电动助力转向系统转向性能的客观评价.pdf

《电动助力转向系统转向性能的客观评价.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动助力转向系统转向性能的客观评价.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2 0 0 3年7月农 业 机 械 学 报第34卷 第4期电动助力转向系统转向性能的客观评价3林逸施国标邹常丰王望予【摘要】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,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:车辆工程电动助力转向系统转向性能评价中图分类号:U 46314文献标识码:AStudy on Object Evaluation of Steering Performa

2、nceof Electric Power SteeringL in YiShi GuobiaoZou ChangfengW angW angyu(J ilin U niversity)AbstractElectric pow er steering is a new structure w ith novel technique of pow er steering.The elec2tric pow er steering brings new effects on the steering maneuvrability,steering returnability,etc.The eval

3、uation of the conventional hydraulic pow er steering couldnt be applied for the electricpow er steering.It is necessary to establish a new system for steering performance evaluation ofelectric pow er steering.This paper analyzes the effect of electric pow er steering on the steeringperformance based

4、 on its configuration feature and then the object evaluation of steering perfor2mance of electric pow er steering is studied.The new system of evaluation includes steering ma2neuvrability,steering returnability,on2center handling performance,steering handw heel vibra2tion,servo2motion sensitivity an

5、d assist characteristic.The corresponding evaluation indexes arealso discussed.This research can be used to determ ine the assist control strategy,the basic pa2rameters and steering performance trail standard of electric pow er steering.Key wordsV ehicle engineering,Electric pow er steering,Steering

6、 performance,Evaluation收稿日期:200204073 吉林省自然科学基金资助项目(项目编号:20000520)林逸吉林大学汽车工程学院教授博士生导师,130025长春市施国标吉林大学汽车工程学院博士生邹常丰吉林大学汽车工程学院博士后王望予吉林大学汽车工程学院教授引言在国外,电动助力转向(electric pow er steer2ing,简称EPS)已部分取代液压动力转向(hydraulicpow er steering,简称HPS),并已成为汽车技术发展的研究热点。汽车电动助力转向与液压动力转向在技术上有很大的区别,其对转向轻便性、转向回正性等带来了新的影响。因此,传统

7、的液压动力转向评价指标已不能完全适用于电动助力转向,有必要建立一套电动助力转向系统性能评价指标,用于指导电动助力转向助力控制规律和基本设计参数的确定等。1电动助力转向的结构特点在液压动力转向系统中,选定参数完成设计之后,动力转向系统的性能就确定了,不能再对其进行 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/调节与控制。因此传统的液压转向系统难以兼顾汽车低速行驶转向性能和高速行驶转向性能,若原地转向力小,高速行驶时转向力往往会过轻、“路感”差,而按高速性能要求设计转向

8、系统时,低速时转向力往往过大。折衷方案设计结果是低速和高速性能都不太理想。EPS由电动机提供助力,助力大小由电控单元(ECU)实时调节与控制。所以EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力,减小由路面不平引起的对转向系统的扰动,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操纵稳定性,进而提高汽车的主动安全性。EPS系统框图如图1所示。其基本原理是:扭矩传感器与转向轴(小齿轮轴)连接一起,当转向轴转动时,扭矩传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU,ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和电流的大小,从而完成实时控制助

9、力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果,保证汽车在低速行驶时轻便灵活,高速行驶时稳定可靠。图1EPS系统框图1.转向盘扭矩传感器2.减速机构3.齿轮齿条式转向器4.电动机2EPS对转向性能的影响211转向轻便性图2原地转向转向力对比曲线EPS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,以及高速行驶时的操纵稳定性。图2是A lto车原地转向的转向力对比曲线1,EPS为转向柱助力式,前轴负荷为4 kN,电动机最大电流为20 A。由图可知,装有EPS后,原地转向的转向力下降40%。212转向回正性通过指定合适的控制策略,EPS能显著提高汽车转向盘的回正特性。文献

10、2开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3是汽车在30 km?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3a和图3b分别是EPS采用两种不同控制策略时的转向盘回正性测试结果。图3a表示转向盘卡住了,不能回到中间位置。图3b表示在松开转向盘后,转向盘能立刻回到中间位置。图3两种不同控制策略时EPS对转向盘回正特性的影响213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

11、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3。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EPS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4。由于电动机具有弹簧阻尼的效果,EPS能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4a、4b分别是EPS和HPS抑制路面冲5第4期林逸 等:电动助力转向系统转向性能的

12、客观评价 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/击能力的对比曲线5,曲线表明在相同的路面冲击下,EPS的转向盘转角和转向力矩的振动幅值比HPS都有明显降低。图4EPS和HPS抑制路面冲击对比曲线(a)EPS(b)HPS3EPS转向性能的客观评价GB?T6323.41994和GB?T6323.51994对转向回正性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

13、很大影响,因此建议在GB?T6323.51994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。图5转向力矩与转向盘转角关系曲线311转向轻便性评价提高转向轻便性是电动助力转向的首要目标。在我国汽车行业标准QC?T 4801999中,采用了转向盘平均操舵力Fs(N)和最大操舵力Fm(N)两项指标来评价转向轻便性。此两项指标也适用于评价EPS的转向轻便性。图5是典型的转向力矩与转向盘转角的关系曲线,从图中可得到作用在转向盘上的平均操舵力和最大操舵力。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

14、标表示为s=Fh?Fh,其中Fh和Fh分别为无电动助力转向和有电动助力转向时,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=115。312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,这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QC?T 48

15、01999,可采用松开转向盘3 s时的残留横摆角速度绝对值r()?s)和横摆角速度总方差Er(s)两项指标来评价转向回正性,此两项指标也适用于评价EPS的转向回正性。313转向盘中间位置区域性能评价6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,转向回正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。通过转向盘中间位置区域

16、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6)、转向力矩与转向盘转角关系曲线(见图7)。图6转向力矩与侧向加速度关系曲线31311转向力矩与侧向加速度关系图6为典型的转向力矩与侧向加速度关系曲线。从图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6农业机械学报2 0 0 3年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http

17、:/图7转向力矩与转向盘转角关系曲线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ay=0时的转向力矩ay=0时的转向力矩反映了转向系统的干摩擦。(3)侧向加速度ay=0时的转向力矩梯度ay=0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。ay=0时的转向力矩梯度与“路感”有关。(4)侧向加速度ay=1 m?s2时的转向力矩ay=1 m?s2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ay=1 m?s2时转向力矩梯度ay=1 m?s2时转向力矩梯度用来表示刚离开直线行驶时的“

18、路感”。31312转向力矩与转向盘转角关系从图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”。314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

19、7。315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2050N,转角为1015。这可以为电动助力转向提供参考。316助力特性评价电动助力转向的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图8转向盘力矩与电动机电流关系曲线电流之间的变化关系来表示助力特性,如图8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。参考文献1N akayama T,Suda E.The present and future of electr

20、ic power steering.Int.J.ofV ehicleDesign,1994,15(3,4,5):2432542M asahiko K,ShunichiW,Takayuki K,et al.A new EPS control strategy to i mprove steering wheel returnability.SA E Paper 200020120815,2000.3郭孔辉 主编.汽车操纵动力学.长春:吉林科学技术出版社,1991.2212234RoyM.V ariable effort steering for vehicle stability enhance

21、ment using an electric power steering system.SA E Paper200020120817,2000.5Yasuo S,Toshitake K.Development of electric power steering.SA E Paper 910014,1991.6Norman K.Objective evaluation of on2center handling performance.SA E Paper 840069,1984.7A nthony J C.Correlation of electric power steering vibration to subjective ratings.SA E Paper 200020120176,2000.7第4期林逸 等:电动助力转向系统转向性能的客观评价 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/