2022年汽车电动助力转向装置的安全性探讨 .pdf

汽车电动助力转向装置的安全性探讨何 仁教授 苗立东 叶红弟(江苏大学江苏省汽车工程重点实验室)学科分类与代码:62013030资助项目:江苏省“六大人才高峰” 资助( E - 2002 - 12)。【摘 要】电动助力转向装置是汽车上一种新的助力转向系统装置,近年来在国内外发展迅速,由于它采用了可编程电子控制装置,在带来灵活性的同时也存在着安全隐患。在分析这种产品特殊性的基础上,笔者结合电子控制装置的特点,指出了事关安全性的因素,提出了处理安全性的措施,并讨论了几个事关安全性的具体问题 。研究结果表明:现有标准不能够满足电动助力转向装置安全性的需要;并提出了对电动助力转向装置进行安全性测评的思想。研究工作对电动助力转向装置的开发以及评价具有参考意义。【关键词】 汽车;安全;转向;动力转向;电动助力转向Study on the Safetyof Automobile Electric Power Steering GearHE Ren, Prof.MIAO Li 2dongYE Hong2di(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Automotive Engineering , Jiangsu University)Classification and code of disciplines : 620. 3030Abstract : Electric power steering (EPS) asa new type automotive assistantsteeringdevice hasbeen developing rapidly in re2cent years around the world.Due to the adoption of programmable electronics , the EPS has safety concerns besidesflexibility.Basedon the analysisof its particularities and the characteristics of electronic control device , hazardousfactors were discussed,and countermeasuressuggested. The study showsthat current standardsare not suitable to EPSsafety requirements, and the con2cept of safetyevaluation of EPSwas also put forward.The results could be referred in the developmentand evaluationof EPS.Key words : AutomobilesSafetySteeringPower steeringElectric power steering(EPS)1 前 言汽车上的助力转向系统是一种用于辅助驾驶员转向的装置,它可以减轻驾驶员的工作负担。助力转向系统主要采用液压助力的形式,但是近年来直接采用电动机进行助力的电动助力转向(EPS,Electric P ower Steering)以其在安装、 使用和设计 、 节能 、 环保等方面的优点得到世界上各主要汽车公司的重视,国内也有十多家单位投入到EPS的研发中,并且已经生产出几种样机。根据安装位置不同,EPS可分为转向轴式 、 小齿轮式 、 齿条式 。图1为笔者研制的EPS,它是在转向轴上进行助力的,由转矩传感器、 离合器 、 蜗轮蜗杆减速装置 、 电动机和控制器组成,控制器5根据转矩传感器1和车速传感器的信号来控制电动机4通过离合器3和蜗轮蜗杆减速装置2来实现助力;并结合其他信号进行故障诊断。这种形式也是国内外见到最多的一种,对它的讨论具有一定的普遍性 。图1EPS的结构1转矩传感器 2 蜗轮蜗杆减速装置3 离合器 4 电动机 5控制器第14卷 第10期2 0 0 4年1 0月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol. 14No. 10Oct .2 0 0 4名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 电动助力转向装置是一个安全部件,必须具有高度的可靠性与安全性 。为此,国内转向行业也成立了全国汽车电动转向标准工作组,负责起草电动转向装置总成以及主要部件的试验方法和技术要求,现在还没有定稿,由此缺乏规范性的文件指导企业生产;国外的标准一般是企业自定的企业标准,这也是不公开的。国内有单位在实际开发过程中,也遇到过自动转向(不受驾驶员控制的转向)以及着火等危险现象 。笔者在提出EPS特殊性之后,讨论EPS的安全性问题,指出事关安全性的因素,讨论了一些针对安全性的对策,并提出了建议 。2EPS的特殊性江苏大学对EPS以及液压助力转向进行了数年的研究,认为EPS这种产品有如下特殊性:(1)由于EPS采用了可编程电子控制装置,它在带来灵活性的同时也给转向系统的安全性带来了潜在的隐患。安全性与可靠性是两个密切联系,但又不同的概念。(2)以前的各种先进电子电气产品在汽车上的应用是从高端到低端,但EPS的应用则是从低端到高端。而企业对低端产品的研发测试力度相对不够。(3) EPS与液压助力转向装置在结构与工艺上有很大差异,国内不少开发EPS的厂家是新进入这个领域的,往往缺乏对汽车转向系统的整体认识,开发的产品可能具有安全性隐患 。(4)从国内汽车市场看,各汽车厂商之间的竞争加剧,降价成为促销手段之一,企业利润下降,各企业纷纷寻找新技术卖点,而EPS则是其中之一。在利益的驱使下,企业有可能在没有对EPS进行充分测试的情况下将产品推向市场,从而带来隐患 。(5)目前有关标准是针对机械和液压助力转向装置,而且都没有单独明确地进行安全性考核的要求,而是将其包括在可靠性之中 。这对于机械转向器和液压助力装置是可以接受的,但是对于电动装置就显得不够了。以上特点使得EPS的安全性显得更重要。3 影响EPS的安全性的因素首先指出,安全性和可靠性是两个概念,二者密切联系,但并不是一回事。可靠性一般是指产品在规定时间内在规定条件下完成规定功能(不失效)的能力或概率(当然这与失效的定义是密切联系的) ,笔者讨论的EPS的安全性包含人身安全和设备安全两个方面。可靠性高安全性不一定好,反之亦然 。例如,图2是一种EPS的电流限制方式1 。当电动机电流在最大值工作一段时间后,就会自动逐渐减小电流,防止过热烧坏,但同时其助力功能却在逐渐丧失,也就是EPS不能够完成规定的功能。而且,同类产品试验表明:如果不采用限流方式,并不一定导致EPS的立即损坏 。显然用可靠性的概念来衡量其可靠性不高,但是其安全性却很好,因为它可以保证设备长期运行而不损坏。图2KOYO的EPS的电流限制方式转向装置的安全性,在国家标准GB115571998中有一些规定,但主要针对机械装置,笔者强调EPS安全性主要针对电子/电气装置 。因为,如果EPS助力功能正常,符合预期的功能,不会带来危险;如果EPS助力功能失效,一直没有助力(相当于机械转向器) ,也不会带来危险;危险的情况是助力功能的突然改变而超出驾驶员的预期,这种突然的改变可由以下主要原因造成:(1)潜藏电路( Sneak Circuit )与偶然因素相结合所致。潜藏电路不是由于系统故障所致,而是由于设计者疏忽造成的,它可以导致不希望的功能或者动作,或抑制需要功能或动作2 。潜藏电路可以导致故障产生,而潜藏电路却难以被发现;而电路是EPS必不可少的部分。EPS采用了可编程电子控制,助力动作是在可编程控制器的直接控制下工作的,而不是在驾驶员的直接控制下工作的,这是EPS与机械转向器和液压助力装置一个本质的差异。当然控制器的首要任务是能够真实地反映驾驶员的意志并控制电动机进行助力,而这个过程中就包括了转矩信号的生成、 信号的滤波、A/ D转换 、 软件的计算处理、 控制信号的输出、 功率放大电路以及执行器的执行。如果这其中任何环节出现故障,就可能导致两种危险情况的发生:首先,最危险情况的是在不需要助力的情况下出现助力机构的误动作,从而造成汽车的误转向,这种情况在有些厂家研制EPS的过程中已经遇到过,而EPS却没有失效,之后还能够正常工作;另一种危险情况是在需要助力的情况下而突然失去了助力,在这种情况下,驾驶员根据经验本来以为施加一定的力就可以转动转向盘,但由于助力消失,转向载荷增大,转向盘并没有按照驾驶员的意志运动,驾驶员只能够施加更大的力转动转向盘,而这之间必然存在一定的时间滞后,从而给行车带来不安全。这些情况的发生主要是由于可编程电子控制装置容易受到外界的干扰,而这些干扰的情况具有偶然性,比如雷电产生的较强的电磁干扰,这种情况在台架试验甚至道路试验情况下不容易发现。?07?中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第14卷2004年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - (2)软件本身的安全性存在漏洞。软件的安全性是一个值得进一步研究的课题。笔者知道,计算机的操作系统经过很多的测试,其中仍然存在很多漏洞; EPS的软件没有那么复杂,但是其测试的力度肯定也没有那么大,所以保证软件中没有安全漏洞是重要的,而且也是很困难,困难的原因就是因为这种由于逻辑错误产生的漏洞难于发现,因为计算机本身是无法发现的,它只会按照规定的指令执行;而且随着软件规模增大,对其进行完全测试的可能性也越小,甚至成为不可能 。(3)软件本身控制方法不当,在出现硬件故障的情况下,其助力方式会影响安全性。比如, EPS一般根据转向盘的转矩和车速进行助力,当出现车速信号异常的时候切断助力或者是切换到高速助力方式,在这个过程中,应该平滑的过渡;如果在处于助力的情况下,突然切断或者切换助力,就会使得驾驶员措手不及,妨碍转向从而影响安全行车。(4)软硬件设计的不完善造成的安全性隐患。这里主要指故障诊断功能不完善,覆盖率低 。这种不完善可以由硬件造成,如诊断所需要检测的量无法测量或者测量不准确;也可能由于软件造成,如模型不准确,软件把故障状态判断为正常状态 。还是如上例,如果车速信号异常, EPS不能够准确地检测车速信号,把高速行驶工况判为低速工况而施加较大的助力,就会影响路感从而带来不安全性。或者电动机回路断路而没有实时检测出这个故障,没有给驾驶员提示,当需要助力的时候却无法助力。(5)除上述原因以外,还出现一些危险现象,其原因需要进一步研究,如有些厂家研制EPS的过程中遇到控制器燃烧的情况,如果装到车上肯定会带来安全隐患。4 处理EPS安全性的措施可以从两个方面入手:一是从事前分析,通过合理的设计来消除安全隐患;二是对产品样品进行测试,通过发现的问题对产品进行改进。一方面,EPS的设计要遵循或者参考有关的标准和规范 。其中IEC 61508是一个关于电气/电子/可编程电子安全相关系统的基础标准,它对硬件和软件都提出了要求,我国有关机构也建议等同采用IEC 61508制定我国的标准; EPS就是一个典型电气/电子/可编程电子系统,并且对其安全性也有很高的要求,所以IEC 61508的有关规定可以指导EPS的研发;不过EPS的安全集成等级(SIL)的确定需要进一步研究 。还可以采用一些行之有效的方法,分析危险因素,其中潜在失效模式及后果分析(FMEA)就是一种比较成熟的手段,并为SAE所推荐3 ;也可以失效模式及后果和诊断分析(FMEDA) ,这种方法考虑了系统的诊断功能4 。另一方面,科学合理的测试对EPS的安全性考核是必须的,这样可以发现大部分的设计缺陷,把安全隐患减到最少。根据EPS的特点以及笔者的研究经验,针对上述的若干原因,提出以下几点建议。首先,对电路中可能存在的潜藏电路要进行潜藏电路分析;针对强烈的偶然因素,只靠可靠性试验是不够的,而故障注入(Fault2Injection)法作为考核高可靠性容错系统的一种方法,可以用来考核EPS;根据系统的结构和工作原理,对可能发生故障的地方,人为改变系统状态,对于模拟电路,可以通过接入电阻器等改变有关引脚的状态,对于数字电路,可以采用故障注入方法进行考核5 。另外,应该特别注重EPS对外界电磁干扰的抗干扰能力。第二,软件本身的安全漏洞只有通过控制工程师的仔细调试和尽可能的试验测试来减少;当两人或者多人同时参与同一程序的编制则有助于发现逻辑错误。第三,对于控制方法不当,应该在设计和测试的时候牢记这一点:在检测到故障的情况下,尽量避免助力功能的突然改变 。比如检测到车速故障的情况下EPS正处于助力工作状态,这时应该是逐渐的、 而不是突然的切断助力;如果检测到车速故障的情况下EPS没有助力,则应该通过有关信号及时提醒驾驶员,让驾驶员做好准备,使EPS安全失效。只有在故障模式会立即影响行车安全的情况下,才应该立即切断EPS,使其进入安全失效状态,比如检测到转矩信号严重错误而无法判断驾驶员的意志的时候。第四,故障自诊断是EPS所必须具备的功能,这种功能也是容易测试的。自诊断首先要保证EPS自身的安全运行,还能够输出有关信息以提醒驾驶员安全驾驶,并且帮助维修人员快速定位故障部位,减少维护时间 。故障诊断依据不仅来源于可靠性试验的失效模式,也来源于其功能和工作原理的要求 。对EPS故障诊断的要求主要有两个 全和准 。“全” 就是要求EPS诊断内容能够覆盖尽可能多的故障,“准”是指诊断出的故障模式与实际的故障模式尽可能的符合。具体到图1的EPS,应该具有如下的故障诊断功能转矩传感器的故障诊;车速信号的诊断;电动机的故障诊断; 离合器的故障诊断;控制器本身的故障诊断。此外,EPS应该具有如下自我保护的功能:(1)高电压和低电压保护,保护EPS和电源系统 。(2)电源正 、 负极错接保护,防止装配和维修时由于工作人员误操作而损坏EPS。(3)控制器的任何外接引脚在车用电源电压范围内不应该损坏,以避免与之相连接的部件损坏后或者维修时候的误操作而损坏EPS。(4)应该具有类似图2的电流限制方式。可以把限流状态认为是一种可自行恢复的故障状态,而这种状态具有安全失效的功能。第五,对于一些危险现象,要采取预防措施,比如要对控制器进行三防处理,而且还要求故障具有尽可能高的“收敛性”,不要由于一个部件的失效而引起另一个部件也发生故障,比如电动机的短路故障不会引起控制器故障,而控制器的损坏也不要引起电动机和其他部件的损坏。最后,EPS不仅要满足低速转动转向盘时助力的需要,还要满足高速转动转向盘时助力的需要,否则在驾驶员急打转向盘以紧急避让障碍物的时候就会感觉转向沉重,这也具?17?第十期 何 仁 等:汽 车 电 动 助 力 转 向 装 置 的 安 全 性 探 讨名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 有一定的危险性。高速转动转向盘时助力的大小除了与控制方法有关外,还取决于电动机与减速机构的匹配。EPS电动机的反电动势常数和减速机构的传动比则决定了能够提供助力的最高转向盘转速,同时电动机的转矩系数与电动机电流以及减速机构的传动比则决定了助力值,而电动机的反电动势常数和转矩系数本质上是相同的,只是在不同场合表示不同的物理意义。这样一来,就有电动机与减速机构的匹配问题 。研究发现1A的电动机电流提供0. 7 N m左右的助力转矩(折算到转向轴上) ,过大不会满足转向盘高速转动的需要,过小则会使得电动机电流增大。5 几个具体问题的讨论任何零部件都是有寿命的,虽然有的零部件可靠性很高,但是毕竟也存在失效的概率,为了采用FMEA或者FME2DA对失效后果进行分析,讨论如下几个零部件:(1)扭杆 。EPS中都有扭杆,扭杆的变形反映驾驶员施加的转向力矩,转矩传感器就是根据扭杆的变形输出信号。扭杆是一个要求高可靠性的零件,要对其进行百万次的可靠性试验 。但是这样并不能够保证扭杆不会断裂失效;当扭杆断裂时,整个EPS系统的特性就会发生变化,原来稳定的系统就有可能变为不稳定。这样就给控制系统的设计与试验提出了新的要求:控制系统不仅要保证在扭杆正常时能够完成助力功能,还要保证在扭杆断裂时能够维持系统的稳定性,以保证EPS的安全失效 。(2)电磁离合器 。电磁离合器在EPS的故障诊断以及安全失效方面具有积极作用。比如某EPS在刚启动瞬间,在离合器分离的情况下让电动机通电旋转,从而判断其是否失效,在电动机状态正常的情况下再结合继电器工作;在发生故障的情况下分离离合器,使得电动机不再影响转向系统。不过现在有的EPS没有采用电磁离合器而在电动机回路中串入继电器,这种方案虽然降低了成本,但是却无法实现电磁离合器的全部功能。例如,当电动机内部某绕组发生短路,就很难及时检测到,因为EPS电动机本身的电阻很小,与短路时相差不多。 即使检测到电动机故障把继电器分开,但是电动机仍然跟随转向轴旋转,电动机此时处于发电机状态,它在转向的时候增加转向载荷,在回正的时候阻碍回正。所以在设计EPS的时候要综合考虑这两方面的因素进行取舍。(3)电动机 。对电动机的一个要求,尤其是对于采用继电器而没有采用电磁离合器的EPS,要保证在任何失效模式的情况下电动机转子不会卡死,否则转向系统就失去了转向功能 。6结 论通过分析EPS产品的特点以及当前的技术和市场状况,并结合实际经验,讨论了EPS安全性问题,指出危险因素,提出了解决安全性的措施,并且讨论了几个具体问题。由于产品的不同, EPS的可靠性得到了足够的重视,但是对其安全性似乎并没有得到应有认识和重视。根据以上讨论结果,除了要求对EPS进行常规的性能试验和可靠性试验外,还要对其进行安全性测评。EPS安全性测评是一个较新的概念,涉及的内容较多,笔者提出了一些初步思想,还需要继续深入的研究。(收稿:2004年5月;作者地址:江苏省镇江市学府路301号;江苏大学汽车研究所;邮编:212013)参 考 文 献1Osuka A ,Matsuoka Y,Tsutsui T,et al. Developmentof Pinion2Assisted Type Electric Power SteeringJ .KOYO EngineeringJournalEnglish Edition ,2002 ,161E:46512孟雪松.潜藏电路分析J .航空标准化与质量,1996 , (5) :22263中国汽车技术研究中心译.潜在失效模式及后果分析(FMEA)第3版 Z ,20024Goble W M , Brombacher A C. Using afailure modes, effects and diagnostic analysis (FMEDA) to measurediagnostic coverage inprogrammable electronic systemsJ .Reliability Engineering and SystemSafety, 1999 , 66 :1451485李璇君,辛季龄.基于后驱动技术的故障注入方法研究J .哈尔滨工业大学学报,2001 ,3(6) :858862?27?中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第14卷2004年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 鞠文君研究员 ,现任煤炭科学研究总院开采所巷道室副主任,北京交通大学在读博士生。1965年6 月生 ,1990年阜新矿业学院工学硕士毕业分配到煤炭科学研究总院开采所工作至今,一直从事煤矿巷道支护技术及工程监测技术的研究。主持完成了煤炭工业重点科研项目“测力锚杆研制与应用技术研究”、“锚杆支护巷道顶板离层界限值的研究” 等 20多项课题。 获得煤炭工业科技进步特等奖一项、 一等奖 一项、二 等 奖 3 项 ,甘 肃 省 科 技 进 步二等奖一项 ,2004年获得“中国煤炭青年科技奖” 。研发的 CM - 200型测力锚杆被科技部评定为“2001年国家级新产品” 。曾发表应力控制法维护巷道的研究 、锚杆支护工程监测技术 等论文 20余篇。沈 郁中国石化集团安全工程研究院高级工程师。江苏省金坛市人 ,1961年 11月生 ,1983年毕业于南京化工学院无机化工专业,获学士学位 。目前主要从事安全评价 、 安全技术方面的科研工作。曾参加“八五”国家攻关课题“易燃 、易爆 、 有毒重大危险源辨识评价技术的研究”,主持并参加多项部级科研项目,负责和参加完成了几十项国家重大化工、 石化项目的安全预评价、 现状安全评价和危险化学品企业安全评价。曾获劳动部科技进步一等奖和化工部科技进步三等奖。在国内外学术期刊和会议上发表论文20 余篇。闫志刚博士研究生。吉林白城人 ,1976年2 月出生 。1999年于北方交通大学土建学院交通土建工程专业获学士学位,2002年于该校桥梁与隧道工程专业获硕士学位,2002 年继续在该专业攻读博士学位 。在硕士与博士学习期间,多次被评为该校三好研究生、 优秀共产党员,并获“五四”奖章 。硕士期间主要从事高桥墩抗震设计研究工作,目前从事活性粉末混凝土(Reactive P owder Con2crete, RPC)桥梁的设计理论与优化研究工作。至今已在国际会议和国内一类刊物上发表RPC结构试验和优化研究论文6 篇。何 仁江苏大学汽车与交通工程学院教授、 博士生导师,江苏省汽车工程重点实验室主任,中国汽车工程学会特聘专家,首批江苏省普通高校跨世纪学术带头人,工学博士 ,1962 年生 。研究方向为汽车机电一体化技术。近5年来已主持完成部省级科技项目16 项 ,获得部省级科技进步奖7 项 ,出版著作 4 部 ,发表学术论文 78篇。侯立峰徐州空军学院后勤指挥系军事基础教研室主任、 副教授、硕士生导师 ,中国矿业大学能源与安全工程学院博士研究生。1963年3月生 ,山东高唐人。主要从事军事运筹、决策科学化、技术经济和安全经济学的教学和科研工作。主持或参与多项研究课题,获空军军事理论成果奖两项,2000年荣立三等功,2002年获全军院校育才奖(银奖) 。撰写教材两本,发表学术论文 20篇。魏 航博士研究生,1976年生 。1998年本科毕业于西南交通大学应用数学专业,2001年硕士毕业于该校经济管理学院企业管理专业,同年考入管理科学与工程专业攻读博士学位,研究方向主要为物流管理 、 组合优化。参加了“货运车辆调度问题研究” 、“第三方存贮- 路径问题研究” 和“时变条件下有害物品运输的路径选择问题研究”等国家自然科学基金资助项目和多个省部级项目的研究工作 。在国内外多种刊物上发表论文数篇。张新梅硕士研究生,山东招远人 ,1980 年1 月生 ,2003年毕业于烟台大学机电学院机械设计制造及自动化专业,同年考入华南理工大学工业装备与控制工程学院安全工程研究所攻读硕士学位,研究方向为安全技术与管理信息系统。现正参加广东省科技攻关项目的研究工作,主要从事工业事故隐患辨识评估和应急救援预案的编制研究 。获20032004学年学校研究生奖学金。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -