中型越野車轉向問題淺析

黃志春 邱晨 楊振青 趙永剛

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發院，長春 130011）

主題詞： 電動輔助轉向系統 EAS 越野車 機動性

1 引言

隨著汽車人工智能技術的飛速發展，“解放”駕駛員成為一種趨勢。智能駕駛汽車在舒適性、便捷性與經濟性等方面占據優勢，已經被各大汽車制造企業和科研院所重視，車輛的智能化是大勢所趨,是當前汽車前沿技術研發的熱點。在2018年，奧迪率先推出了行業內認可的SAE 3級Audi A8 Traffic Jam Pilot自動駕駛車，使汽車在未來智能化領域邁出實現產品級的主要一步。中重型商用車自動駕駛技術近年來也突飛猛進，能實現高速公路、港口、礦山等限定場景的智能駕駛功能。在充分借鑒民品的成功經驗基礎上，考慮到現代戰場環境的復雜性，為搶險救災、減少戰場傷亡和偵查監控等高危險場景而開發的無人及有人駕駛[1]技術在科研機構開始大量研究。在未來，高機動性、高智能化的越野軍車將對轉向系統提出更高要求。傳統的液壓助力轉向系統（HPS）顯然不能滿足要求。

機動性是汽車行駛過程中在各種路面條件下的快速通過能力[2]。在信息化高度發達的今天和復雜的戰場環境條件下，越野車如具備更加高超的機動性能，將會大大增加戰場生存下來的可能。因此，如何提升越野車的機動性能，正在成為各大車企所研討的重大議題。受制于中型越野車前軸重量大，我國汽車技術發展等因素的影響，中型越野車還是采用傳統的HPS，而HPS結構特性的束縛影響了中型越野車機動性能的提升。

2 液壓助力轉向系統（HPS）存在的問題

傳統液壓助力轉向系統（HPS）一般是由發動機帶動轉向油泵，通過循環球式轉向器提供轉向助力。這種結構可以提供較大的轉向助力，適合應用在中重型商用車領域。但是，路面的沖擊力矩會直接傳遞到方向盤，在低等級路面駕駛時，路面等級越差，車速越高，駕駛員手感體驗越差，甚至出現方向盤打手問題。主要原因是反向傳遞力矩過大所致。而中型越野車的使用場景恰恰側重于低等級路面，因此，這個問題尤為突出。

傳統的解決方法是采用降低反向傳遞力矩的方式進行優化系統。但是，帶來的新問題就是轉向反應手感差、路感差[3]的問題。因此，在優化HPS的轉向機、轉向泵、傳遞連桿及液壓系統等結構上，還需要較大的改動，并且需要大量細致且漫長的試驗研究工作。

3 電動輔助轉向系統（EAS）介紹

中重型商用車受限于低壓直流電機功率、尺寸和整車布置的限制[4]，EPS[5]暫時還無法在前軸荷大的車輛上應用，一般還需依賴HPS提供轉向助力。為實現低速更輕、高速更穩的隨速轉向特性，同時實現遙控駕駛和無人駕駛等功能，國際上，將EPS的電控系統和HPS機械液壓助力系統進行了互補結合，出現了一種新型電動輔助轉向系統（Electric Auxiliary Steering，EAS）[6]。并且已經批量裝配在歐洲部分高端重卡產品中，實現了產品級的應用。其不但具備基本的助力和主動回正功能，還具備摩擦補償[7]、慣性補償[7]和阻尼補償[8]等功能。這對解決前述問題提供了一種可行的解決方案。2019新款Benz Arcos品牌8×4驅動型式重型商用車（前軸負載超過7.5 t）首次配備了這種電動液壓助力轉向系統，圖1為ZF公司開發的針對重型商用車的核心組件ZF-Servotwin[9]集成電動液壓控制轉向器結構及原理圖示。

圖1 ZF-Servotwin示意[9]

該系統具有糾正干預的功能，以防止車輛偏離車道，在面對側向風的時候，該系統的控制單元將會通過電動馬達提供必要的轉向修正。馬達電機可以實現智能橫向控制。Volvo公司推出的新款FH16重卡上應用了Volvo Dynamic Steering沃爾沃動態轉向系統，Tedrive公司研發了新型智能輔助液壓轉向系統Tedrive iHSA(intelligent Hydraulic Steering Assist)，均是類似的產品。

4 EAS提高駕駛手感體驗原理

由于EAS系統是通過控制單元給電機馬達輸出指令旋轉來幫助駕駛員實現轉向目的，伺服轉向器的輸入力矩Tservocom可表達為：

Tsteering wheel為方向盤力矩，TE-Motor為電機力矩，控制單元也可以對電機輸入反向阻尼轉矩Td_amp，到達阻尼控制功能[10]。在系統中，通過控制電機的轉向加入反向阻尼轉矩Td_amp的方法實現阻尼控制。

其中，Kv_damp為阻尼轉矩車速相關系數，隨車速的升高而增大，由不同車速試驗擬合得到；nm為電機轉速，電機轉速越大，阻尼轉矩越大；KTd_damp為阻尼轉矩轉向盤力矩相關系數，為使中心區向線性區過渡平滑，KTd_damp隨轉向盤轉矩增大而減小，在低等級路面高機動性行駛時，由于車輛處于直線行駛，轉向盤轉矩為0，此時KTd_damp=1，阻尼扭矩處于最大值。由于路面不平所帶來的車輪抖動和擺振產生的阻力矩Kinterference就受到了電機的反向阻尼轉矩Td_amp[11]衰減，能夠大大減少傳遞到方向盤的力矩。

5 某型號中型越野車配裝EAS和HPS試驗研究

5.1 車輛配置說明

某型號中型越野車配置見表1。

表1 某型號越野車基本配置

匹配EAS后，在轉向器輸入端各增加1個電機、力矩傳感器、轉角傳感器和控制器電控單元。控制器通過采集車速、方向盤轉角和力矩3個信號，進而對信號綜合分析和擬合，控制電機執行輸出力矩、轉動方向和轉動角度。電機直接驅動液壓轉向機執行轉向動作。

5.2 低等級路面越野行駛

為檢驗在不同特點的低等級路面越野行駛反向傳遞力矩數據特征，分別配裝EAS和HPS后，在一汽解放汽車有限公司農安汽車試驗場3號綜合強化路，選取了4種不同路面特征的低等級路面進行了越野行駛對比試驗，路面不平度均在D等級以下，如表2所示。

表2 路面不平度標準差

試驗時車輛盡量保持同速通過每個測試路段，車速及行駛軌跡如圖2所示。

圖2 行駛場景及速度

配裝HPS后，分別在大小圓凸起路、卵石路和石塊路行駛時，駕駛員反饋方向盤有明顯的打手問題，而配裝EAS后駕駛員反饋無打手問題。圖3～圖8的結果表明，由于左右輪胎在快速無序接觸到凸起的大小圓、卵石和石塊時，汽車運動慣性導致左右輪胎產生大量高頻大幅值的回正力矩，經過測量，幅值范圍在5 N?m～35 N?m，在等級路最差的卵石路行駛時，左右方向在此范圍力矩幅值概率之和高達26%，HPS油液的阻尼衰減非常有限，它幾乎原樣將回正力矩反饋到方向盤。而EAS通過加反向阻尼轉矩方法，使得傳遞到方向盤的力矩值明顯減少。可控制在5 N?m以內，消除了打手問題，提升了駕駛手感體驗。經過測量表明，在小圓凸起路可消除掉6.3 N?m～13.6 N?m，在石塊路可消除掉4.1 N?m～9.6 N?m，在卵石路可消除掉6.4 N?m～35.0 N?m。

圖3 大小圓凸起路方向盤力矩時域

圖4 大小圓凸起路方向盤力矩概率密度

圖5 石塊路方向盤力矩時域

圖6 石塊路方向盤力矩概率密度

圖7 卵石路方向盤力矩時域

圖8 卵石路方向盤力矩概率密度

圖9 ～圖10的測量結果表明，搓板路行駛時，EAS與HPS的方向盤手力非常接近，均在5 N?m以下。這是由于搓板路的規律性上下起伏路形特點導致了兩側輪胎受到的橫向激勵小原因，車輛受到大量的振動是上下顛簸振動，而幾乎無左右方向的擺動。

圖9 搓板路方向盤力矩時域

圖10 搓板路方向盤力矩概率密度

5.3 轉向回正

為檢驗轉向回正時的反向傳遞力矩數據特征，分別配裝EAS和HPS后，在水泥鋪裝路面，汽車方向盤分別以小于國標要求角度（400°）和國標要求角度（約540°）固定轉角進行轉向回正對比試驗。經過測量，如表3及圖11和圖12所示，配裝EAS與HPS相比，400°和540°的轉向回正評價分值均有所提高，分值提高在6%～7%。

表3 轉向回正分值結果

圖11 400°橫擺角速度曲線

圖12 540°橫擺角速度曲線

6 結論

經過試驗研究表明，EAS能很好的解決了越野車在低等級復雜路面高機動行駛時的方向盤打手體驗差問題，改善了駕駛員的駕駛手感體驗；具備較好的轉向回正特性，EAS短期內能夠滿足對中型越野車智能化的拓展和高機動性的提升需求。

研究過程中也發現，標定和試驗評價環節非常關鍵，還需要細致評價試驗研究優化。這些內容都是未來研究的重點。