某款纯电动汽车电动助力转向系统设计开发

0 引 言

以某款汽油车型改款纯电动汽车为例，探讨转向系统在纯电动车型上的开发设计。由于汽车动力系统改变，取消了内燃机，同时取消了由内燃机驱动的液压助力泵，因此需要寻找新的结构来实现转向助力功能。对于纯电动车最优选方案是全部采用电气化设备，即选用EPS（Electrical Power Steering System，电动助力转向系统），依靠电机提供辅助扭矩的转向助力。

1 转向系统介绍

电动助力转向系统可选择的方案有3 种：EHPS （ Electrically Powered Hydraulic Steering System，电动液压助力转向），C-EPS（Column Type Electrical Power Steering System, 转向轴式电动助力转向），R-EPS（Rack Type Electrical Power Steering System, 齿条式电动助力转向）。3 种方案的优缺点对比见表1。



综合考虑功能实现、成本优化、批量生产等因素，最终在公司现有车型上选择借用C-EPS 方案。C-EPS 是在转向管柱上加装转向助力模块，通过电机达到助力效果。助力模块包含扭矩和角度传感器、助力电机、减速机构和ECU（Electronic Control Unit ，电子控制单元）。EPS 的工作原理是驾驶员操控转向盘进行转向时，扭矩传感器检测到转向盘的扭矩；车速传感器测出车辆的行驶速度，将这个信号输送到ECU，ECU 根据内置的控制策略，计算出助力力矩，以电流信号形式向电机控制器发出指令；电机输出相应的转向助力扭矩，经过减速机构作用在机械式转向系统上，和驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩，实现车辆转向。

2 结构设计

C-EPS 转向系统是基于原车型基础开发，为保证整车布置变化量最小，转向系统硬点不变。由于转向管柱总成集成电子助力模块，导致体积增大，需考虑部件的空间布置。同时，转向管柱总成重量增加，需对其下安装支架进行重新设计，仪表横梁支架的刚性需要相应增大。综合考虑整车通用化及相关部件变更最小化，转向管柱总成的安装形式仍采用原车型的4 点式固定方式，满足强度要求。考虑车辆碰撞法规要求，管柱的溃缩行程需不小于50 mm。

C-EPS 转向传动轴所传递的扭矩相比原车型更大，因此轴的直径增加，外径由Φ22.5 mm 增加至Φ24 mm。由于硬点不变，相位角保持在（19.5±1.5）°，小于设计要求值30 °，有利于转向力矩波动控制在±5%范围内。

采用机械式转向机替换原车液压式齿轮齿条转向机，所以取消液压缸，齿轮室没有油孔，小齿轮无需配置油路，相比原结构简化。机械式齿条直径由Φ24 mm 增加至Φ25 mm，以输出更大扭矩，同时线角传动比增大，改善转向响应。汽油车与电动车的转向部件实物对比见表2。



3 计算校核及助力性能设计

车辆的动力系统变更为动力电池模块，整车重量增加255 kg，前轴重量增加71 kg，见表3。转向器输出扭矩增大，对转向器输出扭矩和电机助力进行计算校核。



3.1 转向器最大输出扭矩

汽车转向过程中主要克服原地转向阻力矩、重力回正力矩和转向系统的内部摩擦阻力。根据经验，汽车满载时原地转向需克服的转向阻力矩和回正力矩都是最大。

转向器的最大输出扭矩满足式（1）



式中：TMAX 为转向器最大输出扭矩；Mr 为原地转向阻力矩；MG 为重力回正力矩。

原地转向阻力矩，根据半经验公式（2）得到



式中：f 为轮胎和路面的滑动摩擦系数，取值0.7；G1 为满载前轴载荷，kg；P 为轮胎气压，MPa。

回正力矩为



式中：R 为轮胎静半径，mm；σ为主销内倾角，°；rs 为主销偏移距，mm；δ为轮胎内转角，°。


最大齿条力为



式中：FR 为最大齿条力，N；Ff 为转向系统内部摩擦力，取值200 N；L 为转向节臂长，mm。

3.2 EPS 电机助力性能校核

从现有产品库中，选择无刷交流电机，减速机构采用蜗轮蜗杆式。根据EPS 工作原理，作用在转向盘上的人手力矩加上电机助力通过转向传动轴作用在转向器上。转向器的齿轮与齿条配合，转为齿条输出力，通过拉杆推动车轮转向。具体公式为



得出公式



考虑电机需要有10%的设计余量，得出



式中：TM 为电机计算得出的输出扭矩，Nm；TM＇为留有10%设计余量的输出扭矩，Nm；i 为减速机构传动比；TH 为人手最大操纵力，取值8 Nm；S 为转向器线角传动比，mm/rev，取值见表3；EPS减速机构传动效率ηG=0.9；中间传动轴传动效率ηU=1；转向器传动效率ηP=0.9；其他参数见表4。



结合表3 计算得：Mr=603.8 Nm，MG=89.7 Nm，FR=8 868.6 N。

将数值代入式（ 6 ）， 得出TM=3.11 Nm,（1+10%）×TM=3.42 Nm＜3.7 Nm（选用电机的额定扭矩），因此选用的无刷电机可以满足转向系统要求。

3.3 助力性能设计及评价

EPS 需要对助力参数进行调试，最终满足转向性能要求。由于前述电动助力模块是借用传统汽油车车型，所以需对现有车型进行助力特性曲线优化，如图1 所示。助力特性曲线的横轴为转向盘处的扭矩输入，纵轴为控制助力的电流输出，不同曲线代表不同车速下的助力特性。曲线从上到下的车速逐级增加，范围为0～120 km/h，共选择了8 条曲线，如图1（a）所示。



为了改善驻车及低速行驶时人手操纵力重的问题，增加了驻车状态和低速曲线的斜率，增大了电机助力；为了改善中高速转向时人手操纵力轻的问题，减小了中高速曲线的斜率，减少电机助力，增大车辆高速行驶时人手操纵力；为了增加转向响应的灵敏度，调整了曲线横坐标起始点，增强中心感；为了增加转向线性感，对不同车速曲线的间隔进行调整，使全车速的驾驶力均匀增加。优化后曲线如图1（b）所示。

通过以上优化，得到如下主观评价结果：

1）静态下，曲线坡度增加，使车辆静止状态转向力减少；

2）动态时，在高速区间减小转向助力，改善操纵稳定感；

3）全车速范围内，中心感及转向力增大；

4）全车速范围内，改善转向线性感。

4 实车验证

将优化后的电动助力转向系统进行实车验证。在一般道路行驶1 500 km 进行磨合试验；在试验场的长直路段和高环路进行性能试验；分别在城市工况、强化路、20%爬坡和高环路进行里程1 500 km 的可靠性试验；最后分别在城市工况、山路和一般公路进行里程27 000 km 的实际道路试验。

试验结果表明该款纯电动车的电子转向助力系统满足转向性能要求，试验过程中无批量性不良问题发生。

5 总 结

介绍了某款汽油车改制为纯电动车过程中，转向系统由液压助力改为电动助力的设计开发方案。

1）技术方案研讨。在选择电动助力方案时，需要综合考虑功能实现、成本优化、批量生产等因素，为实现成本最低、开发周期最短、可靠性强，最终选择借用公司现有车型的助力模块，采用管柱式电动助力方案。

2）结构设计及安装方案。考虑到使整车布置的变化量最小，则在硬点不变的原则下进行转向系统的结构设计。转向管柱增加助力模块，体积和重量相应增加，需要变更安装方式。同时转向传动轴的直径增大，实现传递更大扭矩。转向器由液压式变为机械式，为提高转向响应，增大齿轮齿条的传动比。

3）设计计算校核。电动车的前轴重量增加，转向扭矩增大，对转向器齿条最大拉力进行计算，校核电机助力可以满足转向系统的扭矩要求。

4）助力性能设计。助力特性影响驾驶转向性能，整车状态下调试EPS，对助力曲线进行优化，实车评价满足设计要求。