電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的客觀評(píng)價(jià)

丁玲

摘要：在國(guó)外，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 （electric power steer-ing ，簡(jiǎn)稱(chēng) EPS）已部分取代液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向 （hydraulicpow er steering ，簡(jiǎn)稱(chēng) HP S） ，并已成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。 汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向在技術(shù)上有很大的區(qū)別，其對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性等帶來(lái)了新的影響。因此，傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向評(píng)價(jià)指標(biāo)已不能完全適用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，有必要建立一套電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于指導(dǎo)電動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);轉(zhuǎn)向輕便性;轉(zhuǎn)向回正性

1電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能就確定了，不能再對(duì)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(chē)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(huì)過(guò)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(guò)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(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的擾動(dòng)，改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性，減輕汽車(chē)低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱力，提高汽車(chē)高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性，進(jìn)而提高汽車(chē)的主動(dòng)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(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移變成電信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)車(chē)速傳感器和扭矩傳感器的信號(hào)決定電動(dòng)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(chē)速不同時(shí)提供電動(dòng)機(jī)不同的助力效果，保證汽車(chē)在低速行駛時(shí)輕便靈活，高速行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。

2EPS對(duì)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(chē)停車(chē)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(chē)原地轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向力對(duì)比曲線(xiàn)[1]，EPS為轉(zhuǎn)向柱助力式，前軸負(fù)荷為4kN，電動(dòng)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(guò)指定合適的控制策略，EPS能顯著提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的回正特性。

圖3是汽車(chē)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(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)后松開(kāi)。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(pán)回正性測(cè)試結(jié)果。圖3a表示轉(zhuǎn)向盤(pán)卡住了，不能回到中間位置。圖3b表示在松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)后，轉(zhuǎn)向盤(pán)能立刻回到中間位置。

2.3 操縱穩(wěn)定性

由于電動(dòng)機(jī)具有彈簧阻尼的效果，EPS能減小不平路面對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的沖擊力和車(chē)輪不平衡質(zhì)量引起的振動(dòng)，圖4a、4b分別是EPS和HPS抑制路面沖擊能力的對(duì)比曲線(xiàn)，曲線(xiàn)表明在相同的路面沖擊下，EPS的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩的振動(dòng)幅值比HPS都有明顯降低。

3EPS轉(zhuǎn)向性能的客觀評(píng)價(jià)

3.1 轉(zhuǎn)向輕便性評(píng)價(jià)

提高轉(zhuǎn)向輕便性是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的首要目標(biāo)。在我國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T480—1999中，采用了轉(zhuǎn)向盤(pán)平均操舵力Fs（N）和最大操舵力Fm（N）兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向輕便性。此兩項(xiàng)指標(biāo)也適用于評(píng)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(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可得到作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的平均操舵力和最大操舵力。

3.2 轉(zhuǎn)向回正性評(píng)價(jià)

轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)能自動(dòng)回正，使汽車(chē)保持在穩(wěn)定的直線(xiàn)行駛狀態(tài)，這是汽車(chē)對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的要求之一。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的摩擦力矩會(huì)降低轉(zhuǎn)向盤(pán)的回正特性，常使駕駛員感到不舒適。動(dòng)力轉(zhuǎn)向在轉(zhuǎn)向盤(pán)有轉(zhuǎn)向力矩作用時(shí)才開(kāi)始工作，除此之外，動(dòng)力轉(zhuǎn)向還必須滿(mǎn)足在沒(méi)有力矩作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)的行駛要求。其一是在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向后松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的穩(wěn)定性，其二是在高速行駛情況下微小的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)或車(chē)速相對(duì)較低情況下正常轉(zhuǎn)向以后的轉(zhuǎn)向盤(pán)回正特性。

根據(jù)我國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T480—1999，可采用松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)3s時(shí)的殘留橫擺角速度絕對(duì)值Δr（（°）/s）和橫擺角速度總方差Er（s）兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向回正性，此兩項(xiàng)指標(biāo)也適用于評(píng)價(jià)EPS的轉(zhuǎn)向回正性。

3.3 轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向性能有一個(gè)重要的因素是轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域的操縱性。轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域的操縱性包含移線(xiàn)操作時(shí)的感覺(jué)和為精確跟隨線(xiàn)路進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)向調(diào)整時(shí)的感覺(jué)。為評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域轉(zhuǎn)向操縱，“轉(zhuǎn)向力矩梯度”和“轉(zhuǎn)向盤(pán)回正特性”非常重要。轉(zhuǎn)向力矩梯度是轉(zhuǎn)向力矩對(duì)汽車(chē)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(jué)就越好。

通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)中間位置區(qū)域試驗(yàn)可得到與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向相關(guān)的兩條曲線(xiàn)，即轉(zhuǎn)向盤(pán)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(xiàn)（見(jiàn)圖6）、轉(zhuǎn)向力矩與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖7）。

3.4 轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)評(píng)價(jià)

路面不平度和電動(dòng)機(jī)力矩波動(dòng)往往會(huì)引起轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)，這會(huì)使駕駛員感到緊張和疲勞。路面不平度引起的振動(dòng)通常是高頻振動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)力矩波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)一般在低轉(zhuǎn)速和低頻時(shí)發(fā)生。特別是對(duì)轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，由于電動(dòng)機(jī)布置在轉(zhuǎn)向軸上，電動(dòng)機(jī)力矩波動(dòng)更易造成轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)。轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)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(pán)角加速度均方根值3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。

3.5 隨動(dòng)靈敏度評(píng)價(jià)

隨動(dòng)靈敏度可以用開(kāi)始助力時(shí)作用到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力和轉(zhuǎn)角來(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，要求此力為20～50N，轉(zhuǎn)角為10°～15°。這可以為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向提供參考。

3.6 助力特性評(píng)價(jià)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的助力特性是指在一定車(chē)速下，轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩與電動(dòng)機(jī)輸出力矩之間的變化關(guān)系。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)輸出力矩可以用電動(dòng)機(jī)電流來(lái)表示，所以可以用一定車(chē)速下，轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入力矩與電動(dòng)機(jī)電流之間的變化關(guān)系來(lái)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(guò)對(duì)電動(dòng)助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，通過(guò)與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對(duì)比，總結(jié)電動(dòng)助力系統(tǒng)對(duì)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(pán)中間位置區(qū)域性能、轉(zhuǎn)向盤(pán)振動(dòng)、隨動(dòng)靈敏度、助力特性方面給出了評(píng)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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