电动助力转向系统助力电机的匹配

朱振民,方存光（沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳 110159）



电动助力转向系统助力电机的匹配

朱振民,方存光
（沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳 110159）

摘 要：本文对电动助力转向系统助力电机的匹配进行了分析，阐述了电机扭矩、转速参数的确定方法，为我国电动助力转向系统的设计提供了一定的借鉴。

关键词：电动助力转向器；助力电机;匹配分析

1 引言

电动助力转向系统（EPS）具有操纵稳定、节能环保的特点，是转向系统的发展方向之一。

本文通过对EPS系统助力电机的扭矩、转速匹配，为EPS的设计提供了理论指导。

2 助力电机的匹配

电动助力转向系统是一种新型的汽车转向系统，最先应用在日本的微型轿车上[1]，具有以往任何助力转向系统所不具备的助力效果和车速感应能力，安装电动助力转向系统的汽车提高了汽车的操纵稳定性与轻便性、“路感”、回正性等。

电动助力转向系统要求助力电机的工作电压低，并且具有足够大的额定功率和额定电流。为了能够提供稳定可靠的助力转矩，EPS系统必须具有扭矩较大、力矩波动、转动惯量较小、易于控制等性能。

2.1 布置形式

EPS系统按照助力电机安装位置可分为转向轴助力式C-EPS、小齿轮助力式P-EPS、齿条助力式R-EPS三种类型[2]。

选择类别时，汽车电机的性能、前轮垂直负荷、转向器附近空间等因素都要综合考虑。C-EPS和P-EPS适于前轴负荷小于9千牛，1.5升以下的中小型车上，R-EPS转向系统适于9千牛以上，超过2升的大型车。

2.2 类型选择

助力电机主要分为永磁有刷直流电机和永磁无刷直流电机。有刷电机由于其机构简单、技术成熟、成本低廉得到广泛应用，助力电机应用车载12V直流电源[3]。

2.3 转矩匹配

转矩确定依据：汽车处于原地静止转向，施加于方向盘的最大手部转矩不超5.5～7.5牛.米，电动机最大输出转矩Tmax满足下式：

式中，Tmax为转向盘最大转矩；gp为转向器角传动比；gm为减速机构传动比。Trmax为最大转向阻力矩。

由上式可知：助力电机最大输出转矩与Trmax、Tdmax、gp和gm有关。而Trmax和Tdmax为定值。所以影响电机最大转矩的参数只有gp与gm。

转向器的角传动比gp对汽车的性能有着较为重要的影响。角传动比越大，转向时的轻便性越好，但导致灵敏性的下降。应用EPS系统后，电机将承受转向时的大多数阻力，此时可以通过调整电机的助力输出来提升转向轻便性。所以，对于EPS系统中的转向器角传动比可更多的考虑灵敏性的需求，可取较小的值。

减速比gm对EPS系统以及汽车的整体性能作用影响显著。对于gm的选取要综合考虑电机的性能参数以及系统的各种工况。减速机构传动比gm增大可使Tmax变小，从而减小电动机的体积，便于安装，但较大的减速比将会导致电机的力矩波动、减速机构体积变大，造成减速机构布置困难，因此，电动机尺寸与减速机构尺寸应相互协调。

2.4 转速匹配

为满足在一定转速范围内转向轻便性，电动机最大转速ωmax必须满足：

式中，ωdmax为方向盘最大转速。国标规定ωdmax不小于250o/s。

减速机构的减速比作用为减速增矩，并且也会加大电机的转动惯量等参数，从而影响机构的动态指标; 同时对于系统的体积、安装空间和效率等也有一定的影响。

此外，根据电机的工作原理可知，电机的电磁转矩Tm为：

式中，Km为电机的电磁转矩系数，I为电枢电流。

当电机的最大输出转矩Tmax以及最大转速ωmax确定后，就可以进一步的确定电机的最大工作电流、电磁转矩系数、堵转转矩等参数，即可完成对电机的电磁设计。

3 结论

在进行助力电机的布置时应充分考虑车辆的前部空间、轴荷以及电机性能等参数, 通常情况下，C-EPS多应用于小排量汽车, R-EPS则多应用于大型车辆齿, 而P-EPS介于二者之间。同时在设计过程中应进行电机最大输出转矩与轴荷、减速机构、以及各动比的匹配, 电机转速也应与方向盘转速相匹配。对于安装空间的要求，则可通过调整电机长度、直径的比来解决。

本文从理论上提出了EPS系统助力电机扭矩、转速的匹配方法，为我国EPS系统的发展提供了一定的借鉴。

参考文献：

[1]Nakayama T , Suda E.The Present and Future of Electric Power Steering[J] .Int.J.of Vehicle Design,1994,15 (3,4,5):243-254.

[2]申荣卫.电动客车电动助力转向系统开发与试验技术研究[D].北京:北京理工大学,2006．

[3]施国标.电动助力转向助力特性仿真与控制策略研究[D].长春:吉林大学,2002．

作者简介：朱振民（1990-），男，辽宁鞍山人，研究生在读，研究方向：车辆系统动力学与控制。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.142