商用車電動助力轉向系統助力特性研究

陳建宏，張　碩

（1.福建船政交通職業學院 汽車運用工程系，福建 福州 350007；2.長安大學，陜西 西安 710064）

商用車電動助力轉向系統助力特性研究

陳建宏1，張碩2

（1.福建船政交通職業學院 汽車運用工程系，福建 福州 350007；2.長安大學，陜西 西安 710064）

摘要：根據某商用車的結構、參數和試驗數據，對商用車電動助力轉向系統的布置、助力特性進行研究。設計方向盤轉矩梯度曲線函數和速度梯度曲線函數，并確定電動助力轉向系統的助力特性。運用TruckSim和Matlab/Simulink作為聯合仿真平臺，建立了裝備電動助力轉向系統的商用車聯合仿真模型，對電動助力轉向系統的助力特性以及對整車操縱穩定性的影響進行仿真研究，仿真分析表明所設計的助力特性可以有效提高商用車的轉向輕便性和改善軌跡跟蹤能力。

關鍵詞：電動助力；轉向系統；助力特性；操縱穩定性

電動助力轉向系統(electric power steering system，簡稱EPS)是一項由電動機提供轉向助力矩的汽車動力轉向技術。與液壓助力轉向系統相比，具有可調助力特性，能有效提高轉向助力的跟隨性和降低燃油消耗等優勢，已在乘用車領域得到了廣泛的應用。商用車相對于乘用車而言在結構和性能上有很大區別，本文根據某商用車的結構、性能參數和試驗數據，對商用車電動助力轉向系統的布置、助力特性進行研究和設計，并通過TruckSim和Matlab/Simulink的聯合仿真模型對EPS助力特性的合理性進行驗證。

1　EPS的工作原理及總布置

電動助力轉向系統主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、助力電動機、電磁離合器、減速機構等組成。通過安裝在轉向軸位置的扭矩傳感器測量出駕駛員操作轉向盤的力矩大小信息，并將其傳遞給控制單元；控制單元根據轉向盤輸入力矩大小并結合車速傳感器信息確定電動助力矩，控制助力電動機輸出合適的扭矩大小和方向，由減速機構減速增扭后得到電動助力轉向系統的助力矩，并將其作用在轉向系統上，實現助力轉向。電動助力轉向系統可以實現汽車在低速行駛時轉向輕便、高速行駛時操縱穩定。當出現車速過高或電動助力轉向系統工作異常時，控制單元可控制電磁離合器斷開，保證在純手動駕駛情況下也可以安全準確地完成轉向操作。

與乘用車相比，商用車具有汽車總質量大、質心位置高、轉向橋載荷大、可布置空間大等特點。選用總質量為8 805 kg、轉向前載荷為25 200 N的商用車，其轉向器為循環球式轉向器。考慮到轉向軸助力式EPS具有結構緊湊、助力矩控制和方向盤輸入轉矩信號采集的響應特性較好以及對原商用車的轉向系統結構改動小等優點，本文在EPS的布置方案中選用轉向軸助力式EPS布置方案，具體布置如圖1所示。

圖1　 商用車EPS的結構簡圖

2　EPS數學模型的建立

2.1EPS機械系統模型

本文選用轉向軸助力式EPS布置形式，如圖1所示，扭矩傳感器把轉向軸分為上部轉向軸和下部轉向軸，將EPS機械系統的運動和受力全部轉換和簡化到轉向軸上進行分析，建立的EPS機械系統模型為：

在式（1）中，Th為方向盤輸入力矩，Ta為轉向軸助力矩，θ1為方向盤輸入轉角 （即上部轉向軸轉角），θ2為下部轉向軸轉角，J1為方向盤及上部轉向軸的轉動慣量，C1為轉向管柱阻尼系數，J2為轉向器及轉向輪等效轉化至下部轉向軸后的轉動慣量，C2為轉向器及轉向輪等效轉化至下部轉向軸后的阻尼系數，T2為等效轉化至下部轉向軸的轉向阻力矩。

EPS的助力電動機選擇為永磁無刷直流電動機。該電動機的電磁力矩與電樞電流成正比，即Tm=KmI，其中Km為電磁力矩常數。忽略電動機的扭轉剛度以及轉軸與支撐之間的干摩擦力，則建立的助力電動機模型為：

KmI=Ta/G+Jmθ¨m+Cmθ¨m（2）在式（2）中，θ¨m為助力電動機輸出軸轉角，G為渦輪蝸桿減速機構傳動比，Jm為助力電動機的轉動慣量，Cm為助力電動機的阻尼系數。

3　商用車EPS的助力特性

助力特性是指助力電動機提供的助力矩隨汽車運動狀況的變化規律[1]。在實際駕駛車輛的過程中，隨車速的增加車輛具有轉向輕便性越好而路感越差的特點，因此在設計EPS助力特性時，不僅要考慮方向盤輸入力矩而且需要考慮車速因素。EPS助力特性應滿足：（1）在低速時提供較大的助力矩，以實現車輛低速行駛的輕便行駛，高速時提供的助力矩應較小或為零，以保證轉向時具有一定的路感。（2）助力矩應與方向盤輸入力矩的變化趨勢一致，且為了保持較好的轉向路感，當方向盤輸入力矩低于某一閾值時，助力電動機提供的助力矩應較小或為零；為了使轉向輕便，助力電動機提供的助力矩應隨著方向盤輸入力矩的增加而增加。（3）助力電動機提供的助力矩應具有最大限值，以避免助力電動機因負荷過大而出現故障。

根據上述設計要求，本文基于電動機的電樞電流控制方法設計商用車EPS的助力特性，通過電樞電流與方向盤輸入力矩和車速之間的變化關系曲線來表示助力特性，該關系曲線稱為助力特性曲線。助力特性曲線通常包含無助力區間、助力變化區間和助力恒定區間。根據在助力變化區間的電樞電流與方向盤輸入力矩的關系特點，可以將助力特性曲線分為直線型、折線型和曲線型三種典型類型。從性能角度分析，直線型助力特性曲線的設計簡單、數據量小易于存儲，具有固定的助力增益，對于轉向輕便和路感的調整效果較差；曲線型助力特性曲線具有平緩的過度線形和非線性助力增益，能夠很好的調整行駛過程中轉向輕便性和路感之間的關系，但設計復雜、調整不方便；折線型助力特性曲線的各項性能介于兩者之間。從適用車型角度考慮，直線型助力特性曲線適合應用于前軸載荷較小的車型，曲線型助力特性曲線適合應用于前軸載荷較大的車型，而折線型助力特性曲線則介于兩者之間[2]。根據所選商用車型特點，本文選用曲線型助力特性，并結合該商用車的試驗數據確定曲線型助力特性。

3.1方向盤轉矩梯度曲線

蒙古族的整個篇章中，也基本是在一個固定的場景里——蒙古包，此處用逆光位置上的傳統成像切割燈，將蒙古包中的八個坐席用光斑切割出長方形來拼成“八”字，一是將演區突出，二是從視覺的角度上，用長方形拼合而成的“八”字形剛好形成了一個室內場景的區域，讓觀眾一看到此場景立刻就能有一種身臨其境被包裹在其中的感覺。隨著篇章的進行，“八”字形區域時而強調時而弱化，在情節以及時間轉換上都很好地起到了錦上添花的作用。

方向盤轉矩梯度曲線用于描述助力矩與方向盤輸入轉角之間的關系。它應具有最小和最大助力矩，在曲線部分，助力矩應隨方向盤輸入力矩增大而增加，且增加的速度也應相應加快（即曲線斜率應隨之增大）。方向盤轉矩梯度曲線具體設計如下：

（1）Tho和Thmax的選取

Tho為助力電動機提供助力矩時的最小方向盤輸入力矩，Thmax為助力電動機提供最大助力矩時的最小方向盤輸入力矩。Tho和Thmax的選取應考慮駕駛員對轉向輕便性和路感的要求并通過試驗來確定[3]，這里初步取選取Tho=2.0 N·m，Thmax=30 N·m。

（2）最大助力矩Tm max的選取

根據汽車動力學原理，汽車在原地轉向時轉向阻力最大，其計算公式為[4]：

在式（3）中，為轉向輪軸負荷，所選商用車為前橋轉向系統，計算得Mi=25 200 N；p為輪胎氣壓，取值0.72MPa；為輪胎和路面的滑動摩擦因數，一般取0.7；s為安全系數，這里取1.1。由式（3）計算得原地轉向時的轉向阻力為1 193.6 N·m。

在無助力矩輸入的情況下，原地轉向時需要的方向盤輸入力矩如式（4）所示。

T'h max=Tf max/（iωηω）（4）

式（4）中，iω為轉向器角傳動比；G渦輪蝸桿減速器傳動比，G=21；ηω為循環球式轉向器正效率。由式（4）計算得到在無助力矩情況下原地轉向時的方向盤輸入力矩為74.6 N·m。假設在EPS工作時，方向盤輸入力矩最大值為30 N·m，則原地轉向需要的最大助力矩Ta max應為44.6 N·m。

（3）實驗數據擬合

圖2　 方向盤轉矩梯度曲線

3.2速度梯度曲線

速度梯度曲線函數用于表示助力矩隨著車速的變化特性，選擇為速度梯度曲線的擬合函數[6]。通過對該商用車的試驗數據進行擬合，確定和值分別為1.0069、0.026，速度梯度曲線如圖3所示。

圖3　 速度梯度曲線

3.3助力特性曲線

根據上述方向盤轉矩梯度曲線函數和速度梯度曲線函數，確定的曲線型助力特性的表達式如式（5）所示，它符合對EPS性能的三點要求，并充分反映助力電動機電樞電流與方向盤輸入力矩和車速間的相互關系。

在式（5）中，I為助力電動機目標電流；Imax為助力電動機最大目標電流；ε為目標電流轉換系數，ε= （GKmηm）-1，其中：ηm為渦輪蝸桿減速器效率。

4　裝備EPS的商用車仿真研究

根據EPS的數學模型和助力特性，以方向盤輸入力矩、左右前輪的轉向阻力矩、車速為輸入，以左右前輪的助力矩為輸出，采用模糊PID控制方法，建立EPS的Matlab/Simulink仿真模型。應用TruckSim建立商用車的整車動力學模型，整車動力學模型以方向盤輸入力矩、左右前輪的轉向阻力矩和車速為輸出并以左右前輪的助力矩為輸入，與EPS仿真模型建立裝備EPS的商用車聯合仿真模型，如圖4所示。

圖4　裝備EPS的商用車聯合仿真模型

4.1轉向輕便性仿真試驗

EPS的主要功能是為駕駛員在轉向時提供助力，使汽車在行駛過程中轉向操縱輕便。根據GB/T 6323.5—1994規定的雙紐線試驗對裝備EPS的商用車轉向輕便性進行評估[7]。設定以10km/h的車速完成雙紐線仿真試驗，仿真結果如圖5所示。

圖5　方向盤輸入力矩隨方向盤轉角的關系曲線

由圖5可知，在車速10 km/h的雙紐線試驗中，裝備EPS可使方向盤最大輸入力矩由23.2 N/m減少至11.6 N/m，能夠很好的改善車輛的轉向輕便性。

4.3雙移線仿真試驗

由于EPS的助力矩對車輛原轉向系統而言屬于外部控制，助力矩對車輛的操縱穩定性的影響有待驗證。本文采用根據ISO3888規定的雙移線試驗[8]對裝備EPS的商用車操縱穩定性進行閉環仿真試驗研究。雙移線試驗通常用于測試緊急換道時車輛的操縱穩定性，這里選擇以70 km/h的車速進行雙移線仿真試驗。

圖6　方向盤輸入力矩曲線

圖7　橫擺角速度曲線

圖8　車輛行駛軌跡

在雙移線試驗中需要大幅值的方向盤輸入力矩進行急轉向操作，由圖6可知，裝備EPS后，方向盤輸入力矩的最大峰值由48.7 N/m減小到31.8 N/m，EPS可有效減小方向盤輸入力矩，改善轉向輕便性；如圖7所示，EPS對車輛橫擺角速度曲線的整體影響較小，可減小曲線的震蕩幅值及縮短曲線的收斂時間；由圖8可知，在EPS的作用下，雙移線跟蹤軌跡最大值偏移量減少了0.2 m，且跟蹤軌跡的收斂性得到一定的改善，EPS能夠提高車輛對雙移線軌跡的跟蹤能力。

5　結論

本文基于商用車的特點和試驗數據，設計了EPS的曲線型助力特性，根據EPS的數學模型、助力特性和商用車參數建立了裝備EPS的商用車輛聯合仿真模型，仿真結果表明：裝備EPS可有效減少方向盤輸入力矩，改善了多種工況下的轉向輕便性；對車輛閉環操縱的穩定性影響較小，在一定程度上可以改善了行駛穩定性；在改善轉向輕便性的同時，可提高車輛的軌跡跟蹤能力。

參考文獻：

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[7]清華大學,長春汽車研究所.GB/T 6323.5—1994汽車操縱穩定性試驗方法轉向轉向輕便性試驗[S].北京:中國標準出版社,1994.

[8]國際標準化組織.乘用車幾句改變車道的操縱用試驗車道,第一部分:兩車道變換.ISO3888-1-1999[S].北京:中國標準出版社,1999.

（責任編輯：葉麗娜）

中圖分類號：U463.44

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109(2015)09-0038-05

收稿日期：2015-03-30

作者簡介：陳建宏（1959-），男，漢族，副教授，主要研究方向：車輛工程。

Study on the Characteristic of Electric Power Steering System of Commercial Vehicle

CHEN Jianhong1，ZHANG Shuo2

（1.Department of Automobile Transpartion Engineering，Fujian Chuanzheng Communication College, Fuzhou,Fujian 350007;2.Changan University,Xian,Shanxi 710064）

Abstract:According to the structure,performance parameters and test data of a commercial vehicle,the arrangement and assist characteristic of electric power steering system is studied for commercial vehicle.On the basis of test data,the gradient curve functions of steering wheel torque and velocity are designed,and the assist characteristics of electric power steering system is determined.Co-simulation model of the commercial vehicle equipped with electric power steering system is established on the simulation platform of TruckSim and Matlab/Simulink.The assist characteristics of electric power steering system and its influence of the vehicle steering stability is studied via co-simulation model.The co-simulation results show that the assist characteristics can enhances steering handiness and improves trajectory tracking ability of commercial vehicle effectively.

Key words:electric power steering system;assist characteristics;handling stability