吕祥 　张晶　韦锦佳　刘春元　杨魏绮

摘 要：转向系统是汽车重要的组成部分，本文根据实际工作情况，介绍了汽车电动助力转向系统计算匹配，并验证了该方法的實用可行性。

关键词：电动助力转向系统匹配；齿条力；电机匹配

1 引言

转向系统影响着汽车行驶中的操纵稳定性以及行车安全，是汽车重要的系统之一。电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）具有节能、环保、高效等诸多优势，成为目前转向系统发展的主流趋势。

电动助力系统基本工作原理：当驾驶员转动方向盘时，控制器接收外部输入信号进而控制电机产生适当的助力大小及方向，为汽车转向提供助力。开发EPS系统首先需要对转向系统进行合理匹配，基于有刷电机技术成熟，控制器简单，成本低，国内生产的电动助力转向系统多为有刷电机管柱式助力（即C-EPS），本文根据实际需要对C-EPS系统（见图1）进行匹配。

2 转向器匹配

转向器是汽车转向系统的核心部件，汽车上常用的转向器较多为齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。齿轮齿条转向器结构简单、紧凑，质量小，布置占用体积小，省去循环球式转向器的直拉杆和转向摇臂结构，传动效率高，制造成本低等优点，广泛应用于乘用车上[1]。本文选用齿轮齿条式转向器。

2.1 转向器最大输出转矩

汽车转向过程中主要克服原地转向阻力矩、重力回正力矩、转向系统内部摩擦阻力。根据经验，汽车满载时原地转向到极限具有最大的转向阻力矩，转向器的最大输出转矩应根据这一工况满足下式：

其中：

R—轮胎静半径，mm；

σ—主销内倾角，deg；

rs—主销偏移距（见右图2），mm；

δ—轮胎内转角，deg。

2.2 最大齿条力计算

当汽车轮胎转到极限位置时，考虑转向系统内部摩擦阻力，此时最大齿条力计算如下公式：

（2-4）

其中：Fmax—最大齿条力，N；

Ff—转向系统内部摩擦阻力，取Ff=200N；

L—转向节臂有效长度（图3），mm。

3 助力电机及减速机构匹配设计

本文选用有刷电机，减速机构为蜗轮蜗杆式，有刷电机常用减速比范围在15～18.5，基于减速比越小其动态性能影响越好，在满足输出扭矩的条件下，尽量选取小的减速比。

3.1 电机额定转矩的匹配

汽车转向时，转向管柱输出力矩等于方向盘操纵力矩加上电机提供力矩，则有：

其中：

TC—转向管柱输出扭矩，N.m；Td—电机输出最大转矩，N·m；Th—最大方向盘转矩，N·m，取5N·m；η1—电机及减速机构传动效率，取0.9；η2—转向中间轴传动效率，取1；η3—转向器传动效率；

iw—减速机构传动比；F推—转向管柱输出齿条推力，N；θ—方向盘转角，rad；

S—齿条全行程，mm；C—转向器线角传动比，mm/rev；n—方向盘圈数。

3.2 电机额定转速和额定功率的匹配

方向盘手转转速nv一般为60-70r/min，可取平均值65r/min计算[4]，则电机额定转速为：

n=nv·iw （3-7）

电机额定输出功率计算：

（3-8）

通常有些电机厂会将电机额定转速圆整，但圆整公差大小应该小于30r/min。

3.3 电流匹配

一般电机效率在45%～55%，负载转速较高的电机，效率将提高，根据电机输入功率： P1=η·PN，又PN=UI，确定电机输入电流[5]。为保证ECU功率模块运行安全，电机输入电流IN应该小于ECU输出电流Iout，即：IN

4 计算及实车验证

4.1 计算验证

以某车型为实例，进行电动助力转向系统匹配的计算。输入参数如下表1：

选用有刷电机参数如表2：

计算得：

Fmax=5807N

TD=3.1N<3.4N

n=nv·iw=1072.5r/min<1180r/min

PN=381.9W<420W

综上计算数据，选用的有刷电机满足系统匹配要求。

4.2 实车验证

根据选用的有刷电机，实车安装，在模拟轮胎与地面间的滑动摩擦系数f=1.0的路面上，多组测试转向系统最大齿条力均值：Fmax=5728N，与理论计算匹配数值相差79N。考虑实车与设计匹配的四轮定位等输入参数误差，理论计算匹配选用的电机符合设计要求，进一步验证了本文计算匹配方法的实用性。

5 结语

汽车电动助力转向系统设计，在开始系统匹配时尤为重要，基于输入参数较多及相互关联影响变化，匹配设计时需要全面考虑。本文提供的计算匹配及验证方法，为缩短电动助力转向系统开发周期，减少设计重复，降低成本，有力解决电机和电动助力转向系统匹配问题提供了思路。

参考文献：

[1]王望予.汽车设计（第四版）.北京：机械工业出版社，2003.

[2]王霄峰.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]王文建，张雷.转向器最大齿条力的计算与验证[J].客车技术与研究，2015.

[4]祁丽华，王睿.EPS电动转向系统有刷电机的选择[J].科技与企业，2012.

[5]向金权.汽车电动助力转向系统电机匹配技术浅析[J].研究与开发，2013.