汽車電動助力轉向系統匹配設計計算及驗證

呂祥 　張晶　韋錦佳　劉春元　楊魏綺

摘 要：轉向系統是汽車重要的組成部分，本文根據實際工作情況，介紹了汽車電動助力轉向系統計算匹配，并驗證了該方法的實用可行性。

關鍵詞：電動助力轉向系統匹配；齒條力；電機匹配

1 引言

轉向系統影響著汽車行駛中的操縱穩定性以及行車安全，是汽車重要的系統之一。電動助力轉向系統（Electric Power Steering，簡稱EPS）具有節能、環保、高效等諸多優勢，成為目前轉向系統發展的主流趨勢。

電動助力系統基本工作原理：當駕駛員轉動方向盤時，控制器接收外部輸入信號進而控制電機產生適當的助力大小及方向，為汽車轉向提供助力。開發EPS系統首先需要對轉向系統進行合理匹配，基于有刷電機技術成熟，控制器簡單，成本低，國內生產的電動助力轉向系統多為有刷電機管柱式助力（即C-EPS），本文根據實際需要對C-EPS系統（見圖1）進行匹配。

2 轉向器匹配

轉向器是汽車轉向系統的核心部件，汽車上常用的轉向器較多為齒輪齒條式轉向器和循環球式轉向器。齒輪齒條轉向器結構簡單、緊湊，質量小，布置占用體積小，省去循環球式轉向器的直拉桿和轉向搖臂結構，傳動效率高，制造成本低等優點，廣泛應用于乘用車上[1]。本文選用齒輪齒條式轉向器。

2.1 轉向器最大輸出轉矩

汽車轉向過程中主要克服原地轉向阻力矩、重力回正力矩、轉向系統內部摩擦阻力。根據經驗，汽車滿載時原地轉向到極限具有最大的轉向阻力矩，轉向器的最大輸出轉矩應根據這一工況滿足下式：

其中：

R—輪胎靜半徑，mm；

σ—主銷內傾角，deg；

rs—主銷偏移距（見右圖2），mm；

δ—輪胎內轉角，deg。

2.2 最大齒條力計算

當汽車輪胎轉到極限位置時，考慮轉向系統內部摩擦阻力，此時最大齒條力計算如下公式：

（2-4）

其中：Fmax—最大齒條力，N；

Ff—轉向系統內部摩擦阻力，取Ff=200N；

L—轉向節臂有效長度（圖3），mm。

3 助力電機及減速機構匹配設計

本文選用有刷電機，減速機構為蝸輪蝸桿式，有刷電機常用減速比范圍在15～18.5，基于減速比越小其動態性能影響越好，在滿足輸出扭矩的條件下，盡量選取小的減速比。

3.1 電機額定轉矩的匹配

汽車轉向時，轉向管柱輸出力矩等于方向盤操縱力矩加上電機提供力矩，則有：

其中：

TC—轉向管柱輸出扭矩，N.m；Td—電機輸出最大轉矩，N·m；Th—最大方向盤轉矩，N·m，取5N·m；η1—電機及減速機構傳動效率，取0.9；η2—轉向中間軸傳動效率，取1；η3—轉向器傳動效率；

iw—減速機構傳動比；F推—轉向管柱輸出齒條推力，N；θ—方向盤轉角，rad；

S—齒條全行程，mm；C—轉向器線角傳動比，mm/rev；n—方向盤圈數。

3.2 電機額定轉速和額定功率的匹配

方向盤手轉轉速nv一般為60-70r/min，可取平均值65r/min計算[4]，則電機額定轉速為：

n=nv·iw （3-7）

電機額定輸出功率計算：

（3-8）

通常有些電機廠會將電機額定轉速圓整，但圓整公差大小應該小于30r/min。

3.3 電流匹配

一般電機效率在45%～55%，負載轉速較高的電機，效率將提高，根據電機輸入功率： P1=η·PN，又PN=UI，確定電機輸入電流[5]。為保證ECU功率模塊運行安全，電機輸入電流IN應該小于ECU輸出電流Iout，即：IN

4 計算及實車驗證

4.1 計算驗證

以某車型為實例，進行電動助力轉向系統匹配的計算。輸入參數如下表1：

選用有刷電機參數如表2：

計算得：

Fmax=5807N

TD=3.1N<3.4N

n=nv·iw=1072.5r/min<1180r/min

PN=381.9W<420W

綜上計算數據，選用的有刷電機滿足系統匹配要求。

4.2 實車驗證

根據選用的有刷電機，實車安裝，在模擬輪胎與地面間的滑動摩擦系數f=1.0的路面上，多組測試轉向系統最大齒條力均值：Fmax=5728N，與理論計算匹配數值相差79N。考慮實車與設計匹配的四輪定位等輸入參數誤差，理論計算匹配選用的電機符合設計要求，進一步驗證了本文計算匹配方法的實用性。

5 結語

汽車電動助力轉向系統設計，在開始系統匹配時尤為重要，基于輸入參數較多及相互關聯影響變化，匹配設計時需要全面考慮。本文提供的計算匹配及驗證方法，為縮短電動助力轉向系統開發周期，減少設計重復，降低成本，有力解決電機和電動助力轉向系統匹配問題提供了思路。

參考文獻：

[1]王望予.汽車設計（第四版）.北京：機械工業出版社，2003.

[2]王霄峰.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]王文建，張雷.轉向器最大齒條力的計算與驗證[J].客車技術與研究，2015.

[4]祁麗華，王睿.EPS電動轉向系統有刷電機的選擇[J].科技與企業，2012.

[5]向金權.汽車電動助力轉向系統電機匹配技術淺析[J].研究與開發，2013.