電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力電機的匹配

朱振民,方存光（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院,沈陽 110159）

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電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力電機的匹配

朱振民,方存光
（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院,沈陽 110159）

摘 要：本文對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力電機的匹配進(jìn)行了分析，闡述了電機扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)的確定方法，為我國電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向器；助力電機;匹配分析

1 引言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）具有操縱穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的特點，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

本文通過對EPS系統(tǒng)助力電機的扭矩、轉(zhuǎn)速匹配，為EPS的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

2 助力電機的匹配

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種新型的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最先應(yīng)用在日本的微型轎車上[1]，具有以往任何助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的助力效果和車速感應(yīng)能力，安裝電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車提高了汽車的操縱穩(wěn)定性與輕便性、“路感”、回正性等。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求助力電機的工作電壓低，并且具有足夠大的額定功率和額定電流。為了能夠提供穩(wěn)定可靠的助力轉(zhuǎn)矩，EPS系統(tǒng)必須具有扭矩較大、力矩波動、轉(zhuǎn)動慣量較小、易于控制等性能。

2.1 布置形式

EPS系統(tǒng)按照助力電機安裝位置可分為轉(zhuǎn)向軸助力式C-EPS、小齒輪助力式P-EPS、齒條助力式R-EPS三種類型[2]。

選擇類別時，汽車電機的性能、前輪垂直負(fù)荷、轉(zhuǎn)向器附近空間等因素都要綜合考慮。C-EPS和P-EPS適于前軸負(fù)荷小于9千牛，1.5升以下的中小型車上，R-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)適于9千牛以上，超過2升的大型車。

2.2 類型選擇

助力電機主要分為永磁有刷直流電機和永磁無刷直流電機。有刷電機由于其機構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、成本低廉得到廣泛應(yīng)用，助力電機應(yīng)用車載12V直流電源[3]。

2.3 轉(zhuǎn)矩匹配

轉(zhuǎn)矩確定依據(jù)：汽車處于原地靜止轉(zhuǎn)向，施加于方向盤的最大手部轉(zhuǎn)矩不超5.5～7.5牛.米，電動機最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax滿足下式：

式中，Tmax為轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)矩；gp為轉(zhuǎn)向器角傳動比；gm為減速機構(gòu)傳動比。Trmax為最大轉(zhuǎn)向阻力矩。

由上式可知：助力電機最大輸出轉(zhuǎn)矩與Trmax、Tdmax、gp和gm有關(guān)。而Trmax和Tdmax為定值。所以影響電機最大轉(zhuǎn)矩的參數(shù)只有g(shù)p與gm。

轉(zhuǎn)向器的角傳動比gp對汽車的性能有著較為重要的影響。角傳動比越大，轉(zhuǎn)向時的輕便性越好，但導(dǎo)致靈敏性的下降。應(yīng)用EPS系統(tǒng)后，電機將承受轉(zhuǎn)向時的大多數(shù)阻力，此時可以通過調(diào)整電機的助力輸出來提升轉(zhuǎn)向輕便性。所以，對于EPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器角傳動比可更多的考慮靈敏性的需求，可取較小的值。

減速比gm對EPS系統(tǒng)以及汽車的整體性能作用影響顯著。對于gm的選取要綜合考慮電機的性能參數(shù)以及系統(tǒng)的各種工況。減速機構(gòu)傳動比gm增大可使Tmax變小，從而減小電動機的體積，便于安裝，但較大的減速比將會導(dǎo)致電機的力矩波動、減速機構(gòu)體積變大，造成減速機構(gòu)布置困難，因此，電動機尺寸與減速機構(gòu)尺寸應(yīng)相互協(xié)調(diào)。

2.4 轉(zhuǎn)速匹配

為滿足在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向輕便性，電動機最大轉(zhuǎn)速ωmax必須滿足：

式中，ωdmax為方向盤最大轉(zhuǎn)速。國標(biāo)規(guī)定ωdmax不小于250o/s。

減速機構(gòu)的減速比作用為減速增矩，并且也會加大電機的轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，從而影響機構(gòu)的動態(tài)指標(biāo); 同時對于系統(tǒng)的體積、安裝空間和效率等也有一定的影響。

此外，根據(jù)電機的工作原理可知，電機的電磁轉(zhuǎn)矩Tm為：

式中，Km為電機的電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，I為電樞電流。

當(dāng)電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax以及最大轉(zhuǎn)速ωmax確定后，就可以進(jìn)一步的確定電機的最大工作電流、電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，即可完成對電機的電磁設(shè)計。

3 結(jié)論

在進(jìn)行助力電機的布置時應(yīng)充分考慮車輛的前部空間、軸荷以及電機性能等參數(shù), 通常情況下，C-EPS多應(yīng)用于小排量汽車, R-EPS則多應(yīng)用于大型車輛齒, 而P-EPS介于二者之間。同時在設(shè)計過程中應(yīng)進(jìn)行電機最大輸出轉(zhuǎn)矩與軸荷、減速機構(gòu)、以及各動比的匹配, 電機轉(zhuǎn)速也應(yīng)與方向盤轉(zhuǎn)速相匹配。對于安裝空間的要求，則可通過調(diào)整電機長度、直徑的比來解決。

本文從理論上提出了EPS系統(tǒng)助力電機扭矩、轉(zhuǎn)速的匹配方法，為我國EPS系統(tǒng)的發(fā)展提供了一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nakayama T , Suda E.The Present and Future of Electric Power Steering[J] .Int.J.of Vehicle Design,1994,15 (3,4,5):243-254.

[2]申榮衛(wèi).電動客車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)與試驗技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2006．

[3]施國標(biāo).電動助力轉(zhuǎn)向助力特性仿真與控制策略研究[D].長春:吉林大學(xué),2002．

作者簡介：朱振民（1990-），男，遼寧鞍山人，研究生在讀，研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)與控制。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.142