商用車智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計與研究

高建華

摘要：智能駕駛是車輛未來發(fā)展的主要方向，為了使商用車實現(xiàn)智能駕駛的功能，設(shè)計開發(fā)了一款應(yīng)用于商用車的智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)，并通過電子控制單元ECU根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向盤扭矩、轉(zhuǎn)角等信號，對整車提供實時、可變的轉(zhuǎn)向助力，使車輛具有駕駛舒適性和安全性的同時，具備應(yīng)急轉(zhuǎn)向、隨速轉(zhuǎn)向、主動回正、自主轉(zhuǎn)向、車道偏離預(yù)警和軟件鎖止等功能，滿足未來車輛智能化駕駛、無人駕駛的需求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；混合動力；智能駕駛

智能駕駛是車輛未來發(fā)展的主要方向，目前市場上商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中廣泛使用循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向器，不具備自主轉(zhuǎn)向、輔助轉(zhuǎn)向、車道偏離預(yù)警等功能，無法根據(jù)車速對助力特性進行調(diào)節(jié)，無法滿足智能輔助駕駛的要求。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由助力電動機提供轉(zhuǎn)向助力，可隨車速控制助力大小，使汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到最佳的助力特性，但由于商用車前軸載荷較大，一般的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的助力無法滿足商用車轉(zhuǎn)向助力需求。因此，需要開發(fā)一種智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，滿足未來車輛智能化駕駛、無人駕駛的需求。

智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計原理

根據(jù)商用車市場的需求，開發(fā)一種智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，同時配備車速傳感器、扭矩轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元（ECU）等。ECU通過監(jiān)測車速和轉(zhuǎn)向盤扭矩、轉(zhuǎn)角等信號，控制電動助力大小，進而影響液壓助力系統(tǒng)的助力大小，對整車提供實時、可變的轉(zhuǎn)向助力。

同時，通過軟件控制，使車輛具備應(yīng)急轉(zhuǎn)向、隨速轉(zhuǎn)向、主動回正、自主轉(zhuǎn)向、車道偏離預(yù)警和軟件鎖止等功能。

如圖1所示，電動轉(zhuǎn)向機構(gòu)的輸出端與循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的輸入端連接一起，扭矩轉(zhuǎn)角傳感器安裝在電動轉(zhuǎn)向機構(gòu)的中間軸上，電子控制單元集成在電動機后端，構(gòu)成了智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與匹配

1.混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要技術(shù)指標有適用前軸負荷、助力缸徑、搖臂擺角、總?cè)?shù)、輸出扭矩、油泵壓力及傳動比等。

在EPS助力模式下，具有轉(zhuǎn)向輕便、助力隨速可變、主動回正等功能。同時，根據(jù)整車CAN發(fā)出的轉(zhuǎn)向角指令，驅(qū)動車輪伺服轉(zhuǎn)向的自動轉(zhuǎn)向功能等。

2.混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的確定

該款智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要解決未來商用車智能化駕駛、無人駕駛的需求，應(yīng)用于商用車市場。根據(jù)市場主流商用車車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，參考循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)和電動轉(zhuǎn)向機構(gòu)分別確定參數(shù)。

（1）循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)參數(shù)設(shè)計 循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)主要包括螺桿-螺母、齒條-齒扇傳動副。

由循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系可得：當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一個角度j時，轉(zhuǎn)向螺母及齒條的移動量為

s = （φ /360）P （1）

式中 P——螺桿/螺母的螺距。

相應(yīng)的，齒扇轉(zhuǎn)過角度β 。齒扇的嚙合半徑rw，則b角所對應(yīng)的嚙合圓弧長也為s，即

（φ /360）rw = 2ps （2）

結(jié)合式（1）和式（2），可得循環(huán)球液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的角傳動比iw為

iw=φ /β=2prw= s （3）

根據(jù) 2rw=Z1mt （4）

結(jié)合式（3）和式（4）可得

iw=pZ1mt /P （5）

式中 Z1——齒扇整圓齒數(shù)；

mt——齒扇端面模數(shù)，mt= mn，根據(jù)齒條齒扇嚙合強度計算確定。

根據(jù)設(shè)計要求，角傳動比18.6左右。通過查閱循環(huán)球轉(zhuǎn)向器齒扇模數(shù)表選定模數(shù)mt=8.6，整圓齒數(shù)Z1=12（齒扇齒數(shù)5齒），得到螺桿螺距P=17.4625，從而確定循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基本參數(shù)，見表1。

（2）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)匹配 電動轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由蝸輪蝸桿傳動副組成，主要對助力電動機起減速增扭的作用。根據(jù)相關(guān)資料，選擇轉(zhuǎn)動慣量小、可靠性高的平行軸無刷永磁交流電動機，其額定轉(zhuǎn)矩為8N·m，電源電壓24V。

選擇蝸輪蝸桿傳遞交錯軸件的回轉(zhuǎn)運動和動力，主要具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)及噪聲低等優(yōu)點。本結(jié)構(gòu)選用蝸桿頭數(shù)為雙頭的一對傳動副，根據(jù)結(jié)構(gòu)空間和需要減速增扭的需求，確定蝸輪齒數(shù)

41，模數(shù)2.2。通過《機械設(shè)計手冊》新版蝸桿傳動相關(guān)公式計算可得蝸桿傳動基本參數(shù)表，見表2。

3.混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性設(shè)計

車輛在不同行駛條件下，駕駛?cè)溯斎氲氖至娃D(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的助力大小隨之不同，以滿足轉(zhuǎn)向性能在低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的要求。根據(jù)混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，所需電動轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分助力大小與助力電動機轉(zhuǎn)速近似成正比例關(guān)系，即電動機的轉(zhuǎn)速越高，輸出的助力越大，反之越小。同時，電動部分助力的大小直接影響液壓部分轉(zhuǎn)閥的開啟，進而影響液壓助力的大小。

因而，智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的設(shè)計需要根據(jù)行車工況，結(jié)合ECU對不同反饋信號的運算處理，控制助力電動機的助力大小，進而控制液壓助力轉(zhuǎn)向部分助力大小，為車輛提供實時可變的轉(zhuǎn)向助力。

4.智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及控制

智能混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理如圖2所示。ECU根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩判斷車輛的行駛狀態(tài)，并依據(jù)嵌入的轉(zhuǎn)向助力特性曲線數(shù)據(jù)確定所需的助力大小，由目標助力進一步判斷決定系統(tǒng)的工作模式：當汽車低速或原地轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向阻力矩非常大，液壓助力與、電動助力同時工作，電動機可以根據(jù)車輛行駛狀態(tài)調(diào)整電動機本身的助力大小以及液壓助力的大?。黄囋谥兴倩蚋咚俎D(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向阻力矩較小，電動助力單獨工作；當電動助力轉(zhuǎn)向裝置出現(xiàn)故障時，液壓助力單獨工作也能保證一定的轉(zhuǎn)向助力。

此外，當車輛需要開啟智能輔助駕駛時， ECU可根據(jù)智能輔助駕駛系統(tǒng)上位機的指令控制電動助力轉(zhuǎn)向裝置上的電動機動作，控制轉(zhuǎn)向盤位置，控制原理如圖3所示。采用位置環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向盤實際角度反饋和目標角度指令的差值，進行目標參考電流的計算，然后依據(jù)實際電流反饋，進行電動機驅(qū)動占空比的計算，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向盤位置的閉環(huán)控制。

臺架測試與驗證

為進一步驗證混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各項性能，結(jié)合實驗中心和同行單位資源，模擬整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建測試平臺（見圖4）。包括測試臺、模擬轉(zhuǎn)向盤裝置、需測試的混合動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前懸部分，轉(zhuǎn)向盤下的轉(zhuǎn)向管柱處裝有伺服電動機用來代替手力驅(qū)動轉(zhuǎn)向盤，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤角速度自動控制輸入，將扭矩傳感器安裝在步進電動機減速機構(gòu)輸出端和轉(zhuǎn)向管柱上端。同時，在系統(tǒng)前軸上端裝有一套電控加載裝置，用來模擬前輪的載荷，通過控制面板上的按鈕可實現(xiàn)對輪胎的加載。經(jīng)試驗驗證，基本滿足設(shè)計需求。

結(jié)語

本文以商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，以滿足商用車未來智能輔助駕駛為需求，在行業(yè)相關(guān)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，設(shè)計加工了一套智能混合動力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并搭建測試臺架對樣機進行試驗驗證，通過驗證表明該系統(tǒng)滿足商用車智能化的需求。由于經(jīng)驗不足，加上試驗不夠充分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性不是特別理想，后續(xù)還需不斷改進及優(yōu)化。

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