電動助力轉向系統助力特性研究

裴學杰，楊世文，季茜

（1.中北大學，山西 太原 043500；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

電動助力轉向系統助力特性研究

裴學杰1，楊世文1，季茜2

（1.中北大學，山西 太原 043500；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

概述了電動助力轉向系統(EPS)的結構和工作原理，并介紹了電動助力轉向系統助力特性的設計方法。在分析了電動助力轉向系統各組成部分數學模型的基礎上，構建了基于Simulink與carsim的電動助力轉向系統仿真模型，仿真結果表明：所設計的助力特性較好地協調了轉向輕便性和路感之間的矛盾。

電動助力轉向；助力特性；建模；仿真

CLC NO.:U463. 44Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-51-03

引言

汽車工業發展至今，對汽車主動安全性和使用經濟性、環保等方面提出越來越高的要求。傳統的液壓動力轉向系統已經廣泛應用于多數車輛上，液壓動力轉向可以很好滿足車輛轉向快捷、輕便等方面的要求，但其自身弱點也日益顯現。電動助力轉向系統因其有效解決了車輛在操縱穩定性方面的問題，具有兼顧低速轉向輕便性和高速增強轉向路感的優點，同時有利節能、環保，因而成為汽車電子控制的研究方向之一。

1、EPS系統的結構組成和工作原理

電動助力轉向系統最初的發展概念是應用于前軸荷1噸的車輛上，目的在于改善轉向的路感、提高高速行駛安全，同時改善車輛燃油經濟性。電動助力轉向系統的結構如圖1-1所示。

當傳感器檢測到駕駛員有轉向意圖時，將信號提供給控制器，控制器通過各種算法，給出一個控制信號(一般為電流)到電機，電機通過機械結構輸出一個輔助的轉向力矩，輔助駕駛者控制車輛轉向。

2、電動助力轉向系統的動力學模型

汽車轉向系統是由多個慣性元件和彈簧、阻尼組成的。通過簡化，可以得到轉向盤和上端轉向柱、助力電動機、下端轉向柱、齒輪齒條和左、右轉向輪等六個電動助力轉向系統的動力學元件，如圖2-1所示。

將各動力學元件列成動力學微分方程：

轉向盤和上轉向柱：

下轉向柱：

電動機：

齒條：

前輪：

式中，θc為轉向盤輸入轉角；Jc為轉向盤轉動慣量；Bc為上轉向柱的阻尼系數；Kc為上轉向柱的扭轉剛度；Td為轉向盤輸入力矩；θe為下轉向柱轉角；Je為下轉向柱轉動慣量；Be為下轉向柱的阻尼系數；Ke為下轉向柱的扭轉剛度；θm為助力電機轉角；Jm為助力電機轉動慣量；Bm為助力電機阻尼系數；Km為助力電機軸扭轉剛度；χr為齒條移動量；rp為小齒輪分度圓半徑； Mr為齒條質量；Br為齒條阻尼系數；Kr為齒條剛度；Fδ為齒條端作用力；A 為轉向器端至前輪的力臂傳動比；θFW為前車輪轉角；JFW為前輪繞主銷的轉動慣量；BFW為前輪繞主銷的阻尼系數；KFW為前輪繞主銷的轉動剛度；MZ為前輪回正力矩。另外，前輪方程為單側車輪的方程，左前輪、右前輪各滿足一個前輪方程。將方程2-1至2-5連立，就為EPS 動力學模型方程組。

3、電動助力轉向系統的助力特性曲線

電動助力轉向系統的助力特性可以有多種曲線形式，圖 3-1分別為直線形、折線形和曲線形式的助力特性曲線。圖中可見，特性曲線都有三個區域，當0≤Td

a. 直線形助力特性 在助力變化區域中，轉向盤輸入力矩與助力力矩按線形變化規律。其函數表達為：

式中，Ta為電動機助力力矩；K(v)為斜率函數，是速度的函數；Td為轉向盤輸入力矩；Td0為電動機開始提供助力時的轉向盤輸入力矩，即電動助力轉向系統開始作用時的輸入力矩；Tdmax為電動機提供最大助力時的轉向盤輸入力矩。

b. 折線形助力特性 在助力變化區域中，特性

曲線呈分段線形變化。以圖示中的兩段折線為例，函數表達為：

式中，K1(v)和K2(v)分別為兩段直線的斜K率函數，仍然是速度的函數；Td1是斜率由K1變為2時的轉向盤輸入力矩。

c. 曲線形助力特性 在助力變化區域中，助力力矩和轉向盤輸入力矩呈非線形變化，函數表達為：

比較三種助力特性曲線：直線形確定簡單、便于控制系統設計，調整也簡便。缺點在于雖然可以感應車速對助力曲線的斜率特性做出變化，但對于輸入的高、低區域卻不能區別對應，輸出為線性、路感單一，故無法很好協調路感和輕便性的關系；非線性曲線在感應速度的同時，每條曲線自身又感應高、低輸入區域進行變化，是十分理想的特性曲線，但在確定過程中需要大量和稠密的理想轉向盤力矩特性信息，故確定和調整都不容易；折線形的優、缺點則介于二者之間。

由上述曲線可以看出，直線型助力特性的特點是斜率越大轉向盤力矩越小，即所用來轉向的力越小，轉向越省力，因此我們選擇直線型助力。

4、EPS的仿真分析

對建立的EPS的動力學模型，采用直線型助理特性，用已知某樣車的carsim的整車模型與simulink進行鏈接進行仿真，模型的結構如圖4-1所示。

助力特性的確定需要根據理想轉向盤力矩值，最終應滿足低速時的輕便性和高速時增加“路感”的目的，為此，我們分別進行了原地助力轉向仿真（零助力），車輛速 度為30 km/ h 時的轉向仿真(加助力)和車輛速度為70 km/ h的轉向仿真(加助力) ,仿真結果如圖4-1所示。

根據仿真結果，不加助力時，原地轉向最沉重；加助力時，轉向盤轉矩大大減少，轉向輕便性提高；當車速提高，轉向盤上的轉矩相應增加，說明車速提高后，駕駛員獲得了較強的路感。

5、結論

本文介紹了電動助力轉向系統（EPS）的系統組成和工作原理，通過建立EPS動力學模型，基于simulink為平臺結合carsim整車模型對直線型助力特性進行仿真分析，結果表明所設計的助力特性可以滿足車輛對路感的要求，對EPS產品開發有一定指導意義。

[1] 汽車工程手冊（設計篇）.北京：人民交通出版社，2001.

[2] 劉曉青.現代汽車轉向系統的發展趨勢 [J]. 上海汽車, 2004 年11 期.

[3] 施國標、林逸、張昕.動力轉向技術及其發展 [J]. 農業機械學報，2006年10月.

[4] Yasuo Shimizu and Toshitake Kawai. Development of Electric Power Steering. SAE paper 910014.

Research on Electric Power Steering System Properties

Pei Xuejie1, Yang Shiwen1, Ji Xi2

The structure and working principle of the electric power steering ( EPS) system were summarized and the design method of the assistance characteristic of the EPS system was introduced. From the analysis of the mathematical models of the component modules of the EPS system a simulation model based on Simulink and carsim was built.The simulation results show that the designed assistance characteristic alleviates the contradiction between the steering agility and the road feel.

Electric Power Steering; Assistance Characteristic; Modeling; Simulation

U463. 44

A

1671-7988(2014)03-51-03

裴學杰，就讀于中北大學。