汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向器選型與匹配

畢大寧

(山東先河悅新機(jī)電股份有限公司，山東 淄博 255120)

1 汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向器(簡稱EPS)的選型

1.1 EPS的設(shè)計(jì)選型原則

1.1.1 助力要求

驅(qū)動(dòng)EPS的助力大小是由以下3個(gè)因素決定的:

(1)轉(zhuǎn)向器輸出力，它取決于車輛前輪的載荷。

(2)車輛駕駛員轉(zhuǎn)向手力的要求。

(3)轉(zhuǎn)向器機(jī)械部分傳動(dòng)效率。

考慮到以上情況，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)EPS的助力大小，然后根據(jù)要求的輸出輔助力，選定電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)。作為助力源，選定的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)也要有所限制。尺寸必須能滿足安裝空間的要求。因?yàn)橐环矫姘惭b空間有限，另一方面EPS的輸入電壓有所限制，汽油車電壓為12 V，柴油車電壓為24 V。對于耗電量較小的緊湊型小車可以采用C-EPS。對于載重量較大的車輛采用P-EPS，對于中型車輛，采用R-EPS也受到了齒條齒輪轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度的限制。為了消除上述的局限性，開發(fā)了具有雙小齒輪機(jī)構(gòu)的EPS(以下簡稱為DP-EPS)，在這種R-EPS中，助力通過第二個(gè)小齒輪直接作用于齒條上，減小了第一個(gè)小齒輪的輸入負(fù)荷，這就形成R-EPS的另一個(gè)結(jié)構(gòu)，從而使R-EPS可以在大型轎車上使用。在中型和大型商用車上采用的EPS，其轉(zhuǎn)向器則必須采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，因此發(fā)展出循環(huán)球電動(dòng)轉(zhuǎn)向器S-EPS。

1.1.2 EPS的安裝空間

EPS總成包括了一個(gè)電機(jī)和一套減速機(jī)構(gòu)，其具有一定的尺寸和重量。EPS通常安裝在車輛的前部以替代傳統(tǒng)的液力或手動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但仍要仔細(xì)考慮EPS的安裝空間?？晌艿霓D(zhuǎn)向柱和發(fā)動(dòng)機(jī)的撞擊吸能區(qū)是必須考慮的。EPS靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的部分不能影響發(fā)動(dòng)機(jī)倉空間，且不能受發(fā)動(dòng)機(jī)散熱影響。

ECU可分成2類:一種裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)倉內(nèi);一種則直接裝在駕駛倉轉(zhuǎn)向柱上。在這2種ECU中，ECU安裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上的應(yīng)用越來越廣泛。

1.2 各種EPS結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.2.1 C-EPS的應(yīng)用

C-EPS也就是在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸加裝減速機(jī)構(gòu)——助力電機(jī)的結(jié)構(gòu)，在汽車上應(yīng)用越來越廣泛。

(1)由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，再加上ECU的連接線束可以更短，裝配工序可以更簡單。

(2)C-EPS大有擴(kuò)大使用范圍的趨勢。已經(jīng)發(fā)展到前橋載荷1 t轎車上。

(3)車內(nèi)安裝電機(jī)和減速齒輪機(jī)構(gòu)，車輛更安全，布置更容易，更容易替換原有的液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

(4)對于小型車，更容易進(jìn)行改型。這種結(jié)構(gòu)由于電機(jī)更加小型化且輸出功率更大也可逐漸應(yīng)用于噸位稍大的汽車上。

(5)因?yàn)殡娖髟O(shè)備不需要特殊的防水或防熱技術(shù)。

(6)減速器和扭矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸上，有限的空間可能會(huì)影響碰撞能量的吸收。這就要求必須設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)去滿足碰撞法規(guī)的要求。

(7)近來，C-EPS越來越多地與其他零件集成一體。點(diǎn)火開關(guān)，自動(dòng)變速箱的排擋桿，開關(guān)支架都可以與中間軸和轉(zhuǎn)向拉桿集成一體，由一個(gè)供應(yīng)商提供。

1.2.2 P-EPS的應(yīng)用

P-EPS的結(jié)構(gòu)是在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器上(圖1)，電機(jī)通過一對減速蝸桿蝸輪對轉(zhuǎn)向小齒輪施加輔助力，作用到轉(zhuǎn)向齒條上。P-EPS的結(jié)構(gòu)包括減速齒輪和扭矩傳感器，與C-EPS類似，但不同之處在于安裝位置。P-EPS安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)倉的下部，靠近排氣管。因此P-EPS的材料和結(jié)構(gòu)必須耐熱和防水。大多數(shù)的P-EPS的ECU安裝在車廂內(nèi)。但是這樣的安裝位置就要求較長的線束，可能會(huì)導(dǎo)致收音機(jī)雜音和整車裝配工序的增加?，F(xiàn)在越來越多的P-EPS安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)倉內(nèi)，ECU的工作環(huán)境更加惡劣，這就要求輔助的隔熱裝置。

P-EPS的結(jié)構(gòu)有另外的好處，轉(zhuǎn)向柱上有足夠的空間，可用于安裝碰撞吸能機(jī)構(gòu)，這就使P-EPS更可能適用于市場。目前，前置前驅(qū)動(dòng)的車輛由于其緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)倉，要求P-EPS有特殊的結(jié)構(gòu)。小而緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)倉，限制了P-EPS的安裝空間，在車輛前部的碰撞吸能機(jī)構(gòu)更加難以布置。解決這個(gè)難題的方法是:雙小齒輪結(jié)構(gòu)DP-EPS。來自方向盤和輔助機(jī)構(gòu)的力被分別傳遞到兩個(gè)轉(zhuǎn)向齒輪軸上。電機(jī)和減速齒輪機(jī)構(gòu)安裝在駕駛員相對一側(cè)。

1.2.3 R-EPS式或RD-EPS式

越來越多的EPS將應(yīng)用于中型或大型轎車和商用車上，這反映了汽車節(jié)能要求的增長。然而C-EPS和P-EPS在中型或大型轎車上的應(yīng)用，卻受到了限制。因?yàn)槠滢D(zhuǎn)向齒輪和轉(zhuǎn)向齒條的強(qiáng)度有限，不能適應(yīng)較大的輸入力。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒條的R-EPS。

R-EPS的轉(zhuǎn)向加力裝置分幾種結(jié)構(gòu)，一種是雙小齒輪式電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)另一個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)齒條的DP型EPS;一種是電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)齒條的RP型EPS，見圖2;一種是電機(jī)包在齒條外側(cè)通過滾珠絲桿減速驅(qū)動(dòng)齒條的RD型EPS，見圖3。這幾種結(jié)構(gòu)的EPS大都采用無刷電機(jī)。

RD-EPS的轉(zhuǎn)向加力裝置:安裝在齒輪齒條殼體內(nèi)的電機(jī)通過電機(jī)軸和特制的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，提供一轉(zhuǎn)向助力在齒條上。這樣的結(jié)構(gòu)使齒條完全適合于DD-EPS的電機(jī)的布置，并且結(jié)構(gòu)更加緊湊。但是，DD-EPS的外形較大，就要求加大轉(zhuǎn)向齒條的直徑和加大電機(jī)本體，導(dǎo)致齒輪齒條殼體外徑增加，可能會(huì)與變速箱或發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼相干涉，這是在汽車布置時(shí)特別要注意的。

盡管有以上的擔(dān)心，RD-EPS仍然是一種理想的系統(tǒng)，其減速機(jī)構(gòu)能夠提供較高的傳動(dòng)效率。只要在整車開發(fā)的初始階段，充分考慮到RD-EPS的布置問題，就能實(shí)現(xiàn)開發(fā)工作?，F(xiàn)在美國TRW公司大力發(fā)展R型皮帶式電動(dòng)轉(zhuǎn)向器RP型EPS見圖5。JTEKT、TRW、MANDO、NEXTEER都在開發(fā)此類REPS產(chǎn)品。

1.2.4 循環(huán)球式(S-EPS)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的選用

這是一種將電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)與循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸安裝成一體的新型電動(dòng)轉(zhuǎn)向器見圖6。它是專門為輕型卡車、中大型卡車和皮卡車設(shè)計(jì)的，它將改善電機(jī)的工作環(huán)境，又不影響原車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的防沖撞性能。

1.3 EPS裝車問題

選好了電動(dòng)轉(zhuǎn)向器后，怎么安裝在汽車上充分發(fā)揮助力作用，是在開發(fā)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器后遇到的又一個(gè)問題。

(1)理想的方案，是在汽車整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就將電動(dòng)轉(zhuǎn)向器考慮進(jìn)去，設(shè)計(jì)在最理想的位置上。設(shè)計(jì)時(shí)包括總線的通訊協(xié)議都考慮進(jìn)去。

(2)已有的車型改裝EPS存在的主要問題是安裝空間問題。以C-EPS型電動(dòng)轉(zhuǎn)向器為例，該電動(dòng)轉(zhuǎn)向器由于減速器直徑較大，而且還有電機(jī)要安裝，所占用駕駛內(nèi)儀表盤下空間較大。而現(xiàn)有國產(chǎn)汽車的轉(zhuǎn)向管柱與傳動(dòng)軸制動(dòng)踏板臂、真空助力器推桿與轉(zhuǎn)向管柱的距離太小，大多數(shù)無法安裝下C-EPS型減速器，特別是帶防沖撞轉(zhuǎn)向管柱，布置較難。捷達(dá)轎車的轉(zhuǎn)向管柱防沖撞結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，根本無法安裝減速器-電機(jī)結(jié)構(gòu)。這是目前這類汽車改裝存在的主要問題。電機(jī)在安裝時(shí)可以旋轉(zhuǎn)任一角度，但不能影響油門踏板、制動(dòng)踏板的操作。

(3)C型管柱和減速器只能安裝在駕駛室內(nèi)，因?yàn)閭鞲衅骱碗姍C(jī)對環(huán)境要求高，環(huán)境溫度適宜有助于二者性能發(fā)揮和壽命延長。

P型和R型必然裝在發(fā)動(dòng)機(jī)倉里，電機(jī)的不得和其他零件相碰，留有拆裝空間，盡量避免與排氣管距離太近。

如不能放在駕駛室內(nèi)就要被迫放在發(fā)動(dòng)機(jī)倉里，此處環(huán)境差、溫度高甚至?xí)杏湍嗨@對電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的工作是不利的。

所以一方面要提高電動(dòng)轉(zhuǎn)向器高、低溫工作性能和防泥、水性能，一方面要盡力從汽車布置上給電動(dòng)轉(zhuǎn)向器提供好的工作條件。電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的工作環(huán)境溫度應(yīng)為－40～+125℃。

(4)控制器最好安裝在駕駛室儀表盤下面，固定在任一支架上，這樣一來工作環(huán)境好，但散熱不好?？刂破髋c總線的通訊協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮。

(5)儀表板改造:從儀表板上取車速信號(hào)，加故障信號(hào)燈;或從總線上取得。

(6)電氣線束改造:電源、車速信號(hào)、扭距信號(hào)、通過控制器、控制信號(hào)線束、電源線束和接插件缺一不可。特別是新車型必須連接總線，通訊協(xié)議要提供給控制器廠家，以便預(yù)先設(shè)計(jì)好。

(7)管柱與傳動(dòng)軸改造:將上管柱與減速器部分剛性連接，并通過支架與駕駛室或前圍剛性連接，下端用傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向器相連。保證轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、無卡滯。要保證轉(zhuǎn)向管柱與減速機(jī)殼同心，上傳動(dòng)軸有充分?jǐn)[動(dòng)余地和伸縮調(diào)節(jié)的可能性。現(xiàn)在要求此伸縮量要達(dá)到127 mm。

(8)根據(jù)需要加裝隔熱裝置。

2 匹配問題

2.1 EPS的適用范圍

根據(jù)筆者的工作可以知道:不同的車型有不同的前軸負(fù)荷。不同車型電壓也不同，電流也有不同的要求，隨著前軸負(fù)荷提高電流相應(yīng)提高才行。

2.2 電機(jī)的匹配

(1)EPS電機(jī)的特點(diǎn)

在選用電機(jī)時(shí)則應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，原車結(jié)構(gòu)，匹配，電機(jī)性能(包括轉(zhuǎn)速和噪聲)以及成本諸因素確定。因?yàn)殡妱?dòng)轉(zhuǎn)向器安裝位置很緊湊，所以對電機(jī)的尺寸有一定限制。一般來說電機(jī)尺寸小、功率大、性能好、壽命長，特別是噪聲低最受歡迎。

電機(jī)的性能包括:電機(jī)的額定電壓、額定電流、額定功率、額定額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速和阻抗(內(nèi)阻、感抗、容抗)。

對發(fā)展中型汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向的最大難題主要是電機(jī)的功率和尺寸，電機(jī)消耗電流大對蓄電池的容量也造成一定的影響。

(2)電機(jī)的匹配

方向盤使用的最大轉(zhuǎn)速對轎車、微型車而言應(yīng)該是60～90 r/min?，F(xiàn)在通常采用的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器減速機(jī)構(gòu)的速比為16.5左右，通常采用的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速為1400～1500 r/min，要討論的就是如何在電機(jī)的最大工作轉(zhuǎn)速范圍發(fā)揮電機(jī)的最大功率。

根據(jù)某電機(jī)廠提供的電動(dòng)轉(zhuǎn)向170 W電機(jī)測試數(shù)據(jù)，可以看出相應(yīng)電機(jī)1000 r/min時(shí)，該電機(jī)的輸出功率最大為139.8 W，此時(shí)電壓為11.8 V，電流為24.9 A。也就是說方向盤的使用最大轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)正處于電機(jī)的輸出功率最大狀態(tài)。

2.3 傳感器的選型與匹配

(1)傳感器有電磁感應(yīng)式、電位器式(電阻式)、霍爾元件式、編碼器式、光電式等，更新型的傳感器有表面波式的。

(2)傳感器應(yīng)有正反向電壓輸出，還應(yīng)有兩條電路包括一條校準(zhǔn)電路，以確保使用精度。

(3)電位器式傳感器是北斗星汽車安裝鈴木公司開發(fā)的一種成本較低的傳感器，由碳膜板和電刷等組成。這種傳感器最難的是碳膜和指狀鋼絲刷。

(4)傳感器還可以裝有熱敏電阻作為溫度傳感器來感知EPS系統(tǒng)和環(huán)境溫度。

3 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能設(shè)計(jì)要求

(1)防止高速發(fā)飄功能

由于汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的。有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉(zhuǎn)向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時(shí)要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過渡。該控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須按理想的電動(dòng)轉(zhuǎn)向手力模型進(jìn)行，該電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過控制助力電機(jī)，降低高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低［1］。

(2)主動(dòng)回正功能

如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎的過程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應(yīng)減小。于是轉(zhuǎn)向力在減小的同時(shí)，轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向的速度都相應(yīng)地減小，回轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)被精確地檢測到。控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和存儲(chǔ)在控制單元中的特性曲線圖計(jì)算出電動(dòng)機(jī)需要的必要的回正力，并控制電動(dòng)機(jī)工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。

(3)制止擺頭功能

在方向盤撒手回正過程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個(gè)方向擺頭時(shí)、回正角度超過零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)出現(xiàn)相對零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng);出現(xiàn)第二個(gè)方向回?cái)[，回正角度超過零點(diǎn)，角度傳感器就會(huì)再次出現(xiàn)相對零點(diǎn)的超越角度信號(hào)，控制器就會(huì)再次控制電機(jī)反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可使汽車迅速制止擺頭。

(4)維持直線行駛功能

直線行駛功能是主動(dòng)回正功能的一個(gè)擴(kuò)展，當(dāng)沒有力矩作用在方向盤上時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復(fù)到中心位置。為實(shí)現(xiàn)直線行駛功能，又分為長時(shí)間法則和短時(shí)間法則兩種不同的情況。

東風(fēng)汽車有限公司三噸汽車DF3電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器的設(shè)計(jì)要求已完全實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過四輪的道路試驗(yàn)證明是完全可行的。

(5)解決汽車整車輕量化問題

車型采用了電動(dòng)轉(zhuǎn)向后，整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)預(yù)計(jì)輕2～3 kg。解放4.5 t轉(zhuǎn)向器原用液壓助力轉(zhuǎn)向器(TRW)，采用S-EPS轉(zhuǎn)向器后輕了10 kg。

4 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器適用范圍

電動(dòng)轉(zhuǎn)向器適用范圍如表1所示。

表1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向器適用范圍

5 對各種車型的EPS產(chǎn)品匹配建議

(1)乘用車EPS產(chǎn)品推薦表如表2所示。

表2 乘用車EPS產(chǎn)品推薦表

(2)商用車EPS產(chǎn)品推薦表如表3所示。

表3 商用車EPS產(chǎn)品推薦表

【1】鈕因昌．電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)要求［J］．天津汽車，2009(5):35－36．