1.6升轿车转向系设计外文翻译资料

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EPS转向系统

15.1介绍

在过去的几年里，客车转向系统的液压系统已经变成纯电动转向系统 （电动助力转向，EPS）。由于电子元件从板上布线的功率密度和能量不足以给大的车辆提供高的转向能力，所以最初这些系统的使用仅限于小型车辆。现在新技术使各类EPS普遍应用。各种EPS品种已应用到在各种车辆的市场上。 与HPS相比，电动助力转向的优点是当需要时才激活它，这就是所谓的按需电力系统，即只有当汽车转向时，才会供给能量。低的平均能量消耗导致的是，汽车会有更长的里程并且减少了CO2排放量。图15.2展示了中型汽车2.01汽油发动机的汽油和二氧化碳的变化。请注意，在（英）全国经济发展委员会节省燃料消耗和排放，由最终客户驱动的实现是类似的规模。

图15.1不同车辆和动力等级的转向系统

图15.2 EPS与传统的HPS比较。在NEDC和客户驾驶过程。测量对象宝马320i

消费和排放的高要求让EPS在所有车辆类型的使用必不可少。

EPS的的另一个额外的优势功能是满足对车辆安全性、舒适性和驾驶性的更高要求车辆的乘坐舒适性和驾驶安全性的要求。比如，停车辅助可以通过转向系统的干预引导汽车自动停入停车位。另外也值得一提的是并线警告系统，当车道不注意的偏离时，通过用方向盘上的叠加力矩警告驾驶员。因此，例如并线警告这些功能一直在提高道路行驶安全，对于电动助力转向系统人们会发现更多的功能.转向系统制造商的发展部门面EPS的一系列新挑战。现在复杂机电系统的发展及其应用安全需要许多新的发展过程，然而在这些过程并没有出现在HPS研发过程中。特别说明安全标准IEC 61508和ISO 26262。对于EPS，需要特别注意车载系统的声波响应，以前没有出现过EPS单元的伺服电机和变速箱层发出噪声振动）。司机不应该因为这些响应而感到烦恼，因此，每个组件的开发和他们的车上装配必须考虑的传输路径。早期使用的模拟来完成这份工作。这些领域的相互作用是发展优秀的转向系统必不可少的。

15.1.1：EPS和HPS的类比

本节将讨论HPS和EPS单元配置和功能的本质区别。

图15.4表明，HPS有许多单独的部分（泵，软管，齿轮）通常是组装机器上，然后系统必须经过液压填充和泄漏测试。

但是，EPS提供整车制造商一个完整的测试单元。只有当车辆的电气连接后系统才可以进行运作。

图15.4 HPS EPS复杂程度，EPS不需要额外的零件

这两个系统不同的动力辅助如下：

bull;HPS的动力辅助液压缸连接到支架。液压泵为液压缸提供液压能量。由旋转盘阀驱动（见节）。11.3）。

bull;EPS通过电动马达驱动力产生动力辅助，通过伺服齿轮单元进入齿条或转向柱。 由车载布线为电动机供电，EPS的集成电子ECU驱动发动机工作。

对于两个转向系统，重要的是根据司机的目的意识提供所需的助动力。系统检测如下：

bull;在HPS中，旋转盘阀连接到扭杆上。这部分是安置在轮和齿轮之间的转向传动系统。如果司机进行转向过程，扭力杆被扭曲，转盘阀打开一个通道。液压缸的一侧施加压力，助动力就起了作用。助动力的大小是一个机械性能的特性曲线，

bull;EPS使用扭矩传感器来识别驾驶员的目的。比如在液压当转向运动启动时，扭杆被扭曲（详情见15.3.3）。现在，转向所需的助力通过EPS的ECU对实测扭杆扭矩检测进行计算。助力特性可以任意改变硬软，不需要机械变化是一个有益的。

15.2 EPS系统设计

15.2.1EPSc：纵向

EPSc（如图15.5）是日常使用的最老的一种EPS，早在1988年初期在Suzuki Cervo(Stoll 和 Reimpell 1992)就已经大规模生产。起初只在小型机和紧凑型轿车上使用 ，因为这些车支架力和转向力非常小。现在由于使用新材料的动力辅助齿轮，转向柱和小齿轮可以传递高扭矩，EPSc也应用于中型的车辆。

图15.5电动助力的转向助力的转向柱单元（EPSC）

EPSc的助力单元位于车辆内部，是出于对环境需求。在车辆内部，动力辅助装置不需要防水，比如它在40到125摄氏度的引擎室可以工作，然而一个低的温度40到85℃也同样适用。对于动力辅助装置的电子部件，高温是一个特殊的挑战。然而在内部的缺点是动力辅助装置放置非常接近司机，更容易听到其发出的声音。

EPSc的助力齿轮是一个不自锁蜗轮，螺杆安装在电动机的发动机轴上，附带的蜗杆车轮与转向柱连接。其他齿轮箱品种已知，比如皮带齿轮箱或直接传动，然而，这些并没有在市场上占有重要的位置。

动力辅助装置的力沿转向柱、中间转向轴和小齿轮传递，限制因素为最高的转向力。转向柱也会进行纵向调整，例如需要在转向轴滑动元件（见第10章）。因为转递高扭矩，他们必须坚固，因此价格更昂贵一些。这种滑动元件最简单的配置是一个简单的塑料滑块。传递较高的扭矩则使用昂贵的金属轴承。

一个特殊的问题是EPSc的碰撞响应，因为动力辅助装置在驾驶台上部，靠近驾驶员。

图15.6 NSK公司的EPSp

15.2.2：EPSp：齿轮

EPSp的助力单元放置在转向齿轮（图15.6）。电动机产生的助力转矩由蜗轮传到齿轮和齿条。相比EPSc该系统可以实现略高转向功率，因为力沿转向柱和中间转向轴不需要转移。因为在发动机室里自动力辅助装置（发动机ECU）紧挨着EPSp，它必须满足对温度、密度和振动的高要求，比如EPSc。这些高要求同样也适用于EPSdp, EPSapa 和EPSrc (详见. 15.2.3-15.2.5)。

该系统的封装的可能性是受限的，因为助力单元只能在转向小齿轮的轴周围转动。另一个问题是动力辅助装置靠近驾驶员的腿。因此，需要保障在碰撞过程中，动力辅助装置不能进入腿部的空间。

15.2.3：EPSdp：双齿轮

EPS双齿轮的动力辅助单元安装在第二齿轮上（图15.7）. 这种转向非常适合中、中上等级的车辆，在2002年大众高尔夫平台是第一个使用这种标准转向系统的。

在第二齿轮上安装动力辅助装置可以让传感器单元和驱动单元分开。由于主传动小齿轮比是单独的，就可以实现功率优化布。相比一个EPSc或EPSp系统，它的额外功率提高10–15%。

动力辅助装置可以由相应的调整蜗轮定位，分别沿着机架和主传动小齿轮轴在径向转动360˚（图15.8）。这种能力让其可以在一个不易安装的空间进行工作。通过仔细利用安装空间来满足良好的碰撞安全性。

图15.7基于施托伊尔系统控制的EPSdp

图15.8 各种类型EPSdp

15.2.4：EPSapa:平行轴

有着平行轴的ESPapa在低系统摩擦和高效率是突出的。这种转向适用于跑车，上中等级汽车，还有在高负荷的车辆，比如在越野车辆和运输车。在2007年，使用第一个标准型号ESPapa的是宝马3系。

图15.9 EPSapa转向系统

在这种转向模型中，由电动机产生的电动助力，由滚珠丝杠与同步带齿轮箱共同传递到支架。

滚珠丝杠将发动机的转动转换为齿条的平移。这种变速箱模型要求发动机与发动机平行布置。动力辅助装置可以在机架周围任意转动，这样可以完全利用板上安装空间。

15.2.5EPSrc：齿条同心

齿条同心转向系统采用滚珠丝杠作为齿轮转换，发动机旋转转变成齿条的平移。对比EPSapa，循环球式是由电机直接驱动。因此相比EPSapa，这个转向系统只有一个齿轮层（详见15.2.4）。

同心布局需要一个特殊的有着空心轴转子的伺服电机，因为机架的转向会通过电机。

如上所述，电机直接带动滚珠丝杠，并且有较少的齿数比。由于倍增是低于的EPSapa，必须要求电动机产生更高。如果电源车载布线保持不变，这只能通过使用较大功率的电机来完成。如果在车载电源线布置是一样的，由一只较大的发动机可以实现。这意味着，相比EPSapa，EPSrc的电机比相同的水平的电机一次产生2倍的输出功率。

由于同心排列，EPSrc系统排列的非常紧凑，但这样的设计有一个缺点。先前提到的所有的转向系统允许将助力装置按一定的方向排列，使转向更容易包装。EPSrc的电机及其滚珠螺杆只可以沿齿条轴向转移（图15.10）。

图15.10 EPSrc、空心轴电机是沿机架同心排列

15.3 EPS的组成

15.3.1：辅助动力装置

助力齿轮建立了驱动单元、车轮和司机的连接。因此，它是EPS动力传输的方向。由于振动、摩擦或惯性效应，齿轮箱零件必须通过整体系统的静态和动态质量的评估。根据不同的系统，EPS是由螺钉组合、滚珠螺纹、正时皮带和齿轮齿条齿轮（参见11章）组成。由于齿轮箱的组成很紧凑，每个输入过程都有一个独特的输出过程。

功能：伺服齿轮单元的主要功能是当电动马达提供动力辅助扭矩时，动力辅助驱动的旋转转换为齿条的平移。根据驱动器的不同的特性产生不同的输出动力，以适应扭矩或转速水平的助力动力传动装置。驱动力矩通过齿轮比的慢速端进行放大，产生必要的齿条力，同时还要满足关于功率、空间和功率的功率辅助驱动的要求。

伺服齿轮单元的第二个重要功能是轴的变化旋转。涉及到驱动和驱动轴在空间的位置，对于EPS安装必要的大小和形状的空间是要考虑的。一般的划分为齿轮箱平行相交或倾斜的旋转轴。

动力传输特点：鉴于动力传输的特点，主要由传动比和效率来设计EPS齿轮箱层。传动比I为输入输出比，转速为和

齿轮箱损失功率，PV，用效率来表达eta;，它通过使用功率和提供功率的比值来表达。

EPS的助力齿轮是最重要的技术要求，技术要求如下：

• 高静动态强度
• 对于自聚性有高的安全性
• 对操作和环境条件有高负载能力
• EPS系统的输入和输出功率可以高效率保持特定的的极限值
• 低自由行程，以避免不稳定的转向扭矩曲线在交替转向或动态齿条力变化
• 考虑到强度要求和目标成本，要求重量小
• 结构和机载声音很小，以避免干扰噪声和振动。

15.3.1.1：涡轮

蜗轮属于螺旋齿轮。螺杆和蜗轮轴不交叉.螺杆的形状相当于多行程螺纹螺栓由于螺旋状的形状，旋转带动蜗轮。详见15.11。

一个大的滑动组件比如直齿轮是比较典型的动力传输装置，详见Niemann and Winter（2004）。可以实现无声的稳定动力传输。然而，向接触线滑动会有更高的功率损失。因此，相比直切齿轮效率是比较低的。

在EPSdp系统里，蜗轮蜗杆用于电机和主传动小齿轮之间的传递。EPSc转向柱变化和EPSp齿轮的变化也需要用一个蜗杆来进行动力传动。它是用来传递电动机对转向柱的驱动力矩。蜗轮拥有大的齿轮比。对于EPS系统，他们的范围是15 - 30。传动比对应的是蜗轮齿数和螺杆的螺纹齿轮数的比值。

图15.11 EPSdp的涡轮

带塑料齿轮圈的蜗轮是最常用的部件来保证连接噪音和齿轮寿命的磨损。它的齿轮用淬火钢螺钉。由于高负荷高强度的力，齿轮轮辋是由高性能塑料制作。为了维持稳固得到零齿隙啮合时，通过使用预紧螺旋弹簧可将螺杆放在蜗轮上使用。

15.3.1.2：循环球式

在一个EPSapa或EPSrc系统，滚珠丝杠转换电动机的旋转变成一个机架的转换，反之亦然。滚珠丝杠在转向技术的应用追溯到球与螺母转向齿轮。必不可少的部分，滚珠丝杠（KGT），符合DIN 69051-1（1989），球型螺纹轴，有球滚动元件和球螺纹螺母包括溢流系统和密封元件，见图15.12。

循环球式有利于转换旋转和平移，因为机械负荷能力高，可达到的传动比大，有效能量传输损耗很小。

现代EPS系统的滚珠丝杆是齿条的一部分。球螺纹螺母又称转向螺母，由滚珠轴承支承。无论是直接驱动（EPSrc）或通过皮带变速箱（EPSapa）的电动马达，轴承在操作过程中承受径向力和轴向力。轴转向螺母和齿条重叠。支持驱动扭矩由机架靠近齿轮衔接。为了减少由此产生的负载，转向小齿轮，齿条可以是Y型。

图15.12循环球部分（epsapa）。

循环球式的原理对应于一个楔形的转换，通过斜面进入横向运动，反之亦然，见Steinhilper and Sauer (2006)。他倾斜的平面是在一个螺旋线周围转向螺母的齿条和内。滚珠作为滚动元件，来减少传递之间的滚珠丝杆和滚珠线的负载主轴的摩擦。

斜率h代表齿条在一个珠螺纹螺母的轴向移动的距离。滚珠丝杠在电动机械转向的控制应该在5–10毫米。斜率有助于接计算滚珠丝杠副的传动比：

循环球式的布局和安全性要求很高。除了经典台式试验和强度的有限元分析方法，必要的NVH检验也是需要的。

15.3.2 电机

15.3.2.1：概述

动力辅助由机电电机提供给转向系统。通过车载的线路，电能可以转换成所需机械能。使用正确的电机类型和大小选择，就可以在所有的驾驶情况下有足够的助力可以提供。驾驶感觉和司机的判断对电机是至关重要的，因为可以直接通过机械直接反馈到方向盘。

分类(Lindner et al. 1999; Fischer 2006; Stouml;lting and Kallenbach 2006)：电动机可按照运动式分为旋转发动机和直线发动机（

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