一種汽車電動助力轉向系統耐久測試設備的開發

鄭春，劉運來，宋志才，趙開瑞

(山東凱帝斯工業系統有限公司，山東德州 253023)

0 引言

電動助力轉向系統，憑借其低能耗、結構簡單、占空間小、優秀的回正能力、根據車速調節的性能、主動轉向等特點，廣泛應用于乘用車中。汽車轉向系統臺架耐久性測試，是驗證轉向系統疲勞耐久性能、驗證產品設計極限壽命的必要手段。隨著驗證要求的不斷提高，模擬極限工況、驗證在過載或過熱情況下系統的保護功能的有效方式[1]。

轉向系統耐久設備，最初是最簡單的直線加載、輸出端恒定加載、輸入端固定轉速及轉角條件下，運行設定的次數。但是這種單一的耐久測試，無法全面地對轉向系統進行評估，往往在道路測試中，會出現很多臺架測試中沒有發現的問題。系統的耐久性臺架測試隨著測試技術的積累與不斷創新的過程中，得到不斷提升。

系統首先在設備形式上進行了優化升級。可模擬實車狀態下轉向輸出端雙端擺動加載、載荷可變可調，有效模擬球頭部位的上下振動；輸入端可實現不同行車工況下的輸入轉角及輸入轉速的變化；搭載泥水、溫度等環境的變化，讓耐久測試更接近實車狀態。

在測試方法的搭建上，根據不同的里程分布、環境分布、載荷分布及駕駛員習慣分布等因素定制不同的測試方法，可配置式的軟件能更加簡單高效地進行軟件開發，提升個人和團隊的交付能力和效率。

1 電動助力轉向系統組成及工作原理

電動助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)由電動助力電機直接提供轉向助力，既節省能量，又保護了環境。另外，還具有調整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉向助力的特點。

駕駛員在操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元(ECU)，電子控制單元根據轉矩傳感器檢測到的轉矩電壓信號、轉動方向和車速信號等，向電動機控制器發出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩，從而產生輔助動力。汽車不轉向時，電子控制單元不向電動機控制器發出指令，電動機不工作[2]。電動助力轉向系統如圖1所示。

圖1 電動助力轉向系統

2 測試設備測試項目及功能

首先，滿足《QC/T 1081—2017 汽車電動助力轉向裝置》行業標準的測試要求。

為了更接近實車全壽命轉向系統的耐久工況，分別從里程分布、環境分布、載荷分布及駕駛員習慣分布等條件進行試驗的搭建。里程分布，包括整車壽命下行駛里程，一般會取30萬km；在整車壽命下各種路況的分布，包括高速、鄉村道路、城市道路、嚴苛的道路、靜態駐車等按照實車狀況進行對應時間或次數的設定[3-4]，路況分析見表1。

表1 路況分布示例

環境分布，比如泥水環境、高低溫環境、耐溫濕試驗等。載荷分布，包括通過整車前橋載荷計算轉向系統的額定載荷；在全行程下載荷的變化，在轉向全行程角度50%以下水平時，左右橫拉桿力是正弦對稱的；在轉向全角度50%以上時，載荷曲線不再是正弦曲線，且左右橫拉桿的力分布是不對稱的，通常拉桿力與額定載荷按照比率2∶1分布。駕駛員習慣分布，則體現在輸入轉速的變化、轉角的變化、極限位置停頓的變化等，加載曲線如圖2所示。

圖2 加載曲線

3 測試系統功能設計

3.1 機械結構及功能設計

測試系統采用臺架式結構，由輸入驅動軸一套、旋轉加載軸兩套、上下振動軸兩套，簡稱為五軸系統。被測試轉向系統實車角度安裝，轉向器的安裝角度及管柱部分的布置角度均可調節。輸入端驅動裝置模擬轉向方向盤的轉動；兩端旋轉加載系統模擬實車轉向節臂，對轉向系統施加載荷；輸出加載裝置復合上下振動機構，模擬實車狀態下對轉向器球頭部分的高頻的震動。測控系統整體示意如圖3所示。

圖3 測控系統整體示意

3.2 輸入驅動裝置

輸入驅動裝置通過伺服電機實現，串聯扭矩傳感器及角度傳感器，可實現精確的角度控制、位置控制及扭矩控制。通過扭矩傳感器及角度傳感器可精確地將輸入扭矩及角度進行檢測。輸入驅動裝置，安裝在多維度支撐調節模組上面，可實現空間內角度及位置的調節，從而滿足不同實車角度的調整。輸入驅動系統結構如圖4所示。

圖4 輸入驅動系統結構

3.3 輸出加載及振動裝置

輸出加載通過伺服旋轉加載方式實現，通過拐臂將伺服電機及減速機的加載扭矩轉變為加載力。系統在旋轉主軸的一側添加一套滾珠絲杠機構，滾珠絲杠通過伺服電機驅動，實現輸出端的上下運動。伺服電機正反轉動帶動滾珠絲杠轉動從而帶動轉向器球頭拉桿上下震動，系統模塊可根據不同的路況設置不同的振動幅度，從而更好地模擬球頭的振動對轉向系統的影響。輸出加載及振動裝置如圖5所示。

圖5 輸出加載及振動裝置

如圖6所示，擺臂加載以A點為中心，通過伺服電機的驅動，減速機的傳動，輸出力矩T，使擺臂AM左右擺動，輸出到轉向器的力為F。

圖6 旋轉加載原理

F1=F/cosα

(1)

F1=T/AC(力臂)

(2)

由此得出

T=F/cosα×AC(力臂)

(3)

CD(行程)=100

AD=150

故α最大為18.43°

得出

T=F/cosα×AD/cosα

(4)

T=F×AD/(cosα)2

(5)

由α=ωt

故

T=F×AD/cos(ωt)2

(6)

當擺臂與F方向垂直時系統所需力矩最小，當擺臂行程達到最大時CD=100,故α最大為18.43°系統所需力矩最大。

3.4 工業控制部分

系統采用上下位機模式。下位機由專用運動控制器實現，用于系統的伺服電機的運動控制，根據上位機給出的指令進行輸出軸的加載與輸入端的驅動，可根據對應的角度及力的傳感器進行精確的閉環控制。上位機采用工業電腦及顯示器組成，作為上位機軟件的運行平臺，實現與下位機信息的交互，測試條件的設置，曲線的顯示與試驗數據的實時保存。

上下位機的模組，可以讓下位機保持更好的運算速度與實時性，使得控制更精確；同時也解放了上位機運算的工作量，使得系統更加順暢。

3.5 可配置式軟件系統

軟件開發平臺KEYEN是通過抽象工廠模式面向軟件開發者提供的一站式Mult ithreading開發平臺。程序員基于模塊化開發模式按需調用功能組件，可以實現硬件端口的自動配置，不同設備端口之間的無縫切換，并且可以輕松完成軟件項目管理、配置管理、代碼檢查、編譯、構建、測試、部署、發布等，能更加簡單地進行軟件開發，提升個人和團隊的交付能力和效率。

測試人員可自由搭建測試流程，并可設定不同的加載曲線，讓設備具有更好的開發性與通用性。通過以上特點，可實現轉向系統在不同工況下的測試，可實現七階或十二階的耐久測試，根據測試的耐久工況實現不同里程分布、環境分布、載荷分布、駕駛習慣等的不同測試。

4 結束語

隨著電動助力轉向系統測試技術要求的不斷發展，電動助力轉向系統五軸耐久測試設備應運而生。五軸耐久測試設備不僅是硬件的升級，更是測試方法的飛躍，更自由、更簡單的試驗方法的搭建也是未來測試的方向。