带轴向平行驱动的电子机械式转向系统设计

张锦春

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摘 要

汽车转向系统按转向的能源不同分为机械式转向系统和动力式转向系统两类。随着科技的发展，社会的进步，电动助力转向系统也会紧跟科技的步伐，一步一步应用到更多的汽车中，当下的人们一直追逐的是方便、快捷、舒适。本文中电子机械式助力转向系统就是一种新型的转向系统，其特有的助力方式必然会给驾驶者带来良好的舒适感，从而更好地控制汽车的行驶方向。助力转向系统在当代轿车中应用前景也十分广阔。

关键词： 助力转向系统；转向器；滚珠丝杠；传感器；电动机；齿轮

1　带轴向平行驱动的电子机械式转向系统

1.1.EPS与HPS对比

在提供转向助力上，这两个系统的区别为：

液压助力转向系统（HPS）是通过液压缸产生助力，这个助力直接作用在齿条上，助力是由液压泵产生的压能来产生的，液压缸的控制是通过转向转阀来进行的。

电动助力转向系统（EPS）是通过借助电动机产生助力，电动机的力通过伺服增力传动机构传递给齿条或者转向管柱，电动机的能量来自整个电网的电能，电动机是通过一个电子功率原件来进行控制的，该原件大多集成在EPS的电子控制器上。

1.2 EPS系统的结构形式

1）EPSc管柱式

EPSc的伺服传动机构为非自锁式的蜗杆传动，电动机的输出轴与蜗杆固定连接，涡轮和转向柱进行连接，因为伺服单元的助力通过转向管柱、转向中间轴和转向小齿轮进行传递，例如：假如为了在转向管柱上实现长度的调整，那么需要在转向轴中增加滑动机构来实现调节功能，转向管柱上的力矩增大，则滑动机构的强度必须更高，成本会更高，对于EPSc来说比较困难的是碰撞性能，因为整个伺服机构布置在转向管柱的上部，离驾驶员很近。

2）EPSp小齿轮式

在EPSp中伺服单元直接布置在转向小齿轮上，电机产生的辅助力矩借助蜗杆传动机构直接传递给转向小齿轮和齿条，EPSp能够产生比EPSc大一些的转向功率，因为其力矩不经过转向管柱和转向中间轴，EPSp的伺服单元在发动机的内舱里，因此在耐高温和抗震方面要求更高，这种系统的整总布置总会受到限制，EPSp的伺服单元只能绕着转向小齿轮的轴进行布置，另外该系统布置在驾驶人脚部空间范围内，还要确保在碰撞过程中伺服单元不会侵入到脚部中间。

3）EPSdp双小齿轮式

在EPSdp中，伺服单元布置在第二个小齿轮上，传感器和驱动机构在空间上分开，这样驱动小齿轮的传动和转向传动比没有关系，可以进一步提高功率，伺服单元的位置可以根据蜗杆传动机构匹配在转向齿条径向360°的方向上定位，这个特点使得既使转向的安装空间很苛刻也可以找到恰当的位置布置伺服单元和安全性。

4）EPSapa平行轴式

EPSapa的特点是传动机构平行于齿条，其系统摩擦较小，可带来较高的作用效率，在这种转向形式中，电动机产生的助力借助循环球和带组合传递给齿条，其中循环机构把电动机的旋转运动转换成齿条的平移运动，这种助力系统的传动形式要求电动机必须与齿条平行布置，在满足这个要求的前提下，伺服单元可以绕齿轮齿条随意布置，充分利用安装空间。

5）EPSrc同轴式

在同轴式转向系统中传动机构为循环球传动，把电机的旋转运动转换为齿条的平移运动，和EPSapa不同的是，EPSrc是直接电机驱动，因此EPSrc少了一层减速比，因为又是通州结构，电动机必须为中空轴特殊结构，这样齿条才能被电动机驱动，尽管EPSrc同轴式结构紧凑，但是在结构形式上仍有缺陷，带循环求机构的电动机的布置只能在齿轮轴向上很小的范围内进行。

2　齿轮齿条式转向器设计

2.1　转向器的基本设计

2.1.1齿条力

泊车时的齿条力决定了转向系统的尺寸大小，齿条力的大小为左右横拉杆之和，影响泊车齿条力大小的重要因素有悬架的运动参数、前桥载荷、轮胎规格、轮胎汽车和路面摩擦等等。

2.1.2 转向功率

机械转向功率可以从要求的转向角速度即齿条速度和齿条合力计算得出，机械转向功率可以看做是电动助力系统（EPS）的转向动力学指标。

2.1.3 转向摩擦

转向系统中的摩擦具有特别重要的意义，转向系统摩擦会影响车辆的行驶性能和转向性能，同时也会影响人的主观感觉，齿轮齿条转向器由于其结构特性^[3]决定了其最为主要的摩擦部件，齿条相对于支撑件以及密封件的相对运动产生摩擦，在电动助力转向系统中，旋转的机械部件相对于液压助力转向系统会产生更大的系统摩擦，转向器摩擦根据其方式和大小不同而起着正面和负面作用。

2.2　传动比的特性

转向系的传动比包括两种：转向系的力传动比 和转向系的角传动比 。

1.力传动比：地面输入给两个转向轮的合力 比上传给转向盘的手力

所得结果为转向系力传动比。即

（3-1）

2.角传动比：转向盘转动角速度 与同侧转向节偏转角速度 的比值。即

（3-2）

式中 ——转向盘转角增量；

为转向节转角增量；

为时间增量。它又由转向器角传动比 和转向传动机构角传动比 所组,即

（3-3）

转向盘角速度与摇臂轴转动角速度之比，称为转向器角传动比, 即

（3-4）

式中 ——为摇臂轴转角增量；

此式除了齿轮齿条式转向器^[5]之外均可用。

摇臂轴转动角速度 与同侧转向节偏转角速度 之比，称为转向传动机构的角传动比 即

（3-5）

3　EPS转向助力系统的设计

3.1　伺服传动机构

伺服传动机构主要功用是把电机产生的辅助力矩传递给齿条，即把伺服电机的旋转运动转化为齿条的平移运动，在功率的传递过程中，根据要求的输出功率与可以输出的功率之间不同的特性，伺服传动机构可以产生一定的力矩和转速，本次设计中采用的伺服传动主要是转向电机带动小齿轮通过齿轮带带动大齿轮和滚珠丝杠助力机构进行转动。带轴向平行驱动以及滚珠丝杠转向器的电子机械式转向系统是目前性能最强大的转向系统之一。助力单元的特殊结构及其很小的内部摩使该转向系统在减少颠簸的同时带来高水平的转向感。滚珠丝杠传动装置和电机的惯性质量块可以完全抵消由路面导致的颠簸。

3.2　助力电机的选取

在最初的EPS系统中仅仅采用有刷永磁电动机，可以通过车辆的直流电压很方便的对这种电动机进行控制，随着它越来越多应用到中级车和高级车上，对转向功率的要求越来越高，并随着微处理器和整流技术的飞速发展，现在越来越多的应用无刷旋转磁场感应电动机，这种电动机通过一个整流器和一个随磁场变化的控制器进行控制.

助力电机的主要技术要求如下：

1.较大的输出功率，取决于车辆级别，必须能够覆盖泊车和变道工况中的功率峰值。

2.较高的功率密度和作用效率，因为安装控件和车载电源的功率有限

3.工作中能够提供较大的力矩，启动时力矩较小，以便得到持续均衡的转向助力。

4.很好的电机动态性能，其基础是较小的电动机响应时间常数和较小的转动惯量。

5.应该用永磁电动机，必须有专门的绕组开关减小过大的制动力矩。

再转向时，电动机的噪声应小。

结论

本文介绍的是电子机械式助力转向系统，它是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。它的作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求和意图适时地改变汽车的行驶方向，或者是在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此转向系统的性能的好坏对汽车的操纵稳定性和安全性具有重要的意义。

_{参考文献：}

[1]王兆安,刘进军,电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2009

[2]杨祚新.电磁铁应用设计计算方法[J].机床电气，1996（1）：44～46

[3]李军，邢俊文，覃文浩，等，ADANS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002

作者姓名：张锦春，性别：女，籍贯：辽宁省锦州市，学历：大学本科，学校：吉林农业大学，研究方向；电子

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