中型越野車(chē)轉(zhuǎn)向問(wèn)題淺析

黃志春 邱晨 楊振青 趙永剛

（一汽解放汽車(chē)有限公司 商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞： 電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng) EAS 越野車(chē) 機(jī)動(dòng)性

1 引言

隨著汽車(chē)人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，“解放”駕駛員成為一種趨勢(shì)。智能駕駛汽車(chē)在舒適性、便捷性與經(jīng)濟(jì)性等方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被各大汽車(chē)制造企業(yè)和科研院所重視，車(chē)輛的智能化是大勢(shì)所趨,是當(dāng)前汽車(chē)前沿技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。在2018年，奧迪率先推出了行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的SAE 3級(jí)Audi A8 Traffic Jam Pilot自動(dòng)駕駛車(chē)，使汽車(chē)在未來(lái)智能化領(lǐng)域邁出實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級(jí)的主要一步。中重型商用車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)近年來(lái)也突飛猛進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)高速公路、港口、礦山等限定場(chǎng)景的智能駕駛功能。在充分借鑒民品的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，為搶險(xiǎn)救災(zāi)、減少戰(zhàn)場(chǎng)傷亡和偵查監(jiān)控等高危險(xiǎn)場(chǎng)景而開(kāi)發(fā)的無(wú)人及有人駕駛[1]技術(shù)在科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始大量研究。在未來(lái)，高機(jī)動(dòng)性、高智能化的越野軍車(chē)將對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出更高要求。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）顯然不能滿(mǎn)足要求。

機(jī)動(dòng)性是汽車(chē)行駛過(guò)程中在各種路面條件下的快速通過(guò)能力[2]。在信息化高度發(fā)達(dá)的今天和復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，越野車(chē)如具備更加高超的機(jī)動(dòng)性能，將會(huì)大大增加戰(zhàn)場(chǎng)生存下來(lái)的可能。因此，如何提升越野車(chē)的機(jī)動(dòng)性能，正在成為各大車(chē)企所研討的重大議題。受制于中型越野車(chē)前軸重量大，我國(guó)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展等因素的影響，中型越野車(chē)還是采用傳統(tǒng)的HPS，而HPS結(jié)構(gòu)特性的束縛影響了中型越野車(chē)機(jī)動(dòng)性能的提升。

2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）一般是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，通過(guò)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器提供轉(zhuǎn)向助力。這種結(jié)構(gòu)可以提供較大的轉(zhuǎn)向助力，適合應(yīng)用在中重型商用車(chē)領(lǐng)域。但是，路面的沖擊力矩會(huì)直接傳遞到方向盤(pán)，在低等級(jí)路面駕駛時(shí)，路面等級(jí)越差，車(chē)速越高，駕駛員手感體驗(yàn)越差，甚至出現(xiàn)方向盤(pán)打手問(wèn)題。主要原因是反向傳遞力矩過(guò)大所致。而中型越野車(chē)的使用場(chǎng)景恰恰側(cè)重于低等級(jí)路面，因此，這個(gè)問(wèn)題尤為突出。

傳統(tǒng)的解決方法是采用降低反向傳遞力矩的方式進(jìn)行優(yōu)化系統(tǒng)。但是，帶來(lái)的新問(wèn)題就是轉(zhuǎn)向反應(yīng)手感差、路感差[3]的問(wèn)題。因此，在優(yōu)化HPS的轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向泵、傳遞連桿及液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)上，還需要較大的改動(dòng)，并且需要大量細(xì)致且漫長(zhǎng)的試驗(yàn)研究工作。

3 電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EAS）介紹

中重型商用車(chē)受限于低壓直流電機(jī)功率、尺寸和整車(chē)布置的限制[4]，EPS[5]暫時(shí)還無(wú)法在前軸荷大的車(chē)輛上應(yīng)用，一般還需依賴(lài)HPS提供轉(zhuǎn)向助力。為實(shí)現(xiàn)低速更輕、高速更穩(wěn)的隨速轉(zhuǎn)向特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遙控駕駛和無(wú)人駕駛等功能，國(guó)際上，將EPS的電控系統(tǒng)和HPS機(jī)械液壓助力系統(tǒng)進(jìn)行了互補(bǔ)結(jié)合，出現(xiàn)了一種新型電動(dòng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Auxiliary Steering，EAS）[6]。并且已經(jīng)批量裝配在歐洲部分高端重卡產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品級(jí)的應(yīng)用。其不但具備基本的助力和主動(dòng)回正功能，還具備摩擦補(bǔ)償[7]、慣性補(bǔ)償[7]和阻尼補(bǔ)償[8]等功能。這對(duì)解決前述問(wèn)題提供了一種可行的解決方案。2019新款Benz Arcos品牌8×4驅(qū)動(dòng)型式重型商用車(chē)（前軸負(fù)載超過(guò)7.5 t）首次配備了這種電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，圖1為ZF公司開(kāi)發(fā)的針對(duì)重型商用車(chē)的核心組件ZF-Servotwin[9]集成電動(dòng)液壓控制轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及原理圖示。

圖1 ZF-Servotwin示意[9]

該系統(tǒng)具有糾正干預(yù)的功能，以防止車(chē)輛偏離車(chē)道，在面對(duì)側(cè)向風(fēng)的時(shí)候，該系統(tǒng)的控制單元將會(huì)通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)提供必要的轉(zhuǎn)向修正。馬達(dá)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)智能橫向控制。Volvo公司推出的新款FH16重卡上應(yīng)用了Volvo Dynamic Steering沃爾沃動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，Tedrive公司研發(fā)了新型智能輔助液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Tedrive iHSA(intelligent Hydraulic Steering Assist)，均是類(lèi)似的產(chǎn)品。

4 EAS提高駕駛手感體驗(yàn)原理

由于EAS系統(tǒng)是通過(guò)控制單元給電機(jī)馬達(dá)輸出指令旋轉(zhuǎn)來(lái)幫助駕駛員實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向目的，伺服轉(zhuǎn)向器的輸入力矩Tservocom可表達(dá)為：

Tsteering wheel為方向盤(pán)力矩，TE-Motor為電機(jī)力矩，控制單元也可以對(duì)電機(jī)輸入反向阻尼轉(zhuǎn)矩Td_amp，到達(dá)阻尼控制功能[10]。在系統(tǒng)中，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向加入反向阻尼轉(zhuǎn)矩Td_amp的方法實(shí)現(xiàn)阻尼控制。

其中，Kv_damp為阻尼轉(zhuǎn)矩車(chē)速相關(guān)系數(shù)，隨車(chē)速的升高而增大，由不同車(chē)速試驗(yàn)擬合得到；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，阻尼轉(zhuǎn)矩越大；KTd_damp為阻尼轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩相關(guān)系數(shù)，為使中心區(qū)向線性區(qū)過(guò)渡平滑，KTd_damp隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩增大而減小，在低等級(jí)路面高機(jī)動(dòng)性行駛時(shí)，由于車(chē)輛處于直線行駛，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩為0，此時(shí)KTd_damp=1，阻尼扭矩處于最大值。由于路面不平所帶來(lái)的車(chē)輪抖動(dòng)和擺振產(chǎn)生的阻力矩Kinterference就受到了電機(jī)的反向阻尼轉(zhuǎn)矩Td_amp[11]衰減，能夠大大減少傳遞到方向盤(pán)的力矩。

5 某型號(hào)中型越野車(chē)配裝EAS和HPS試驗(yàn)研究

5.1 車(chē)輛配置說(shuō)明

某型號(hào)中型越野車(chē)配置見(jiàn)表1。

表1 某型號(hào)越野車(chē)基本配置

匹配EAS后，在轉(zhuǎn)向器輸入端各增加1個(gè)電機(jī)、力矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和控制器電控單元?？刂破魍ㄟ^(guò)采集車(chē)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和力矩3個(gè)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)綜合分析和擬合，控制電機(jī)執(zhí)行輸出力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

5.2 低等級(jí)路面越野行駛

為檢驗(yàn)在不同特點(diǎn)的低等級(jí)路面越野行駛反向傳遞力矩?cái)?shù)據(jù)特征，分別配裝EAS和HPS后，在一汽解放汽車(chē)有限公司農(nóng)安汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)3號(hào)綜合強(qiáng)化路，選取了4種不同路面特征的低等級(jí)路面進(jìn)行了越野行駛對(duì)比試驗(yàn)，路面不平度均在D等級(jí)以下，如表2所示。

表2 路面不平度標(biāo)準(zhǔn)差

試驗(yàn)時(shí)車(chē)輛盡量保持同速通過(guò)每個(gè)測(cè)試路段，車(chē)速及行駛軌跡如圖2所示。

圖2 行駛場(chǎng)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(shí)，駕駛員反饋方向盤(pán)有明顯的打手問(wèn)題，而配裝EAS后駕駛員反饋無(wú)打手問(wèn)題。圖3～圖8的結(jié)果表明，由于左右輪胎在快速無(wú)序接觸到凸起的大小圓、卵石和石塊時(shí)，汽車(chē)運(yùn)動(dòng)慣性導(dǎo)致左右輪胎產(chǎn)生大量高頻大幅值的回正力矩，經(jīng)過(guò)測(cè)量，幅值范圍在5 N?m～35 N?m，在等級(jí)路最差的卵石路行駛時(shí)，左右方向在此范圍力矩幅值概率之和高達(dá)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(pán)。而EAS通過(guò)加反向阻尼轉(zhuǎn)矩方法，使得傳遞到方向盤(pán)的力矩值明顯減少?？煽刂圃? N?m以?xún)?nèi)，消除了打手問(wèn)題，提升了駕駛手感體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)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(pán)力矩時(shí)域

圖4 大小圓凸起路方向盤(pán)力矩概率密度

圖5 石塊路方向盤(pán)力矩時(shí)域

圖6 石塊路方向盤(pán)力矩概率密度

圖7 卵石路方向盤(pán)力矩時(shí)域

圖8 卵石路方向盤(pán)力矩概率密度

圖9 ～圖10的測(cè)量結(jié)果表明，搓板路行駛時(shí)，EAS與HPS的方向盤(pán)手力非常接近，均在5 N?m以下。這是由于搓板路的規(guī)律性上下起伏路形特點(diǎn)導(dǎo)致了兩側(cè)輪胎受到的橫向激勵(lì)小原因，車(chē)輛受到大量的振動(dòng)是上下顛簸振動(dòng)，而幾乎無(wú)左右方向的擺動(dòng)。

圖9 搓板路方向盤(pán)力矩時(shí)域

圖10 搓板路方向盤(pán)力矩概率密度

5.3 轉(zhuǎn)向回正

為檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向回正時(shí)的反向傳遞力矩?cái)?shù)據(jù)特征，分別配裝EAS和HPS后，在水泥鋪裝路面，汽車(chē)方向盤(pán)分別以小于國(guó)標(biāo)要求角度（400°）和國(guó)標(biāo)要求角度（約540°）固定轉(zhuǎn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)向回正對(duì)比試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)量，如表3及圖11和圖12所示，配裝EAS與HPS相比，400°和540°的轉(zhuǎn)向回正評(píng)價(jià)分值均有所提高，分值提高在6%～7%。

表3 轉(zhuǎn)向回正分值結(jié)果

圖11 400°橫擺角速度曲線

圖12 540°橫擺角速度曲線

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究表明，EAS能很好的解決了越野車(chē)在低等級(jí)復(fù)雜路面高機(jī)動(dòng)行駛時(shí)的方向盤(pán)打手體驗(yàn)差問(wèn)題，改善了駕駛員的駕駛手感體驗(yàn)；具備較好的轉(zhuǎn)向回正特性，EAS短期內(nèi)能夠滿(mǎn)足對(duì)中型越野車(chē)智能化的拓展和高機(jī)動(dòng)性的提升需求。

研究過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，標(biāo)定和試驗(yàn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，還需要細(xì)致評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究?jī)?yōu)化。這些內(nèi)容都是未來(lái)研究的重點(diǎn)。