0 引 言

以某款汽油車型改款純電動汽車為例，探討轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在純電動車型上的開發(fā)設(shè)計。由于汽車動力系統(tǒng)改變，取消了內(nèi)燃機(jī)，同時取消了由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的液壓助力泵，因此需要尋找新的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。對于純電動車最優(yōu)選方案是全部采用電氣化設(shè)備，即選用EPS（Electrical Power Steering System，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），依靠電機(jī)提供輔助扭矩的轉(zhuǎn)向助力。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可選擇的方案有3 種：EHPS （ Electrically Powered Hydraulic Steering System，電動液壓助力轉(zhuǎn)向），C-EPS（Column Type Electrical Power Steering System, 轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向），R-EPS（Rack Type Electrical Power Steering System, 齒條式電動助力轉(zhuǎn)向）。3 種方案的優(yōu)缺點對比見表1。



綜合考慮功能實現(xiàn)、成本優(yōu)化、批量生產(chǎn)等因素，最終在公司現(xiàn)有車型上選擇借用C-EPS 方案。C-EPS 是在轉(zhuǎn)向管柱上加裝轉(zhuǎn)向助力模塊，通過電機(jī)達(dá)到助力效果。助力模塊包含扭矩和角度傳感器、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和ECU（Electronic Control Unit ，電子控制單元）。EPS 的工作原理是駕駛員操控轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，扭矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的扭矩；車速傳感器測出車輛的行駛速度，將這個信號輸送到ECU，ECU 根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計算出助力力矩，以電流信號形式向電機(jī)控制器發(fā)出指令；電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力扭矩，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)作用在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

C-EPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是基于原車型基礎(chǔ)開發(fā)，為保證整車布置變化量最小，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點不變。由于轉(zhuǎn)向管柱總成集成電子助力模塊，導(dǎo)致體積增大，需考慮部件的空間布置。同時，轉(zhuǎn)向管柱總成重量增加，需對其下安裝支架進(jìn)行重新設(shè)計，儀表橫梁支架的剛性需要相應(yīng)增大。綜合考慮整車通用化及相關(guān)部件變更最小化，轉(zhuǎn)向管柱總成的安裝形式仍采用原車型的4 點式固定方式，滿足強度要求?？紤]車輛碰撞法規(guī)要求，管柱的潰縮行程需不小于50 mm。

C-EPS 轉(zhuǎn)向傳動軸所傳遞的扭矩相比原車型更大，因此軸的直徑增加，外徑由Φ22.5 mm 增加至Φ24 mm。由于硬點不變，相位角保持在（19.5±1.5）°，小于設(shè)計要求值30 °，有利于轉(zhuǎn)向力矩波動控制在±5%范圍內(nèi)。

采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)替換原車液壓式齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)，所以取消液壓缸，齒輪室沒有油孔，小齒輪無需配置油路，相比原結(jié)構(gòu)簡化。機(jī)械式齒條直徑由Φ24 mm 增加至Φ25 mm，以輸出更大扭矩，同時線角傳動比增大，改善轉(zhuǎn)向響應(yīng)。汽油車與電動車的轉(zhuǎn)向部件實物對比見表2。



3 計算校核及助力性能設(shè)計

車輛的動力系統(tǒng)變更為動力電池模塊，整車重量增加255 kg，前軸重量增加71 kg，見表3。轉(zhuǎn)向器輸出扭矩增大，對轉(zhuǎn)向器輸出扭矩和電機(jī)助力進(jìn)行計算校核。



3.1 轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩

汽車轉(zhuǎn)向過程中主要克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩、重力回正力矩和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)驗，汽車滿載時原地轉(zhuǎn)向需克服的轉(zhuǎn)向阻力矩和回正力矩都是最大。

轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩滿足式（1）



式中：TMAX 為轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩；Mr 為原地轉(zhuǎn)向阻力矩；MG 為重力回正力矩。

原地轉(zhuǎn)向阻力矩，根據(jù)半經(jīng)驗公式（2）得到



式中：f 為輪胎和路面的滑動摩擦系數(shù)，取值0.7；G1 為滿載前軸載荷，kg；P 為輪胎氣壓，MPa。

回正力矩為



式中：R 為輪胎靜半徑，mm；σ為主銷內(nèi)傾角，°；rs 為主銷偏移距，mm；δ為輪胎內(nèi)轉(zhuǎn)角，°。


最大齒條力為



式中：FR 為最大齒條力，N；Ff 為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦力，取值200 N；L 為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，mm。

3.2 EPS 電機(jī)助力性能校核

從現(xiàn)有產(chǎn)品庫中，選擇無刷交流電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿式。根據(jù)EPS 工作原理，作用在轉(zhuǎn)向盤上的人手力矩加上電機(jī)助力通過轉(zhuǎn)向傳動軸作用在轉(zhuǎn)向器上。轉(zhuǎn)向器的齒輪與齒條配合，轉(zhuǎn)為齒條輸出力，通過拉桿推動車輪轉(zhuǎn)向。具體公式為



得出公式



考慮電機(jī)需要有10%的設(shè)計余量，得出



式中：TM 為電機(jī)計算得出的輸出扭矩，Nm；TM＇為留有10%設(shè)計余量的輸出扭矩，Nm；i 為減速機(jī)構(gòu)傳動比；TH 為人手最大操縱力，取值8 Nm；S 為轉(zhuǎn)向器線角傳動比，mm/rev，取值見表3；EPS減速機(jī)構(gòu)傳動效率ηG=0.9；中間傳動軸傳動效率ηU=1；轉(zhuǎn)向器傳動效率ηP=0.9；其他參數(shù)見表4。



結(jié)合表3 計算得：Mr=603.8 Nm，MG=89.7 Nm，F(xiàn)R=8 868.6 N。

將數(shù)值代入式（ 6 ）， 得出TM=3.11 Nm,（1+10%）×TM=3.42 Nm＜3.7 Nm（選用電機(jī)的額定扭矩），因此選用的無刷電機(jī)可以滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求。

3.3 助力性能設(shè)計及評價

EPS 需要對助力參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終滿足轉(zhuǎn)向性能要求。由于前述電動助力模塊是借用傳統(tǒng)汽油車車型，所以需對現(xiàn)有車型進(jìn)行助力特性曲線優(yōu)化，如圖1 所示。助力特性曲線的橫軸為轉(zhuǎn)向盤處的扭矩輸入，縱軸為控制助力的電流輸出，不同曲線代表不同車速下的助力特性。曲線從上到下的車速逐級增加，范圍為0～120 km/h，共選擇了8 條曲線，如圖1（a）所示。



為了改善駐車及低速行駛時人手操縱力重的問題，增加了駐車狀態(tài)和低速曲線的斜率，增大了電機(jī)助力；為了改善中高速轉(zhuǎn)向時人手操縱力輕的問題，減小了中高速曲線的斜率，減少電機(jī)助力，增大車輛高速行駛時人手操縱力；為了增加轉(zhuǎn)向響應(yīng)的靈敏度，調(diào)整了曲線橫坐標(biāo)起始點，增強中心感；為了增加轉(zhuǎn)向線性感，對不同車速曲線的間隔進(jìn)行調(diào)整，使全車速的駕駛力均勻增加。優(yōu)化后曲線如圖1（b）所示。

通過以上優(yōu)化，得到如下主觀評價結(jié)果：

1）靜態(tài)下，曲線坡度增加，使車輛靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向力減少；

2）動態(tài)時，在高速區(qū)間減小轉(zhuǎn)向助力，改善操縱穩(wěn)定感；

3）全車速范圍內(nèi)，中心感及轉(zhuǎn)向力增大；

4）全車速范圍內(nèi)，改善轉(zhuǎn)向線性感。

4 實車驗證

將優(yōu)化后的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行實車驗證。在一般道路行駛1 500 km 進(jìn)行磨合試驗；在試驗場的長直路段和高環(huán)路進(jìn)行性能試驗；分別在城市工況、強化路、20%爬坡和高環(huán)路進(jìn)行里程1 500 km 的可靠性試驗；最后分別在城市工況、山路和一般公路進(jìn)行里程27 000 km 的實際道路試驗。

試驗結(jié)果表明該款純電動車的電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)滿足轉(zhuǎn)向性能要求，試驗過程中無批量性不良問題發(fā)生。

5 總 結(jié)

介紹了某款汽油車改制為純電動車過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓助力改為電動助力的設(shè)計開發(fā)方案。

1）技術(shù)方案研討。在選擇電動助力方案時，需要綜合考慮功能實現(xiàn)、成本優(yōu)化、批量生產(chǎn)等因素，為實現(xiàn)成本最低、開發(fā)周期最短、可靠性強，最終選擇借用公司現(xiàn)有車型的助力模塊，采用管柱式電動助力方案。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝方案?？紤]到使整車布置的變化量最小，則在硬點不變的原則下進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。轉(zhuǎn)向管柱增加助力模塊，體積和重量相應(yīng)增加，需要變更安裝方式。同時轉(zhuǎn)向傳動軸的直徑增大，實現(xiàn)傳遞更大扭矩。轉(zhuǎn)向器由液壓式變?yōu)闄C(jī)械式，為提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)，增大齒輪齒條的傳動比。

3）設(shè)計計算校核。電動車的前軸重量增加，轉(zhuǎn)向扭矩增大，對轉(zhuǎn)向器齒條最大拉力進(jìn)行計算，校核電機(jī)助力可以滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩要求。

4）助力性能設(shè)計。助力特性影響駕駛轉(zhuǎn)向性能，整車狀態(tài)下調(diào)試EPS，對助力曲線進(jìn)行優(yōu)化，實車評價滿足設(shè)計要求。