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Thomson 执行器帮助提升皇家交通研究项目的效率

  2017年08月02日  

  现今,车辆可以轻松进行弯道行驶以及急转弯,似乎现代助力转向系统已经没有多少改进空间。然而,瑞典 KTH 皇家综合交通研究实验室(ITRL)专注于过驱动汽车技术的工程师并不这样认为。他们正致力于研究使用小型机电技术替代传统液压转向技术能否在性能、成本、维护、可持续性和灵活性方面带来优势。

  当今的转向系统有什么问题?

  目前,大多数车辆中的助力转向系统都是围绕着转向柱构建的,转向柱在车辆驾驶员侧占据了很大的空间。通过转动方向盘,驾驶员直接控制高压液压油流向前轮组件上的执行器,使得车轮能够在将其与悬挂系统连接的球形接头上向左或向右转动。这种装置在一定程度上运行良好,但是存在很多限制。

  一方面,转向柱需要占据大量空间并且会增加机械系统的重量,而该机械系统十分复杂并且维护成本高昂。例如,如果转向系统在碰撞中受损,维修或者更换成本费用不菲。另一方面,液压转向系统还需要定期维护。助力转向液必须定期补充,因为潜在泄漏会损害转向性能,从而危及安全。

  能效是一个时下热点问题。“传统转向系统通过直接连接发动机获得动力,因此在怠速时,车辆将停止向转向系统供电,然而在高速驾驶时,转向系统处于过载状态。”交通创新专家,ITRL 主管 Peter Georén 说道,“最新设计趋势是将发动机更多地用于推进,而不是用于为子系统供电。”

  传统转向器的另一个限制是只有前轮旋转,因此转动角度受限。例如,这使得挤进狭小的停车空间变得极具挑战性,需要进行一系列被称为平行停车的可怕操作。尽管一些较新的车型可以为我们完成这项操作,但是该功能仍然在车辆可以垂直进入停车点时才更加有效。除了停车外,配备多个转向执行器能够更好地控制汽车,减少滚动和转弯阻力,使得驾驶更加愉快、安全。

  尽管现在并非转向系统的一部分,外倾角的调整、车轮与车厢的垂直对准是非常精密的操作,每当坑洼或者其他损伤导致其受到影响时都必须使用专用设备进行调整。如果该调整可以更方便地完成(甚至自动化完成),则可以节省时间和成本,实现更平稳的驾驶和更少的轮胎磨损,并且在需要时可提高侧向抓地力,从而提高安全性。

  使用电线替代管道

  线控转向是KTH和ITRL正在努力解决的一系列更广泛的环境和可持续交通挑战的一部分。ITRL 正在对其 400 kg 的研究概念车(RCV)进行测试,该概念车可搭载两名乘客并达到 70 km/h 的车速。图 1。

 

  RCV 的每个车轮上都配备了一个由直线执行器控制的转向装置。传统上,转向力通过液压管道输送高压动力液提供,然而在 ITRL 的研究概念车(RCV)中,电线替代了液压管道并且激活内置在执行器外壳中的小型电机。驾驶员通过方向盘控制电信号,相比于传统的转向柱和管道系统,这更像是电子游戏的控制器。

  为了配备用于测试过驱动技术的系统,ITRL 团队确定 RCV 需要 8 个电动推杆:每个车轮上 2 个驱动器,其中一个用于控制转向,另一个用于控制外倾角。寻找适当的直线执行器需要一些时间。他们向许多供应商提交了技术参数,但大多数供应商都只能在更高电压或者 AC(交流)下满足参数要求。然而 Thomson Industries 可以满足所需的全部技术参数。Thomson 提供了 4 个高速 Max Jac MX24-B8M10E0 执行器来执行转向功能,以及 4 个 Pro 系列执行器来改变车轮外倾角。

  正如预期的一样,新的电动推杆比液压执行器响应速度更快,因为电力沿电线传输的速度更快。此外,数字控制器与专门设计的转向结构相结合,提供了传动驱动无法达到的灵活性水平。例如,这种能力可以用垂直停车替代平行停车,或者在未来实现驾驶过程中的自动重新校准,减少滚动阻力或者撞击坑洼后的调整。

  压力测试

  测试方案涉及车辆的满载行驶和连续转弯。静态转向对系统的压力要比车辆行驶时的转向更大,而且在运行接近连接配置的限制之前不久就开始受到影响。执行器电机上的绕组变得过热并开始烧毁。

  无法选择使用不同的执行器,因为已经确定只有 Thomson 执行器能够满足所需的性能参数。因此,注意力转向随执行器提供的库存电机,因为它并不是专为ITRL 测试中的极端条件设计的。Georén 和他的团队测试了一个想法,绕线方式不同的电机可能会提供所需的性能而且不会烧毁。

  电机对比

  测试是通过特别合作完成的,参与人员包括 KTH 实习生 Bruno Verde 和 Thomson 工程师。他们对多款备选电机的几何和电气约束进行了评估,并且考虑了能够实现高转向力下连续运行的相关事项。选择因素包括了特定转向力输出所需的输入扭矩、电机发热特性和匹配当前底座的能力。

  图 2 显示了所选电机的测试结果,该电机具有可兼容外形尺寸,以及通过更低绕组电阻获得的更高扭矩和热性能。

  在 1080N 负载下,替代电机只需 2.8A 电流即可实现所需扭矩,因此能够在发热限制范围内连续运行。经过几乎 1000 秒后,电机外壳温度仅仅达到 45°C,并且没有燃烧的迹象。23 分钟后,温度上升到 50°C,仍然没有燃烧迹象。Verde 计算出当电流消耗始终为 2.7A 时,电机绕组处的稳态温度将达到 80°C,这正好在电机的参数范围内。这证实了将替代电机用于线控转向应用的可行性。

  上路测试 替代电机并不是库存电机的直接替换件,因为它需要钻 3 个新孔。必须订购新的小齿轮并进行加工,以适应新电机的电机轴。改装后的执行器被安装在车辆的一角,以便通过测试循环和控制器来测试静态转向性能。团队分别在空载、承载一名乘客和两名乘客的情况下对车辆进行了测试。如下图所示,承载两名乘客时执行器电流为 1.5A RMS,这大致对应于 600N 的执行器输出力,并且可在该电机 100%占空比下保持。

 

  电机随后被连接到 RCV 转向控制器,以便测试其与整个系统的性能。该款更强力的电机将转向角提高了大约 5 度。

  演进执行器改装实现了一个高功率系统,可满足更高的性能目标,其产生的作用力是先前产品的两倍,响应速度更快而且不会过热。研究人员相信对于短时间爆发,更高的转向力(例如,5 amp 时的 200N)也是可能的,然而,需要进行更广泛的测试和系统分析来确定机械安全限制。

  Georén 估计:“距离线控转向技术真正上路可能还需要 5 年,第一例实际应用很可能是在操控性非常重要的工业领域,例如叉车和货车。尽管如此,Thomson 执行器仍为这一重要里程碑的创建做出了贡献。”

  “许多公司都在谈论与学生和学术机构合作,但是实际做法则是另一回事。 Thomson 应该非常自豪;他们集众人之力开发出了一款真正的好产品。”

标签:Thomson 执行器我要反馈
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