) 的組成和分類及其較液壓助力轉(zhuǎn)向機（HPS）在某些方面上的優(yōu)勢，包括環(huán)保性、低能耗、布置方便、使用可靠及轉(zhuǎn)向操作精確等。并進一步詳細地介紹了雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理以及如何有效的阻斷驅(qū)動電機產(chǎn)生的振動噪音的傳播途徑。

雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）；EPS；結(jié)構(gòu)原理；噪音分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.014

CLC NO.: U463.42 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-41-03

前言

近年來，隨著人們對汽車駕駛舒適性的要求越來越高，現(xiàn)代汽車行業(yè)也越來越只從簡單的滿足功能要求發(fā)展到更加從舒適性、駕駛性、燃油經(jīng)濟性等方面去迎合消費者的需求。在這種背景下，電動助力轉(zhuǎn)向機(簡稱EPS) 依靠其舒適的駕控性、簡潔的布置性、較低的能耗性等多方面的產(chǎn)品特點，使其較液壓助力轉(zhuǎn)向機(簡稱HPS) 更具整體綜合優(yōu)勢。而且，EPS完全摒棄了HPS所必需的動力轉(zhuǎn)向油泵、油壺、軟管、液壓油，使得維護保養(yǎng)更加方便，也更加環(huán)保[1]。更重要的是，它不需要發(fā)動機提供驅(qū)動力；低速時，EPS助力反而可以更大，而高速時，又可以降低助力甚至不工作。這樣既節(jié)省燃油消耗、降低污染物排放，又大幅度地提升了車輛的舒適性和安全性，正是有了這些優(yōu)點，EPS成為了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1、電動助力轉(zhuǎn)向機（EPS）的類別

根據(jù)驅(qū)動電機的布置位置和方式，可以將電動助力轉(zhuǎn)向機分為四種類別，包括轉(zhuǎn)向管柱助力式、齒輪助力式、雙小齒輪式和齒條助力式。其中不同類型的車輛可以根據(jù)車輛的布置空間，車輛的載荷及所需的齒條助力大小，從中選擇一種相適應(yīng)的電動助力轉(zhuǎn)向機來提供轉(zhuǎn)向助力。

1.1 轉(zhuǎn)向管柱助力式電動轉(zhuǎn)向機（C-EPS）

轉(zhuǎn)向管柱助力式電動轉(zhuǎn)向機的驅(qū)動電機是安裝在轉(zhuǎn)向管柱上，在轉(zhuǎn)向管柱下面連接的是一個機械式的轉(zhuǎn)向機，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是ECU、驅(qū)動電機、減速機構(gòu)都安裝于駕駛艙內(nèi)，不占用發(fā)動機艙的空間，方便發(fā)動機艙的布置。缺點是驅(qū)動電機的助力要通過轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向齒輪傳遞到轉(zhuǎn)向機上，因而轉(zhuǎn)向管柱部件需要承受較大的力，故驅(qū)動電機所提供的助力大小會受到限制。與此同時，由于在駕駛艙內(nèi)安裝有驅(qū)動電機和蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，因而容易引起駕駛室內(nèi)的較大噪聲。因此這種結(jié)構(gòu)的EPS主要適用于載荷較輕、發(fā)動機艙較小且對噪聲要求相對不高的微型轎車[2]。

圖1 轉(zhuǎn)向管柱助力式電動轉(zhuǎn)向機

1.2 齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向機（P-EPS）

齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向機的驅(qū)動電機是安裝在轉(zhuǎn)向齒輪上，驅(qū)動電機的輸出力矩通過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向齒輪上，如圖2所示。在P-EPS轉(zhuǎn)向機出現(xiàn)之前，中型乘用車上通常使用液壓助力轉(zhuǎn)向機。和液壓助力轉(zhuǎn)向機相比，P-EPS具有更高的轉(zhuǎn)向精確性，更高的安全性，和更高的駕駛舒適性。與C-EPS相比，P-EPS可以提供更大的助力，可以滿足中型乘用車所需的更大的轉(zhuǎn)向助力。因為齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向機的驅(qū)動電機直接作用在轉(zhuǎn)向齒輪上，不需要轉(zhuǎn)向管柱部件的傳遞，故驅(qū)動電機可以提供更大的助力，并且提高了轉(zhuǎn)向機的安全性[3]。

圖2 齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向機

1.3 雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）

在雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機的結(jié)構(gòu)中包含轉(zhuǎn)向齒輪和驅(qū)動齒輪，其中和轉(zhuǎn)向管柱連接的齒輪是轉(zhuǎn)向齒輪，另外一個和驅(qū)動電機連接的齒輪是驅(qū)動齒輪。扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向小齒輪上；而驅(qū)動電機的輸出力矩則通過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)作用在驅(qū)動小齒輪上并傳遞至齒條上，如圖3所示。轉(zhuǎn)向小齒輪可以不受轉(zhuǎn)向機的傳動比的約束，采用更優(yōu)化的傳動比。對于中型乘用車或者中型以上的乘用車而言，雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機是一種比齒輪助力式電子轉(zhuǎn)向機更為優(yōu)越的設(shè)計。

圖3 齒輪助力式電動轉(zhuǎn)向機

1.4 齒條助力式電動轉(zhuǎn)向機（R-EPS）

齒條助力式電動轉(zhuǎn)向機和雙小齒輪式電動轉(zhuǎn)向機的結(jié)構(gòu)和工作原理相類似，扭矩傳感器也是安裝在轉(zhuǎn)向齒輪上。驅(qū)動電機的輸出力矩主要是通過作用在齒條上的循環(huán)球減速傳動機構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向機的齒條上，并帶動兩端的拉桿推動車輪轉(zhuǎn)向，如圖4所示。輔助驅(qū)動機構(gòu)可以布置在齒條的周向或軸向上，所以也增加了電動轉(zhuǎn)向機在空間布置方面的彈性。對于更重更大型的車輛而言，例如越野車和箱式貨車，它需要更大的轉(zhuǎn)向助力。齒條助力式電動轉(zhuǎn)向機的出現(xiàn)使得需要更大轉(zhuǎn)向助力的越野車或者箱式貨車在轉(zhuǎn)向助力方面得到更大滿足。

圖4 齒條助力式電動轉(zhuǎn)向機

2、DP-EPS的結(jié)構(gòu)

目前在市面上所使用的電動助力轉(zhuǎn)向機中，以雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）的應(yīng)用最為普遍，所以首先從其結(jié)構(gòu)和原理方面來了解該類別的電動助力轉(zhuǎn)向機的各組成模塊及其工作原理。

雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機主要是由機械轉(zhuǎn)向機（包括齒輪齒條傳動機構(gòu)）、伺服驅(qū)動電機、渦輪蝸桿減速機構(gòu)、ECU控制單元和傳感器單元等模塊構(gòu)成[4]，如圖5所示。其工作原理為當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤進行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向齒輪上的扭矩傳感器會檢測方向盤的轉(zhuǎn)動方向以及扭矩大小。然后扭矩傳感器將檢測到的信息傳輸?shù)紼CU控制器，其內(nèi)部的微處理器（單片機）根據(jù)扭矩傳感器檢測到的扭矩信號、方向盤轉(zhuǎn)動方向和車速信號等，并通過內(nèi)置的控制策略和算法向驅(qū)動電機（或助力電機）ECU控制器發(fā)出指令，使電機輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力扭矩[5]。驅(qū)動電機產(chǎn)生的助力力矩經(jīng)蝸輪蝸桿減速機構(gòu)減速增矩后傳遞到機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的齒條上，和駕駛員的操縱力矩疊加在一起去克服轉(zhuǎn)向阻力矩，以實現(xiàn)車輛的最終轉(zhuǎn)向，如圖6所示。

圖5 雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機工作原理

3、DP-EPS的噪音分析

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）所用驅(qū)動電機目前主要有永磁直流電機、異步電機和永磁同步電機[6]。對于用于汽車上的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，各種電機都有其適用性和局限性。根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性，不僅要求驅(qū)動電機具有低速大扭矩，扭矩波動小；而且要求它可靠性高、易于控制、效率高、振動噪聲小等優(yōu)點。然而對于電機而言，運行時一般都會伴隨著一定的振動噪音，而這種由電機產(chǎn)生的振動噪音則會通過車身結(jié)構(gòu)傳遞到車輛的駕駛室內(nèi)，對于車輛駕駛的環(huán)境舒適性影響也會很大。

針對國內(nèi)某些品牌SUV車型所使用的DP-EPS產(chǎn)品而言，當駕駛員在整車怠速情況下進行原地打方向時，在車內(nèi)環(huán)境比較安靜的情況下，車內(nèi)人員會聽到一種持續(xù)的比較清晰的“嗚嗚聲”。經(jīng)過仔細而又細致的查找聲源和主觀評估后，發(fā)現(xiàn)這是由DP-EPS的伺服驅(qū)動電機在工作時所產(chǎn)生的振動噪聲，并經(jīng)過轉(zhuǎn)向機與副車架的接觸部位(如圖7所示)及副車架與車身的接觸部位傳遞到駕駛室內(nèi)。為了降低這種不適的轉(zhuǎn)向噪音，分析確定可通過采取阻斷傳播途徑的方法來達到降低噪音的目的。比如，在轉(zhuǎn)向機與副車架的接觸部位處通過加隔振襯套的方式（如圖8所示）來達到阻斷傳播途徑的目的，而且最終效果比較明顯，“嗚嗚聲”明顯減小。并再通過在主副駕駛位置布置噪聲能量頻譜分析設(shè)備來進行客觀分析判斷，得出主副駕駛座耳朵位置噪聲分析頻譜圖，如圖9、圖10所示。從而驗證了通過采取在轉(zhuǎn)向機與副車架相接觸部位加隔振襯套的方式來阻斷噪音傳播途徑，以達到降低轉(zhuǎn)向噪音方法的正確性。

圖7 轉(zhuǎn)向機與車架的接觸部位副（無隔振襯套）

圖8 轉(zhuǎn)向機與副車架的接觸部位（加隔振襯套）

圖9 主駕駛座耳朵位置噪聲分析頻譜圖對比

圖10 副駕駛座耳朵位置噪聲分析頻譜圖對比

4、結(jié)論

通過對電動助力轉(zhuǎn)向機(EPS) 的組成和分類進行分析，發(fā)現(xiàn)電動助力轉(zhuǎn)向機(EPS)較液壓助力轉(zhuǎn)向機（HPS）在環(huán)保性、低能耗、布置方便、使用可靠及轉(zhuǎn)向操作精確等方面具有較大的優(yōu)勢。并針對雙小齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機（DP-EPS）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行詳細的介紹，在此基礎(chǔ)上，驗證了通過在轉(zhuǎn)向機與副車架相接觸部位采取加隔振襯套的方式來阻斷電機產(chǎn)生的振動噪音的傳播途徑，以達到降低噪音目的的正確性。

[1] 陳慧,等.世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究[M].北京:北京理工大學出版社,2008年.

[2] 左建令.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類及應(yīng)用特點[J].上海汽車,2009年12期25-27頁.

[3] 戴培軍.電子轉(zhuǎn)向機的優(yōu)點以及四種典型的齒輪齒條式電子轉(zhuǎn)向機[J].城市車輛,2007年05期56-58頁.

[4] 邱琪.雙齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向機國產(chǎn)化應(yīng)用開發(fā)[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2013年30卷06期22-25頁.

[5] 卓敏,許超.汽車電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)分析[J].機電工程技術(shù),2002年31卷05期17-19頁.

[6] 鄭虎,周中堅.汽車電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用驅(qū)動電機現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].上海汽車,2011年02期36-41頁.

Structural principle and noise analysis of double pinion type electric power steering machine (DP-EPS)

Zheng Yong, Fang Bin
(Jiangling auto Limited by Share Ltd, Jiangxi Nanchang 330052)

This paper mainly describes the composition and classification of the electric power steering machine (EPS) and the advantages of electric power steering machine (EPS) than hydraulic power steering machine (HPS) in some aspects, including environmental protection, low energy consumption, easy layout, reliable and accurate steering operation, etc. And this paper further introduces the basic structure and working principle of the double pinion type electric power steering machine (DP-EPS), and how to effectively block the transmission of the vibration noise caused by the driving motor.

the double pinion type electric power steering machine（DP-EPS）; EPS; structural principle; noise analysis

U463.42

A

1671-7988 (2016)12-41-03

鄭勇（1981-），男，轉(zhuǎn)向工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，從事領(lǐng)域為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)及研究工作。

方濱（1987-），男，轉(zhuǎn)向工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，從事領(lǐng)域為電動助力轉(zhuǎn)向機（EPS）的設(shè)計開發(fā)及研究工作。