一種汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試設(shè)備的開(kāi)發(fā)

鄭春，劉運(yùn)來(lái)，宋志才，趙開(kāi)瑞

(山東凱帝斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司，山東德州 253023)

0 引言

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，憑借其低能耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占空間小、優(yōu)秀的回正能力、根據(jù)車速調(diào)節(jié)的性能、主動(dòng)轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于乘用車中。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺(tái)架耐久性測(cè)試，是驗(yàn)證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)疲勞耐久性能、驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)極限壽命的必要手段。隨著驗(yàn)證要求的不斷提高，模擬極限工況、驗(yàn)證在過(guò)載或過(guò)熱情況下系統(tǒng)的保護(hù)功能的有效方式[1]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久設(shè)備，最初是最簡(jiǎn)單的直線加載、輸出端恒定加載、輸入端固定轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角條件下，運(yùn)行設(shè)定的次數(shù)。但是這種單一的耐久測(cè)試，無(wú)法全面地對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，往往在道路測(cè)試中，會(huì)出現(xiàn)很多臺(tái)架測(cè)試中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。系統(tǒng)的耐久性臺(tái)架測(cè)試隨著測(cè)試技術(shù)的積累與不斷創(chuàng)新的過(guò)程中，得到不斷提升。

系統(tǒng)首先在設(shè)備形式上進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。可模擬實(shí)車狀態(tài)下轉(zhuǎn)向輸出端雙端擺動(dòng)加載、載荷可變可調(diào)，有效模擬球頭部位的上下振動(dòng)；輸入端可實(shí)現(xiàn)不同行車工況下的輸入轉(zhuǎn)角及輸入轉(zhuǎn)速的變化；搭載泥水、溫度等環(huán)境的變化，讓耐久測(cè)試更接近實(shí)車狀態(tài)。

在測(cè)試方法的搭建上，根據(jù)不同的里程分布、環(huán)境分布、載荷分布及駕駛員習(xí)慣分布等因素定制不同的測(cè)試方法，可配置式的軟件能更加簡(jiǎn)單高效地進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，提升個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的交付能力和效率。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering，EPS)由電動(dòng)助力電機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡(jiǎn)單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。

駕駛員在操縱方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號(hào)輸送到電子控制單元(ECU)，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)矩電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速信號(hào)等，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作[2]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2 測(cè)試設(shè)備測(cè)試項(xiàng)目及功能

首先，滿足《QC/T 1081—2017 汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試要求。

為了更接近實(shí)車全壽命轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的耐久工況，分別從里程分布、環(huán)境分布、載荷分布及駕駛員習(xí)慣分布等條件進(jìn)行試驗(yàn)的搭建。里程分布，包括整車壽命下行駛里程，一般會(huì)取30萬(wàn)km；在整車壽命下各種路況的分布，包括高速、鄉(xiāng)村道路、城市道路、嚴(yán)苛的道路、靜態(tài)駐車等按照實(shí)車狀況進(jìn)行對(duì)應(yīng)時(shí)間或次數(shù)的設(shè)定[3-4]，路況分析見(jiàn)表1。

表1 路況分布示例

環(huán)境分布，比如泥水環(huán)境、高低溫環(huán)境、耐溫濕試驗(yàn)等。載荷分布，包括通過(guò)整車前橋載荷計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的額定載荷；在全行程下載荷的變化，在轉(zhuǎn)向全行程角度50%以下水平時(shí)，左右橫拉桿力是正弦對(duì)稱的；在轉(zhuǎn)向全角度50%以上時(shí)，載荷曲線不再是正弦曲線，且左右橫拉桿的力分布是不對(duì)稱的，通常拉桿力與額定載荷按照比率2∶1分布。駕駛員習(xí)慣分布，則體現(xiàn)在輸入轉(zhuǎn)速的變化、轉(zhuǎn)角的變化、極限位置停頓的變化等，加載曲線如圖2所示。

圖2 加載曲線

3 測(cè)試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)采用臺(tái)架式結(jié)構(gòu)，由輸入驅(qū)動(dòng)軸一套、旋轉(zhuǎn)加載軸兩套、上下振動(dòng)軸兩套，簡(jiǎn)稱為五軸系統(tǒng)。被測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)車角度安裝，轉(zhuǎn)向器的安裝角度及管柱部分的布置角度均可調(diào)節(jié)。輸入端驅(qū)動(dòng)裝置模擬轉(zhuǎn)向方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)；兩端旋轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)模擬實(shí)車轉(zhuǎn)向節(jié)臂，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加載荷；輸出加載裝置復(fù)合上下振動(dòng)機(jī)構(gòu)，模擬實(shí)車狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)向器球頭部分的高頻的震動(dòng)。測(cè)控系統(tǒng)整體示意如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)整體示意

3.2 輸入驅(qū)動(dòng)裝置

輸入驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，串聯(lián)扭矩傳感器及角度傳感器，可實(shí)現(xiàn)精確的角度控制、位置控制及扭矩控制。通過(guò)扭矩傳感器及角度傳感器可精確地將輸入扭矩及角度進(jìn)行檢測(cè)。輸入驅(qū)動(dòng)裝置，安裝在多維度支撐調(diào)節(jié)模組上面，可實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)角度及位置的調(diào)節(jié)，從而滿足不同實(shí)車角度的調(diào)整。輸入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 輸出加載及振動(dòng)裝置

輸出加載通過(guò)伺服旋轉(zhuǎn)加載方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)拐臂將伺服電機(jī)及減速機(jī)的加載扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)榧虞d力。系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)主軸的一側(cè)添加一套滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸出端的上下運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器球頭拉桿上下震動(dòng)，系統(tǒng)模塊可根據(jù)不同的路況設(shè)置不同的振動(dòng)幅度，從而更好地模擬球頭的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。輸出加載及振動(dòng)裝置如圖5所示。

圖5 輸出加載及振動(dòng)裝置

如圖6所示，擺臂加載以A點(diǎn)為中心，通過(guò)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，減速機(jī)的傳動(dòng)，輸出力矩T，使擺臂AM左右擺動(dòng)，輸出到轉(zhuǎn)向器的力為F。

圖6 旋轉(zhuǎn)加載原理

F1=F/cosα

(1)

F1=T/AC(力臂)

(2)

由此得出

T=F/cosα×AC(力臂)

(3)

CD(行程)=100

AD=150

故α最大為18.43°

得出

T=F/cosα×AD/cosα

(4)

T=F×AD/(cosα)2

(5)

由α=ωt

故

T=F×AD/cos(ωt)2

(6)

當(dāng)擺臂與F方向垂直時(shí)系統(tǒng)所需力矩最小，當(dāng)擺臂行程達(dá)到最大時(shí)CD=100,故α最大為18.43°系統(tǒng)所需力矩最大。

3.4 工業(yè)控制部分

系統(tǒng)采用上下位機(jī)模式。下位機(jī)由專用運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)，用于系統(tǒng)的伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，根據(jù)上位機(jī)給出的指令進(jìn)行輸出軸的加載與輸入端的驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)對(duì)應(yīng)的角度及力的傳感器進(jìn)行精確的閉環(huán)控制。上位機(jī)采用工業(yè)電腦及顯示器組成，作為上位機(jī)軟件的運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)信息的交互，測(cè)試條件的設(shè)置，曲線的顯示與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存。

上下位機(jī)的模組，可以讓下位機(jī)保持更好的運(yùn)算速度與實(shí)時(shí)性，使得控制更精確；同時(shí)也解放了上位機(jī)運(yùn)算的工作量，使得系統(tǒng)更加順暢。

3.5 可配置式軟件系統(tǒng)

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)KEYEN是通過(guò)抽象工廠模式面向軟件開(kāi)發(fā)者提供的一站式Mult ithreading開(kāi)發(fā)平臺(tái)。程序員基于模塊化開(kāi)發(fā)模式按需調(diào)用功能組件，可以實(shí)現(xiàn)硬件端口的自動(dòng)配置，不同設(shè)備端口之間的無(wú)縫切換，并且可以輕松完成軟件項(xiàng)目管理、配置管理、代碼檢查、編譯、構(gòu)建、測(cè)試、部署、發(fā)布等，能更加簡(jiǎn)單地進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，提升個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的交付能力和效率。

測(cè)試人員可自由搭建測(cè)試流程，并可設(shè)定不同的加載曲線，讓設(shè)備具有更好的開(kāi)發(fā)性與通用性。通過(guò)以上特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同工況下的測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)七階或十二階的耐久測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的耐久工況實(shí)現(xiàn)不同里程分布、環(huán)境分布、載荷分布、駕駛習(xí)慣等的不同測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)要求的不斷發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸耐久測(cè)試設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。五軸耐久測(cè)試設(shè)備不僅是硬件的升級(jí)，更是測(cè)試方法的飛躍，更自由、更簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法的搭建也是未來(lái)測(cè)試的方向。