電動助力轉向系統轉向性能的客觀評價

丁玲

安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 安徽 合肥 230601

1 電動助力轉向的結構特點

在液壓動力轉向系統中，選定參數完成設計之后，動力轉向系統的性能就確定了，不能再對其進行調節與控制。因此傳統的液壓轉向系統難以兼顧汽車低速行駛轉向性能和高速行駛轉向性能，若原地轉向力小，高速行駛時轉向力往往會過輕、“路感”差，而按高速性能要求設計轉向系統時，低速時轉向力往往過大。

折衷方案設計結果是低速和高速性能都不太理想。EPS由電動機提供助力，助力大小由電控單元(ECU)實時調節與控制。所以EPS能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平引起的對轉向系統的擾動，改善汽車的轉向特性，減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉向操縱穩定性，進而提高汽車的主動安全性。

EPS系統框圖如圖1所示。其基本原理是：扭矩傳感器與轉向軸(小齒輪軸)連接一起，當轉向軸轉動時，扭矩傳感器把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產生的相對轉動位移變成電信號傳給ECU，ECU根據車速傳感器和扭矩傳感器的信號決定電動機的旋轉方向和電流的大小，從而完成實時控制助力轉向。因此它可以很容易地實現在車速不同時提供電動機不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩定可靠。

2 EPS對轉向性能的影響

2.1 轉向輕便性

EPS的基本目標是提高汽車停車泊位和低速行駛時的轉向輕便性，以及高速行駛時的操縱穩定性。圖2是Alto車原地轉向的轉向力對比曲線[1]，EPS為轉向柱助力式，前軸負荷為4kN，電動機最大電流為20A。由圖可知，裝有EPS后，原地轉向的轉向力下降40%

2.2 轉向回正性

通過指定合適的控制策略，EPS能顯著提高汽車轉向盤的回正特性。

圖3是汽車在30km/h左右行駛時的回正特性試驗結果。試驗中，微小轉動轉向盤后松開。圖3a和圖3b分別是EPS采用兩種不同控制策略時的轉向盤回正性測試結果。圖3a表示轉向盤卡住了，不能回到中間位置。圖3b表示在松開轉向盤后，轉向盤能立刻回到中間位置。

2.3 操縱穩定性

由于電動機具有彈簧阻尼的效果，EPS能減小不平路面對轉向盤的沖擊力和車輪不平衡質量引起的振動，圖4a、4b分別是EPS和HPS抑制路面沖擊能力的對比曲線，曲線表明在相同的路面沖擊下，EPS的轉向盤轉角和轉向力矩的振動幅值比HPS都有明顯降低。

3 EPS轉向性能的客觀評價

3.1 轉向輕便性評價

提高轉向輕便性是電動助力轉向的首要目標。在我國汽車行業標準QC/T480—1999中，采用了轉向盤平均操舵力Fs(N)和最大操舵力Fm(N)兩項指標來評價轉向輕便性。此兩項指標也適用于評價EPS的轉向輕便性。圖5是典型的轉向力矩與轉向盤轉角的關系曲線，從圖中可得到作用在轉向盤上的平均操舵力和最大操舵力。

3.2 轉向回正性評價

轉向后轉向盤應能自動回正，使汽車保持在穩定的直線行駛狀態，這是汽車對動力轉向的要求之一。轉向機構中的摩擦力矩會降低轉向盤的回正特性，常使駕駛員感到不舒適。動力轉向在轉向盤有轉向力矩作用時才開始工作，除此之外，動力轉向還必須滿足在沒有力矩作用在轉向盤時的行駛要求。其一是在高速行駛時轉向后松開轉向盤的穩定性，其二是在高速行駛情況下微小的轉向盤轉動或車速相對較低情況下正常轉向以后的轉向盤回正特性。

根據我國汽車行業標準QC/T480—1999，可采用松開轉向盤3s時的殘留橫擺角速度絕對值Δr((°)/s)和橫擺角速度總方差Er(s)兩項指標來評價轉向回正性，此兩項指標也適用于評價EPS的轉向回正性。

3.3 轉向盤中間位置區域性能評價

評價轉向性能有一個重要的因素是轉向盤中間位置區域的操縱性。轉向盤中間位置區域的操縱性包含移線操作時的感覺和為精確跟隨線路進行必要的轉向調整時的感覺。為評價轉向盤中間位置區域轉向操縱，“轉向力矩梯度”和“轉向盤回正特性”非常重要。轉向力矩梯度是轉向力矩對汽車側向加速度的微分，轉向回正特性包含轉向力矩為0時的側向加速度。轉向力矩梯度越大，轉向回正特性越小，駕駛員的轉向感覺就越好。

通過轉向盤中間位置區域試驗可得到與電動助力轉向相關的兩條曲線，即轉向盤中間位置區域的轉向力矩與側向加速度關系曲線（見圖6）、轉向力矩與轉向盤轉角關系曲線（見圖7）。

3.4 轉向盤振動評價

路面不平度和電動機力矩波動往往會引起轉向盤振動，這會使駕駛員感到緊張和疲勞。路面不平度引起的振動通常是高頻振動，而電動機力矩波動引起的轉向盤振動一般在低轉速和低頻時發生。特別是對轉向柱助力式電動助力轉向，由于電動機布置在轉向軸上，電動機力矩波動更易造成轉向盤振動。轉向盤振動試驗可以用轉向力矩峰值、轉向力矩均方根值、轉向盤角加速度均方根值3項指標來評價。

3.5 隨動靈敏度評價

隨動靈敏度可以用開始助力時作用到轉向盤上的手力和轉角來評價。對液壓動力轉向，要求此力為20～50N，轉角為10°～15°。這可以為電動助力轉向提供參考。

3.6 助力特性評價

電動助力轉向的助力特性是指在一定車速下，轉向盤輸入力矩與電動機輸出力矩之間的變化關系。因為電動機輸出力矩可以用電動機電流來表示，所以可以用一定車速下，轉向盤輸入力矩與電動機電流之間的變化關系來表示助力特性，如圖8所示。這種助力特性反映了助力效果，同時也反映出路感強度。

4 結論

本文通過對電動助力系統結構特點分析，通過與傳統液壓助力轉向系統的對比，總結電動助力系統對轉向性能的影響，最后，在轉向輕便性、轉向回正性、轉向盤中間位置區域性能、轉向盤振動、隨動靈敏度、助力特性方面給出了評價方法，為進一步標準實施給予了理論指導方向，具有實際意義。