汽車轉(zhuǎn)向系組成及主要性能參數(shù)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u82571.1引言 1139741.2電動助力轉(zhuǎn)向分類 1187301.3電動助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)及工作原理 3274261.3.1助力電機 4104451.3.2轉(zhuǎn)矩傳感器 4130601.3.3減速機構(gòu) 52321.4轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù) 5284351.4.1轉(zhuǎn)向系效率 512161.4.2原地阻力矩 6112961.4.3轉(zhuǎn)向盤力 686961.4.4轉(zhuǎn)向系傳動比 6197011.4.5轉(zhuǎn)向盤圈數(shù) 71.1引言本章對EPS系統(tǒng)的分類和工作原理進(jìn)行介紹。根據(jù)選定的新能源汽車車型，對齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的原地阻力矩、轉(zhuǎn)向系傳動比、方向盤圈數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。1.2電動助力轉(zhuǎn)向分類電動助力主要有三種布置形式，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1EPS布置形式（1）轉(zhuǎn)向軸助力式 將電機和減速機構(gòu)一起安裝在轉(zhuǎn)向軸上，電機輸出動力經(jīng)過減速器到達(dá)轉(zhuǎn)向軸，通常在小型乘用車上采用的較多。這種布置方式因為蝸輪蝸桿具有較大的傳動比所以可以采用轉(zhuǎn)矩較小的助力電機，減小電機的體積和成本。同時采用技術(shù)成熟的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單便于日常的維護(hù)檢修。但是助力電機靠近轉(zhuǎn)向盤，電機的振動會通過方向盤傳遞到駕駛員身上。本設(shè)計采用轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向。（2）齒輪助力式將助力電機安裝在轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向小齒輪附近，通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒輪進(jìn)行助力，多用于中型車輛上。齒輪助力式需要與轉(zhuǎn)向齒輪相連接，原有的轉(zhuǎn)向機構(gòu)不再適用，考慮助力轉(zhuǎn)矩的輸入需要對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行重新設(shè)計。因為電機的位置靠近汽車底部，工作環(huán)境比較惡劣，對助力機構(gòu)的密封性要求較高。而且助力機構(gòu)與轉(zhuǎn)向器為一體，在維修時會出現(xiàn)拆裝困難等問題。因為距離駕駛員和方向盤較遠(yuǎn)所以振動和噪聲對駕駛員的影響較小。（3）齒條助力式將助力電機布置在齒條附近，通過減速機構(gòu)將電機輸出動力進(jìn)行減速增矩對齒條進(jìn)行助力，多用于大型車。這種布置方式電機的位置處于汽車地板上下方工作的環(huán)境較惡劣，對助力機構(gòu)的密封性要求較高，但在安裝時靈活度較大。齒條直接控制轉(zhuǎn)向梯形，受到較大的阻力，所以需要增加電機的輸出轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到理想的助力效果。1.3電動助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)及工作原理圖2-2EPS結(jié)構(gòu)圖電動助力系統(tǒng)主要在傳統(tǒng)機械式轉(zhuǎn)向管柱上增加轉(zhuǎn)矩傳感器、ECU、減速器和助力電機組成。轉(zhuǎn)矩傳感器用于采集方向盤轉(zhuǎn)矩，減速器進(jìn)行增矩，電控單元根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)矩和車速計算助力電流。轉(zhuǎn)矩傳感器采集方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩并輸出給ECU，ECU通過從汽車CAN總線中獲取車速信息，結(jié)合車速和方向盤轉(zhuǎn)矩的輸入計算出合適的助力電流輸出給電機控制器使電機輸出對應(yīng)的助力轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)向小齒輪驅(qū)動齒條帶動轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。1.3.1助力電機助力電機式電動助力的核心構(gòu)件之一，是為轉(zhuǎn)向機構(gòu)提供助力的核心元件。助力電機在滿足轉(zhuǎn)矩要求時，還要求電機的轉(zhuǎn)動慣量小、體積不能太大、噪聲和振動對駕駛員的影響較小。目前小轎車上用的多為12V輔助電源，可以使用12V的永磁無刷電機，該電機無需換向器，性能可靠便于檢修。如圖2-3：圖2-3直流無刷電機1.3.2轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器測量方向盤傳遞到轉(zhuǎn)向管柱上的轉(zhuǎn)矩和方向盤的轉(zhuǎn)角，對于轉(zhuǎn)矩傳感器要求精度高、響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性較好。轉(zhuǎn)矩傳感器采集的數(shù)據(jù)對于整個EPS系統(tǒng)的性能具有重要作用。在對精度要求不高時通常采用成本低的接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器，在要求精度高時采用非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器但成本高。應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)矩傳感器有NXK轉(zhuǎn)矩傳感器和BI的復(fù)合傳感器。 圖2-4接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器圖2-5非接觸式轉(zhuǎn)矩傳感器1.3.3減速機構(gòu)助力減速機構(gòu)是電機動力傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向軸的動力傳遞機構(gòu)，作用是對電機輸出的動力減速增矩。常規(guī)的行星齒輪減速器在體積大小相同時傳動比不如蝸輪蝸桿減速機構(gòu)的傳動比大，所以蝸輪蝸桿減速器在體積和可靠性方面具有一定的優(yōu)勢，因此采用蝸輪蝸桿減速器。圖2-7行星齒輪減速器圖2-8蝸輪蝸桿減速器衡量減速器的減速效果最重要的參數(shù)就是減速比，它主要取決于汽車前軸的載荷和電機輸出的轉(zhuǎn)矩大小。同時還影響著整個EPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)NHTSA調(diào)查得知：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速范圍較大，轉(zhuǎn)速最大可以達(dá)到，所以減速機構(gòu)輸出的臨界助力轉(zhuǎn)速要比駕駛員在緊急避險時的轉(zhuǎn)速要大REF_Ref1002\w\h[23]，所以本設(shè)計蝸輪蝸桿的減速比設(shè)定為。1.4轉(zhuǎn)向器主要性能參數(shù)本設(shè)計主要參考國內(nèi)現(xiàn)有的純電動汽車選取汽車的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，主要參數(shù)如下表2-1所示：表2-1汽車主要參數(shù)名稱數(shù)值軸距2700mm汽車最大總質(zhì)量1525kg空載前軸載荷分配54%輪胎氣壓0.22MPa滑動摩擦系數(shù)0.71.4.1轉(zhuǎn)向系效率轉(zhuǎn)向器的效率有正效率和逆效率，駕駛員從方向盤輸入的轉(zhuǎn)矩功率經(jīng)過轉(zhuǎn)向軸到轉(zhuǎn)向搖臂的功率傳遞路線所求出來的效率為正效率，逆效率則與之相反。正效率越高駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時就越輕便，逆效率越高傳遞到方向盤上的路感就越強，但是逆效率不能太大否則就會打手REF_Ref13977\w\h[14]。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的正效率取，而轉(zhuǎn)向系效率通常在之間。轉(zhuǎn)向系效率為轉(zhuǎn)向器效率和轉(zhuǎn)向機構(gòu)效率乘積，即，所以轉(zhuǎn)向機構(gòu)效率取0.9，計算得轉(zhuǎn)向系正效率。1.4.2原地阻力矩汽車在原地轉(zhuǎn)向時，輪胎和地面會產(chǎn)生滑動摩擦進(jìn)而產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)向的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR。在汽車的速度提高時滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，阻力矩變小。原地阻力矩經(jīng)驗公式： （2-1）式中，f——摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗一般取0.7G1——前軸載荷，N，G1=m·g·0.54p——輪胎氣壓，取0.22MPa最后根據(jù)計算可以得出原地阻力矩MR=360.66N·m1.4.3轉(zhuǎn)向盤力 作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩與上駕駛員施加的切向力和方向盤直徑有關(guān)，即： （2-2）根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)Qc/T480-1999汽車操穩(wěn)性評定方法中，規(guī)定小型乘用車的方向盤上切向力為之間，為了方便后續(xù)計算所以選取，式中在380~550mm之間，取420mm，計算方向盤上的轉(zhuǎn)矩取整得。1.4.4轉(zhuǎn)向系傳動比（1）轉(zhuǎn)向系角傳動比轉(zhuǎn)向系傳動比包括角傳動比和力傳動比。駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤是否輕便取決與力傳動比，但角傳動比也會隨力傳動比在增大，轉(zhuǎn)向就會變得不靈敏。轉(zhuǎn)向系的“輕”與“靈”一直都是相矛盾的。轉(zhuǎn)向系角傳動比為轉(zhuǎn)向盤角速度和同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)角速度的比值REF_Ref24633\r\h[27]。即： （2-3）式中，——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量——轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量——時間增量摩擦損失不計，由能量守恒定律可知： （2-4）其中為原地阻力矩，為方向盤轉(zhuǎn)矩計算得出。（2）轉(zhuǎn)向器傳動比同時轉(zhuǎn)向系傳動比與傳動機構(gòu)角傳動比和轉(zhuǎn)向器角傳動比有關(guān)，即： （2-5）其中，——轉(zhuǎn)向器角傳動比——傳動機構(gòu)角傳動比，在之間選取，取計算得轉(zhuǎn)向器角傳動比為21.2。（3）轉(zhuǎn)向系力傳動比力傳動比為兩個轉(zhuǎn)向輪胎和地面的轉(zhuǎn)向阻力和方向盤上的手力之比REF_Ref24633\r\h[27]，即，地面對輪胎轉(zhuǎn)向阻力： （2-6）其中a——主銷偏移距，一般為輪胎寬度的倍，取將式（1.6）帶入得力傳動比： （2-7）式中輪胎規(guī)格為19