電動汽車電動助力轉向系統的匹配研究

彭海蘭 張春苗

（嘉興職業技術學院機電與汽車分院，浙江 嘉興314036）

0 引言

隨著人們對汽車性能要求的不斷提升，電動助力轉向系統以其轉向輕便、節能和操控性能佳等優點被市場認可。目前市場上電動助力轉向系統所采用的驅動電機主要有直流有刷電機、直流無刷電機和永磁同步電機。由于結構簡單、成本低，直流有刷電機常被用于前軸最大載荷小于900kg的小型車上；直流無刷電機具有高效、高功率密度的特點，常被用于大型車上；永磁同步電機由于其扭矩波動小、控制精度高、動態響應佳，常被用于高端車型。本文研究的平臺是一款小型SUV車型，基于成本考慮，其電動助力轉向系統選擇采用直流有刷電機驅動。

1 電動助力轉向系統（EPS）的匹配計算

表1是用于轉向系統匹配初步計算的整車參數輸入。

表1 整車參數

1.1 EPS電機最大助力力矩計算

首先按照車輛前軸最大載荷計算地面最大轉向阻力矩。匹配車型的前軸滿載載荷為895kg，由經驗公式（1）可計算出地面最大轉向阻力矩。

式中，Mr為原地轉向阻力矩（N·mm）；f為輪胎與地面間的滑動摩擦系數，一般取0.8；G1為轉向軸軸荷（N）；P為輪胎氣壓（MPa）。

計算得原地最大轉向阻力矩Mr＝438 769N·mm。

另外，在已知轉向系統角傳動比igear＝19、系統效率ηgear＝0.9、EPS減速器減速比imotor＝16.5的前提下，根據駕駛經驗，初定轉向盤最小力矩Twheel＿min＝3＝3N·m，根據式（2）可計算出EPS電機需要提供的最大扭矩Tmotor＿max＝1.37N·m。

1.2 EPS電機轉速設計

如上所述，在考慮了汽車靜止狀態下轉向輕便性要求的前提下，已經得出一個EPS驅動電機需要提供的最大扭矩。而在某些特殊工況下，如緊急掉頭、緊急避讓、側方停車等時，需要EPS電機既能提供較大的轉速，其扭矩又不能衰減得過大。

直流有刷電機由于其本身特性的限制，在高速運行時扭矩會存在較大的衰減，這樣就造成在特殊工況下要求駕駛員提供較大的操作力，從而影響駕駛的舒適性和安全性。

因此，按照一般的駕駛經驗，在設計電機額定轉速時，轉向盤轉速一般情況下應設定為60～70r／min。在轉向盤最大轉速為70r／min時，電機的額定轉速必須大于1 155r／min，且電機此時的扭矩應不小于1.37N·m。由于電機最大轉速通常為額定轉速的2倍，因此最終設定電機的額定轉速為1 155r／min，最大轉速（空轉）為2 310r／min。

1.3 EPS電機額定功率設計

EPS電機額定功率可按照式（3）計算。

式中，λ 為功率系數，設定為 1.2；ηmotor為電機效率，設定為83%。

因此，電機的額定功率Pmotorrated設定值為243W。

1.4 EPS電機選型

根據以上計算與設計結果，結合市場中成熟的EPS驅動電機產品系列，選擇的電機性能參數如表2所示。

表2 電機性能參數

2 實車驗證試驗

為了驗證匹配設計的EPS電機性能是否能達到預期目標要求，基于GB／T6323—1994《汽車操縱穩定性試驗方法》，對實車進行操縱穩定性試驗，從而進一步驗證匹配方案的合理性。

2.1 轉向輕便性試驗

EPS的基本功能就是改善車輛低速駕駛時轉向的輕便性和高速時的路感。為驗證設計的EPS系統這兩方面的性能，在雙紐線道路上對車輛的轉向輕便性進行了驗證。

圖1是車輛在有EPS和沒有EPS的兩種情況下轉向盤轉角和轉向盤扭矩之間的關系曲線，表3是車輛在有EPS和沒有EPS的兩種情況下轉向盤力矩的對比數據。由此可以看出，設計的EPS系統對改善車輛的轉向輕便性具有較好的效果。

圖1 轉向盤轉角—扭矩曲線

表3 轉向盤力矩

2.2 轉向回正性能試驗

轉向系統的回正性能是指駕駛員松開轉向盤后由于回正力矩的作用使方向盤回到中間位置的能力。在實際應用中，由于輪胎與地面以及轉向系統內部存在摩擦阻力，低速時摩擦阻力大會導致轉向盤回正不到位，高速時摩擦阻力小又會導致轉向盤回正過度。因此，回正性能是判斷EPS轉向性能優劣的一個重要指標。

經過實車轉向回正性能試驗，對比分析圖2和圖3車輛在有EPS和沒有EPS兩種情況下轉向盤轉角的變化曲線，驗證了選用的EPS電機方案具備良好的回正性能。

圖2 低速工況回正性能

由圖2可以看出，車輛低速時，在沒有EPS的情況下轉向盤無法自動回到中間位置，殘余轉向角為20°；而轉向盤在經過EPS控制后，基本上能夠回到中間位置。圖3中車輛在高速行駛時，在沒有EPS的情況下轉向盤回正出現了超調現象；經過EPS控制后，轉向盤回正則基本消除了超調現象。

圖3 高速工況回正性能

3 結語

本文基于一款純電動小型SUV實車平臺對電動助力轉向系統的電機性能及參數進行了匹配和計算，選擇了一款既滿足性能要求又具備成本經濟性的電機方案。最后，通過在實車上對轉向系統性能進行評估，得出其各項性能均滿足目標車型性能要求的結論。

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