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        汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)證

        2019-07-09 11:32:58呂祥張晶韋錦佳劉春元楊魏綺
        時(shí)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(shí)際工作情況,介紹了汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算匹配,并驗(yàn)證了該方法的實(shí)用可行性。

        關(guān)鍵詞:電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配;齒條力;電機(jī)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering,簡(jiǎn)稱EPS)具有節(jié)能、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢(shì),成為目前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

        電動(dòng)助力系統(tǒng)基本工作原理:當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí),控制器接收外部輸入信號(hào)進(jìn)而控制電機(jī)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹Υ笮〖胺较?,為汽車轉(zhuǎn)向提供助力。開(kāi)發(fā)EPS系統(tǒng)首先需要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配,基于有刷電機(jī)技術(shù)成熟,控制器簡(jiǎn)單,成本低,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多為有刷電機(jī)管柱式助力(即C-EPS),本文根據(jù)實(shí)際需要對(duì)C-EPS系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)進(jìn)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(jiǎn)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(dòng)效率高,制造成本低等優(yōu)點(diǎn),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(guò)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(yàn),汽車滿載時(shí)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(jiàn)右圖2),mm;

        δ—輪胎內(nèi)轉(zhuǎn)角,deg。

        2.2 最大齒條力計(jì)算

        當(dāng)汽車輪胎轉(zhuǎn)到極限位置時(shí),考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力,此時(shí)最大齒條力計(jì)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(zhǎng)度(圖3),mm。

        3 助力電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

        本文選用有刷電機(jī),減速機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿式,有刷電機(jī)常用減速比范圍在15~18.5,基于減速比越小其動(dòng)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(jī)額定轉(zhuǎn)矩的匹配

        汽車轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向管柱輸出力矩等于方向盤(pán)操縱力矩加上電機(jī)提供力矩,則有:

        其中:

        TC—轉(zhuǎn)向管柱輸出扭矩,N.m;Td—電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩,N·m;Th—最大方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩,N·m,取5N·m;η1—電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率,取0.9;η2—轉(zhuǎn)向中間軸傳動(dòng)效率,取1;η3—轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率;

        iw—減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比;F推—轉(zhuǎn)向管柱輸出齒條推力,N;θ—方向盤(pán)轉(zhuǎn)角,rad;

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

        3.2 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定功率的匹配

        方向盤(pán)手轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nv一般為60-70r/min,可取平均值65r/min計(jì)算[4],則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為:

        n=nv·iw (3-7)

        電機(jī)額定輸出功率計(jì)算:

        (3-8)

        通常有些電機(jī)廠會(huì)將電機(jī)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(jī)效率在45%~55%,負(fù)載轉(zhuǎn)速較高的電機(jī),效率將提高,根據(jù)電機(jī)輸入功率: P1=η·PN,又PN=UI,確定電機(jī)輸入電流[5]。為保證ECU功率模塊運(yùn)行安全,電機(jī)輸入電流IN應(yīng)該小于ECU輸出電流Iout,即:IN

        4 計(jì)算及實(shí)車驗(yàn)證

        4.1 計(jì)算驗(yàn)證

        以某車型為實(shí)例,進(jìn)行電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配的計(jì)算。輸入?yún)?shù)如下表1:

        選用有刷電機(jī)參數(shù)如表2:

        計(jì)算得:

        Fmax=5807N

        TD=3.1N<3.4N

        n=nv·iw=1072.5r/min<1180r/min

        PN=381.9W<420W

        綜上計(jì)算數(shù)據(jù),選用的有刷電機(jī)滿足系統(tǒng)匹配要求。

        4.2 實(shí)車驗(yàn)證

        根據(jù)選用的有刷電機(jī),實(shí)車安裝,在模擬輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)f=1.0的路面上,多組測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大齒條力均值:Fmax=5728N,與理論計(jì)算匹配數(shù)值相差79N。考慮實(shí)車與設(shè)計(jì)匹配的四輪定位等輸入?yún)?shù)誤差,理論計(jì)算匹配選用的電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文計(jì)算匹配方法的實(shí)用性。

        5 結(jié)語(yǔ)

        汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì),在開(kāi)始系統(tǒng)匹配時(shí)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(jì)時(shí)需要全面考慮。本文提供的計(jì)算匹配及驗(yàn)證方法,為縮短電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,減少設(shè)計(jì)重復(fù),降低成本,有力解決電機(jī)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配問(wèn)題提供了思路。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]王霄峰.汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)[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(jì)算與驗(yàn)證[J].客車技術(shù)與研究,2015.

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

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

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