電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的仿真試驗*（續(xù)2）

劉超穎 張璐 王戰(zhàn)中 吳文江

（1.河北中醫(yī)藥大學；2.石家莊鐵道大學）

2.2 輸入輸出特性試驗

EPS輸入輸出特性曲線體現(xiàn)了輸入輸出力矩的關系。根據(jù)汽車行業(yè)相關標準，輸入輸出特性應滿足4個條件：1）當車速很慢或汽車靜止時，要求有足夠的助力轉(zhuǎn)矩，保障轉(zhuǎn)向輕便性；2）當方向盤力矩超過10 N·m時，系統(tǒng)要保持轉(zhuǎn)向助力恒定；當方向盤力矩小于1N·m時，助力為0，保證駕駛路感；3）車速越大轉(zhuǎn)向助力越小，保障汽車的行駛安全；4）輸入輸出曲線的對稱度不低于85%，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當方向盤力矩超過10 N·m時，系統(tǒng)會保持轉(zhuǎn)向助力恒定。選取輸入信號為：-15sin（2πt+π/2），保障方向盤力矩從-15～15 N·m平緩過度，仿真時間為0.5 s，觀察各種車速下的輸入輸出特性。

圖7示出EPS的輸入輸出曲線。從圖7可以看出，慢車速下的助力轉(zhuǎn)矩要高于快車速時的助力轉(zhuǎn)矩；當車速為0時，助力轉(zhuǎn)矩最大，約為20 N·m，保障了轉(zhuǎn)向輕便性。當方向盤轉(zhuǎn)矩在-1～1 N·m時，助力轉(zhuǎn)矩為0；當方向盤轉(zhuǎn)矩值超過10 N·m時，助力轉(zhuǎn)矩保持恒定，有效的保障了轉(zhuǎn)向路感。隨著車速的增加，助力轉(zhuǎn)矩也越來越小，保障了汽車的行駛安全。輸入輸出曲線對稱度很高，滿足輸入輸出曲線的對稱度不低于85%的要求，保障了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入輸出特性曲線圖

2.3 助力電流特性試驗

根據(jù)汽車行業(yè)相關規(guī)定，助力電流特性需滿足2個條件：1）車速低時電流大，保障轉(zhuǎn)向輕便性；2）隨著汽車行駛速度的加快，助力電流越來越小，以滿足汽車高速行駛下的穩(wěn)定性需求。

當方向盤輸入力矩為-2sinπ/3x，仿真時間為6 s，汽車分別以 0，30，60，90，120 km/h 的速度行駛時，其仿真結果，如圖8所示。從圖8可以看出，車速低時，電流大，保障轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的加快，電流越來越小，滿足了汽車高速行駛下的穩(wěn)定性需求。

圖8 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力電流特性試驗曲線圖

2.4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗

轉(zhuǎn)向輕便性是指車速很慢時系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的靈活性，通俗的來講就是開車很輕松。在相同的車速、方向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向時間下，通過比較無助力轉(zhuǎn)向力矩和有助力轉(zhuǎn)向力矩來觀察轉(zhuǎn)向輕便性。轉(zhuǎn)向力矩是駕駛員提供方向盤力矩與電機助力力矩的和。

設定車速為0，30，60 km/h對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性進行分析，給予方向盤一個-2sin πx的轉(zhuǎn)矩，設置仿真時間為2s，觀察轉(zhuǎn)向力矩。圖9示出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性試驗曲線。從圖9可以看出，隨著車速的變小，轉(zhuǎn)向力矩逐漸增大，符合輕便性的要求。當車速為0時，助力轉(zhuǎn)向力矩最大值約為4 N·m，是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的2倍，滿足了轉(zhuǎn)向輕便性的要求；當車速為30 km/h時，轉(zhuǎn)向力矩最大值是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的1.5倍，滿足了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輕便性要求；當車速為60 km/h時，轉(zhuǎn)向力矩最大值是無助力轉(zhuǎn)向力矩最大值的1.3倍，兼顧了輕便性和路感。

圖9 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輕便性試驗曲線圖

2.5 轉(zhuǎn)向回正性試驗

轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性是指車速很快時，助力盡可能小或為0，齒條位移曲線連續(xù)平緩，確保路感和穩(wěn)定性。

回正特性就是方向盤在轉(zhuǎn)過一個角度后，在沒有外力的干擾下，方向盤可以自動回正。根據(jù)國家標準，進行低速回正試驗（車速30 km/h）和高速回正試驗（車速90 km/h），要求低速回正曲線經(jīng)過原點，高速回正曲線殘留角＜5°。

輸入車速信號為30 km/h，方向盤力矩為2.5 N·m，當方向盤轉(zhuǎn)角達到最大值時，不再提供轉(zhuǎn)向力矩。以方向盤轉(zhuǎn)角為橫軸，方向盤扭矩測量值為縱軸，做低速回正特性曲線，如圖10a所示；然后再以車速90km/h，方向盤轉(zhuǎn)矩為3N·m，做高速回正特性曲線，如圖10b所示。

圖10 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的高低速回正特性試驗曲線圖

如圖10所示，回正曲線光滑無跳躍，表明系統(tǒng)回正平穩(wěn)。低速回正曲線經(jīng)過原點，高速回正曲線殘留角為3.8°，皆符合相關要求，表明系統(tǒng)回正性能良好。

2.6 反向沖擊試驗

反向沖擊試驗是指，如果輪胎碰到地面的沖擊，EPS能否迅速響應，并且保障汽車平穩(wěn)行駛。

根據(jù)汽車行業(yè)標準，反向沖擊力需為方向盤力矩大小的40%，作用時間為0.01 s。設定車速為60 km/h，方向盤力矩為-2.5 N·m，作用時間0.5 s。在轉(zhuǎn)向器輸出端加載沖擊力為1 N，方向與方向盤力矩方向相反，作用時間為0.01 s，且在方向盤力矩作用0.3 s后加載沖擊力。圖11示出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反向沖擊試驗曲線圖。

圖11 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反向沖擊試驗曲線圖

從圖11a可以看出，在受到反向沖擊力后，助力電機電流響應迅速，在0.01s內(nèi)迅速響應并達到穩(wěn)定，滿足反向沖擊試驗的要求；從圖11b可以看出，在受到反向沖擊力后，方向盤轉(zhuǎn)角曲線光滑平穩(wěn)變化，沒有出現(xiàn)來回擺動，轉(zhuǎn)向擺動角小于3°，滿足了汽車行駛平穩(wěn)的要求。

3 結論

通過聯(lián)合仿真創(chuàng)建了試驗臺架的虛擬試驗平臺，根據(jù)汽車行業(yè)的相關標準進行了相關性能試驗。試驗結果表明：汽車在高速行駛時電機提供的轉(zhuǎn)向助力小，滿足了駕駛員對路感的要求；汽車在低速行駛時轉(zhuǎn)向助力明顯增大，滿足了轉(zhuǎn)向輕便性的要求。回正試驗表明：低速回正曲線經(jīng)過原點，高速回正曲線殘留角＜5°，符合汽車行業(yè)國家標準。當輪胎受外力沖擊時，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應時間小于0.01 s，滿足要求；當汽車平穩(wěn)行駛時轉(zhuǎn)向跟隨性良好，保證了汽車行車安全。通過機電一體化仿真，達到分析EPS性能的目的，為評價EPS的性能提供依據(jù)。