电动助力转向匹配分析及性能评价研究

1．前言 电动助力转向系统采用助力电机直接提供转向助力，由电子控制单元根据车速、转向盘扭矩等信号，控制助力大小。由于EPAS完全抛弃了传统液压动力转向的液压机构，而且助力特性可以随着车速变化而变化，因此能够节约燃料，提高主动安全性，有利于环保，是一项紧扣汽车发展主题的高新技术，所以一经出现就受到了高度重视。目前，国外各大汽车公司和零部件供应商几乎都己完成批量生产EPAS的技术储备，并且已经将EPAS作为选装件应用到少量车型上。由于多方面的原因，国内在近几年才开始电动助力转向系统的研究，不过发展势头却十分强劲。已经有吉林大学、清华大学等多家高校和企业正在从事EPAS的研究与开发工作。 本文依托吉林省自然科学基金项目，“汽车电动助力转向控制技术及其与整车的匹配”，建立了电动助力转向系统的动力学模型，应用计算机仿真与试验相结合的手段，围绕EPAS的匹配设计和性能评价展开了研究。 2．论文的主要内容 本文共分六章，研究内容可以归纳如下： 第一章，概述了传统液压动力转向和电控液压动力转向的优缺点；介绍了EPAS的发展现状、工作原理、关键部件、分类和发展方向。通过与传统液压动力转向系统相比较，指出EPAS具有节约燃料、能够很好地协调汽车低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时的路感之间的矛盾、无泄漏有利于环保等许多HPS和EHPS无法实现的优点，说明EPAS是动力转向技术的发展方向之一，具有广阔的应用前景。 第二章，建立了转向轴助力式的EPAS动力学模型，对转向轴助力式、小齿轮助力式和齿条助力式三种型式的EPAS模型进行了统一。建立了整车两自由度动力学模型，同时确定了转向阻力矩，通过给定直线型助力特性，确定了助力电机的输出扭矩。运用状态空间的分析方法对EPAS动力学模型 吉林大学硕士研究生学位论文 进行了求解计算，通过与双纽线和蛇形两种典型工况道路试验测得的试验数 据相对比，验证了模型的正确性。 第三章，对EPAS的助力特性与整车的匹配设计进行了研究。首先介绍 了E队S助力特性的基本概念和直线型助力特性、折线型助力特性、曲线型 助力特性三种典型助力特性的特点;仿真分析了直线型助力特性的助力增益 系数对转向轻便性、路感以及整车动态响应的影响，结果表明:增加直线型 助力特性的助力增益系数可以提高转向轻便性，并且能使汽车转向运动的动 态反应变快，但是却降低了高速行驶时的路感;通过调整车速感应系数，使 整车侧向加速度在0.39时的转向盘扭矩，与文献[24〕给出的研究结果一致的 方法，确定了车速感应系数，得出了直线型助力特性的助力增益曲线族。 第四章，对E队S的助力电机、扭矩传感器、减速机构与整车的匹配设 计进行了研究。探讨了助力电机匹配设计的基本问题:总结了各种电机的特 点，由于永磁无刷直流电机具有能够提供更大的扭矩、效率高、控制器简单 等特点，因此电机更适合在EPAS上应用;比较了三种助力型式E队S的特 点，具体车型采用何种型式主要依据汽车前轴的空间大小、前轴荷、电机的 特性等来确定;电机最大输出扭矩应与前轴荷、减速机构、转向系的传动比 相匹配;电机的转速应与驾驶员转动转向盘的转速相匹配。仿真分析了电机 转动惯量对系统动态性能的影响，结果表明:电机的转动惯量对系统的动态 性能有很大影响，电机的转动惯量过大，转向盘扭矩、整车横摆角速度都出 现了抖动现象，并开始发散，为保证系统的稳定，电机的转动惯量应尽可能 小。仿真分析了减速机构减速比对整车性能的影响。指出，减速机构的减速 比放大了助力电机的输出扭矩，同时也放大了助力电机的转动惯量等电机参 数对系统的影响。因此，增加减速比可以提高转向轻便性，却降低了汽车高 速行驶时的路感，同时使汽车转向运动的动态反应变差。仿真分析了扭矩传 感器刚度对系统的影响，仿真结果表明:随着传感器刚度的降低汽车转向运 动的动态反应变差;并且扭矩传感器刚度的降低可以增强整车的不足转向性 能，设计扭矩传感器的时候要综合考虑其对整车动态性能和不足转向性能两 方面的影响。 第五章，总结和探讨了适合E队S的性能试验与评价指标，并给出了部 分试验实例。其中，针对转向轻便性可进行原地转向试验与双纽线试验或用 台架试验模拟原地转向试验，采用转向盘平均作用力、转向盘最大作用力和 摘要 旦里旦照照照组旦口旦里口口绝绝里 作用效能指标三项评价指标。对于转向盘中间位置区域性能可进行蛇行试验 或转向盘转角正弦输入试验，采用转向盘力矩与侧向加速度关系曲线和转向 盘力矩与转向盘转角关系曲线中的侧向加速度为0.19时转向盘力矩梯度等七 个评价指标。转向回正性可参照GB/T 6323.4一94汽车操纵稳定性试验方法 中的转向回正性试验进行。此外E队S总成，还需要进行助力特性、转向盘 振动、能量消耗、可靠性等一系列评价与试验。 第六章，总结了本文的主要内容和结论，并展望了下一阶段的研究方向。