高建華

摘要：智能駕駛是車(chē)輛未來(lái)發(fā)展的主要方向，為了使商用車(chē)實(shí)現(xiàn)智能駕駛的功能，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款應(yīng)用于商用車(chē)的智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并通過(guò)電子控制單元ECU根據(jù)車(chē)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩、轉(zhuǎn)角等信號(hào)，對(duì)整車(chē)提供實(shí)時(shí)、可變的轉(zhuǎn)向助力，使車(chē)輛具有駕駛舒適性和安全性的同時(shí)，具備應(yīng)急轉(zhuǎn)向、隨速轉(zhuǎn)向、主動(dòng)回正、自主轉(zhuǎn)向、車(chē)道偏離預(yù)警和軟件鎖止等功能，滿足未來(lái)車(chē)輛智能化駕駛、無(wú)人駕駛的需求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；混合動(dòng)力；智能駕駛

智能駕駛是車(chē)輛未來(lái)發(fā)展的主要方向，目前市場(chǎng)上商用車(chē)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(chē)道偏離預(yù)警等功能，無(wú)法根據(jù)車(chē)速對(duì)助力特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法滿足智能輔助駕駛的要求。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由助力電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)向助力，可隨車(chē)速控制助力大小，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到最佳的助力特性，但由于商用車(chē)前軸載荷較大，一般的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所提供的助力無(wú)法滿足商用車(chē)轉(zhuǎn)向助力需求。因此，需要開(kāi)發(fā)一種智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，滿足未來(lái)車(chē)輛智能化駕駛、無(wú)人駕駛的需求。

智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)商用車(chē)市場(chǎng)的需求，開(kāi)發(fā)一種智能混合動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，同時(shí)配備車(chē)速傳感器、扭矩轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元（ECU）等。ECU通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩、轉(zhuǎn)角等信號(hào)，控制電動(dòng)助力大小，進(jìn)而影響液壓助力系統(tǒng)的助力大小，對(duì)整車(chē)提供實(shí)時(shí)、可變的轉(zhuǎn)向助力。

同時(shí)，通過(guò)軟件控制，使車(chē)輛具備應(yīng)急轉(zhuǎn)向、隨速轉(zhuǎn)向、主動(dòng)回正、自主轉(zhuǎn)向、車(chē)道偏離預(yù)警和軟件鎖止等功能。

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

智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配

1.混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

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

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

2.混合動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要解決未來(lái)商用車(chē)智能化駕駛、無(wú)人駕駛的需求，應(yīng)用于商用車(chē)市場(chǎng)。根據(jù)市場(chǎng)主流商用車(chē)車(chē)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(jī)構(gòu)和電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分別確定參數(shù)。

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

由循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系可得：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度j時(shí)，轉(zhuǎn)向螺母及齒條的移動(dòng)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(guò)角度β 。齒扇的嚙合半徑rw，則b角所對(duì)應(yīng)的嚙合圓弧長(zhǎng)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(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算確定。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，角傳動(dòng)比18.6左右。通過(guò)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(jī)構(gòu)的基本參數(shù)，見(jiàn)表1。

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

選擇蝸輪蝸桿傳遞交錯(cuò)軸件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，主要具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。本結(jié)構(gòu)選用蝸桿頭數(shù)為雙頭的一對(duì)傳動(dòng)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(guò)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》新版蝸桿傳動(dòng)相關(guān)公式計(jì)算可得蝸桿傳動(dòng)基本參數(shù)表，見(jiàn)表2。

3.混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性設(shè)計(jì)

車(chē)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，所需電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部分助力大小與助力電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似成正比例關(guān)系，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，輸出的助力越大，反之越小。同時(shí)，電動(dòng)部分助力的大小直接影響液壓部分轉(zhuǎn)閥的開(kāi)啟，進(jìn)而影響液壓助力的大小。

因而，智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性的設(shè)計(jì)需要根據(jù)行車(chē)工況，結(jié)合ECU對(duì)不同反饋信號(hào)的運(yùn)算處理，控制助力電動(dòng)機(jī)的助力大小，進(jìn)而控制液壓助力轉(zhuǎn)向部分助力大小，為車(chē)輛提供實(shí)時(shí)可變的轉(zhuǎn)向助力。

4.智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理及控制

智能混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理如圖2所示。ECU根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩判斷車(chē)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(biāo)助力進(jìn)一步判斷決定系統(tǒng)的工作模式：當(dāng)汽車(chē)低速或原地轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩非常大，液壓助力與、電動(dòng)助力同時(shí)工作，電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)調(diào)整電動(dòng)機(jī)本身的助力大小以及液壓助力的大?。黄?chē)在中速或高速轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩較小，電動(dòng)助力單獨(dú)工作；當(dāng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置出現(xiàn)故障時(shí)，液壓助力單獨(dú)工作也能保證一定的轉(zhuǎn)向助力。

此外，當(dāng)車(chē)輛需要開(kāi)啟智能輔助駕駛時(shí)， ECU可根據(jù)智能輔助駕駛系統(tǒng)上位機(jī)的指令控制電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置上的電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，控制轉(zhuǎn)向盤(pán)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(pán)實(shí)際角度反饋和目標(biāo)角度指令的差值，進(jìn)行目標(biāo)參考電流的計(jì)算，然后依據(jù)實(shí)際電流反饋，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)占空比的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)位置的閉環(huán)控制。

臺(tái)架測(cè)試與驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中心和同行單位資源，模擬整車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建測(cè)試平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。包括測(cè)試臺(tái)、模擬轉(zhuǎn)向盤(pán)裝置、需測(cè)試的混合動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前懸部分，轉(zhuǎn)向盤(pán)下的轉(zhuǎn)向管柱處裝有伺服電動(dòng)機(jī)用來(lái)代替手力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度自動(dòng)控制輸入，將扭矩傳感器安裝在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)輸出端和轉(zhuǎn)向管柱上端。同時(shí)，在系統(tǒng)前軸上端裝有一套電控加載裝置，用來(lái)模擬前輪的載荷，通過(guò)控制面板上的按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎的加載。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基本滿足設(shè)計(jì)需求。

結(jié)語(yǔ)

本文以商用車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，以滿足商用車(chē)未來(lái)智能輔助駕駛為需求，在行業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工了一套智能混合動(dòng)力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并搭建測(cè)試臺(tái)架對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證表明該系統(tǒng)滿足商用車(chē)智能化的需求。由于經(jīng)驗(yàn)不足，加上試驗(yàn)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(jìn)及優(yōu)化。

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