電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的客觀評價(jià)

丁玲

摘要：在國外，電動助力轉(zhuǎn)向 （electric power steer-ing ，簡稱 EPS）已部分取代液壓動力轉(zhuǎn)向 （hydraulicpow er steering ，簡稱 HP S） ，并已成為汽車技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。 汽車電動助力轉(zhuǎn)向與液壓動力轉(zhuǎn)向在技術(shù)上有很大的區(qū)別，其對轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性等帶來了新的影響。因此，傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向評價(jià)指標(biāo)已不能完全適用于電動助力轉(zhuǎn)向，有必要建立一套電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)，用于指導(dǎo)電動助力轉(zhuǎn)向助力控制規(guī)律和基本設(shè)計(jì)參數(shù)的確定等

關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);轉(zhuǎn)向輕便性;轉(zhuǎn)向回正性

1電動助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了，不能再對其進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)難以兼顧汽車低速行駛轉(zhuǎn)向性能和高速行駛轉(zhuǎn)向性能，若原地轉(zhuǎn)向力小，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往會過輕、“路感”差，而按高速性能要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過大。

折衷方案設(shè)計(jì)結(jié)果是低速和高速性能都不太理想。EPS由電動機(jī)提供助力，助力大小由電控單元（ECU）實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動，改善汽車的轉(zhuǎn)向特性，減輕汽車低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車的主動安全性。

EPS系統(tǒng)框圖如圖1所示。其基本原理是：扭矩傳感器與轉(zhuǎn)向軸（小齒輪軸）連接一起，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時(shí)，扭矩傳感器把輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動位移變成電信號傳給ECU，ECU根據(jù)車速傳感器和扭矩傳感器的信號決定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和電流的大小，從而完成實(shí)時(shí)控制助力轉(zhuǎn)向。因此它可以很容易地實(shí)現(xiàn)在車速不同時(shí)提供電動機(jī)不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。

2EPS對轉(zhuǎn)向性能的影響

2.1 轉(zhuǎn)向輕便性

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

2.2 轉(zhuǎn)向回正性

通過指定合適的控制策略，EPS能顯著提高汽車轉(zhuǎn)向盤的回正特性。

圖3是汽車在30km/h左右行駛時(shí)的回正特性試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中，微小轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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(shí)的轉(zhuǎn)向盤回正性測試結(jié)果。圖3a表示轉(zhuǎn)向盤卡住了，不能回到中間位置。圖3b表示在松開轉(zhuǎn)向盤后，轉(zhuǎn)向盤能立刻回到中間位置。

2.3 操縱穩(wěn)定性

由于電動機(jī)具有彈簧阻尼的效果，EPS能減小不平路面對轉(zhuǎn)向盤的沖擊力和車輪不平衡質(zhì)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩的振動幅值比HPS都有明顯降低。

3EPS轉(zhuǎn)向性能的客觀評價(jià)

3.1 轉(zhuǎn)向輕便性評價(jià)

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

3.2 轉(zhuǎn)向回正性評價(jià)

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

根據(jù)我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T480—1999，可采用松開轉(zhuǎn)向盤3s時(shí)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(xiàng)指標(biāo)來評價(jià)轉(zhuǎn)向回正性，此兩項(xiàng)指標(biāo)也適用于評價(jià)EPS的轉(zhuǎn)向回正性。

3.3 轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域性能評價(jià)

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

通過轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域試驗(yàn)可得到與電動助力轉(zhuǎn)向相關(guān)的兩條曲線，即轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域的轉(zhuǎn)向力矩與側(cè)向加速度關(guān)系曲線（見圖6）、轉(zhuǎn)向力矩與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線（見圖7）。

3.4 轉(zhuǎn)向盤振動評價(jià)

路面不平度和電動機(jī)力矩波動往往會引起轉(zhuǎn)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(jī)力矩波動引起的轉(zhuǎn)向盤振動一般在低轉(zhuǎn)速和低頻時(shí)發(fā)生。特別是對轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向，由于電動機(jī)布置在轉(zhuǎn)向軸上，電動機(jī)力矩波動更易造成轉(zhuǎn)向盤振動。轉(zhuǎn)向盤振動試驗(yàn)可以用轉(zhuǎn)向力矩峰值、轉(zhuǎn)向力矩均方根值、轉(zhuǎn)向盤角加速度均方根值3項(xiàng)指標(biāo)來評價(jià)。

3.5 隨動靈敏度評價(jià)

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

3.6 助力特性評價(jià)

電動助力轉(zhuǎn)向的助力特性是指在一定車速下，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與電動機(jī)輸出力矩之間的變化關(guān)系。因?yàn)殡妱訖C(jī)輸出力矩可以用電動機(jī)電流來表示，所以可以用一定車速下，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與電動機(jī)電流之間的變化關(guān)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(shí)也反映出路感強(qiáng)度。

4結(jié)論

本文通過對電動助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，通過與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比，總結(jié)電動助力系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向性能的影響，最后，在轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性、轉(zhuǎn)向盤中間位置區(qū)域性能、轉(zhuǎn)向盤振動、隨動靈敏度、助力特性方面給出了評價(jià)方法，為進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施給予了理論指導(dǎo)方向，具有實(shí)際意義。

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