電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在汽車上的應(yīng)用

電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在汽車上的應(yīng)用

1自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置簡稱eps的選擇1.1ep的設(shè)計(jì)和選擇原則1.1.1助力源的選擇支持意愿的北京大學(xué)的規(guī)模由以下三個(gè)因素決定。(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12V,柴油車電壓為24V。對(duì)于耗電量較小的緊湊型小車可以采用C-EPS。對(duì)于載重量較大的車輛采用P-EPS,對(duì)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刑罰執(zhí)行或裝復(fù)機(jī),可選擇可吸能的轉(zhuǎn)向柱和發(fā)動(dòng)機(jī)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不同的ps結(jié)構(gòu)的應(yīng)用1.2.1使用的范圍和使用范圍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1t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(duì)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雙小齒輪結(jié)構(gòu)p-利用p-eps的優(yōu)勢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(duì)減速蝸桿蝸輪對(duì)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(duì)一側(cè)。1.2.3種為電機(jī)方向的r型形式的電機(jī)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。現(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R-EPS產(chǎn)品。1.2.4新型電動(dòng)轉(zhuǎn)向器這是一種將電機(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。1.3b轉(zhuǎn)向管柱及驅(qū)動(dòng)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(duì)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?這對(duì)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。控制器與總線的通訊協(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127mm。(8)根據(jù)需要加裝隔熱裝置。2匹配問題2.1epd的范圍根據(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)的調(diào)整(1)電機(jī)的性能要求在選用電機(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(duì)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(duì)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(duì)蓄電池的容量也造成一定的影響。(2)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)功率的影響方向盤使用的最大轉(zhuǎn)速對(duì)轎車、微型車而言應(yīng)該是60~90r/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1400~1500r/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170W電機(jī)測試數(shù)據(jù),可以看出相應(yīng)電機(jī)1000r/min時(shí),該電機(jī)的輸出功率最大為139.8W,此時(shí)電壓為11.8V,電流為24.9A。也就是說方向盤的使用最大轉(zhuǎn)速為60r/min時(shí)正處于電機(jī)的輸出功率最大狀態(tài)。2.3傳感器表面波式(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針對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)向器的性能要求設(shè)計(jì)(1)適當(dāng)降低助力,盡量減弱配合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(duì)較低(2)回轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)向速度的測量如果駕駛員在轉(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?？刂茊卧鶕?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)電機(jī)反向加力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(duì)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(duì)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)電動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器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