双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的结构原理及噪音分析

郑勇，方滨

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052）

双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的结构原理及噪音分析

郑勇，方滨

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052）

文章主要阐述了电动助力转向机(EPS) 的组成和分类及其较液压助力转向机（HPS）在某些方面上的优势，包括环保性、低能耗、布置方便、使用可靠及转向操作精确等。并进一步详细地介绍了双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的基本结构和工作原理以及如何有效的阻断驱动电机产生的振动噪音的传播途径。

双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）；EPS；结构原理；噪音分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.014

CLC NO.: U463.42 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-41-03

前言

近年来，随着人们对汽车驾驶舒适性的要求越来越高，现代汽车行业也越来越只从简单的满足功能要求发展到更加从舒适性、驾驶性、燃油经济性等方面去迎合消费者的需求。在这种背景下，电动助力转向机(简称EPS) 依靠其舒适的驾控性、简洁的布置性、较低的能耗性等多方面的产品特点，使其较液压助力转向机(简称HPS) 更具整体综合优势。而且，EPS完全摒弃了HPS所必需的动力转向油泵、油壶、软管、液压油，使得维护保养更加方便，也更加环保[1]。更重要的是，它不需要发动机提供驱动力；低速时，EPS助力反而可以更大，而高速时，又可以降低助力甚至不工作。这样既节省燃油消耗、降低污染物排放，又大幅度地提升了车辆的舒适性和安全性，正是有了这些优点，EPS成为了汽车转向系统的发展方向。

1、电动助力转向机（EPS）的类别

根据驱动电机的布置位置和方式，可以将电动助力转向机分为四种类别，包括转向管柱助力式、齿轮助力式、双小齿轮式和齿条助力式。其中不同类型的车辆可以根据车辆的布置空间，车辆的载荷及所需的齿条助力大小，从中选择一种相适应的电动助力转向机来提供转向助力。

1.1 转向管柱助力式电动转向机（C-EPS）

转向管柱助力式电动转向机的驱动电机是安装在转向管柱上，在转向管柱下面连接的是一个机械式的转向机，如图1所示。这种结构的最大优点是ECU、驱动电机、减速机构都安装于驾驶舱内，不占用发动机舱的空间，方便发动机舱的布置。缺点是驱动电机的助力要通过转向管柱和转向齿轮传递到转向机上，因而转向管柱部件需要承受较大的力，故驱动电机所提供的助力大小会受到限制。与此同时，由于在驾驶舱内安装有驱动电机和蜗轮蜗杆减速机构，因而容易引起驾驶室内的较大噪声。因此这种结构的EPS主要适用于载荷较轻、发动机舱较小且对噪声要求相对不高的微型轿车[2]。

图1 转向管柱助力式电动转向机

1.2 齿轮助力式电动转向机（P-EPS）

齿轮助力式电动转向机的驱动电机是安装在转向齿轮上，驱动电机的输出力矩通过蜗轮蜗杆减速机构传递到转向齿轮上，如图2所示。在P-EPS转向机出现之前，中型乘用车上通常使用液压助力转向机。和液压助力转向机相比，P-EPS具有更高的转向精确性，更高的安全性，和更高的驾驶舒适性。与C-EPS相比，P-EPS可以提供更大的助力，可以满足中型乘用车所需的更大的转向助力。因为齿轮助力式电动转向机的驱动电机直接作用在转向齿轮上，不需要转向管柱部件的传递，故驱动电机可以提供更大的助力，并且提高了转向机的安全性[3]。

图2 齿轮助力式电动转向机

1.3 双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）

在双小齿轮式电动助力转向机的结构中包含转向齿轮和驱动齿轮，其中和转向管柱连接的齿轮是转向齿轮，另外一个和驱动电机连接的齿轮是驱动齿轮。扭矩传感器安装在转向小齿轮上；而驱动电机的输出力矩则通过蜗轮蜗杆减速机构作用在驱动小齿轮上并传递至齿条上，如图3所示。转向小齿轮可以不受转向机的传动比的约束，采用更优化的传动比。对于中型乘用车或者中型以上的乘用车而言，双小齿轮式电动助力转向机是一种比齿轮助力式电子转向机更为优越的设计。

图3 齿轮助力式电动转向机

1.4 齿条助力式电动转向机（R-EPS）

齿条助力式电动转向机和双小齿轮式电动转向机的结构和工作原理相类似，扭矩传感器也是安装在转向齿轮上。驱动电机的输出力矩主要是通过作用在齿条上的循环球减速传动机构传递到转向机的齿条上，并带动两端的拉杆推动车轮转向，如图4所示。辅助驱动机构可以布置在齿条的周向或轴向上，所以也增加了电动转向机在空间布置方面的弹性。对于更重更大型的车辆而言，例如越野车和箱式货车，它需要更大的转向助力。齿条助力式电动转向机的出现使得需要更大转向助力的越野车或者箱式货车在转向助力方面得到更大满足。

图4 齿条助力式电动转向机

2、DP-EPS的结构

目前在市面上所使用的电动助力转向机中，以双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的应用最为普遍，所以首先从其结构和原理方面来了解该类别的电动助力转向机的各组成模块及其工作原理。

双小齿轮式电动助力转向机主要是由机械转向机（包括齿轮齿条传动机构）、伺服驱动电机、涡轮蜗杆减速机构、ECU控制单元和传感器单元等模块构成[4]，如图5所示。其工作原理为当驾驶员转动方向盘进行转向时，转向齿轮上的扭矩传感器会检测方向盘的转动方向以及扭矩大小。然后扭矩传感器将检测到的信息传输到ECU控制器，其内部的微处理器（单片机）根据扭矩传感器检测到的扭矩信号、方向盘转动方向和车速信号等，并通过内置的控制策略和算法向驱动电机（或助力电机）ECU控制器发出指令，使电机输出相应大小和方向的转向助力扭矩[5]。驱动电机产生的助力力矩经蜗轮蜗杆减速机构减速增矩后传递到机械式转向系统的齿条上，和驾驶员的操纵力矩叠加在一起去克服转向阻力矩，以实现车辆的最终转向，如图6所示。

图5 双小齿轮式电动助力转向机结构示意图

图6 双小齿轮式电动助力转向机工作原理

3、DP-EPS的噪音分析

电动助力转向系统（EPS）所用驱动电机目前主要有永磁直流电机、异步电机和永磁同步电机[6]。对于用于汽车上的电动助力转向系统而言，各种电机都有其适用性和局限性。根据电动助力转向系统的助力特性，不仅要求驱动电机具有低速大扭矩，扭矩波动小；而且要求它可靠性高、易于控制、效率高、振动噪声小等优点。然而对于电机而言，运行时一般都会伴随着一定的振动噪音，而这种由电机产生的振动噪音则会通过车身结构传递到车辆的驾驶室内，对于车辆驾驶的环境舒适性影响也会很大。

针对国内某些品牌SUV车型所使用的DP-EPS产品而言，当驾驶员在整车怠速情况下进行原地打方向时，在车内环境比较安静的情况下，车内人员会听到一种持续的比较清晰的“呜呜声”。经过仔细而又细致的查找声源和主观评估后，发现这是由DP-EPS的伺服驱动电机在工作时所产生的振动噪声，并经过转向机与副车架的接触部位(如图7所示)及副车架与车身的接触部位传递到驾驶室内。为了降低这种不适的转向噪音，分析确定可通过采取阻断传播途径的方法来达到降低噪音的目的。比如，在转向机与副车架的接触部位处通过加隔振衬套的方式（如图8所示）来达到阻断传播途径的目的，而且最终效果比较明显，“呜呜声”明显减小。并再通过在主副驾驶位置布置噪声能量频谱分析设备来进行客观分析判断，得出主副驾驶座耳朵位置噪声分析频谱图，如图9、图10所示。从而验证了通过采取在转向机与副车架相接触部位加隔振衬套的方式来阻断噪音传播途径，以达到降低转向噪音方法的正确性。

图7 转向机与车架的接触部位副（无隔振衬套）

图8 转向机与副车架的接触部位（加隔振衬套）

图9 主驾驶座耳朵位置噪声分析频谱图对比

图10 副驾驶座耳朵位置噪声分析频谱图对比

4、结论

通过对电动助力转向机(EPS) 的组成和分类进行分析，发现电动助力转向机(EPS)较液压助力转向机（HPS）在环保性、低能耗、布置方便、使用可靠及转向操作精确等方面具有较大的优势。并针对双小齿轮式电动助力转向机（DP-EPS）的基本结构和工作原理进行详细的介绍，在此基础上，验证了通过在转向机与副车架相接触部位采取加隔振衬套的方式来阻断电机产生的振动噪音的传播途径，以达到降低噪音目的的正确性。

[1] 陈慧,等.世界汽车技术发展跟踪研究[M].北京:北京理工大学出版社,2008年.

[2] 左建令.汽车电动助力转向系统的分类及应用特点[J].上海汽车,2009年12期25-27页.

[3] 戴培军.电子转向机的优点以及四种典型的齿轮齿条式电子转向机[J].城市车辆,2007年05期56-58页.

[4] 邱琪.双齿轮式电动助力转向机国产化应用开发[J].内燃机与动力装置,2013年30卷06期22-25页.

[5] 卓敏,许超.汽车电动助力转向技术分析[J].机电工程技术,2002年31卷05期17-19页.

[6] 郑虎,周中坚.汽车电动转向系统用驱动电机现状及其发展[J].上海汽车,2011年02期36-41页.

Structural principle and noise analysis of double pinion type electric power steering machine (DP-EPS)

Zheng Yong, Fang Bin
(Jiangling auto Limited by Share Ltd, Jiangxi Nanchang 330052)

This paper mainly describes the composition and classification of the electric power steering machine (EPS) and the advantages of electric power steering machine (EPS) than hydraulic power steering machine (HPS) in some aspects, including environmental protection, low energy consumption, easy layout, reliable and accurate steering operation, etc. And this paper further introduces the basic structure and working principle of the double pinion type electric power steering machine (DP-EPS), and how to effectively block the transmission of the vibration noise caused by the driving motor.

the double pinion type electric power steering machine（DP-EPS）; EPS; structural principle; noise analysis

U463.42

A

1671-7988 (2016)12-41-03

郑勇（1981-），男，转向工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，从事领域为汽车转向系统的设计开发及研究工作。

方滨（1987-），男，转向工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，从事领域为电动助力转向机（EPS）的设计开发及研究工作。