电动助力转向系统试验分析

 电动助力转向系统试验分析

时鑫

上海大学，上海市，200436，

摘要：电动助力转向系统可直接影响到汽车驾驶期间的安全性。为根本上提升电动助力转向系统运行水平，需要对当前电动助力转向系统运行状态进行建模分析，开展关于电动助力转向系统各项性能的试验。本来就针对以上背景，先阐述电动助力系统结构，构建电动助力转向系统数学模型，实施电动助力转向系统内部摩擦力矩试验、助力试验，助力电机能力试验。

关键词：电动助力转向系统；仿真；试验

1、概述电动助力转向系统

电动助力转向系统主要是在传统纯机械转向系统基础上研发而来，包括信号传感装置、电子控制单元以及转向助力机构。在电动助力转向系统运行过程中可以利用电动机产生的动力辅助驾驶人员进行转向操作，驾驶人员在操作方向盘转向时，管柱上的扭矩以及位置霍尔传感器会借助检测传感器应变片两端的电压或电流值变化，从而获得方向盘扭矩与位置信号[1]。信号可以再次传输给ECU控制单元，控制单元能够根据方向盘扭矩、方向盘位置及方向盘转速，满足工况中助力扭矩大小及方向要求，为电机的控制工作提供辅助动力。

2、电动助力转向系统数学模型的构建

汽车系统内部设置了EPS单元，在驾驶人员转动方向盘时，力矩传送给管柱上的扭杆，EPS检测扭杆的扭转变形量，进而对扭杆的尺寸参数及刚性参数进行控制与调节，计算出方向盘的转角与转矩[2]。还有部分EPS单元内部配备了方向盘转速传感器装置，将检测方向盘中的转角、转矩以及角速度传入到EPS控制器中，通过转向助力控制方式计算出电机的助力大小与助力方向。

为建立起电动助力转向系统EPS数学模型，需要对转向系统进行进一步的转化处理。常见电动助力转向系统主要包括助力机构、扭矩传感装置、电机、中间轴以及齿轮齿条。

2.1助力机构模型建立

以助力机构模型的建立工作为例，助力机构可进一步划分为涡轮蜗杆传动装置、连接管柱输出端、电机输出端、扭矩传感装置输入端以及中间轴输入端。在助力机构实际运行过程中可以传递驾驶人员的输入力矩，将驾驶员的输入力矩以及放大电机的力矩叠加后输入到中间轴。

驾驶员施加在于方向盘的扭矩是方向盘转动惯量、驾驶盘转角、 EPS输出端转角、方向盘阻尼系数之和。

2.2扭矩传感器模型建立

扭矩在转向系统中主要肩负起检测方向盘输入扭矩的重要职责，扭杆刚度需要经过材料力学性能严格控制[3]。传感器应当根据扭杆的变形量计算出输入扭矩的大小值与方向值。在计算扭转剪切应力以及变形量过程中，需要注意收集扭杆的扭转刚度、扭杆的扭转角度、流感惯性矩、截面系数、有效长度等参数。

3、电动助力转向系统试验分析

在电动助力转向系统正式投入使用前需要进行充足验证，对所需验证的试验进行细致分析测试产品是否满足设计功能要求以及相关法律条例。电动助力转向系统产品开发阶段设计验至量产后阶段验证环节需要检测项目内容，根据测试结果绘制曲线，研究系统运行性能。

在EPS新产品设计开发环节应当以客户需求为导向，明确具体建设参数以及试验要求指标[4]。现阶段EMS试验主要包括功能性试验、耐久性试验、环境性试验、极限性试验以及噪声振动舒适度试验。

3.1电动助力转向系统试验要点

耐久性试验主要就是模拟汽车在运行全寿命周期内，电动助力转向系统表现情况通常以设计耐久的时间长度为试验标准。车辆驾驶环节，倒库需要将方向盘打到底，此时的车速较低、转向力巨大、电动机处于最大功率运行状态，因此在耐久性试验环节也应当模拟方向盘达到低的情况，着重分析涡轮涡杆等机械构件的运行性能。

在汽车运行到不平整路面时，路面会对车轮、齿轮齿条、中间轴及方向盘等构件产生巨大的反向冲击力，导致电机频繁开关与频繁助力，因此在试验过程中也需要模拟不平整路面对转向机的激励作用测试电动助力转向系统的扭转冲击力、扭转疲劳度。

由于车祸事故经常出现，电动助力转向系统试验过程中还需要着重分析碰撞后驾驶人员的生还概率，开展极限试验、管注溃缩试验等项目，驾驶员的伤害进行认证规定。

3.2内部摩擦力矩试验

管柱型电力助力转向系统主要由涡轮及涡杆机构组成，转向过程中不可避免的会产生巨大摩擦阻力，对驾驶者转动方向盘也会造成一定影响。性能良好的电动助力转向系统能够将摩擦力控制在设定范围内，确保顺时针及逆时针转动方向盘时的手感一致。基于现有设计经验以及主观评价结果，电力助力转向系统驱动力矩的测试值应当在0.9~1.9N·m范围内。

在测试电力助力转向系统摩擦力过程中应当首先对系统进行断电，在助力电机不工作的情况下进行测试[5]。测试环节需要将电力助力转向系统的输入轴处于自由状态，使输出轴以及扭矩传感器及电动机串联在一起。输出端设备的伺服电动机驱动，方向盘输入端保持空载状态。

3.3助力试验

电动助力转向系统的助力转向性能尤为重要，控制单元通过检测方向盘的转角、扭矩、转速以及汽车行驶速度时，可根据控制策略判断电机的电流大小及方向，从而满足助力要求。

电动助力转向系统运行期间，驾驶员转向所需的转动力矩需要控制在适宜范围内，确保转向轻便，获得良好路感。在实际驾驶环节，助力电机的正向助力值以及反向助力值也应当保持对称、平衡。

助力试验开展过程中，出于电机助力特性的考量，需要首先将电动助力转向系统的输出端固定，输入端需要连接电机以及扭矩传感器。在助力系统安装完毕后，对模拟顺时针及逆时针打方向盘状态，助力电机可以根据相应工况提供助力，计算出转动输入端时的力矩消耗时，开展带电状态测试工作。电动机也会根据控制策略提供相应助力。通过绘制输入扭矩以及输出扭矩的曲线，发现输出扭矩会随着输入扭矩的增大而增大。在电动机功率达到最大状态时输入扭矩增大，电动机达到满功率并保持最大功率输出。

3.4助力电机能力试验

为切实保障汽车的助力性能，确保汽车始终处于安全可靠运行状态。助力电机的助力性能会随着车速的提高而下降，随着方向盘转矩的增大而进一步增大。方向盘的转速与电动机的转动性能存在密切关联。在没有达到满功率状态情况下，转速不会影响到电机的最大输出扭矩值。在转速持续提高后，电机达到满功率状态，转矩值下降。

通过分析理论助力扭矩试验评价参考曲线图，发现在EPS转速达到53.64rpm的情况下，助力电机达到最大功率。方向盘转数低于该数值时，助力电机会处于低负载工况。方向盘转速高于该数值时，助力机会处于满载最大功率，电动机转速的增加，助力值，呈线性递减状态。

输入扭矩的增大会使助力电机提供更加稳定的助力扭矩，在输入扭矩反向增大时，助力电机也能够跟随输入扭矩的变化发生改变。

总结：总而言之，为从根本上提升电动助力转向系统运行水平，确保电动助力转向系统能够始终处于灵敏、顺畅的运行状态，还需要对电力助力转向系统展开细致的试验研究，不断优化电动助力转向系统运行期间的控制做法，降低驾驶员转向收矩，加强电动助力转向系统运行期间的可靠性，避免系统出现回正过度或者振荡等问题，确保电动助力转向系统能够在汽车运行过程中发挥出重要作用。

参考文献：

[1]梅辉. 电动助力转向系统的力学特性分析及控制仿真研究[D].扬州大学,2021.

[2]郑晓东,朱留存.基于六自由度平台的电动助力转向系统（EPS）试验仿真分析[J].汽车实用技术,2021,46(08):73-76.

[3]梁诚. 电动助力转向系统仿真分析及台架试验[D].安徽理工大学,2019.

[4]胡富强,李杨,田川超.整车道路耐久试验中电动助力转向系统的可靠性分析[J].科学技术创新,2019(02):64-65.

[5]李小龙,任凯.基于ESF摩擦模型的电动助力转向系统建模与分析[J].上海汽车,2018(01):15-19.