循环球电动转向器的研制

2012-08-29毕大宁康富生马慧

汽车零部件 2012年1期

关键词：转向器扭矩助力

毕大宁，康富生，马慧

(1.山东先河悦新机电股份有限公司，山东淄博255120;2.北京汽车股份有限公司汽车工程研究院，北京100021)

作为我国完全自主创新的汽车电动转向器产品——循环球电动转向器经过10年的开发已经成功了。下面主要就该产品的特点做一阐述。

1 循环球电动转向器的分类属性及基本性能特点

循环球电动转向器是电动转向器的一种专门用于各种轻型到重型货车和客车的电动转向系统。循环球电动转向器是具有完全自有知识产权的新型汽车零部件产品，完全是具有中国特色的高科技产品。循环球电动转向器拥有我国三个已批专利保护。

表1 电动转向器分类

循环球电动转向器是电动转向器其中的一种分支。它同样有电动转向系统的各种特点。它是专门为各种商用车、客车等带有车架的车辆的转向系统设计的。在独立悬挂的车型中也有采用循环球电动转向器，但是采用了复杂的转向杆系，如江铃皮卡、北汽勇士牌军车等。

循环球电动转向器也是一种通过电机为驾驶员操纵转向系统提供助力的装置。这种助力的大小同样是由控制器 (ECU)通过PWM方式输出电流对电机进行控制的。通过控制器的控制可以在驾驶员操纵汽车转向过程中向电机提供最理想的电流，从而控制电机提供最佳助力进行工作。ECU采集的信号来自扭矩传感器、车速传感器和发动机的信号。扭矩传感器的信号来自于转向轴内部安装的一根扭杆，其两端在外力作用下产生相对扭转角度，反映到扭矩传感器上，转向力的扭矩大小与扭杆的扭转角度和成正比;角度传感器是随转向轴车速传感器安装在轿车变速器上，也可以直接从电子仪表盘上取得，它反映的是变化的汽车行驶速度。发动机信号取自发动机点火线圈。

循环球电动转向器同样实现了电动转向器以下几方面更好的转向性能:

(1)从根本上提高了汽车操纵稳定性;

(2)有较好的汽车转向轻便性;

(3)有较好的汽车安全性;

(4)降低了发动机功率损耗;

(5)节省了油料;

(6)减少了污染;

(7)提高了转向系统低温工作性能。

2 循环球助力式电动转向器的开发

2.1 循环球助力式电动转向器的设计思路

(1)循环球助力式电动转向器与其他电动转向装置一样，都由减速器部分、机械转向部分、传感器部分、助力电机组成。关键是其组成结构不同，虽然作用原理是基本一样的。循环球助力式电动转向器的机械转向部分是循环球转向器结构，这是这种电动转向器与齿轮齿条助力式电动转向器和电动转向管柱的区别。

(2)循环球助力式电动转向器本身基本结构一样，都有减速器部分、循环球转向机构部分、传感器部分、助力电机。但是不同汽车车型的转向器也有以下不同之处:

根据汽车车型整车重量不同、前轴负荷不同，螺杆螺母的模数不同;

根据汽车车型整车不同，转向器与车架连接结构不同;

根据不同车型对转向器输出力矩要求不同，各种电动转向器电机匹配不同;

根据不同转向器所配扭矩传感器不同，其相应结构也有不同;

同样不同车型对电动转向器的性能要求不同，扭杆的刚性、尺寸不同。

2.2 循环球助力式电动转向器的结构设计

(1)循环球助力式电动转向器结构如图1所示，显示的是一种典型循环球电动转向器结构图。在循环球电动转向器中，扭矩传感器，直流电机，减速装置和循环球机械转向器是安装成一体的。转向传动轴是独立的，它与机械转向器输入轴机械相连;而控制器与扭矩传感器、直流电机是用电线束相连的。传感器有电位计式，更多的是安装BI传感器的具有主动回正能力的循环球电动转向器。

(2)循环球助力式电动转向器的设计首要的是确定设计载荷:根据汽车车型整车重量不同、前轴负荷不同，螺杆螺母的模数不同。车型从轻型汽车到重型汽车，其螺杆螺母的模数从4到8或更大。

(3)循环球助力式电动转向器的连接支架的设计要根据汽车车型整车不同、转向器与车架连接结构不同，因此转向器的支架部分与车架连接尺寸和形状都不同。

(4)循环球助力式电动转向器所配电机的选择要根据不同车型对转向器输出力矩要求不同，各种电动转向器所配不同输出扭矩的电机不同。实际是电动转向器的匹配问题。

(5)循环球助力式电动转向器传感器的选择:根据不同转向器所配扭矩传感器不同，其相应结构也有不同。EPS传感器有电位计式、BI传感器、海拉传感器等，其相应的连接结构也必须有相应改动。

(6)循环球助力式电动转向器扭杆的选择:根据转向器不同输出扭矩和性能要求不同，同样不同车型对电动转向器的性能要求不同，扭杆的刚性、尺寸不同。

图1就是一个典型的循环球助力式电动转向器，它是专门为2吨货车设计的。

这种循环球电动转向器的结构在主传动机构中采用的就是螺杆螺母 (滚珠丝杠各种结构+齿条齿扇结构，是典型的循环球转向器结构，是按2吨车机械转向器的参数设计的 (螺杆螺母、齿条齿扇))。在该转向器上部，加装了与电机相连接的蜗轮蜗杆减速器部分，可以实现电机助力和减低转速、增大蜗杆转动扭矩的作用。在转向器转向轴与螺杆之间安装了一个弹性扭杆，在转向轴转动时与螺杆之间产生相对转角，用它可以反映出转动转向器转向轴的转动力矩。在转向轴与螺杆的相应端部也有转角限位结构，可以是一字型、花键式等各种结构，实现两者之间± (6°～8°)的相对转角。这个相对转角与方向盘转向力矩成正比，通过传感器可以反映出产生的转向力矩信号，传到所配的控制器，通过计算机进一步的处理，由控制器发出电机的控制电流，使助力电机产生助力扭矩，对转向器起助力作用。

该循环球电动转向器与车架的连接支架结构是与同类机械转向器的连接结构和尺寸是相同的，在汽车上去掉原机械转向器，安装上该电动转向器就可以了，完全可以做到互换的。

该循环球电动转向器中的蜗轮蜗杆的设计，是按照电机转速与要求的转向轴转速相关的关系做的。它们的速比应基本满足转向器60～90 r/min的要求，中重型车为下限，轻型车可以根据用户要求相对提高。只有高档轿车才能到上限，但这是齿轮齿条转向器才需要的。

该循环球电动转向器采用的传感器可以是电位计式、选变式、霍尔式、电磁感应接触式或非接触式。

该循环球电动转向器采用的助力电机可以是220 W、360 W以及更高。可以是直流有刷电机，也可以是交流无刷电机，关键是能保证该循环球电动转向器输出扭矩。在汽车转向系统设计中该循环球电动转向器电机的位置是最关键的。因为在车型上电机位置决定于相应的安装空间大小。要保证设计的电机位置与周围空间至少保持20 mm以上的尺寸。这在我们以往设计的循环球电动转向器在整车布置时是经常遇到的。

2.3 循环球电动转向器的控制器的设计

循环球电动转向器的控制器是完全遵循理想的电动转向手力模型实施的。该模型遵循汽车转向原理和要求操纵稳定性，随方向盘转动手力变化和在不同车速时有以下规律:

(1)方向盘力矩增大，电机电流 (扭矩)按一定规律增大;

(2)方向盘转动速度增大，电机转速增加;

(3)随方向盘转动方向不同，电机转动方向不同，换向时不得出现滞后现象。随汽车车速增大，电机电流 (扭矩)按一定规律减小;

(4)随着客车或货车载重量的增加，前桥负荷也要加大，汽车本身回正能力不够，电动转向器必须具有主动回正能力，以帮助提高汽车操纵性能。

图2就是我们设计的电动转向装置转向手力按速度变化的特性。该特性设计得是否合理就是看能不能在低速时转向轻便，在高速时应当加大转向手力，从而解决高速时操纵稳定性问题。曲线形状应为在40～50 km/h以下车速时，助力均应较大，可有较小的下降;而在70～80 km/h以上车速时，助力应较小，且有较小的下降。在中间车速过渡段应有一个圆滑双曲线的过渡，保证驾驶员全过程操纵平滑。其下降助力比应为100∶30，在高速时仍应保持30%助力。

图3就是我们设计循环球电动转向器所遵循的手力特性。

2.4 循环球电动转向器的性能设计要求

(1)防止高速发飘功能

由于汽车行驶过程中转向阻力是变化的。有动力转向的汽车在高速行驶时由于轮胎的横向阻力小，方向盘变得轻飘，很难捕捉路面的感觉，容易造成转向过于灵敏而使汽车不易控制。所以在高速时要适当减低助力，甚至于加大转动阻力，这种阻力的变化应该平滑过渡。该控制器设计时必须按理想的电动转向模型进行，该电动转向系统可根据车速通过控制助力电机，降低高速行驶时转向助力，增大转向手力，这样才能真正解决高速发飘问题，而且成本相对较低。

(2)主动回正功能

如果驾驶员在转弯的过程中减小了施加在方向盘上的力矩，扭杆上的扭矩也相应减小。于是转向力在减小的同时，转向角度和转向的速度都相应地减小，回转速度也相应被精确地检测到。控制单元根据转向力、车速、发动机转速、转向角度、转向速度和存储在控制单元中的特性曲线图计算出电动机需要的必要的回正力，并控制电动机工作，促使车轮回到直线行驶的方向，即中心位置。

(3)制止摆头功能

在方向盘撒手回正过程中，当车轮出现第一个方向摆头时，回正角度超过零点，角度传感器就会出现相对零点的超越角度信号，控制器就会控制电机反向加力，阻止车轮继续转动;出现第二个方向回摆，回正角度超过零点，角度传感器就会再次出现相对零点的超越角度信号，控制器就会再次控制电机反向加力，阻止车轮继续转动;可使汽车迅速制止摆头。

(4)维持直线行驶功能

直线行驶功能是主动回正功能的一个扩展，当没有力矩作用在方向盘上时，系统将产生助力使车轮回复到中心位置。为实现直线行驶功能，又分为长时间法则和短时间法则两种不同的情况。我们开发的循环球电动转向器的性能都能达到这个要求，尤其是在3吨以上货车和客车上，都必须满足这个性能要求，特别是主动回正功能。