C-EPS在某新能源客車上的匹配應(yīng)用

楊情操，朱 曉，鄒小俊，張湯赟，葉 進(jìn)

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，簡(jiǎn)稱EPS）是一種用于輔助駕駛員改變或保持汽車行駛方向的專門機(jī)構(gòu)，已廣泛使用在包括傳統(tǒng)能源和新能源的各種類型乘用車上［1］。傳統(tǒng)能源客車裝有發(fā)動(dòng)機(jī)，有通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向泵存在，一般采用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱HPS），HPS引起的燃油消耗約占整車總?cè)加拖牡?%～5%［2］，即使采用節(jié)能技術(shù)使重型商用車HPS的能耗降低20%，其引起的燃油消耗量依然占整車總?cè)加拖牡?.4%～4%［3］。

新能源客車的總質(zhì)量較大，且沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一般采用電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic-Hydraulic Powerassisted System，簡(jiǎn)稱EHPS）［4］。EHPS需要先將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力，驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)靈敏度要求較高，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只能依靠駕駛員的操作實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，而通常駕駛員的反應(yīng)遲滯超過(guò)0.5 s［5］，其中既有能量轉(zhuǎn)換中的能源損失，又有因能源轉(zhuǎn)換中的時(shí)間滯后，一般為解決時(shí)間滯后問(wèn)題，有常流時(shí)轉(zhuǎn)向泵或儲(chǔ)能裝置兩種模式，這會(huì)造成能源損失加劇。在新能源客車上匹配應(yīng)用EPS，與EHPS相比，將會(huì)降低能耗和提高響應(yīng)速度。本文對(duì)某新能源客車采用EPS系統(tǒng)，從選型、布置、實(shí)施及驗(yàn)證等方面進(jìn)行了相關(guān)分析。

1 新能源客車EPS的選型設(shè)計(jì)

目前，EPS根據(jù)助力位置不同，其結(jié)構(gòu)形式也分為轉(zhuǎn)向管柱助力形式（C-EPS）、小齒輪助力形式（P-EPS）、齒條助力形式（R-EPS）等幾種［6］，其技術(shù)狀態(tài)、特性見表1。

表1 不同種類EPS特性

本文所述新能源客車采用前雙擺臂扭桿獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，輸入齒輪及輸出齒條處空間較為緊湊，布置P-EPS及R-EPS空間不足，且整車參數(shù)屬于輕載車型，如某新能源客車整車參數(shù)見表2，故選擇C-EPS結(jié)構(gòu)。

C-EPS原理為：當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制單元。電子控制單元根據(jù)這些輸入信號(hào)，確定助力轉(zhuǎn)矩的方向和大小，然后將這些數(shù)據(jù)信息傳遞到控制器中控制電機(jī)的電流大小以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而調(diào)整轉(zhuǎn)向輔力的大小達(dá)到最佳工況。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向管柱上，使之得到一個(gè)與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向輔助力。轉(zhuǎn)向輔助力最終傳遞到操縱機(jī)構(gòu)，使左右車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，此時(shí)駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)自身不需要很大的力就可以使之發(fā)生轉(zhuǎn)向［7］。

表2 某新能源客車整車參數(shù)表

利用半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車在路面上的原地轉(zhuǎn)向力矩MR，單位Nmm。

式中：f——輪胎與地面間滑動(dòng)阻力系數(shù)，一般取0.7；G——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，N，該車轉(zhuǎn)向軸滿載載荷為1 480 kg，即為14 504 N；P——輪胎氣壓，MPa，該車輪胎氣壓為0.45 MPa。

將以上的數(shù)據(jù)代入（1）式中，得MR=607 578 Nmm。

該新能源客車采用齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器，在不帶助力系統(tǒng)時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為Fh，單位N。

式中：Ll——轉(zhuǎn)向梯形臂長(zhǎng)；Dsw——轉(zhuǎn)向盤直徑；iw——轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；η+——轉(zhuǎn)向器正效率。

將以上的數(shù)據(jù)代入（2）式中，得Fh為75 N。

2 新能源C-EPS布置方案

C-EPS由傳感器 、蝸輪、蝸桿、蝸輪軸、輸入軸、減速殼體 、轉(zhuǎn)向管柱、電機(jī)、控制器ECU等組成。采用有刷電機(jī)，非接觸式扭矩傳感器及轉(zhuǎn)角傳感器，具備自動(dòng)回正功能和自動(dòng)間隙補(bǔ)償功能，工作溫度在-40～85 ℃之間，其布置如圖1所示。

3 新能源客車C-EPS參數(shù)選擇及設(shè)定

C-EPS相關(guān)參數(shù)見表3，C-EPS電氣性能見表4，C-EPS蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其相關(guān)參數(shù)見表5。

圖1 C-EPS布置示意圖

表3 C-EPS相關(guān)參數(shù)

表4 C-EPS電氣性能

圖2 蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

表5 蝸輪蝸桿相關(guān)參數(shù)

蝸輪軸、輸入軸限位角度為±7°，扭桿扭轉(zhuǎn)剛度為（1.7～1.8）Nm/（°），實(shí)際工作角度為±4°，輸入軸剛度曲線如圖3所示。

圖3 輸入軸剛度曲線

4 新能源客車C-EPS試驗(yàn)驗(yàn)證

在裝配C-EPS的新能源客車上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)向盤上安裝測(cè)力計(jì)，對(duì)EHPS及C-EPS兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)向盤力矩進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比結(jié)果見表6。從表6可知，采用C-EPS后，轉(zhuǎn)向盤上力矩明顯降低。

表6 EHPS及C-EPS兩種狀態(tài)力矩對(duì)比

對(duì)安裝C-EPS后新能源客車相關(guān)性能目標(biāo)符合性進(jìn)行分析，結(jié)果見表7。

從表7可知，經(jīng)評(píng)估，原地最大轉(zhuǎn)向操作力矩、機(jī)械助力管柱傳動(dòng)效率、總成助力對(duì)稱性等參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)C-EPS在某新能源客車上的布置匹配應(yīng)用，可知采用C-EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向力矩等能達(dá)到甚至優(yōu)于EHPS水平，原地最大轉(zhuǎn)向操作力矩、機(jī)械助力管柱傳動(dòng)效率、總成助力對(duì)稱性等參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，為后續(xù)相關(guān)車型開發(fā)提供了借鑒。

表7 C-EPS性能目標(biāo)符合狀態(tài)

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