汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置標(biāo)準(zhǔn)的解讀與分析

鄭瀟瀟，顏堯，車佳黎

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置標(biāo)準(zhǔn)的解讀與分析

鄭瀟瀟，顏堯，車佳黎

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

分析QC/T XXXXX-XXXX 《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中輸入輸出特性、助力電流特性等汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置(EPS)重要性能的試驗(yàn)方法，為該類產(chǎn)品的開發(fā)、質(zhì)量控制提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置；標(biāo)準(zhǔn)；分析

0 引言

目前已有較多的國內(nèi)車型采用了汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置，國內(nèi)從事研發(fā)和生產(chǎn)的單位也在不斷增加，但產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，對它的使用性能、可靠性要求也存在一些差距且對評價標(biāo)準(zhǔn)的理解也較淺。因此，作者在針對評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量的臺架驗(yàn)證試驗(yàn)后，提供更加詳細(xì)、更加深入的分析。其中著重分析了標(biāo)準(zhǔn)中輸入輸出特性、助力電流特性等能夠體現(xiàn)EPS重要性能的指標(biāo)，為進(jìn)一步指導(dǎo)該產(chǎn)品的開發(fā)提供更加全面的分析。

1 汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置的性能試驗(yàn)

1.1 功能試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)中5.2.1“功能試驗(yàn)”是檢查EPS轉(zhuǎn)向的基本功能，它模擬在不同負(fù)載條件下機(jī)械摩擦、阻力帶來影響的大小；采用直觀的手動轉(zhuǎn)向感覺方式進(jìn)行評價——手動左右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，感覺是否平滑，有無卡滯的感覺。

如圖1所示為某管柱助力式產(chǎn)品在相同負(fù)載、不同車速下的功能試驗(yàn)曲線，該曲線較為平滑，沒有出現(xiàn)卡滯帶來的信號突變而高于常規(guī)信號抖動的情況，手動轉(zhuǎn)向感覺應(yīng)平滑無卡滯。

類似功能試驗(yàn)的空載轉(zhuǎn)動力矩則是考核機(jī)械部分的轉(zhuǎn)向性能(摩擦與阻力)，即產(chǎn)品在轉(zhuǎn)向過程中的平順性能和波動性能。

1.2 輸入輸出特性

標(biāo)準(zhǔn)中5.2.2“輸入輸出特性”是檢查EPS的一個重要功能——電動助力特性。

輸入輸出特性是在不同車速情況下EPS的輸入力矩與輸出力矩(或力)之間的變化關(guān)系。它是EPS系統(tǒng)設(shè)計的一個重要評價指標(biāo)。需要兼顧操縱穩(wěn)定性、安全性及轉(zhuǎn)向的輕便性，理想的輸入輸出特性應(yīng)滿足以下特征[1]：

(1) 減少原地轉(zhuǎn)向和低速運(yùn)行時轉(zhuǎn)向阻力；

(2) 當(dāng)輸入力矩較小時，要保證系統(tǒng)可以提供一定的助力效果，保證駕駛具有良好的路感，較大助力時應(yīng)確保助力恒定；

(3) 助力效果隨著車速增大而減小；

(4) 助力力矩輸出應(yīng)該具有連續(xù)性，特性曲線應(yīng)平滑(見圖2)。

對于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定特性曲線的“對稱性”，主要是反映EPS兩個方向轉(zhuǎn)向性能的差距，如圖3所示的產(chǎn)品輸入輸出特性試驗(yàn)曲線對稱性較好，該產(chǎn)品操作時會表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

1.3 助力電流特性

標(biāo)準(zhǔn)中5.2.3“助力電流特性”是檢查EPS轉(zhuǎn)向助力時的電流特性功能，并檢驗(yàn)是否滿足汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和隨車速變化的特性要求。

(1)汽車低速行駛時，電機(jī)提供的助力電流比較大，可以滿足低速行駛時的轉(zhuǎn)向輕便性要求。

(2)隨著車速的逐漸增大，助力電流逐漸減小，提供的助力也逐漸減小，在高速行駛情況下可以保證方向穩(wěn)定性。

助力電流特性曲線見圖4。圖5所示為某小齒輪助力式產(chǎn)品助力電流特性試驗(yàn)曲線，該產(chǎn)品的助力電流隨扭矩增大而增大，但到一定位置時，助力電流將維持在一定的水平上，稱為恒助力電流[2]。通過計算不同車速下恒助力電流和恒助力扭矩起點(diǎn)作為量化的評價依據(jù)。

1.4 回正特性

標(biāo)準(zhǔn)中5.2.5“回正特性”是檢查帶主動回正的汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置產(chǎn)品在轉(zhuǎn)向過程中，是否能夠滿足自動回正的行駛要求。

汽車方向自動回正簡單說是由前輪轉(zhuǎn)向軸后傾、轉(zhuǎn)向軸外傾和前輪的前束這幾個機(jī)構(gòu)來達(dá)成，但由于摩擦、阻尼和車速等因素影響，不能很好地實(shí)現(xiàn)回正特性，表現(xiàn)為低速狀態(tài)回正不足、高速狀態(tài)回正過快。這時就需要控制器(ECU)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，干預(yù)協(xié)助回正控制，進(jìn)行回正補(bǔ)償助力(改善不完全回正[1])和增加助力電機(jī)阻尼控制(改善回正超調(diào)[1])，從而保證汽車的回正性能。因此，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定選擇低速和高速不同工況下，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤(輸入端)至最大角度，松開轉(zhuǎn)向盤(輸入端)使其自由回正，從測量的轉(zhuǎn)向盤扭矩和轉(zhuǎn)角可以看出是否回到中間位置，且回正過程是否平穩(wěn)，以保證駕駛手感良好。

1.5 反向沖擊

檢查安裝了汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置的車輛在行駛過程中，車輪碰到路面沖擊時，產(chǎn)品對沖擊過程的反應(yīng)能力是否滿足汽車的行駛要求。

反向沖擊是考核EPS控制系統(tǒng)快速響應(yīng)的方法。標(biāo)準(zhǔn)中5.2.6“反向沖擊”規(guī)定在轉(zhuǎn)向器輸出端施加額定輸出載荷40%的沖擊載荷模擬道路沖擊，可以基本反映行駛中車輛來自路面的反力矩影響。理想情況下，沖擊帶來的反向扭力必須與電機(jī)瞬間助力平衡(能量抵消)，不能因沖擊或助力過度造成扭桿旋轉(zhuǎn)[3]。沖擊時電流響應(yīng)時間和方向盤(輸入端)所轉(zhuǎn)動的角度可以直接測量并定值評價。圖7是某管柱助力式產(chǎn)品反向沖擊試驗(yàn)曲線。

1.6 故障報警

根據(jù)EPS的構(gòu)造及工作原理，各種故障模式舉例如表1所示[4]。可以看出：每種故障的發(fā)生都將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

表1 EPS主要故障

ECU 應(yīng)具備安全保護(hù)與故障診斷功能:EPS系統(tǒng)在分析助力同時實(shí)時檢測系統(tǒng)各組件工作情況，如電機(jī)、電源、傳感器;當(dāng)檢測到某一組件發(fā)生故障時，如蓄電池電源欠壓、車速傳感器無信號輸出等，助力系統(tǒng)應(yīng)立即脫離機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用汽車本身的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；顯示輸出故障代碼，提前做出預(yù)判以保障駕駛的安全性。

1.7 噪聲

EPS在駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，會產(chǎn)生異響(相對液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可能存在噪聲相對較大的缺點(diǎn))。根據(jù)大量研究及分析測試，這些異響主要存在于電機(jī)外殼及附近部件上，應(yīng)是激起部件結(jié)構(gòu)振動所產(chǎn)生的噪聲。為確保駕駛的舒適感，標(biāo)準(zhǔn)中5.2.9規(guī)定將EPS系統(tǒng)安裝在半消聲室中，在不同車速下，在距電動機(jī)機(jī)殼軸向中心正上方100 mm處測量電機(jī)的噪聲和本底噪聲(見圖8)，當(dāng)所測量的噪聲與該點(diǎn)對應(yīng)的本底噪聲值之差大于3 dB(A)時，該測量值有效；當(dāng)差值為3～10 dB(A)時，則按表2進(jìn)行修正。

表2噪聲修正表dB(A)

差值34～56～10修正值-3-2-1

2 汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置電磁兼容性

EPS系統(tǒng)的控制器、電動機(jī)和傳感器的騷擾性能不僅直接影響整車電子電器系統(tǒng)其他零部件的正常工作，同時也會因自身干擾能力而影響其正常工作。因此，考核EPS電磁兼容性能對整車電子電器性能集成有重大的意義。某管柱助力式產(chǎn)品電磁輻射抗干擾試驗(yàn)照片見圖9。

3 汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置可靠性

任何零部件都是有壽命的，雖然有的零部件可靠性很高，但是畢竟也存在失效的概率。EPS的可靠性是評價其產(chǎn)品壽命的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其試驗(yàn)的特點(diǎn)：測試試驗(yàn)周期較長。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5.4.1“正向驅(qū)動磨損”考核目的是檢查產(chǎn)品在使用過程中的工作壽命；5.4.2“逆向驅(qū)動疲勞”考核目的則是檢查產(chǎn)品在行駛過程中地面的阻力矩對產(chǎn)品的工作壽命影響。

4 結(jié)束語

功能、輸入輸出特性、助力電流特性等性能要求能夠很好地評價EPS產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，指導(dǎo)該產(chǎn)品質(zhì)量的評價。除文中提及的性能要求外，QC/T XXXXX-XXXX 《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》還規(guī)定更為全面的評價要求，標(biāo)準(zhǔn)起草過程中對國產(chǎn)的所有結(jié)構(gòu)形式的電動助力轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，通過對驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定了電動助力轉(zhuǎn)向裝置標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。并且給出了試驗(yàn)研究結(jié)果(見表3)，有助于指導(dǎo)該產(chǎn)品的進(jìn)一步綜合發(fā)展。

表3 驗(yàn)證結(jié)果

【1】王元聰，李偉光.汽車電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制策略研究[J].交通與計算機(jī)，2005(6):75-78.

【2】龐磊.汽車EPS試驗(yàn)臺設(shè)計及仿真試驗(yàn)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

【3】陳典紅，楊其華，李海明.電動助力轉(zhuǎn)向器特性試驗(yàn)研究[J].汽車科技，2007(5):47-48.

【4】鄧?yán)姡瑥埇Q，王書賢.EPS系統(tǒng)助力特性與控制策略研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010(10):19-22,30.

InterpretationandAnalysisofAutomobileElectricalPowerSteeringGearStandard

ZHENG Xiaoxiao，YAN Yao，CHE Jiali

(China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 401122,China)

Based on QC/T XXXXX-XXXX Technical Requirements and Test Methods for Automobile Electrical Power Steering Gear, the test methods for input and output characteristics, the power characteristics and other important properties of automobile electrical power steering gear(EPS) were analyzed. It provides a more accurate method for this kind of product development.

Automobile electrical power steering gear；Standard；Analysis

2015-02-06

鄭瀟瀟(1986—)，女，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配。E-mail：389654029@qq.com。