Analysis of a New Type of Electric Power Steering Gear with Two Pinions Engaged on the Same Set of Teeth on the Rack

• Autorzy: Bujak Jarosław , Nakielski Marcin , Szczęch Marcin

Warianty tytułu

PL

Analiza nowego typu przekładni kierowniczej ze wspomaganiem elektrycznym z dwoma zębnikami i współdzieloną listwą zębatą

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Electric power steering is the most commonly used solution in passenger cars. It is a more economical and reliable solution than the hydraulic equivalent. Its main parts are usually the rack, pinion, and worm wheel, which are subject to wear during driving. A steering gear that works incorrectly poses a direct threat to the safety of the driver and other road users. The paper presents various types of electric power steering gears, with a particular emphasis on the problems that arise during the design of the pinion and rack. In this paper, a new electric power steering system consisting of a steering gear with two pinions working on a common toothing of the rack (TPEPS) is proposed. The benefits of placing two pinions on one tooth set of a steering rack are described, which eliminates many problems during production, and thus allows the reduction in production costs. As part of the analysis, design challenges for a new type of transmission are presented, taking into account key customer requirements, with a particular emphasis on durability and ensuring the desired noise level, which is important due to the replacement of cars with an internal combustion drive with an electric drive. This paper presents selected friction and noise test results for a new power steering system. A comparison is made with a system that has two pinions and different teeth on the rack (DPEPS). The results indicate that the new system could become an alternative solution due to its lower friction value and lower noise.

PL

Elektryczne wspomaganie kierownicy jest najczęściej stosowanym rozwiązaniem w samochodach osobowych. Jest to rozwiązanie bardziej ekonomiczne i niezawodne niż hydrauliczny odpowiednik. Jego głównymi częściami zazwyczaj są zębatka lub ślimak, które podczas jazdy ulegają zużyciu. Przekładnia kierownicy działająca nieprawidłowo stwarza bezpośrednie zagrożenie dla bezpieczeństwa kierującego pojazdem i innych uczestników ruchu drogowego. Wpływa to również na hałas. W pracy przedstawiono różne rodzaje przekładni kierowniczej ze wspomaganiem elektrycznym ze szczególnym uwzględnieniem problemów, które pojawiają się podczas projektowania zębnika i listwy zębatej. W pracy zaproponowano nowy układ elektrycznego wspomagania kierownicy składający się z przekładni kierowniczej z dwoma zębnikami pracującymi na wspólnym uzębieniu listwy zębatej (TPEPS). Opisano korzyści płynące z umieszczenia dwóch zębników na jednym uzębieniu listwy zębatej, które niwelują wiele problemów podczas produkcji, a tym samym pozwalają na obniżenie kosztów wytworzenia. W ramach analiz przedstawiono wyzwania konstrukcyjne dla nowego typu przekładni z uwzględnieniem kluczowych wymagań klienta. W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań tarcia i hałasu dla nowego układu wspomagania kierownicy. Porównano jest z układem, który posiada dwa zębniki na różnym uzębieniu na listwie zębatej (DPEPS). Wyniki wskazują, że nowy układ może stać się alternatywnym rozwiązaniem ze względu na niższą wartość tarcia oraz mniejszy hałas.

Słowa kluczowe

EN

steering gear; electric power steering; power steering; gearbox; pinion; rack; friction; noise

PL

przekładnia kierownicza; wspomaganie elektryczne; przekładnia zębata; zębnik; tarcie; hałas

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 1
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., fot., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Bujak Jarosław

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, A. Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Krakow, Poland; Nexteer Automotive Poland Ltd., Towarowa 6 Street, 43-100 Tychy, Poland

• https://orcid.org/0009-0009-9533-1681

autor

Nakielski Marcin

• Nexteer Automotive Poland Ltd., Towarowa 6 Street, 43-100 Tychy, Poland

autor

Szczęch Marcin

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, A. Mickiewicza 30 Ave., 30-059 Krakow, Poland; Nexteer Automotive Poland Ltd., Towarowa 6 Street, 43-100 Tychy, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1997-357X

Bibliografia

• 1. Nakayama T., Suda E.: The present and future of electric power steering, International Journal of Vehicle Design, 15, pp. 243-254 (1994), https://doi.org/10.1504/IJVD.1994.061859.
• 2. Chen X., Yang T., Chen X., Zhou K.: A generic model-based advanced control of electric power-assisted steering systems. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 16(6), pp. 1289–1300 (2008). 10.1109/TCST.2008.921805.
• 3. Nazaruddin N., Zainuri F., Siregar R., Heryana G., Adhitya M., Sumarsono D.A.: Electric power steering: an overview of dynamics equation and how it's developed for large vehicle, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 673, pp. 1–7 (2019). DOI: 10.1088/1757-899X/673/1/012112.
• 4. Poirel, P. Prospects for electric power steering. ATZ Worldw 114, 10–14 (2012) https://doi.org/10.1007/s38311-012-0170-4.
• 5. Dannöhl C., Müller S., Ulbrich H.: H∞-control of a rack-assisted electric power steering system, Vehicle System Dynamics, 50(4), pp. 527–544 (2012), https://doi.org/10.1080/00423114.2011.603051.
• 6. Kim J.-H., Jae-Bok S.: Control logic for an electric power steering system using assist motor, Mechatronics, 12, pp. 447–459 (2002), https://doi.org/10.1016/S0957-4158(01)00004-6.
• 7. Alaa M., Mohamed D., Chouki S., Philippe P.: A New Control Strategy of an Electric-Power-Assisted Steering System, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 61, pp. 3574–3589 (2012). DOI: 10.1109/TVT.2012.2209689.
• 8. Mehrabi N., John M., Nasser L. A.: Design and evaluation of an observer-based disturbance rejection controller for electric power steering systems, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D, Journal of Automobile Engineering, 230, pp. 1–18 (2015). DOI: 10.1177/0954407015596275.
• 9. Dongwook L., Byeonggwan J., Minwoo H., Kyung-Soo K.: A new controller design method for an electric power steering system based on a target steering torque feedback controller, Control Engineering Practice, 106, pp. 104658 (2012), https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2020.104658.
• 10. Pacejka H. B., Tyre and Vehicle Dynamics 2nd ed., SAE International, 2006.
• 11. Li Y., Shim T., Wang D., Offerle T.: Investigation of Factors Affecting Steering Feel of Column Assist Electric Power Steering, ASME 2016 Dynamic Systems and Control Conference, V002T31A005, pp. 1–9 (2016). DOI: 10.1115/DSCC2016-9818.
• 12. Karl J., Carlos C.-W.: Revisiting the LuGre friction model, IEEE Control Systems Magazine, 28, pp. 101–114 (2008). DOI: 10.1109/MCS.2008.929425.
• 13. Carlos M.C.G. F., Ramiro C.M., Jorge H.O.S.: Coefficient of friction equation for gears based on a modified Hersey parameter, Tribology International, 101, pp. 204–217 (2016), https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.03.028.
• 14. Jeong Y., Chung C., Kim W.: Nonlinear Hybrid Impedance Control for Steering Control of Rack-Mounted Electric Power Steering in Autonomous Vehicles, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 21, pp. 2956–2965 (2019). DOI: 10.1109/TITS.2019.2921893.
• 15. Manfred H. Steering Handbook, Springer, 2017.
• 16. Mortazavizadeh S. A., Ghaderi A., Ebrahimi M., Hajian M.: Recent Developments in the Vehicle Steerby-Wire System, IEEE Transactions on Transportation Electrification, 6, pp. 1226–1235 (2020). DOI: 10.1109/TTE.2020.3004694.