某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

Welcometothistraining歡迎參加本次培訓(xùn) 主講人：XXX學(xué)時(shí)：2汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)1汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-目錄0引言1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3計(jì)算校核及助力性能設(shè)計(jì)4實(shí)車驗(yàn)證5總結(jié)2汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-0引言以某款汽油車型改款純電動(dòng)汽車為例，探討轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在純電動(dòng)車型上的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。由于汽車動(dòng)力系統(tǒng)改變，取消了內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)取消了由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓助力泵，因此需要尋找新的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。對(duì)于純電動(dòng)車最優(yōu)選方案是全部采用電氣化設(shè)備，即選用EPS（ElectricalPowerSteeringSystem，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），依靠電機(jī)提供輔助扭矩的轉(zhuǎn)向助力。3汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可選擇的方案有3種：EHPS（ElectricallyPoweredHydraulicSteeringSystem，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向），C-EPS（ColumnTypeElectricalPowerSteeringSystem,轉(zhuǎn)向軸式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向），R-EPS（RackTypeElectricalPowerSteeringSystem,齒條式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）。3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。4汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-綜合考慮功能實(shí)現(xiàn)、成本優(yōu)化、批量生產(chǎn)等因素，最終在公司現(xiàn)有車型上選擇借用C-EPS方案。C-EPS是在轉(zhuǎn)向管柱上加裝轉(zhuǎn)向助力模塊，通過(guò)電機(jī)達(dá)到助力效果。助力模塊包含扭矩和角度傳感器、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和ECU（ElectronicControlUnit，電子控制單元）。EPS的工作原理是駕駛員操控轉(zhuǎn)向盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤(pán)的扭矩；車速傳感器測(cè)出車輛的行駛速度，將這個(gè)信號(hào)輸送到ECU，ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計(jì)算出助力力矩，以電流信號(hào)形式向電機(jī)控制器發(fā)出指令；電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力扭矩，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)作用在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，和駕駛員的操縱力矩一起克服轉(zhuǎn)向阻力矩，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。5汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)C-EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是基于原車型基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)，為保證整車布置變化量最小，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)不變。由于轉(zhuǎn)向管柱總成集成電子助力模塊，導(dǎo)致體積增大，需考慮部件的空間布置。同時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱總成重量增加，需對(duì)其下安裝支架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，儀表橫梁支架的剛性需要相應(yīng)增大。綜合考慮整車通用化及相關(guān)部件變更最小化，轉(zhuǎn)向管柱總成的安裝形式仍采用原車型的4點(diǎn)式固定方式，滿足強(qiáng)度要求。考慮車輛碰撞法規(guī)要求，管柱的潰縮行程需不小于50mm。C-EPS轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸所傳遞的扭矩相比原車型更大，因此軸的直徑增加，外徑由Φ22.5mm增加至Φ24mm。由于硬點(diǎn)不變，相位角保持在（19.5±1.5）°，小于設(shè)計(jì)要求值30°，有利于轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)控制在±5%范圍內(nèi)。6汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)替換原車液壓式齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)，所以取消液壓缸，齒輪室沒(méi)有油孔，小齒輪無(wú)需配置油路，相比原結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。機(jī)械式齒條直徑由Φ24mm增加至Φ25mm，以輸出更大扭矩，同時(shí)線角傳動(dòng)比增大，改善轉(zhuǎn)向響應(yīng)。汽油車與電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向部件實(shí)物對(duì)比見(jiàn)表2。7汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-3計(jì)算校核及助力性能設(shè)計(jì)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)變更為動(dòng)力電池模塊，整車重量增加255kg，前軸重量增加71kg，見(jiàn)表3。轉(zhuǎn)向器輸出扭矩增大，對(duì)轉(zhuǎn)向器輸出扭矩和電機(jī)助力進(jìn)行計(jì)算校核。8汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-3.1轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中主要克服原地轉(zhuǎn)向阻力矩、重力回正力矩和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，汽車滿載時(shí)原地轉(zhuǎn)向需克服的轉(zhuǎn)向阻力矩和回正力矩都是最大。轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩滿足式（1）9汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-式中：TMAX為轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩；Mr為原地轉(zhuǎn)向阻力矩；MG為重力回正力矩。原地轉(zhuǎn)向阻力矩，根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式（2）得到10汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-式中：f為輪胎和路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取值0.7；G1為滿載前軸載荷，kg；P為輪胎氣壓，MPa?；卣貫槭街校篟為輪胎靜半徑，mm；σ為主銷內(nèi)傾角，°；rs為主銷偏移距，mm；δ為輪胎內(nèi)轉(zhuǎn)角，°。11汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-最大齒條力為式中：FR為最大齒條力，N；Ff為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦力，取值200N；L為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)，mm。12汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-3.2EPS電機(jī)助力性能校核從現(xiàn)有產(chǎn)品庫(kù)中，選擇無(wú)刷交流電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿式。根據(jù)EPS工作原理，作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的人手力矩加上電機(jī)助力通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸作用在轉(zhuǎn)向器上。轉(zhuǎn)向器的齒輪與齒條配合，轉(zhuǎn)為齒條輸出力，通過(guò)拉桿推動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向。具體公式為得出公式13汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-考慮電機(jī)需要有10%的設(shè)計(jì)余量，得出式中：TM為電機(jī)計(jì)算得出的輸出扭矩，Nm；TM＇為留有10%設(shè)計(jì)余量的輸出扭矩，Nm；i為減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；TH為人手最大操縱力，取值8Nm；S為轉(zhuǎn)向器線角傳動(dòng)比，mm/rev，取值見(jiàn)表3；EPS減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率ηG=0.9；中間傳動(dòng)軸傳動(dòng)效率ηU=1；轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率ηP=0.9；其他參數(shù)見(jiàn)表4。14汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-結(jié)合表3計(jì)算得：Mr=603.8Nm，MG=89.7Nm，F(xiàn)R=8868.6N。將數(shù)值代入式（6），得出TM=3.11Nm,（1+10%）×TM=3.42Nm＜3.7Nm（選用電機(jī)的額定扭矩），因此選用的無(wú)刷電機(jī)可以滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求。15汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-3.3助力性能設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)EPS需要對(duì)助力參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終滿足轉(zhuǎn)向性能要求。由于前述電動(dòng)助力模塊是借用傳統(tǒng)汽油車車型，所以需對(duì)現(xiàn)有車型進(jìn)行助力特性曲線優(yōu)化，如圖1所示。助力特性曲線的橫軸為轉(zhuǎn)向盤(pán)處的扭矩輸入，縱軸為控制助力的電流輸出，不同曲線代表不同車速下的助力特性。曲線從上到下的車速逐級(jí)增加，范圍為0～120km/h，共選擇了8條曲線，如圖1（a）所示。16汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-17汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-為了改善駐車及低速行駛時(shí)人手操縱力重的問(wèn)題，增加了駐車狀態(tài)和低速曲線的斜率，增大了電機(jī)助力；為了改善中高速轉(zhuǎn)向時(shí)人手操縱力輕的問(wèn)題，減小了中高速曲線的斜率，減少電機(jī)助力，增大車輛高速行駛時(shí)人手操縱力；為了增加轉(zhuǎn)向響應(yīng)的靈敏度，調(diào)整了曲線橫坐標(biāo)起始點(diǎn)，增強(qiáng)中心感；為了增加轉(zhuǎn)向線性感，對(duì)不同車速曲線的間隔進(jìn)行調(diào)整，使全車速的駕駛力均勻增加。優(yōu)化后曲線如圖1（b）所示。18汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-通過(guò)以上優(yōu)化，得到如下主觀評(píng)價(jià)結(jié)果：1）靜態(tài)下，曲線坡度增加，使車輛靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向力減少；2）動(dòng)態(tài)時(shí)，在高速區(qū)間減小轉(zhuǎn)向助力，改善操縱穩(wěn)定感；3）全車速范圍內(nèi)，中心感及轉(zhuǎn)向力增大；4）全車速范圍內(nèi)，改善轉(zhuǎn)向線性感。19汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-4實(shí)車驗(yàn)證將優(yōu)化后的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。在一般道路行駛1500km進(jìn)行磨合試驗(yàn)；在試驗(yàn)場(chǎng)的長(zhǎng)直路段和高環(huán)路進(jìn)行性能試驗(yàn)；分別在城市工況、強(qiáng)化路、20%爬坡和高環(huán)路進(jìn)行里程1500km的可靠性試驗(yàn)；最后分別在城市工況、山路和一般公路進(jìn)行里程27000km的實(shí)際道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該款純電動(dòng)車的電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)滿足轉(zhuǎn)向性能要求，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)批量性不良問(wèn)題發(fā)生。20汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)--某款純電動(dòng)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車設(shè)計(jì)培訓(xùn)-5總結(jié)介紹了某款汽油車改制為純電動(dòng)車過(guò)程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓助力改為電動(dòng)助力的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案。1）技術(shù)方案研討。在選擇電動(dòng)助力方案時(shí)，需要綜合考慮功能實(shí)現(xiàn)、成本優(yōu)化、批量生產(chǎn)等因素，為實(shí)現(xiàn)成本最低、開(kāi)發(fā)周期最短、可靠性強(qiáng)，最終選擇借用公司現(xiàn)有車型的助力模塊，采用管柱式電動(dòng)助力方案。2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方案?？紤]到使整車布置的變化量最小，則在硬點(diǎn)不變的原則下進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向管柱增加助力模塊，體積和重量相應(yīng)增加，需要變更安裝方式。同時(shí)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的直徑增大，實(shí)現(xiàn)傳遞更大扭矩。轉(zhuǎn)向器由液壓式變?yōu)闄C(jī)械式，為提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)，增大齒輪齒條