（机械工程专业论文）汽车电动助力转向系统eps研究.pdf

汽车电动助力转向系统( e p s ) 研究 摘要 理想的汽车助力转向系统不仅要求操纵轻便和灵敏，而且要求驾驶员有良 好的“路感”。传统的液压助力转向系统在整个助力过程中按固定的比例提供 转向助力，所以它能够提供有效的转向助力但还不能根本地解决汽车驾驶员操 纵“路感”不足的问题。电动助力转向系统( e l e c 埘cp o 、v e rs t e 嘶n gs y s t e m ，简 称e p s ) 与液压助力转向系统相比它有许多优点，该系统可在不更换系统硬件 的情况下，通过对控制器软件的设计，十分方便地调节系统的助力特性，所以 它在提高转向系统的操纵轻便性同时保证驾驶员能获得充分的路感，从而获得 较为理想的助力特性。电动助力转向是转向系统中较新的技术，在国内发展很 快，关于其性能和可靠性检测还未有统一的方法及评价标准，本文研究的目的 主要是对针对电动助力转向的结构特点，分析了电动助力转向对汽车转向性能 的影响，提出从转向轻便性、转向回f 性、转向盘中间位置区域性能、转向盘 振动、随动灵敏度和助力特性等方面进行电动助力转向系统转向性能的客观评 价，并探讨了相应的评价指标，以及对电动转向系统的电机减速机构及其控制 器、传感器、提出相应的技术要求与试验方法。并且在自行设计的台架上进行 试验，以及参考相关中家标准对电动助力转向系统进行道路模拟试验。对电动 助力转向助力控制规律、基本设计参数以及相关试验标准的确定有指导意义。 关键词：汽车电动助力转向系统性能评价试验 s t u d yo f a v e h i c l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m a b s t r a c t a ni d e a ls t e e r i n gs y s t e mi sn o to n l y e a s yt oh a n d l ea n dm o r ee f f e c t i v e ，b u ta l s o p r o v i d e st h eb e s ts t e e r i n gf e e lt ot h ed r i v e r ac o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e 甜n g s y s t e mu s e sp o w e r t os u p p l e m e n tt h ef o r c er e q u i r e m e n tt os t e e rt h ew h e e lb a s e do na f i x e da s s i s tr a t i oo ft h ed r i v e r si n p u t s oac o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mi sc a p a b l eo f p r o v i d i n gp o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ，b u ti ti sd i f f i c u l tt os u p p l yt h e b e s ts t e e r i n gf e e l e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i sm o r ea p p r o p r i a t et or e a l i z e a ni d e a ls t e e r i n gt h a nac o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cp o w e ts t e e r i n gs y s t e m b e c a u s ei t i s e a s yt oo p t i m i z et h es t e e r i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i cb ya d j u s t i n gp a r a m e t e r so ft h e s y s t e m sc o n t r o l l e r e 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i n gi san e ws t r u c t u r ew i t hn o v e lt e c h n i q u eo f p o w e rs t e e r i n g n ”e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gb r i n g sn e we f f e c t so nt h es t e e r i n g m a n e u v r a b i l i t y s t e e r i n gr e t u r n a b i l i t y e t c n l e e v a l u a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a l h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gc o u l d n tb ea p p l i e df o rt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g i ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s han e ws y s t e mf o rs t e e r i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fe l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g t i l i sp a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n go nt h e s t e e r i n gp e r f o r m a n c eb a s e do ni tsc o n f i g u r a t i o nf e a t u r ea n dt h e nt h eo b j e c t e v a l u a t i o no fs t e e d n gp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gi ss t u d i e d t h en e w s y s t e mo fe v a l u a t i o ni n c l u d e ss t e e r i n gm a n e u v r a b i l i t y s t e e r i n gr e t u r n a b i l i t y ，o n c e e n t e rh a n d l i n gp e r f o r m a n c e ，s t e e r i n gw h e e lv i b r a t i o n ，s e r v o m o t i o ns e n s i t i v i t ya n d a s s i s tc h a r a c t e r i s t i c n ec o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ni n d e x e sa r ea l s od i s c u s s e d t h i sr e s e a r c hc a nd e t e r m i n et h ea s s i s tc o n t r o ls t r a t e g y ，t h eb a s i cp a r a m e t e r sa n d s t e e r i n gp e r f o r ms t a n d a r do f e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g k e yw o r d s ： v e h i c l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究。i ：作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒避= f ：些鑫堂 或其他教育机构的学位或证i 湎i 使 川过的材料。与我一同】：作的同。占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谓f 意。 一虢弛弧一舭洲年石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月b ：些五堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留 ，f ：向国家有关部| j 或机构送交论文的复印仆雨i 磁盘，允许论文被壳阅和借阅。本人授权金 墅! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适州本授权- 1 5 ) 撇论文作：弘礁 签字日期：眵劬年二月e 日 学位论文作者毕业后去向： i ：作单付： 通讯地址： 聊签名：7 孳醒 导师签名： 善乏) 设 签字日期；o 蛑6 月gh 电话 邮编 致谢 论文完成之际，我首先要感谢我敬爱的导师陈无畏教授以及王启瑞、 王其东教授。是老师们深厚的学术功底、严谨的学术指导、虚怀若谷的学 术作风使我的硕士论文得以顺利完成；导师们有如父爱般的关心与爱护、 鞭策与鼓励使我在学习中得到了无穷的动力和勇气：导师们对科学真理的 无限热情与投入、执著与奉献深深地影响和激励着我。在硕士阶段的学刊 中，我从导师们这里不仅仅是学到了丰富的科学知识，更宝贵的是学习到 了一份锲而不舍的钻研精神、一份对理想对事业对生活的真诚态度，所有 这些都将是我人生路上的宝贵财富，愈久弥坚地伴我前行。 最后要感谢王荣贵老师、李智超老师对我试验过程中的指导与帮助， 感谢黄森仁、郁明、姜武华、王妍曼和许张红对我的帮助。 感谢所有关心我、爱护我的人们! 懈扔确、 2 0 0 4 年5 月2 0h 第一章绪论 1 1 汽车转向系统的概述 汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶的方向，称为转向。轮式汽车行驶 是通过转向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角度来实现的。 驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向系统。 按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系 统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都 是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车 转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的 安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了一套转向 加力装置所构成的转向系( 如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阀、 动力缸等) ，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下， 汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾 驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转 向操纵f 1 】【2 1 。 汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去 人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘 大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速 行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决这一 矛盾【引。 随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统以其具有的转向操纵灵活、 轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对前轮 产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但 传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压 动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约3 t 引。 随着电子技术的发展，电子控制式机械一一液压动力转向系统应运而生， 该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动 力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之 后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动 力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难。低速转向力小时，高速行 驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定 性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大 - 3 1 【5 。 电动助力转向系统( e 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是继 液压动力转向系统后产生的种动力转向系统，是世界汽车技术发展的研究热 点和前沿技术之一，它属于与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系 统。它直接依靠电动机提供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从 而实现转向器电动助力的要求，这种系统使汽车在低速时减轻操纵力提高操纵 的稳定性，当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优控制传 动比和稳定的转向手感，从而提高高速行驶的稳定性【6 】。另它可以较好地解决 上述液压动力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液 压动力转向系统的趋势。 1 2 电动助力转向系统简介 1 2 1 e p s 的工作原理 电动助力转向系统组成如图卜1 所示。这种系统不再使用液压装置，完全 依靠电动机实现动力转向，使结构更加紧凑。图卜2 所示为一种电动助力转向 系统示意图。该系统中，齿条导向壳内装有电动机，转向齿条穿过电动机的空 心转子，电动机转速由齿轮减速后，使滚珠螺杆转动。由于钢球的循环作用， 将滚珠螺杆的旋转运动通过滚珠螺母转换为带动齿条左、右移动的推力。这种 结构由于传动齿轮与滑动齿条相啮合，即使电动系统出现故障，驾驶员仍可通 过齿轮齿条机构实现转向。该系统利用转向轴扭力杆的小齿轮部位的传感器， 检测转向扭矩和转向速度，再根据汽车速度传感器的信号，由e c u 计算出最佳 推动力后发出控制指令，控制齿条轴上的电动机工作。电动机的工作电流较大， 要借助动力装置中的场效应晶体管，对电动机电流进行数字控制。 图卜1电动助力转向系统 卜点火开关2 一转矩传感器3 一转向角传感器4 - - 离台器减速器5 一电动机 6 一继电器7 蓄电池8 一发电机9 一发动机l o 一车速传感器 1 1 信号控制装置1 2 一电动机继电器1 3 转向器 1 4 动率控制装置 电控动力转向器的基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、控制单元( e c u ) 、 电动机和减速机构等，见图卜1 所示。控制单元( e c u ) 根据各传感器的输入信 号确定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制电动机。电动机的输出扭矩由减 速齿轮放大，并通过万向节、转向机中的传送装置把输出扭矩传送到齿条，从 而向转轮提供助推扭矩。助推扭矩的信号源包括：扭矩传感器、转向角传感器、 和车速传感器，转向角传感器可根据齿条的位移量和位移的方向测出转向角。 图 卜2 电动助力转向系统示意图 1 一循环球2 一滚珠螺杆3 螺旋齿轮4 _ 拨叉5 一电刷 6 一转子7 一螺母8 滚珠蜗杆9 一导管1 0 一钢球 1 2 2 电动助力转向系统的特点与应用 汽车电动助力转向系统是一种全新概念的转向系统，其取消了转向盘和转 向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以实现系列 传统转向系统无法实现的特殊功能。它可以实现传动比的任意设置，并对随车 速变化的参数进行补偿。并且可以和a b s 、汽车动力学控制、防碰撞、单个车 轮转向、路径跟踪、自动导航等功能相结合，实现对汽车的整体控制。汽车电 动助力转向系统具有如下性能特点： 1 ) 提高汽车的操纵性 在前轮转向控制方面可以实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数 进行补偿，使汽车转向特性不随车速变化。从而将传统人一车闭环系统中驾驶 员负担的部分工作由控制器完成，减轻驾驶员负担，提高了汽车系统对驾驶员 转向输入的响应和人一车闭环系统的主动安全性。 2 ) 提高汽车的稳定性能 电动助力转向系统可以通过前轮转向的控制，实现助力控制系统的功能，能 达到更为理想的效果。并且它可以与其它主动安全设备如a b s 、汽车动力学控 制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航以及自动驾驶等功能干h 结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性。 3 ) 改善驾驶员的路感 由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。 在回正力矩控制方面可以从信号中提出最能够反映汽车实际行驶状态和路面状 况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用 信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。 4 ) 其它方面的优点”“” 与传统液压动力转向相比，电动助力转向系统反应灵敏、迅速，转向平稳、 精确，路感良好。而传统的液压助力转向系统，当急转动方向盘时，往往会出 现转向迟滞现象。取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管、油封 等废弃物对环境造成的污染，其零件数与传统液压助力转向系统相比大大减少， 因而其质量更轻、结构更紧凑，大约可比通常的液压助力转向系统轻2 5 。山 于没有液压回路，调整和检测更方便，且不存在漏油问题，因此大大降低了保 修成本，也减小了对环境的污染。因为其动力源是电池而不是由发动机驱动的 油泵，在发动机发生故障时，也能继续提供转向助力。从改善空气动力学性能 角度考虑，发动机罩下的空间将越来越宝贵。电动助力转向系统因其外形小巧， 在发动机罩下所占用的空间比传统的液压转向系统要小，故安装电动助力转向 的汽车会有更好的空气动力学性能。电子转向系统最终发展趋势使用的操纵系 统，它取消了转向柱、皮带轮和皮带等部件，给发动机罩节省了空间，给总体 布置带来了很大的方便。由于不用发动机直接驱动，仅当需要助力时电动机爿 提供助力，省去了传递效率极低的皮带传动，而传统液压助力转向在没有转向 时，油泵在发动机带动下仍然运转。因此电动助力转向系统能减少发动机的燃 油消耗。具有良好的低温工作性能。转向操纵力特性能满足不同对象的需要。 由于采用扭矩、转角、车速传感器的信号作为基础，故只需更换软件即可自由 地设汁转向操纵力特性。电动助力转向能在各种行驶工况下提供最佳助力，减 小由路面不平所引起的对转向系的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速 行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主 刊j 安全性。 1 3 电动助力转向系统的研究状况和发展趋势 由于电动助力转向系统具有以上诸多优点，国外许多汽车及零部件生产j 商纷纷致力于该技术的研究。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装 备电动助力转向，随后还用在了其a l t o 车上。在此之后，电动助力转向技术如 雨后春笋般得到迅速发展。1 9 9 3 年，本旰j 汽车公司首次将电动助力转向系统装 备于大批量生产的，在国际市场上同法拉力和波尔舍竞争的n s x 跑车上。同时 在欧美市场上，美国的d e l p h i 汽车公司、德国的z f 汽车公司等，都相继推出 了各自的电动助力转向系统。如今，大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽车公司的 m i n ic a 车、大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 都装备了电动助力 4 转向系统。随着高级轿车对转向器提出的性能上的更高要求，近几年国外开发 出了更为成熟的电动式动力转向器，凌志、皇冠等高档轿车，已经使用了电动 助力转向系统，该装置优于普通的动力转向器，在不同车速下可通过转向e c u 自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操 作力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实 现操纵的稳定性。德尔福汽车系统公司，1 9 9 8 年丌发了全新的电动式转向器系 统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力。英国汽车制造商l u c a s 公司， 1 9 9 8 年研制的电动式转向器投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极 低，只有手动式的0 5 ，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2 ，全液压 助力系统损耗为8 ”“”1 。 电动助力转向技术日趋完善，具应用范围已经从最初的微型轿车向更大型 轿车和商用客车方向发展。电动助力转向自身的特点，使其特别适用于低排放 汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、电动汽车( e v ) 。而这 四大“e v ”汽车将构成未来汽车发展的主体，电动助力转向可以应，e | j 在轿车、 微型面包车、轻型客车和轻型货车等车型上，这几种车型在我国的年产量超过 4 0 0 万辆，因此应用前景广阔”。 我国已有研制开发汽车电动助力转向系统的文献报道，但大多处于理论分 析和实验窒研制阶段。如清华大学汽车实验室已加工出e p s 样机，f 在进行装 车试验。合肥天力汽车油泵有限公司拟招商引资生产电动助力转向器，现已丌 展电动助力转向系统及传感器和控制器的前期研究工作，并进行进u 样件的实 验。合肥工业大学机械汽车学院已完成了安徽省科技厅下达的十五科技攻关项 目 ，完成了转向系运动学、动力学分 析计算；提出了关于e p s 的控制策略，并在汽车转向试验台上对控制策略进行 了检验，同时进行了道路试验证明其合理性，为e p s 的产品化奠定了坚实的基 础。本项目具有较高的学术价值，研究结果对指导电动助力转向的国产化丌发 具有重要的现实意义。 1 4 本文研究目的 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速 器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外轿车和轻型汽车电动助力转 向系统正逐步取代传统液压助力转向系统。电动助力转向是转向系统中较新的 技术，在国内发展很快，关于其性能和可靠性检测还未有统一的方法及评价标 准，本文研究的目的主要是针对电动助力转向的结构特点，分析了电动助力转 向对汽车转向性能的影响，提出从转向轻便性、转向回正性、转向盘中间位置 区域性能、转向盘振动、随动灵敏度和助力特性等方面进行电动助力转向系统 转向性能的客观评价，并探讨了相应的评价指标，此外对电动转向系统的电 机减速机构及其控制器、传感器等也提出相应的技术要求与试验方法。考虑到 国内外暂时还没有相关法规和标准来规范其应具备的性能和相适应的台架试验 方法，通过对电动助力转向控制系统的软硬件设计以及模糊自调整p d 控制与仿 真计算，并根据转向系统的特点及电动助力转向系统的特性，提出相对于电动 助力转向系统应增加的检验项目以及试验方法，并在自行设计的台架及道路上 进行性能试验。这些研究工作对电动助力转向控制规律、基本设计参数以及相 关试验标准的确定有一定的指导意义。 1 5 本文研究内容 本文研究的主要内容是： 1 e p s 转向性能要求，汽车电动转向的性能指标及其评价要求。 2 电动助力转向系统总体技术要求及各关键部件的技术要求。 3 电动助力转向控制系统设计。 4 e p s 的p i d 控制及模糊自调整p d 控制与仿真计算。 5 提出对于电动助力转向系统应增加的检验项目以及试验方法，并在自行设计 的台架及道路上进行性能试验。 6 给出本文研究的结论和建议。 6 第二章汽车电动助力转向的性能要求与评价探讨 2 1 e p $ 对转向性能的影响 1 ) 转向轻便性 e p s 的基本目标是提高汽车停车泊位和低速行驶时的转向轻便性，以厦 高速行驶时的操纵稳定性。图2 1 是a l t o 车原地转向的转向力对比曲线t l ：i 】， e p s 为转向柱助力式，前轴负荷为4 k n ，电动机最大电流为2 0a 。由图可知， 装有e p s 后，原地转向的转向力下降4 0 。 粪- o o 箩韶s - i e 啦 o o - 一；矗i 一j p 一 少一：， 岳- 5 0 0 o i 鞋 ；| 厂一 转向女电带角( ) 一- - 5 0 - - ， 一l o o 图2 1 原地转向转向力对比曲线 2 ) 转向回正性 通过指定合适的控制策略，e p s 能显著提高汽车转向盘的回正特性。文献 2 j 丌发了一种基于估计轮胎和路面产生的回正力矩的控制策略，该控制策略 能提高转向盘回正特性及获得更好的转向盘中间位置区域的路感。图2 2 是 汽车在3 0k m h 左右行驶时的回正特性试验结果。试验中，微小转动转向盘后 松开。图2 2 a 和图2 2 b 分别是e p s 采用两种不同控制策略时的转向盘回 j 下性测试结果。图2 2 a 表示转向盘卡住了，不能回到中间位置。图2 2 b 表 示在松开转向盘后，转向盘能立刻回到中间位置。 3 )操纵稳定性 汽车转向系一直存在着转向“轻”与“灵”的矛盾。为此，常将转向器设 计成变传动比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻” 为主。但是“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，这仅对高速行驶有意义，并 且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根本上解决这一矛盾。另外， 转向力与路感也相互制约，转向力小能减少驾驶员的体力消耗：但转向力过小 就缺乏路感【l 引。液压动力转向由于不能对助力进行实时调节与控制，所以协调 转向力与路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使” 驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发“飘”。而e p s 的助力大小可以实时调节与 控制，因此能较好地解决上述矛盾【1 4 l 。由于电动机具有弹簧阻尼的效果，e p s 能 7 减小不平路面对转向盘的冲击力和车轮不平衡质量引起的振动，图2 3 a 、2 3 b 分别是e p s 和h p s 抑制路面冲击能力的对比曲线【”】，曲线表明在相同的 路面冲击下，e p s 的转向盘转角和转向力矩的振动幅值比h p s 都有明显降低。 2 撤。 盏一： 辩oi 2 3 4 5 唧，i 圈2 2 两种不同控制策略时e p s 对转向盘网正特性的影响 2 0 暑 罨i o 措 r0 显 挥- 1 0 2 0 争 罨1 0 捌 主0 馨 - i o 0 k 二：0 以l 话“ i i i 。it 1 、if t 。 时间，s ( i ) l o o - 1 0 i o o 暇 聋 一1 0 墨 辩 - 2 0 时间庸 嘞 图2 3e p s 和h p s 抑制路面冲击对比曲线 ( a ) e p s ( b ) t i p s 2 2e p s 转向性能要求 我国国家标准g b t6 3 2 3 4 一1 9 9 4 和g b t6 3 2 3 5 1 9 9 4 对转向回正性 v嘏毒翎星球 能和转向轻便性进行了规范。这两项试验可以用来客观评价电动助力的某些转 向性能。 由于电动助力转向对汽车原地转向和高速行驶时转向盘中间位置区域的操 纵稳定性有很大影响，因此建议在g b t6 3 2 3 5 一1 9 9 4 转向轻便性试验标准 中加入原地转向和移线试验。此外，针对电动助力转向本身，还需要进行电动 助力转向静特性试验、转向盘振动试验、转向随动特性试验等。 2 21 转向轻便性试验 提高转向轻便性是电动助力转向的首要目标，测量转向轻便性可通过整车 道路试验或台架试验进行。对台架试验，一般进行原地转向模拟试验。 我国汽车行业标准q c t4 8 0 1 9 9 9 中，采用了转向盘平均操舵力( ，) 和最大操舵力( ) 两项指标来评价转向轻便性。此两项指标也适用于评价 e p s 的转向轻便性。为评价电动助力转向的作用效能，增加作用效能指标。效 能指标表示为 s = f “f 。其中f “和f h 分别为无电动助力转向和有电动助 力转向时，为转动转向轮所必须施加在转向盘上的力。现有液压动力转向的效 能指标s = 1 1 5 。 转向盘最大作用力矩、转向盘最大作用力可通过整车道路试验求得，下碗 简单介绍双纽线试验。试验场地为干燥、平坦而清洁的水泥或沥青路面。任意 方向上的坡度不大于2 。在试验场地上，用明显颜色画出双纽线路径，如图 2 - 4 所示。双纽线轨迹的极坐标方程为：l = d c o s 妒，轨迹上任意点的曲率半径r 为： r = 三一，当q o = o 。时，双纽线顶点的曲率半径为最小值，即r m i n = 生。 3 c o s p 3 双纽线的最小曲率半径应按试验汽车的最小转弯半径乘以1 0 5 倍，并圆 整到比此乘积大的一个整数来确定，并据此画出双纽线。在双纽线最宽处，顶 点和中点( 即结点) 的路径两侧共放置1 6 个标桩( 图2 - 4 ) 。标桩与试验路径 中心线的距离，按汽车的轴距确定。当试验汽车轴距大于2 5 m 时为车宽一半 加5 0 e r a ，当试验汽车轴距小于或等于2 5 m 时为车宽一半加3 0 e m 。【m 1 图2 4 双纽线试验示意幽 9 根据记录的转向盘转角及转向盘力矩，按双纽线路径每一周整理成图2 5 所示的m 一目曲线。并计算以下参数： 转向盘最大力矩，用下式计算： 彳 ；竺啦赵止竺盟丛2 ：! ! m 丛3 m 蹦 3 式中：m 。戕_ 转向盘最大力矩，n m ； m 。l 、m 。也、m 。诅，【3 一分别为绕双纽线路径第一、二、三周的转向盘最大力矩 ( 2 ) 转向盘最大作用力，用下式计算： f m a x = 2m m “d 式中：d 试验汽车原有转向盘的直径，m ； 1 i l l a l l 转向盘最大作用力，n 。 t , 4 ( n - 椭 z么) j 一。 一ik 。：厂” 尸”j 图2 5 转向盘力矩与转向盘转角m 一一曲线 2 2 2 转向回正性评价 转向后转向盘应能自动回正，使汽车保持在稳定的直线行驶状态，是汽车 对动力转向的要求之一。转向机构中的摩擦力矩会降低转向盘的回正特性，常 使驾驶员感到不舒适。动力转向在转向盘有转向力矩作用时才开始工作。除此 之外，动力转向还必须满足在没有力矩作用在转向盘时的行驶要求。其一是在 高速行驶时转向后松开转向盘的稳定性，其二是在高速行驶情况下微小的转向 盘转动或车速相对较低情况下正常转向以后的转向盘回正特性。根据我国汽车 行业标准q c t4 8 0 1 9 9 9 ，可采用松开转向盘3s 时的残留横摆角速度绝对值 r ( ( 。) s ) 和横摆角速度总方差e r ( s ) 两项指标来评价转向回正性，此两项指 标也适用于评价e p s 的转向回正性。 残留横摆角速度由下式计算：，= ( ，。+ 。+ ，。) 3 式中：r _ 碱留横摆角速度，1 s ； 一m ，s 分别为第1 、2 、3 次试验的残留横摆角速度，( 。) s 。 横摆角速度响应总方差用下式计算： l o e ： ，! 。c 吾，2 + 。s ， 式中：e回正试验时横摆角速度响应总方差，s ； r i 横摆角速度瞬时值，( 。) s ； r o 一横摆角速度稳定值，( 。) s ； n采样点数，一般n ，= 4 s 选取； t 采样时间间隔，s ； a t 一般不大于0 2 s 。 2 2 3 转向盘中间位置区域性能评价1 1 7 】 评价转向性能有一个重要的因素是转向盘中间位置区域的操纵性。转向盘 中间位置区域的操纵性包含移线操作时的感觉和为精确跟随线路进行必要的转 向调整时的感觉。为评价转向盘中间位置区域转向操纵，“转向力矩梯度”和“转 向盘回正特性”非常重要。转向力矩梯度是转向力矩对汽车侧向加速度的微分， 转向回f 特性包含转向力矩为0 时的侧向加速度。转向力矩梯度越大，转向回 正特性越小，驾驶员的转向感觉就越好。 转向盘中间位置附近区域试验常采用蛇行试验或转向盘转角正弦输入试验 ( 车速为1 0 0 k m h ，频率为o 2 h z 。转角幅值为1 0 。) ，通过试验可得到与电动助 力转向相关的两条曲线，即转向盘中间位置区域的转向力矩与侧向加速度关系 曲线( 见图2 6 ) 、转向力矩与转向盘转角关系曲线( 见图2 7 ) 。 基 笔 嵌 长 霾 鬈 侧向加速度，m s 一2 图2 6 转向力矩与侧向加速度关系曲线 窖 嚣 裂 最 雹 霹 铸辩爨转角) 图2 - 7 转向力矩与转向盘转角关系曲线 1 转向力矩与侧向加速度关系 图2 - 6 为典型的转向力矩与侧向加速度关系曲线。从图2 - 6 中可得到以下 评价指标： ( 1 ) 转向力矩m = 0 时的侧向加速度 m = 0 时的侧向加速度反映了转向系统的回正性，在转向力矩为零的瞬间， 相当于松开转向盘，不对转向盘加力时的状态，而汽车在转向盘不受力时靠惯 性返回直线状态的能力就是回正性，因此m = 0 时的侧向加速度能反映回正性 能。 ( 2 ) 侧向加速度a ，= 0 时的转向力矩 侧向加速度a y = 0 时的转向力矩反映了转向系统的干摩擦。 ( 3 ) 侧向加速度a ，= 0 时的转向力矩梯度 侧向加速度a 。= o 时的转向力矩梯度是指侧向加速度变化导致的转向力矩 变化。a ，= 0 时的转向力矩梯度与“路感”有关。 。 ( 4 ) 侧向加速度a ，= 0 。1m s 2 时的转向力矩 侧向加速度a 。= 0 1m s 2 时的转向力矩用来表示刚离开直线行驶时的转向 力的程度。 ( 5 ) 侧向加速度a r = o 1m s 2 时转向力矩梯度a v = o 1m s 2 时转向力矩梯度 用来表示刚离开直线行驶时的“路感”。 2 转向力矩与转向盘转角关系 从图2 7 所示的转向力矩与转角关系曲线中可得到两个评价参数，即0 。 转角时的转向力矩和转向力矩梯度，即相当于常提到的转向“刚度”。这两个指 标用来表示需要精确控制操作( 如闭环控制) 时的“感觉”。 2 2 4 转向盘振动评价 路面不平度和电动机力矩波动往往会引起转向盘振动，这会使驾驶员感到 紧张和疲劳。路面不平度引起的振动通常是高频振动，而电动机力矩波动引起 1 2 的转向盘振动一般在低转速和低频时发生。特别是对转向柱助力式电动助力转 向，由于电动机布置在转向轴上，电动机力矩波动更易造成转向盘振动。转向 盘振动试验可以用转向力矩峰值、转向力矩均方根值、转向盘角加速度均方根 值3 项指标来评价【l “。 图2 8 所示是在电动转向控制系统试验台上测得转向盘力矩曲线。试验过 程中在转向器输出端施加一恒定阻力，大小为最大输出力( 力矩) 的8 0 。 转向盘力矩均方根值为0 0 9 7 n m 。 o123 4 5 孵问，s 图2 8 转向盘振动台架试验的转向盘力矩曲线 2 2 5 随动灵敏度评价 随动灵敏度可以用开始助力时作用到转向盘上的手力和转角来评价。对液 压动力转向，要求此力为2 0 5 0 n ，转角为1 0 。1 5 。这可以为电动助力 转向提供参考。 2 2 6 助力特性评价 助力特性是指助力随汽车运动状况( 车速和转向盘手力) 变化而变化的规 律。对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向 盘力矩( 及车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。对电动助力转向，助力特 性是指在一定车速下，转向盘输入力矩与电动机输出力矩之间的变化关系。因为 电动机输出力矩可以用电动机电流来表示，所以可以用一定车速下，转向盘输 入力矩与电动机电流之间的变化关系来表示助力特性，如图2 9 所示。这种助 力特性反映了助力效果，同时也反映出路感强度。 电动助力转向的助力特性属于车速感应型，要求左右对称，且要求随着车 速的变化，转向盘力矩不应出现突变和跳动。助力特性试验应在台架上进行， 把输出端刚性地固定在直线行驶位置，设定车速( 比如从0 k m h 至最高车速， 自j 隔5 k m h ) ，分别向两个方向转动输入端，转到助力电机电流达到最大工作电 流时为止，同时记录各车速下输入端转角、力矩与助力电机电流等。 o 8 6 4 2 o 8 5 5 5 5 & ez、裂蓥辩 蜡 锄 墨 需 脚 转匈盘输入力矩n ，1 1 1 图2 9 转向盘力矩与电动机电流关系曲线 对于图2 1 0a 所示某一车速下直线型助力特性，可以得到助力灵敏度、 最大电动机电流( 最大助力) 、最大电动机电流时的转向盘力矩、路感强度( 斜 率) 、助力特性的对称度。其中助力灵敏度可以用开始助力时，作用到转向盘上 的手力和转角来评价，对液压动力转向，要求此力在2 0 - - 5 0 n ，转角在1 0 0 - 1 5 。范围。这可以为电动助力转向提供参考。助力特性对称度k e 可用下式计算 k e = ! 。! ! ：旦! ，i l 4 ，”， 式中m i n ( a ；，b ；) 为a t 、b t 两者的最小值；a ；、b ；如图2 - - 1 0 所示；要求n 不得 小于5 。 7 撕，k i 蹦n 。m 幽2 1 0 助力特性曲线评价 2 2 7 能量消耗试验与评价 评价电动助力转向的能量消可以通过台架试验进行，也可以通过整车道路 试验进行。对于台架试验，可以采用规定工况( 比如5 0 负荷3 6 0 。循环运行) 和规定运行时间下的耗电量来表示。对整车道路试验，可以采用汽车在特定道， 路上以规定行驶车速行驶对，有、无电动助力转向对的百公里油耗来评价。 2 2 8 可靠性试验与评价 可靠性试验一方面应进行整车道路试验，在一定的车况和路况下行驶连续 4 1 0 万公里( 暂定，有待讨论) ，观察记录整个试验过程有无异常情况。另一| 方 面还应进行台架试验，内容包括： 1 疲劳试验 转向盘在中间位置处保持0 5 。的间隙，用挡块限位。车速设为0 ，用最大 的输出转矩或最大输出力在输出端加载，频率为0 6 1 2 l t z 。完成1 0 0 万次交 变载荷。试验后观察其功能是否正常。 2 磨损试验 试验时车速设为0 ，在转向器输出端加载，使输出端在汽车直线行驶位置 时达到满载，转向轴以2 0 一3 0 r m i n 的转速运转，转向轴转角不小于总转角的 9 0 ，完成2 5 0 0 0 个循环，观察记录整个试验过程有无异常情况。试验后观察其 功能是否正常。 3 强制转向试验 试验时电动机不工作，转动输入端，调整输出端载荷，使输入端上的转矩 分别为1 2 5 n m ( 输入力矩2 5 0 0n m 的总成) 或1 7 5 n m ( 输入力矩 2 5 0 0 n m 的总成) ，完成1 0 个循环。试验后观察其功能是否正常。 4 逆向超载试验 把输入端刚性地固定在直线行驶位置，车速设为o ，在齿条输出端施加载。 荷，直到载荷相当于总成最大输出力的3 倍时停止试验，分别由两个方向完成。 试验后观察其功能是否正常。 5 噪声试验 将电动助力转向设定在满负荷下工作( 车速设为0 ，阻力最大) ，在驾驶员 耳朵附近或转向盘位置测量噪声，作为电动助力转向的噪声评价指标。 6 报警试验 将电动助力转向设定在工作状态。依次切断各元件线路，检查故障显示灯 或故障代码报警信号是否正常。 7 电磁干扰试验 可参照g b l 8 6 5 5 2 0 0 2 标准进行电磁干扰试验。 8 高低温试验 将总成放入从室温开始的高低温箱内，在高温( 如6 5 。4 0 c ) 下放置2 小 时后，将总成安装到试验台上，检查系统是否正常工作。 9 盐雾试验 将总成放入盐雾箱内，按g b t 2 4 2 3 1 7 标准放罱2 小时后，将系统安装到 台架上，检查系统是否正常工作。 第三章电动助力转向系统技术要求 转向系用于改变汽车的行驶方向和使汽车保持稳定的直线行驶。转向性能 的好坏直接影响汽车行驶的安全性和操纵性，因此对转向系有如下要求： 1 来自路面不平度所引起的振动应尽可能被衰减而不致传到转向盘上。然而， 这种衰减又不可达到使驾驶员丧失路感的程度。 2 转向时，左、右转向轮轴线的延长线和后轴的延长线应相交于一点。 3 转向系应有合适的刚度，使汽车对微小的转向修正也有快捷的反应。 4 当放松转向盘时，车轮应能自动回到直行位置，并能稳定在这个位置上。 3 1 电动助力转向系统总体技术要求 1 有效减小操纵力，特别是停车转向操纵力。行车转向的操纵力不大于2 5 0 n 。 应防止转向系统出现不希望的转向沉重、转向不稳。 2 电气联接件任何不期望的断开都不应导致车辆产生危险。 3 当辅助电路与动力系统有电联接时，应防止电路电压过高。 4 工作可靠，具有故障安全功能。即当转向系统某些部分出现故障，能保证通 过人力进行转向操纵，确保汽车连续安全运行。系统在迅速地检测出故障的同 时，并采取相应的措施，多为停止助力扭矩控制和限制助力扭矩控制。当系统 的摹本部分如扭矩传感器、电流传感器、动力装置及其连接线等出现故障时， 可能导致严重后果。此时应实旌停止助力扭矩控制，以确保系统安全。出现这 类故障时，电控单元使电磁离合器脱开，从而停止助力扭矩。当系统判断蓄电 池电压较低、动力装置过热等有可能导致故障或严重故障的现象时，系统可执 行限制助力扭矩。为了防止过热，系统可对连续几分钟之内的电流进行监督， 且保证电流消耗不超过规定值，当系统判断平均电流消耗过大时，也会执行这 种功能。 5 转向灵敏性好。动力转向的灵敏度是指在转向器操纵下，转向助力器产仁助 力作用的快慢程度。助力作用好，转向就灵敏。 6 具有直线行驶的稳定性，转向结束时转向盘可自动回正：驾驶员应有良好的路 感。 7 要有随动作用。转向车轮的偏转角和驾驶员转动转向盘的转角保持一定的关 系，并能使转向车轮保持在任一偏转角位置上。 3 2e p s 的关键部件技术要求及发展状况 e p s 主要部件包括扭矩传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等( 8 1 1 9 j 2 0 】n 32 1 扭矩传感器 e p s 控制系统的传感器信号包括转向盘转矩信号、车速信号、电机电流信 号，前两者用于确定助力电机的目标转矩，后者用于电机的闭环控制。扭矩传感 1 6 器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力