基于差动轮系机构的汽车电动助力转向系统研究

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1、学术前沿&##(年"#月中国制造业信息化第$$卷第"#期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!基于差动轮系机构的汽车电动助力转向系统研究骆行（成都电子机械高等专科学校机电系，四川成都!"##$"）摘要：分析了基于差动轮系机构的汽车电动助力转向系统工作原理及其对汽车中心操纵性能的影响。首先对差动轮系转向机构进行了静力学和运动学分析，然后建立了简化的动力学仿真模型。仿真的结果表明，基于差动轮系机构的电动助力转向系统能提高汽车

2、中心操纵性能。关键词：电动助力转向；差动轮系；中心操纵性能中图分类号：!"##$%&文献标识码：’文章编号："!%&’"!"!（&##(）"#’#""(’#&电动助力转向（)*+,）系统是一种全新的电力电子伺服系统［"］，相对于传统液压动力转向（-*,）系统，它具有节约燃料、有利于环保、可控转向感觉等诸多优点，并且适应了新一代电动汽车和智能汽车电子化、智能化要求。)*+,通过控制器测得驾驶员输入扭矩及车速、方向盘转角等信号后由电机提供一定助力扭矩，从而达到转向助力的效果［&］。)*+,包括转向齿轮、转向柱、齿条、

3、控制器、助力电机、减速机构以及一些扭矩、角度和速度传感器。)*+,的助力减速机构与电动机相连，起减速增矩的作用，它在)*+,中占有重要位置。助力机构设计应考虑汽车上转向机构安装空间的大小，结构上应尽量简单、紧凑，正向转动效率高而逆向转动效率适当，并保证转动惯量和摩擦、间隙尽可能图"差动轮系减速机构小。目前基于转向柱助力方式的电动助力转向系统的减速机构程可以考虑齿轮系中的每一个自由刚体的受力分析。设联接方有两种形式，蜗轮蜗杆助力机构和差动轮系助力机构。前者在向盘的太阳轮齿数为!，转角为!，扭矩为"，与电机联接的中很

4、多文献中都作了研究［"］。而基于差动轮系机构的)*+,由于"..心轮齿数为!，转角为!，扭矩为"，行星轮齿数为!，行星架$//&不用采用离合器装置，因而大大减少控制系统中的滞后与超调，-联接转向小齿轮转角为!0，扭矩为"0。根据差动轮系自由度为降低了控制系统的设计难度，提高了转向的安全可靠性。本文&的特点，由差动轮系计算式在对采用差动轮系机构的)*+,与汽车一体化模型进行简化处$!$!!-.%0$理的基础上，分析了这种)*+,对汽车中心操纵性能的影响。""$#$!$!#%!/%0"所以$!!"$!!$$!0#!!

5、.&!!/#基于差动轮系机构的)*+,工作原理及"&$"&$特点令’!"’!$"#&#!"&!$!"&!$定义转向柱转角与汽车前轮转角之比为转向比，传统的转则$!0#’"$!.&’&$!/向系统和采用蜗轮蜗杆的)*+,都是一种不可变的转向比转向设初始位置为#，积分后有系统。但是在差动轮系)*+,中，差动轮系位于转向柱与转向!0#’"!.&’&!/（"）小齿轮之间，因此转向比是变化的。由虚位移原理可得静力学方程：基于差动轮系机构的)*+,系统模型如图"所示。它在汽车原有的齿条小齿轮转向机构中增加了一个差动轮系，蜗轮

6、蜗".#’""0（&）杆联接差动轮系和电机。图"中的光学编码器即是为了测量转"/#’&"0（$）向柱转角。在实车运行中，控制器首先知道转向柱需要的转向"0#".&"/（(）位置、电机的位置和转速及车速的大小，随后控制算法按照车速从运动学方程式（"）可以看到，小齿轮的角位置是行星齿轮和转向比的要求驱动电机转到一个特定的位置。和电机角位置的叠加。这里’，’是齿轮转动比，它们由太阳"&差动轮系机构运动学方程可以从叠加原理得到，静力学方轮齿数、行星轮齿数和中心轮齿数共同决定。!是齿轮系的输0收稿日期：&##(’#!’&&

7、作者简介：骆行（"122’），女，四川眉山人，成都电子机械高等专科学校讲师，主要从事机械原理、机械零件方面的教学与研究工作。""(·中国制造业信息化·&##(年"#月·应用研究·骆行基于差动轮系机构的汽车电动助力转向系统研究学术前沿!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!出，!，!分别代表了驾驶员输入和电机输入。将电机的输入角!"度（!）作为驾驶员输入角度（!）和车速的函数，设直流增益为"!!#，得稳态变化方程：!""!#

8、!!（$）定义系统小齿轮到前轮之间的传动比为#，设汽车前轮转%&向角为!，$是转向比，即转向柱转角与汽车前轮转角之比，则’(的计算公式可以做如下推导：$"!!，#!&，由式（)）可!#%&"!’(!’(得)!&#)!""（#!%#）!!*!*#)（)&）所以!)!&#)#*#)（+）#"（#!%#）"$%#*!**#%&图*简化的动力学仿真模型可以看出小齿轮位置（它直接影