管柱型电动助力转向系统的布置.doc

技术导向管柱型电动助力转向系统的布置项春健 王 璟 付银玲 ( 上海泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201)【摘要】 文章以管柱型电动助力转向系统( C-EPS) 的布置为中心，对 C-EPS 布置所涉及的注意事项进行概要介绍。【Abstract】 The collocation of C-Electric power steering system is mainly focused，and thingsshould be noticed are briefly introduced【关键词】 电动助力转向 汽车 优化doi:10. 3969 / j. issn 1007-4554 2012 12 10电动助力转向装置( EPS) 具有很多优点，如重量轻，可降低油耗; 结构紧凑，可节省设计空间; 同 时可以将路面信息准确传达给驾驶者以实现安全 舒适的驾驶。按照电机在转向机构中耦合位置和方式，EPS 主要分为 3 类: 转向柱式( C-EPS) 、小齿轮式( P- EPS) 、齿条式( R-EPS) 。这 3 种 EPS 中，C-EPS 结 构简单、紧凑，制造成本低、工艺和后期的维护、保 养相对简单，因此国内的 EPS 中多以 C-EPS 为主; 虽然 C-EPS 结 构 紧 凑，但 其 主 要 零 部 件: 电 机、 ECU、减速机构都集成布置在转向管柱上，而转向 管柱区域的空间原本局促，且涉及驾驶员踏板区 域，属于客户高关注度区域，所以其布置仍存在一 定的挑战。本文主要阐述 C-EPS 布置时的注意事项及相 应的策略，以实现在对其他零件影响最小的情况 下 C-EPS 的优化布置。成，如图 1 所示。图 1 C-EPS 系统主要零部件组成C-EPS 周边零件组成2C-EPS 集成在转向管柱上，周边零件较多且比较重要，位置调整困难。C-EPS 周边零件主要 由踏板、仪表板横梁、空调箱、车身防火墙、其他电 子模块等组成，如图 2 所示。C-EPS 系统的组成13C-EPS 布置的技术要求C-EPS 系统主要由转向管柱、转向中间轴、转向输入轴、电机、控制单元、减速机构、转向机组电动助力转向系统利用电动机产生的动力协收稿日期: 2012 10 11上海汽车2012. 1243技术导向间隙) 因素外，由于其位置及零件属性的特殊性，还需要考虑安全、人机、安装维修等方面。C-EPS 的布置需要根据不同项目的需求，综合考虑及平 衡这 4 个因素，选择合适的布置方案。静态和运动间隙要求及优化和 3 踏板( 离合踏板、制动踏板、加油踏 板) 之间的关系4 14 1 1由于 C-EPS 系统的组成部件，布置于踏板区域，二者位置紧密相关，所以在布置 C-EPS 时，必 须考虑踏板空间的需求。( 1) C-EPS 主体模块( 电机、减速机构、ECU)和踏板之间的空间关系。由于踏板之间本身有一定的宽度要求，在车 内空间的限制下，踏板之间左右方向一般不足以 布置 C-EPS 的主体模块，尤其是电机和 ECU 控制 单元，所以 C-EPS 的电机及 ECU 模块通常和踏板 模块前后错开布置，如图 3 所示。图 2 C-EPS 周边零件助驾车者进行转向，C-EPS 的电动机集成在转向管柱上，所以布置 C-EPS 时，必须首先满足转向管 柱本身的位置要求; 其次还需满足以下技术要求。 空间要求: 一般 C-EPS 需要和周边零件保持最小 10 15 mm 左右间隙，此数值需要视各自厂 家零件质量及安装精度决定。( 1) 上下方向。C-EPS 模块下方是驾驶员脚 操作空间，所以 C-EPS 模块位置不能太低; 同时 C- EPS 上方为转向管柱、风道、IP 其他零件，所以其 位置也不能太高。由于转向管柱是倾斜的，C-EPS 沿着转向管柱前后调整的同时，会影响上下空间。( 2) 前后方向。C-EPS 前后位置需要考虑方 向管柱的溃缩行程，同时需要考虑防火墙碰撞入 侵的空间要求。( 3) 左右方向。沿汽车行驶方向，转向管柱右 侧为空调箱模块; 左侧视不同车型，模块不一。所 以需要根据不同的平台环境数据，确定 C-EPS 电 机、ECU 的位置，以保证足够的空间布置 C-EPS 的 子模块。安装要求: 需保证安装工具的空间要求，方便 安装。售后维修要求: 除需要考虑 C-EPS 本身，还需 要考虑因安装 EPS，而对周边零件的维修性产生 的影响，需要提高售后维修的便利性;图 3 离合踏板和 C-EPS 电机模块由于在追求乘坐空间最大化的要求下，一般仪表板内的预留区域不大，前后空间比较紧张。 而且考虑正碰时踏板入侵乘客舱的可能性，踏板 和 EPS 转向系统之间仍需要保持足够的安全间 隙，所以布置 C EPS 时，前后空间布置不足问题 经常发生。此问题，解决途径一般有 3 种。改变电机位置: 电机位置的调整有 3 种方法。 方法一: 在原转向管柱的基础上，按照一定方 向，旋转电机至空间足够区域。方法虽然简单，但 由于电机模块有一定的尺寸，所以如果前后尺寸空间不足，其优化的空间不大。方法二: 电机和 C-EPS 减速机构一同沿转向 管柱上移，从而得到更大前后空间。方法三: C-EPS 转向管柱整体后移，和踏板保C-EPS 布置方案优化4C-EPS 的布置，除了涉及到空间( 静态，运动上海汽车442012. 12技术导向持适当距离。改变模块尺寸: 减小电机尺寸或者踏板模块 本身前后尺寸，电机尺寸的调整涉及到技术和成 本问题，一般很少采用; 而踏板机构本身的原理很 简单，对于踏板上的附件，如传感器之类，调整至 踏板侧面，也可以节省前后空间，建议优先考虑。向前移动踏板座位置: 如果移动踏板，可能会 影响踏板面位置，且踏板位置会影响到防火墙的 设计，所以不建议采用。如果研究此方案，需要对 踏板面位置及防火墙的更改做相应的评估。( 2) C-EPS 转向中间轴和踏板之间的的空间 关系。转向半轴需要通过防火墙连接转向系统，所 以转向中间轴最终会介于踏板之间。转向中间轴 的位置会影响转向管柱的位置，从而影响 C-EPS 模块的位置。对于踏板臂( 全行程) 和转向中间轴常见的干 涉问题，解决的途径一般有: 更改踏板臂的形状， 避免干涉，见图 4。对防火墙的相关性能进行评估分析。4 1 3和空调箱模块之间的相互关系空调箱属于乘客舱尺寸较大模块，占据仪表板内大部分空间。对于电机在右侧的 EPS 模块， 需要注意 EPS 电机模块和空调箱之间的间隙是否 足够，具体数值，可以根据零件的装配公差及零件 的尺寸公差进行调整。和转向管柱设计位置( 静态) 之间的相互关系因为 C-EPS 减速机构是和转向管柱是关联 的，所以 C-EPS 模块和转向管柱的相对位置，随着 转向管柱的轴线位置变化而变化。对于全新设计 车型，可以用 C-EPS 布置空间的需求正向引导转 向管柱角度的位置; 转向机输入轴、转向中间轴、 转向管柱三者的设计角度存在相关性( 见图 5 ) ， 转向管柱轴线的角度调整，会影响中间轴的位置， 从而影响 EPS 系统和防火墙的位置关系。对于小 改型，不建议修改，因为转向管柱轴线的位置和方 向盘位置及 H 点息息相关，转向管柱轴线位置的 调整可能会影响到组合仪表的视野，乘坐舒适性 等整车参数，影响较大。4 1 4图 4 踏板和转向管柱半轴调整转向中间轴的位置: 考虑转向效率的因素，转向中间轴和转向机输入轴，及转向输入轴之 间的角度是相互关联的，具体见 4 1 4 节所述。4 1 2 和防火墙之间的相互关系转向中间轴或者转向输入轴通过防火墙，间 接或者直接与转向机连接。而一般此位置为防火 墙 1 号梁设计位置，而 1 号梁对整车安全性能贡 献较大。对于新设计的车辆，可以根据 C EPS 的 布置要求，正向引导防火墙的设计。但是，对于中 期改型项目，由于防火墙位置影响零件非常多，且 和安全性能有直接的关系，所以，一般防火墙的位 置，不建议做大的更改。如果确实需要更改，需要图 5 转向机输入轴、转向半轴、转向管柱轴线4 1 5和转向管柱运动包络之间的相互关系C-EPS 固定于转向管柱上，对于可以调节位置的转向管柱，需要考虑转向管柱所有调节位置，上海汽车2012. 1245技术导向保持其和周边零件具备足够的间隙; 对于前期未考虑 C-EPS 的车辆，由于增加 C-EPS，使得转向柱 系统体积增大，在转向管柱调节范围内，有可能存 在间隙不足的问题，应该在布置 C-EPS 时，充分考 虑转向管柱的运动包络区域，留取适合的间隙。外，一般在前端也有固定点。前端固定可以在左右方向，也可以在前后方向紧固，需要根据具体的 空间确定。常见有两种方式:( 1)如果 EPS 左右空间有足够的螺栓退出空间且螺栓可见性好，螺栓可以左右布置，直接把转向管柱前端紧固在 CCB 的支架上，见图 7。( 2) 如果 EPS 左右空间不足的情况下，可以考 虑增加过渡支架，将左右固定转变为前后固定。 对于拆卸前后固定的 EPS 转向管柱时，可以先拆 卸转向管柱上安装点，再下转转向管柱，获得足够 的安装及拆卸下固定点的空间，见图 8;转向管柱的溃缩要求(安全要求)C-EPS 在转向管柱前后方向，需要考虑方向 盘的溃缩要求，见图 6 ( A 值) ，即转向管柱本身的 溃缩要求。根据不同项目对安全的要求不同，具 体数值需要和安全工程师协商确认。4 2图 7 左右固定图 8 前后固定其他电子模块的布置随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子 模块被应用到汽车之中。仪表板内部，转向管柱 周边原是部分电子模块布置的理想区域。所以在 不影响 C EPS 布置的条件下，需要兼顾其他电子 模块的布置需求。4 5图 6方向盘溃缩量4 3人机工程需求虽然 C-EPS 系统相对传统的液压系统模块数量减少，但由于 C-EPS 的主要模块相对集中于转向管柱区域，且在驾驶员脚部上方区域，此区域空 间本身属于人体感知敏感区域，所以驾驶员脚部 操作范围应该考虑 95% 以上假人的使用空间需 求，且应保留一定的安全系数，以避免操作踏板时 与 C-EPS 模块发生碰擦。对于脚步空间设计状 态，可通过实物验证方法评估空间需求。结语5由于转向管柱区域的布置比较紧凑，且此区域影响到安全性，舒适性等性能，所以对于增加的 C-EPS 模块，需要考虑全面: 除了 C-EPS 转向系统 本身的零件要求及与周边零件的间隙要求之外， 还应该考虑 C-EPS 的安装性、维修性、踏板操作舒 适性、碰撞安全性等，以保证 C-EPS 在满足功能需 求的基础条件下，同时满足布置的优化设计。4 4C-EPS 的安装与维修便利性4 4 1 C-EPS 的安装便利性C-EPS 型转向管柱集成了电机、ECU、减速机 构等零部件，所以质量重，一般不在总装线上安 装