陳建宏，張　碩

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系，福建 福州 350007；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性研究

陳建宏1，張碩2

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系，福建 福州 350007；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

摘要：根據(jù)某商用車的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置、助力特性進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線函數(shù)和速度梯度曲線函數(shù)，并確定電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性。運(yùn)用TruckSim和Matlab/Simulink作為聯(lián)合仿真平臺(tái)，建立了裝備電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的商用車聯(lián)合仿真模型，對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性以及對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行仿真研究，仿真分析表明所設(shè)計(jì)的助力特性可以有效提高商用車的轉(zhuǎn)向輕便性和改善軌跡跟蹤能力。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；助力特性；操縱穩(wěn)定性

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering system，簡(jiǎn)稱EPS)是一項(xiàng)由電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力矩的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)。與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，具有可調(diào)助力特性，能有效提高轉(zhuǎn)向助力的跟隨性和降低燃油消耗等優(yōu)勢(shì)，已在乘用車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。商用車相對(duì)于乘用車而言在結(jié)構(gòu)和性能上有很大區(qū)別，本文根據(jù)某商用車的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置、助力特性進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，并通過TruckSim和Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真模型對(duì)EPS助力特性的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

1　EPS的工作原理及總布置

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由扭矩傳感器、車速傳感器、電子控制單元、助力電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速機(jī)構(gòu)等組成。通過安裝在轉(zhuǎn)向軸位置的扭矩傳感器測(cè)量出駕駛員操作轉(zhuǎn)向盤的力矩大小信息，并將其傳遞給控制單元；控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤輸入力矩大小并結(jié)合車速傳感器信息確定電動(dòng)助力矩，控制助力電動(dòng)機(jī)輸出合適的扭矩大小和方向，由減速機(jī)構(gòu)減速增扭后得到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力矩，并將其作用在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)汽車在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便、高速行駛時(shí)操縱穩(wěn)定。當(dāng)出現(xiàn)車速過高或電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作異常時(shí)，控制單元可控制電磁離合器斷開，保證在純手動(dòng)駕駛情況下也可以安全準(zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)向操作。

與乘用車相比，商用車具有汽車總質(zhì)量大、質(zhì)心位置高、轉(zhuǎn)向橋載荷大、可布置空間大等特點(diǎn)。選用總質(zhì)量為8 805 kg、轉(zhuǎn)向前載荷為25 200 N的商用車，其轉(zhuǎn)向器為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器?？紤]到轉(zhuǎn)向軸助力式EPS具有結(jié)構(gòu)緊湊、助力矩控制和方向盤輸入轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集的響應(yīng)特性較好以及對(duì)原商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，本文在EPS的布置方案中選用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS布置方案，具體布置如圖1所示。

圖1　 商用車EPS的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2　EPS數(shù)學(xué)模型的建立

2.1EPS機(jī)械系統(tǒng)模型

本文選用轉(zhuǎn)向軸助力式EPS布置形式，如圖1所示，扭矩傳感器把轉(zhuǎn)向軸分為上部轉(zhuǎn)向軸和下部轉(zhuǎn)向軸，將EPS機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力全部轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)化到轉(zhuǎn)向軸上進(jìn)行分析，建立的EPS機(jī)械系統(tǒng)模型為：

在式（1）中，Th為方向盤輸入力矩，Ta為轉(zhuǎn)向軸助力矩，θ1為方向盤輸入轉(zhuǎn)角 （即上部轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角），θ2為下部轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角，J1為方向盤及上部轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C1為轉(zhuǎn)向管柱阻尼系數(shù)，J2為轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向輪等效轉(zhuǎn)化至下部轉(zhuǎn)向軸后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C2為轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向輪等效轉(zhuǎn)化至下部轉(zhuǎn)向軸后的阻尼系數(shù)，T2為等效轉(zhuǎn)化至下部轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向阻力矩。

EPS的助力電動(dòng)機(jī)選擇為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)的電磁力矩與電樞電流成正比，即Tm=KmI，其中Km為電磁力矩常數(shù)。忽略電動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度以及轉(zhuǎn)軸與支撐之間的干摩擦力，則建立的助力電動(dòng)機(jī)模型為：

KmI=Ta/G+Jmθ¨m+Cmθ¨m（2）在式（2）中，θ¨m為助力電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角，G為渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，Jm為助力電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Cm為助力電動(dòng)機(jī)的阻尼系數(shù)。

3　商用車EPS的助力特性

助力特性是指助力電動(dòng)機(jī)提供的助力矩隨汽車運(yùn)動(dòng)狀況的變化規(guī)律[1]。在實(shí)際駕駛車輛的過程中，隨車速的增加車輛具有轉(zhuǎn)向輕便性越好而路感越差的特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)EPS助力特性時(shí)，不僅要考慮方向盤輸入力矩而且需要考慮車速因素。EPS助力特性應(yīng)滿足：（1）在低速時(shí)提供較大的助力矩，以實(shí)現(xiàn)車輛低速行駛的輕便行駛，高速時(shí)提供的助力矩應(yīng)較小或?yàn)榱?，以保證轉(zhuǎn)向時(shí)具有一定的路感。（2）助力矩應(yīng)與方向盤輸入力矩的變化趨勢(shì)一致，且為了保持較好的轉(zhuǎn)向路感，當(dāng)方向盤輸入力矩低于某一閾值時(shí)，助力電動(dòng)機(jī)提供的助力矩應(yīng)較小或?yàn)榱?；為了使轉(zhuǎn)向輕便，助力電動(dòng)機(jī)提供的助力矩應(yīng)隨著方向盤輸入力矩的增加而增加。（3）助力電動(dòng)機(jī)提供的助力矩應(yīng)具有最大限值，以避免助力電動(dòng)機(jī)因負(fù)荷過大而出現(xiàn)故障。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，本文基于電動(dòng)機(jī)的電樞電流控制方法設(shè)計(jì)商用車EPS的助力特性，通過電樞電流與方向盤輸入力矩和車速之間的變化關(guān)系曲線來表示助力特性，該關(guān)系曲線稱為助力特性曲線。助力特性曲線通常包含無助力區(qū)間、助力變化區(qū)間和助力恒定區(qū)間。根據(jù)在助力變化區(qū)間的電樞電流與方向盤輸入力矩的關(guān)系特點(diǎn)，可以將助力特性曲線分為直線型、折線型和曲線型三種典型類型。從性能角度分析，直線型助力特性曲線的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小易于存儲(chǔ)，具有固定的助力增益，對(duì)于轉(zhuǎn)向輕便和路感的調(diào)整效果較差；曲線型助力特性曲線具有平緩的過度線形和非線性助力增益，能夠很好的調(diào)整行駛過程中轉(zhuǎn)向輕便性和路感之間的關(guān)系，但設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)整不方便；折線型助力特性曲線的各項(xiàng)性能介于兩者之間。從適用車型角度考慮，直線型助力特性曲線適合應(yīng)用于前軸載荷較小的車型，曲線型助力特性曲線適合應(yīng)用于前軸載荷較大的車型，而折線型助力特性曲線則介于兩者之間[2]。根據(jù)所選商用車型特點(diǎn)，本文選用曲線型助力特性，并結(jié)合該商用車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定曲線型助力特性。

3.1方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線

蒙古族的整個(gè)篇章中，也基本是在一個(gè)固定的場(chǎng)景里——蒙古包，此處用逆光位置上的傳統(tǒng)成像切割燈，將蒙古包中的八個(gè)坐席用光斑切割出長(zhǎng)方形來拼成“八”字，一是將演區(qū)突出，二是從視覺的角度上，用長(zhǎng)方形拼合而成的“八”字形剛好形成了一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景的區(qū)域，讓觀眾一看到此場(chǎng)景立刻就能有一種身臨其境被包裹在其中的感覺。隨著篇章的進(jìn)行，“八”字形區(qū)域時(shí)而強(qiáng)調(diào)時(shí)而弱化，在情節(jié)以及時(shí)間轉(zhuǎn)換上都很好地起到了錦上添花的作用。

方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線用于描述助力矩與方向盤輸入轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。它應(yīng)具有最小和最大助力矩，在曲線部分，助力矩應(yīng)隨方向盤輸入力矩增大而增加，且增加的速度也應(yīng)相應(yīng)加快（即曲線斜率應(yīng)隨之增大）。方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線具體設(shè)計(jì)如下：

（1）Tho和Thmax的選取

Tho為助力電動(dòng)機(jī)提供助力矩時(shí)的最小方向盤輸入力矩，Thmax為助力電動(dòng)機(jī)提供最大助力矩時(shí)的最小方向盤輸入力矩。Tho和Thmax的選取應(yīng)考慮駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性和路感的要求并通過試驗(yàn)來確定[3]，這里初步取選取Tho=2.0 N·m，Thmax=30 N·m。

（2）最大助力矩Tm max的選取

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)原理，汽車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力最大，其計(jì)算公式為[4]：

在式（3）中，為轉(zhuǎn)向輪軸負(fù)荷，所選商用車為前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，計(jì)算得Mi=25 200 N；p為輪胎氣壓，取值0.72MPa；為輪胎和路面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；s為安全系數(shù)，這里取1.1。由式（3）計(jì)算得原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力為1 193.6 N·m。

在無助力矩輸入的情況下，原地轉(zhuǎn)向時(shí)需要的方向盤輸入力矩如式（4）所示。

T'h max=Tf max/（iωηω）（4）

式（4）中，iω為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；G渦輪蝸桿減速器傳動(dòng)比，G=21；ηω為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器正效率。由式（4）計(jì)算得到在無助力矩情況下原地轉(zhuǎn)向時(shí)的方向盤輸入力矩為74.6 N·m。假設(shè)在EPS工作時(shí)，方向盤輸入力矩最大值為30 N·m，則原地轉(zhuǎn)向需要的最大助力矩Ta max應(yīng)為44.6 N·m。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

圖2　 方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線

3.2速度梯度曲線

速度梯度曲線函數(shù)用于表示助力矩隨著車速的變化特性，選擇為速度梯度曲線的擬合函數(shù)[6]。通過對(duì)該商用車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定和值分別為1.0069、0.026，速度梯度曲線如圖3所示。

圖3　 速度梯度曲線

3.3助力特性曲線

根據(jù)上述方向盤轉(zhuǎn)矩梯度曲線函數(shù)和速度梯度曲線函數(shù)，確定的曲線型助力特性的表達(dá)式如式（5）所示，它符合對(duì)EPS性能的三點(diǎn)要求，并充分反映助力電動(dòng)機(jī)電樞電流與方向盤輸入力矩和車速間的相互關(guān)系。

在式（5）中，I為助力電動(dòng)機(jī)目標(biāo)電流；Imax為助力電動(dòng)機(jī)最大目標(biāo)電流；ε為目標(biāo)電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，ε= （GKmηm）-1，其中：ηm為渦輪蝸桿減速器效率。

4　裝備EPS的商用車仿真研究

根據(jù)EPS的數(shù)學(xué)模型和助力特性，以方向盤輸入力矩、左右前輪的轉(zhuǎn)向阻力矩、車速為輸入，以左右前輪的助力矩為輸出，采用模糊PID控制方法，建立EPS的Matlab/Simulink仿真模型。應(yīng)用TruckSim建立商用車的整車動(dòng)力學(xué)模型，整車動(dòng)力學(xué)模型以方向盤輸入力矩、左右前輪的轉(zhuǎn)向阻力矩和車速為輸出并以左右前輪的助力矩為輸入，與EPS仿真模型建立裝備EPS的商用車聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。

圖4　裝備EPS的商用車聯(lián)合仿真模型

4.1轉(zhuǎn)向輕便性仿真試驗(yàn)

EPS的主要功能是為駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)提供助力，使汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向操縱輕便。根據(jù)GB/T 6323.5—1994規(guī)定的雙紐線試驗(yàn)對(duì)裝備EPS的商用車轉(zhuǎn)向輕便性進(jìn)行評(píng)估[7]。設(shè)定以10km/h的車速完成雙紐線仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　方向盤輸入力矩隨方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線

由圖5可知，在車速10 km/h的雙紐線試驗(yàn)中，裝備EPS可使方向盤最大輸入力矩由23.2 N/m減少至11.6 N/m，能夠很好的改善車輛的轉(zhuǎn)向輕便性。

4.3雙移線仿真試驗(yàn)

由于EPS的助力矩對(duì)車輛原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言屬于外部控制，助力矩對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性的影響有待驗(yàn)證。本文采用根據(jù)ISO3888規(guī)定的雙移線試驗(yàn)[8]對(duì)裝備EPS的商用車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行閉環(huán)仿真試驗(yàn)研究。雙移線試驗(yàn)通常用于測(cè)試緊急換道時(shí)車輛的操縱穩(wěn)定性，這里選擇以70 km/h的車速進(jìn)行雙移線仿真試驗(yàn)。

圖6　方向盤輸入力矩曲線

圖7　橫擺角速度曲線

圖8　車輛行駛軌跡

在雙移線試驗(yàn)中需要大幅值的方向盤輸入力矩進(jìn)行急轉(zhuǎn)向操作，由圖6可知，裝備EPS后，方向盤輸入力矩的最大峰值由48.7 N/m減小到31.8 N/m，EPS可有效減小方向盤輸入力矩，改善轉(zhuǎn)向輕便性；如圖7所示，EPS對(duì)車輛橫擺角速度曲線的整體影響較小，可減小曲線的震蕩幅值及縮短曲線的收斂時(shí)間；由圖8可知，在EPS的作用下，雙移線跟蹤軌跡最大值偏移量減少了0.2 m，且跟蹤軌跡的收斂性得到一定的改善，EPS能夠提高車輛對(duì)雙移線軌跡的跟蹤能力。

5　結(jié)論

本文基于商用車的特點(diǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了EPS的曲線型助力特性，根據(jù)EPS的數(shù)學(xué)模型、助力特性和商用車參數(shù)建立了裝備EPS的商用車輛聯(lián)合仿真模型，仿真結(jié)果表明：裝備EPS可有效減少方向盤輸入力矩，改善了多種工況下的轉(zhuǎn)向輕便性；對(duì)車輛閉環(huán)操縱的穩(wěn)定性影響較小，在一定程度上可以改善了行駛穩(wěn)定性；在改善轉(zhuǎn)向輕便性的同時(shí)，可提高車輛的軌跡跟蹤能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉照.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與控制方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[2]施國(guó)標(biāo),林逸,鄒常豐,等.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的研究[J].公路交通科技,2003,20(5):125-128.

[3]鄧?yán)?EPS系統(tǒng)控制策略仿真研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2008.

[4] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:233-251.

[5]陳昆盛.EPS系統(tǒng)總體方案及控制方法研究[D].南京:南京理工大學(xué),2006.

[6]王豪,許鎮(zhèn)琳,張海華,等.電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性研究[J].公路交通科技,2003,20（6）:143-146.

[7]清華大學(xué),長(zhǎng)春汽車研究所.GB/T 6323.5—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.

[8]國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織.乘用車幾句改變車道的操縱用試驗(yàn)車道,第一部分:兩車道變換.ISO3888-1-1999[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

（責(zé)任編輯：葉麗娜）

中圖分類號(hào)：U463.44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2109(2015)09-0038-05

收稿日期：2015-03-30

作者簡(jiǎn)介：陳建宏（1959-），男，漢族，副教授，主要研究方向：車輛工程。

Study on the Characteristic of Electric Power Steering System of Commercial Vehicle

CHEN Jianhong1，ZHANG Shuo2

（1.Department of Automobile Transpartion Engineering，F(xiàn)ujian Chuanzheng Communication College, Fuzhou,Fujian 350007;2.Changan University,Xian,Shanxi 710064）

Abstract:According to the structure,performance parameters and test data of a commercial vehicle,the arrangement and assist characteristic of electric power steering system is studied for commercial vehicle.On the basis of test data,the gradient curve functions of steering wheel torque and velocity are designed,and the assist characteristics of electric power steering system is determined.Co-simulation model of the commercial vehicle equipped with electric power steering system is established on the simulation platform of TruckSim and Matlab/Simulink.The assist characteristics of electric power steering system and its influence of the vehicle steering stability is studied via co-simulation model.The co-simulation results show that the assist characteristics can enhances steering handiness and improves trajectory tracking ability of commercial vehicle effectively.

Key words:electric power steering system;assist characteristics;handling stability