畢大寧，康富生，馬慧

(1.山東先河悅新機電股份有限公司，山東淄博255120;2.北京汽車股份有限公司汽車工程研究院，北京100021)

作為我國完全自主創(chuàng)新的汽車電動轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品——循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器經(jīng)過10年的開發(fā)已經(jīng)成功了。下面主要就該產(chǎn)品的特點做一闡述。

1 循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的分類屬性及基本性能特點

循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器是電動轉(zhuǎn)向器的一種專門用于各種輕型到重型貨車和客車的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器是具有完全自有知識產(chǎn)權(quán)的新型汽車零部件產(chǎn)品，完全是具有中國特色的高科技產(chǎn)品。循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器擁有我國三個已批專利保護。

表1 電動轉(zhuǎn)向器分類

循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器是電動轉(zhuǎn)向器其中的一種分支。它同樣有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種特點。它是專門為各種商用車、客車等帶有車架的車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的。在獨立懸掛的車型中也有采用循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器，但是采用了復(fù)雜的轉(zhuǎn)向桿系，如江鈴皮卡、北汽勇士牌軍車等。

循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器也是一種通過電機為駕駛員操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力的裝置。這種助力的大小同樣是由控制器 (ECU)通過PWM方式輸出電流對電機進行控制的。通過控制器的控制可以在駕駛員操縱汽車轉(zhuǎn)向過程中向電機提供最理想的電流，從而控制電機提供最佳助力進行工作。ECU采集的信號來自扭矩傳感器、車速傳感器和發(fā)動機的信號。扭矩傳感器的信號來自于轉(zhuǎn)向軸內(nèi)部安裝的一根扭桿，其兩端在外力作用下產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角度，反映到扭矩傳感器上，轉(zhuǎn)向力的扭矩大小與扭桿的扭轉(zhuǎn)角度和成正比;角度傳感器是隨轉(zhuǎn)向軸車速傳感器安裝在轎車變速器上，也可以直接從電子儀表盤上取得，它反映的是變化的汽車行駛速度。發(fā)動機信號取自發(fā)動機點火線圈。

循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器同樣實現(xiàn)了電動轉(zhuǎn)向器以下幾方面更好的轉(zhuǎn)向性能:

(1)從根本上提高了汽車操縱穩(wěn)定性;

(2)有較好的汽車轉(zhuǎn)向輕便性;

(3)有較好的汽車安全性;

(4)降低了發(fā)動機功率損耗;

(5)節(jié)省了油料;

(6)減少了污染;

(7)提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低溫工作性能。

2 循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的開發(fā)

2.1 循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的設(shè)計思路

(1)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器與其他電動轉(zhuǎn)向裝置一樣，都由減速器部分、機械轉(zhuǎn)向部分、傳感器部分、助力電機組成。關(guān)鍵是其組成結(jié)構(gòu)不同，雖然作用原理是基本一樣的。循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的機械轉(zhuǎn)向部分是循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，這是這種電動轉(zhuǎn)向器與齒輪齒條助力式電動轉(zhuǎn)向器和電動轉(zhuǎn)向管柱的區(qū)別。

(2)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器本身基本結(jié)構(gòu)一樣，都有減速器部分、循環(huán)球轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分、傳感器部分、助力電機。但是不同汽車車型的轉(zhuǎn)向器也有以下不同之處:

根據(jù)汽車車型整車重量不同、前軸負荷不同，螺桿螺母的模數(shù)不同;

根據(jù)汽車車型整車不同，轉(zhuǎn)向器與車架連接結(jié)構(gòu)不同;

根據(jù)不同車型對轉(zhuǎn)向器輸出力矩要求不同，各種電動轉(zhuǎn)向器電機匹配不同;

根據(jù)不同轉(zhuǎn)向器所配扭矩傳感器不同，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)也有不同;

同樣不同車型對電動轉(zhuǎn)向器的性能要求不同，扭桿的剛性、尺寸不同。

2.2 循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)如圖1所示，顯示的是一種典型循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)圖。在循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器中，扭矩傳感器，直流電機，減速裝置和循環(huán)球機械轉(zhuǎn)向器是安裝成一體的。轉(zhuǎn)向傳動軸是獨立的，它與機械轉(zhuǎn)向器輸入軸機械相連;而控制器與扭矩傳感器、直流電機是用電線束相連的。傳感器有電位計式，更多的是安裝BI傳感器的具有主動回正能力的循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器。

(2)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的設(shè)計首要的是確定設(shè)計載荷:根據(jù)汽車車型整車重量不同、前軸負荷不同，螺桿螺母的模數(shù)不同。車型從輕型汽車到重型汽車，其螺桿螺母的模數(shù)從4到8或更大。

(3)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的連接支架的設(shè)計要根據(jù)汽車車型整車不同、轉(zhuǎn)向器與車架連接結(jié)構(gòu)不同，因此轉(zhuǎn)向器的支架部分與車架連接尺寸和形狀都不同。

(4)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器所配電機的選擇要根據(jù)不同車型對轉(zhuǎn)向器輸出力矩要求不同，各種電動轉(zhuǎn)向器所配不同輸出扭矩的電機不同。實際是電動轉(zhuǎn)向器的匹配問題。

(5)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器傳感器的選擇:根據(jù)不同轉(zhuǎn)向器所配扭矩傳感器不同，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)也有不同。EPS傳感器有電位計式、BI傳感器、海拉傳感器等，其相應(yīng)的連接結(jié)構(gòu)也必須有相應(yīng)改動。

(6)循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器扭桿的選擇:根據(jù)轉(zhuǎn)向器不同輸出扭矩和性能要求不同，同樣不同車型對電動轉(zhuǎn)向器的性能要求不同，扭桿的剛性、尺寸不同。

圖1就是一個典型的循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器，它是專門為2噸貨車設(shè)計的。

這種循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)在主傳動機構(gòu)中采用的就是螺桿螺母 (滾珠絲杠各種結(jié)構(gòu)+齒條齒扇結(jié)構(gòu)，是典型的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，是按2噸車機械轉(zhuǎn)向器的參數(shù)設(shè)計的 (螺桿螺母、齒條齒扇))。在該轉(zhuǎn)向器上部，加裝了與電機相連接的蝸輪蝸桿減速器部分，可以實現(xiàn)電機助力和減低轉(zhuǎn)速、增大蝸桿轉(zhuǎn)動扭矩的作用。在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸與螺桿之間安裝了一個彈性扭桿，在轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時與螺桿之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，用它可以反映出轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動力矩。在轉(zhuǎn)向軸與螺桿的相應(yīng)端部也有轉(zhuǎn)角限位結(jié)構(gòu)，可以是一字型、花鍵式等各種結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩者之間± (6°～8°)的相對轉(zhuǎn)角。這個相對轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)向力矩成正比，通過傳感器可以反映出產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩信號，傳到所配的控制器，通過計算機進一步的處理，由控制器發(fā)出電機的控制電流，使助力電機產(chǎn)生助力扭矩，對轉(zhuǎn)向器起助力作用。

該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器與車架的連接支架結(jié)構(gòu)是與同類機械轉(zhuǎn)向器的連接結(jié)構(gòu)和尺寸是相同的，在汽車上去掉原機械轉(zhuǎn)向器，安裝上該電動轉(zhuǎn)向器就可以了，完全可以做到互換的。

該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器中的蝸輪蝸桿的設(shè)計，是按照電機轉(zhuǎn)速與要求的轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)速相關(guān)的關(guān)系做的。它們的速比應(yīng)基本滿足轉(zhuǎn)向器60～90 r/min的要求，中重型車為下限，輕型車可以根據(jù)用戶要求相對提高。只有高檔轎車才能到上限，但這是齒輪齒條轉(zhuǎn)向器才需要的。

該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器采用的傳感器可以是電位計式、選變式、霍爾式、電磁感應(yīng)接觸式或非接觸式。

該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器采用的助力電機可以是220 W、360 W以及更高。可以是直流有刷電機，也可以是交流無刷電機，關(guān)鍵是能保證該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器輸出扭矩。在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計中該循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器電機的位置是最關(guān)鍵的。因為在車型上電機位置決定于相應(yīng)的安裝空間大小。要保證設(shè)計的電機位置與周圍空間至少保持20 mm以上的尺寸。這在我們以往設(shè)計的循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器在整車布置時是經(jīng)常遇到的。

2.3 循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的控制器的設(shè)計

循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的控制器是完全遵循理想的電動轉(zhuǎn)向手力模型實施的。該模型遵循汽車轉(zhuǎn)向原理和要求操縱穩(wěn)定性，隨方向盤轉(zhuǎn)動手力變化和在不同車速時有以下規(guī)律:

(1)方向盤力矩增大，電機電流 (扭矩)按一定規(guī)律增大;

(2)方向盤轉(zhuǎn)動速度增大，電機轉(zhuǎn)速增加;

(3)隨方向盤轉(zhuǎn)動方向不同，電機轉(zhuǎn)動方向不同，換向時不得出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨汽車車速增大，電機電流 (扭矩)按一定規(guī)律減小;

(4)隨著客車或貨車載重量的增加，前橋負荷也要加大，汽車本身回正能力不夠，電動轉(zhuǎn)向器必須具有主動回正能力，以幫助提高汽車操縱性能。

圖2就是我們設(shè)計的電動轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向手力按速度變化的特性。該特性設(shè)計得是否合理就是看能不能在低速時轉(zhuǎn)向輕便，在高速時應(yīng)當(dāng)加大轉(zhuǎn)向手力，從而解決高速時操縱穩(wěn)定性問題。曲線形狀應(yīng)為在40～50 km/h以下車速時，助力均應(yīng)較大，可有較小的下降;而在70～80 km/h以上車速時，助力應(yīng)較小，且有較小的下降。在中間車速過渡段應(yīng)有一個圓滑雙曲線的過渡，保證駕駛員全過程操縱平滑。其下降助力比應(yīng)為100∶30，在高速時仍應(yīng)保持30%助力。

圖3就是我們設(shè)計循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器所遵循的手力特性。

2.4 循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的性能設(shè)計要求

(1)防止高速發(fā)飄功能

由于汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向阻力是變化的。有動力轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時由于輪胎的橫向阻力小，方向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，容易造成轉(zhuǎn)向過于靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當(dāng)減低助力，甚至于加大轉(zhuǎn)動阻力，這種阻力的變化應(yīng)該平滑過渡。該控制器設(shè)計時必須按理想的電動轉(zhuǎn)向模型進行，該電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速通過控制助力電機，降低高速行駛時轉(zhuǎn)向助力，增大轉(zhuǎn)向手力，這樣才能真正解決高速發(fā)飄問題，而且成本相對較低。

(2)主動回正功能

如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎的過程中減小了施加在方向盤上的力矩，扭桿上的扭矩也相應(yīng)減小。于是轉(zhuǎn)向力在減小的同時，轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向的速度都相應(yīng)地減小，回轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)被精確地檢測到?？刂茊卧鶕?jù)轉(zhuǎn)向力、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度和存儲在控制單元中的特性曲線圖計算出電動機需要的必要的回正力，并控制電動機工作，促使車輪回到直線行駛的方向，即中心位置。

(3)制止擺頭功能

在方向盤撒手回正過程中，當(dāng)車輪出現(xiàn)第一個方向擺頭時，回正角度超過零點，角度傳感器就會出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動;出現(xiàn)第二個方向回擺，回正角度超過零點，角度傳感器就會再次出現(xiàn)相對零點的超越角度信號，控制器就會再次控制電機反向加力，阻止車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動;可使汽車迅速制止擺頭。

(4)維持直線行駛功能

直線行駛功能是主動回正功能的一個擴展，當(dāng)沒有力矩作用在方向盤上時，系統(tǒng)將產(chǎn)生助力使車輪回復(fù)到中心位置。為實現(xiàn)直線行駛功能，又分為長時間法則和短時間法則兩種不同的情況。我們開發(fā)的循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的性能都能達到這個要求，尤其是在3噸以上貨車和客車上，都必須滿足這個性能要求，特別是主動回正功能。

3 循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用

我們獨自開發(fā)的自有知識產(chǎn)權(quán)的循環(huán)球助力式電動轉(zhuǎn)向器已在8個車型上應(yīng)用了各種循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器。這八個循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的實物照片和車型如下:

(1)長城皮卡循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖4所示。

(2)江陵皮卡 (湖南電力工程車)循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖5所示。

(3)北汽吉普循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖6所示。

(4)北汽勇士混合動力軍車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖7所示。

(5)東風(fēng)3噸貨車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖8所示。

(6)淄博2噸貨車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖9所示。

(7)解放4.5噸混合動力貨車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖10所示。

(8)東風(fēng)4噸混合動力貨車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器如圖11所示。

要說明的是為3.5噸混合動力貨車開發(fā)的循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器已經(jīng)是世界上最大的電動轉(zhuǎn)向器了，電機參數(shù)已達到900 W、24 V、80 A。

4 循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的發(fā)展方向

4.1 在中重型客車和載貨汽車上發(fā)展應(yīng)用

(1)在中重型客車和載貨汽車上也可以發(fā)展循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器(EPS);

(2)發(fā)展無刷電機及控制器的使用。

4.2 在軍車上的應(yīng)用

在軍車上進一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，提高軍車機動性。

在越野汽車和軍車上將重點發(fā)展全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng):發(fā)展高性能電動轉(zhuǎn)向器——全自動電動轉(zhuǎn)向器 (QS-EPS)、半自動電動轉(zhuǎn)向器 (BS-EPS)。

在不同軸上采用不同的電動轉(zhuǎn)向橋就可以實現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向。如:兩軸車前橋采用全自動電動轉(zhuǎn)向器，在后橋采用半自動電動轉(zhuǎn)向器，就可以實現(xiàn)兩軸車實現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向。

4.3 發(fā)展多軸車輛的EPS系統(tǒng)

(1)雙輪左輪裝手動S-EPS，右輪裝半自動S-EPS，最大負載6 000 kg;基本滿足公路重型汽車要求。就是說無論輕中重型貨車都是可以使用EPS系統(tǒng)。

(2)雙前橋轉(zhuǎn)向同樣可以用左輪裝手動S-EPS，其他3個采用半自動S-EPS，由一個控制器控制。其轉(zhuǎn)向桿系部分保持原拉桿系統(tǒng)。

(3)三軸車輛電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可在前后軸上分別安裝電動轉(zhuǎn)向器。

5 結(jié)論

(1)循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器在我國的載重貨車和客車上的應(yīng)用是有廣泛前途的。

(2)循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器在我國軍車市場存在很好的市場前景。

(3)應(yīng)該大力生產(chǎn)和發(fā)展這種具有中國特色的專利產(chǎn)品——新型汽車轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品。