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        汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計計算及驗證

        2019-07-09 11:32:58呂祥張晶韋錦佳劉春元楊魏綺
        時代汽車 2019年2期

        呂祥  張晶 韋錦佳 劉春元 楊魏綺

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

        關(guān)鍵詞:電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配;齒條力;電機匹配

        1 引言

        轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響著汽車行駛中的操縱穩(wěn)定性以及行車安全,是汽車重要的系統(tǒng)之一。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering,簡稱EPS)具有節(jié)能、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢,成為目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢。

        電動助力系統(tǒng)基本工作原理:當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時,控制器接收外部輸入信號進而控制電機產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹Υ笮〖胺较?,為汽車轉(zhuǎn)向提供助力。開發(fā)EPS系統(tǒng)首先需要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行合理匹配,基于有刷電機技術(shù)成熟,控制器簡單,成本低,國內(nèi)生產(chǎn)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為有刷電機管柱式助力(即C-EPS),本文根據(jù)實際需要對C-EPS系統(tǒng)(見圖1)進行匹配。

        2 轉(zhuǎn)向器匹配

        轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件,汽車上常用的轉(zhuǎn)向器較多為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,質(zhì)量小,布置占用體積小,省去循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的直拉桿和轉(zhuǎn)向搖臂結(jié)構(gòu),傳動效率高,制造成本低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于乘用車上[1]。本文選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。

        2.1 轉(zhuǎn)向器最大輸出轉(zhuǎn)矩

        汽車轉(zhuǎn)向過程中主要克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩、重力回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)驗,汽車滿載時原地轉(zhuǎn)向到極限具有最大的轉(zhuǎn)向阻力矩,轉(zhuǎn)向器的最大輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)這一工況滿足下式:

        其中:

        R—輪胎靜半徑,mm;

        σ—主銷內(nèi)傾角,deg;

        rs—主銷偏移距(見右圖2),mm;

        δ—輪胎內(nèi)轉(zhuǎn)角,deg。

        2.2 最大齒條力計算

        當(dāng)汽車輪胎轉(zhuǎn)到極限位置時,考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)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(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力,取Ff=200N;

        L—轉(zhuǎn)向節(jié)臂有效長度(圖3),mm。

        3 助力電機及減速機構(gòu)匹配設(shè)計

        本文選用有刷電機,減速機構(gòu)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(tài)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(zhuǎn)矩的匹配

        汽車轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向管柱輸出扭矩,N.m;Td—電機輸出最大轉(zhuǎn)矩,N·m;Th—最大方向盤轉(zhuǎn)矩,N·m,取5N·m;η1—電機及減速機構(gòu)傳動效率,取0.9;η2—轉(zhuǎn)向中間軸傳動效率,取1;η3—轉(zhuǎn)向器傳動效率;

        iw—減速機構(gòu)傳動比;F推—轉(zhuǎn)向管柱輸出齒條推力,N;θ—方向盤轉(zhuǎn)角,rad;

        S—齒條全行程,mm;C—轉(zhuǎn)向器線角傳動比,mm/rev;n—方向盤圈數(shù)。

        3.2 電機額定轉(zhuǎn)速和額定功率的匹配

        方向盤手轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nv一般為60-70r/min,可取平均值65r/min計算[4],則電機額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速圓整,但圓整公差大小應(yīng)該小于30r/min。

        3.3 電流匹配

        一般電機效率在45%~55%,負載轉(zhuǎn)速較高的電機,效率將提高,根據(jù)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(yīng)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(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配的計算。輸入?yún)?shù)如下表1:

        選用有刷電機參數(shù)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(shù)據(jù),選用的有刷電機滿足系統(tǒng)匹配要求。

        4.2 實車驗證

        根據(jù)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(shù)f=1.0的路面上,多組測試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力均值:Fmax=5728N,與理論計算匹配數(shù)值相差79N。考慮實車與設(shè)計匹配的四輪定位等輸入?yún)?shù)誤差,理論計算匹配選用的電機符合設(shè)計要求,進一步驗證了本文計算匹配方法的實用性。

        5 結(jié)語

        汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計,在開始系統(tǒng)匹配時尤為重要,基于輸入?yún)?shù)較多及相互關(guān)聯(lián)影響變化,匹配設(shè)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(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)周期,減少設(shè)計重復(fù),降低成本,有力解決電機和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配問題提供了思路。

        參考文獻:

        [1]王望予.汽車設(shè)計(第四版).北京:機械工業(yè)出版社,2003.

        [2]王霄峰.汽車底盤設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

        [3]王文建,張雷.轉(zhuǎn)向器最大齒條力的計算與驗證[J].客車技術(shù)與研究,2015.

        [4]祁麗華,王睿.EPS電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有刷電機的選擇[J].科技與企業(yè),2012.

        [5]向金權(quán).汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電機匹配技術(shù)淺析[J].研究與開發(fā),2013.

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