一種新型電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺開發(fā)

彭 沖，姚 波，李 連

(重慶車輛檢測研究院有限公司國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122)

隨著汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的快速發(fā)展，電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)以其能耗低、結(jié)構(gòu)模塊化等特點，成為了目前最具代表性的助力轉(zhuǎn)向裝置，已普遍應(yīng)用于汽車［1］。EPS系統(tǒng)中由于電動特性與轉(zhuǎn)向助力相互不匹配導(dǎo)致汽車操縱性能降低且駕駛員轉(zhuǎn)向路感差是目前EPS系統(tǒng)實際應(yīng)用過程中的主要問題［2］。為完善電動特性與轉(zhuǎn)向助力相互匹配，需設(shè)計一款高效的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺，以便EPS系統(tǒng)進行各類性能試驗以完善其性能設(shè)計。

目前EPS系統(tǒng)試驗臺局限于采用伺服電機、磁粉制動器、液壓裝置和彈簧方式加載［3－5］。該類加載方法存在一定局限性，有阻力加載困難、響應(yīng)速度慢、非線性度特性不足等缺點。本文基于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，設(shè)計了一款具有兩種工作模式的新型EPS試驗臺。試驗結(jié)果表明，該新型試驗臺可有效滿足EPS系統(tǒng)的試驗需要。

1 EPS加載阻力研究

1.1 EPS助力特性分析

EPS主要由控制單元(ECU)、助力電機、減速機構(gòu)等組成［6］。汽車停車、低速或者高速行駛時，需要轉(zhuǎn)向力矩大小不同，電機控制器輸出電流是基于助力特性曲線而來。目前助力特性有直線型、折線形和曲線形3種形式［7－9］，如圖1所示。對于直線型，基于目標(biāo)速度下，電機助力隨角度成線性變化，簡化了助力控制輸出程序卻降低了助力效果;對于折線型，即對轉(zhuǎn)向角度進行分段，利用折線型進行助力加載，提高了助力效果;對于曲線型，即理想的助力特性曲線能有效地提高駕駛的轉(zhuǎn)向輕便性及操縱穩(wěn)定性，但實現(xiàn)難度高。

圖1 EPS助力特性曲線

1.2 試驗臺加載阻力分析

為確定所開發(fā)的EPS試驗臺的加載阻力，本文基于圖1(c)非線性轉(zhuǎn)向助力特性曲線，對汽車轉(zhuǎn)向阻力進行分析。有研究表明［10］，轉(zhuǎn)向阻力(即加載阻力)主要由轉(zhuǎn)向輪回正力矩產(chǎn)生。汽車轉(zhuǎn)向過程中，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正力矩的影響因素眾多，其中主銷內(nèi)傾角γ和主銷外傾角β為主要因素。

車輛轉(zhuǎn)彎時，路面對轉(zhuǎn)向輪的側(cè)向反作用力為:

式中:Ff為前軸垂向支撐力;Fr為后軸垂向支撐力。

設(shè)主銷軸線與路面接觸點之間垂向距離為e，則e為:

式中:r為輪胎半徑;θ為轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角。則由主銷后傾角產(chǎn)生的回正力矩為:

當(dāng)轉(zhuǎn)向車輪在外力作用下繞主銷旋轉(zhuǎn)角度θ時，由于主銷內(nèi)傾角的存在，汽車勢能增加，基于能量方程則β對應(yīng)的回正力矩為:

基于主銷后傾角與主銷內(nèi)傾角對應(yīng)的回正力矩公式，則橫拉桿轉(zhuǎn)向加載阻力Fm的計算公式為:

式中:d為主銷與轉(zhuǎn)向橫拉桿的縱向距離。

基于 GB 17675－1999［11］，針對某款純電動工程車，采用式(1)，以行駛速度v與轉(zhuǎn)向偏角θ為變量對轉(zhuǎn)向橫拉桿上的加載力Fm進行計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 加載力隨行駛速度v與轉(zhuǎn)向偏角θ變化曲面

由圖2可知，當(dāng)車速為10 km/h，轉(zhuǎn)彎半徑為R=12 m(則θ=arcsin(L/R))時，轉(zhuǎn)向橫拉桿加載阻力為2 000 N左右，與實測結(jié)果基本一致，式(1)可作為試驗臺加載阻力的計算公式。

2 EPS試驗臺開發(fā)

2.1 EPS試驗臺原理

基于試驗臺加載阻力Fm的計算公式，為精確模擬EPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過程中橫拉桿的加載力，本文基于EPS自身助力特性提出采用一套EPS作為阻力加載件，另一套EPS作為被測試件，如圖3所示。

圖3 EPS試驗臺原理圖

圖3中，被測EPS與加載EPS通過傳感器1連接，右側(cè)擋板與底板為可固定滑軌連接。加載EPS系統(tǒng)左端直接與線性加載彈簧及擋板相接，對應(yīng)擋板與底板同為可固定滑軌連接。

基于可固定滑軌連接方式，該試驗臺可分為兩種加載方式:一種為EPS被動加載，用于已生產(chǎn)的EPS的調(diào)校與測試;另一種為彈簧補差主動加載，用于新型EPS的研發(fā)。

1)EPS被動加載方式。即單獨采用加載件EPS進行加載，此時取掉左右兩側(cè)的加載彈簧。當(dāng)被測件EPS轉(zhuǎn)動時，其加載力僅由加載件EPS提供。采用該種方式需提供較精準(zhǔn)的EPS加載件系統(tǒng)，在測試過程中，不斷提供所對應(yīng)加載力。

2)彈簧補差主動加載方式。即兩側(cè)擋板與底板滑軌連接固定，被測EPS在左右轉(zhuǎn)動過程中，由于彈簧與擋板為非固定連接，則只對相應(yīng)一側(cè)加載彈簧進行壓縮，同時另一EPS對加載力進行主動補差。若被測EPS轉(zhuǎn)向盤向右側(cè)轉(zhuǎn)動時，被測EPS橫拉桿右側(cè)受到右端加載彈簧作用力，同時受到加載EPS通過轉(zhuǎn)向助力電機作用在被測EPS橫拉桿右側(cè)的非線性主動力作用，對目標(biāo)加載阻力進行主動補差，以完成所得轉(zhuǎn)向橫拉桿加載力的精確加載。若被測EPS轉(zhuǎn)向盤向左側(cè)轉(zhuǎn)動，同理進行加載，則橫拉桿加載力Fj為:

式中:k為對應(yīng)一側(cè)的彈簧剛度;c為橫拉桿位移;Fs為加載EPS提供的非線性主動補差力。準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向阻力是位移的非線性函數(shù)，采用線性彈簧力與可控的非線性主動補差力疊加為非線性加載力，可較精確地模擬轉(zhuǎn)向過程中的加載阻力。

2.2 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試

基于EPS試驗臺工作原理，對試驗臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]加載試驗臺成本及輕便性，采用可固定鋼板作為EPS試驗臺平臺，采用倒T型支撐結(jié)構(gòu)。基于某款EPS系統(tǒng)進行設(shè)計并加工的試驗臺如圖4所示。

圖4 EPS加載試驗臺實物裝配圖

由于試驗臺需在EPS被動加載與彈簧補差主動加載兩種模式下工作，所以左右擋板采用可拆卸擋板。當(dāng)試驗臺在EPS被動加載模式下，則取下左右兩側(cè)加載彈簧;當(dāng)在彈簧補差主動加載模式下，則安裝左右加載彈簧以提供主動加載力。

測試過程中，若需對已生產(chǎn)的EPS進行快速調(diào)校與測試，可采用EPS被動加載模式，無需對EPS加載件進行控制，即取下加載彈簧，安裝擋板，即可實現(xiàn);若需對新研發(fā)的EPS系統(tǒng)進行試驗，側(cè)可采用彈簧補差主動加載模式，在設(shè)置固定車型參數(shù)后，輸入不同轉(zhuǎn)速、不同車速可自動計算對應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力。測試流程如圖5所示。

基于試驗臺所安裝EPS系統(tǒng)為加載件，采用彈簧補差主動加載模式，對試驗臺模擬目標(biāo)加載力功能進行驗證測試，針對安裝EPS系統(tǒng)某特定目標(biāo)曲線進行加載，加載對比圖如圖6所示。在試驗過程中各機構(gòu)無相互干涉等現(xiàn)象。

由圖6可知，試驗臺彈簧補差主動加載模式，能較好地模擬目標(biāo)加載力。

圖5 主動加載控制流程圖

圖6 彈簧補差主動模式下加載力對比圖

3 結(jié)束語

本文針對目前EPS系統(tǒng)加載情況存在的問題，設(shè)計一種新型電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺，可在被動加載及主動加載兩種模式下工作。實踐證明，所開發(fā)的EPS系統(tǒng)試驗臺提高了現(xiàn)有的EPS系統(tǒng)的調(diào)校與測試效率，為新型EPS系統(tǒng)的研發(fā)提供了支持。

修改稿日期:2018－05－14