电动助力转向系统助力特性研究

裴学杰，杨世文，季茜

（1.中北大学，山西 太原 043500；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710043）

电动助力转向系统助力特性研究

裴学杰1，杨世文1，季茜2

（1.中北大学，山西 太原 043500；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710043）

概述了电动助力转向系统(EPS)的结构和工作原理，并介绍了电动助力转向系统助力特性的设计方法。在分析了电动助力转向系统各组成部分数学模型的基础上，构建了基于Simulink与carsim的电动助力转向系统仿真模型，仿真结果表明：所设计的助力特性较好地协调了转向轻便性和路感之间的矛盾。

电动助力转向；助力特性；建模；仿真

CLC NO.:U463. 44Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-51-03

引言

汽车工业发展至今，对汽车主动安全性和使用经济性、环保等方面提出越来越高的要求。传统的液压动力转向系统已经广泛应用于多数车辆上，液压动力转向可以很好满足车辆转向快捷、轻便等方面的要求，但其自身弱点也日益显现。电动助力转向系统因其有效解决了车辆在操纵稳定性方面的问题，具有兼顾低速转向轻便性和高速增强转向路感的优点，同时有利节能、环保，因而成为汽车电子控制的研究方向之一。

1、EPS系统的结构组成和工作原理

电动助力转向系统最初的发展概念是应用于前轴荷1吨的车辆上，目的在于改善转向的路感、提高高速行驶安全，同时改善车辆燃油经济性。电动助力转向系统的结构如图1-1所示。

当传感器检测到驾驶员有转向意图时，将信号提供给控制器，控制器通过各种算法，给出一个控制信号(一般为电流)到电机，电机通过机械结构输出一个辅助的转向力矩，辅助驾驶者控制车辆转向。

2、电动助力转向系统的动力学模型

汽车转向系统是由多个惯性元件和弹簧、阻尼组成的。通过简化，可以得到转向盘和上端转向柱、助力电动机、下端转向柱、齿轮齿条和左、右转向轮等六个电动助力转向系统的动力学元件，如图2-1所示。

将各动力学元件列成动力学微分方程：

转向盘和上转向柱：

下转向柱：

电动机：

齿条：

前轮：

式中，θc为转向盘输入转角；Jc为转向盘转动惯量；Bc为上转向柱的阻尼系数；Kc为上转向柱的扭转刚度；Td为转向盘输入力矩；θe为下转向柱转角；Je为下转向柱转动惯量；Be为下转向柱的阻尼系数；Ke为下转向柱的扭转刚度；θm为助力电机转角；Jm为助力电机转动惯量；Bm为助力电机阻尼系数；Km为助力电机轴扭转刚度；χr为齿条移动量；rp为小齿轮分度圆半径； Mr为齿条质量；Br为齿条阻尼系数；Kr为齿条刚度；Fδ为齿条端作用力；A 为转向器端至前轮的力臂传动比；θFW为前车轮转角；JFW为前轮绕主销的转动惯量；BFW为前轮绕主销的阻尼系数；KFW为前轮绕主销的转动刚度；MZ为前轮回正力矩。另外，前轮方程为单侧车轮的方程，左前轮、右前轮各满足一个前轮方程。将方程2-1至2-5连立，就为EPS 动力学模型方程组。

3、电动助力转向系统的助力特性曲线

电动助力转向系统的助力特性可以有多种曲线形式，图 3-1分别为直线形、折线形和曲线形式的助力特性曲线。图中可见，特性曲线都有三个区域，当0≤Td

a. 直线形助力特性 在助力变化区域中，转向盘输入力矩与助力力矩按线形变化规律。其函数表达为：

式中，Ta为电动机助力力矩；K(v)为斜率函数，是速度的函数；Td为转向盘输入力矩；Td0为电动机开始提供助力时的转向盘输入力矩，即电动助力转向系统开始作用时的输入力矩；Tdmax为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。

b. 折线形助力特性 在助力变化区域中，特性

曲线呈分段线形变化。以图示中的两段折线为例，函数表达为：

式中，K1(v)和K2(v)分别为两段直线的斜K率函数，仍然是速度的函数；Td1是斜率由K1变为2时的转向盘输入力矩。

c. 曲线形助力特性 在助力变化区域中，助力力矩和转向盘输入力矩呈非线形变化，函数表达为：

比较三种助力特性曲线：直线形确定简单、便于控制系统设计，调整也简便。缺点在于虽然可以感应车速对助力曲线的斜率特性做出变化，但对于输入的高、低区域却不能区别对应，输出为线性、路感单一，故无法很好协调路感和轻便性的关系；非线性曲线在感应速度的同时，每条曲线自身又感应高、低输入区域进行变化，是十分理想的特性曲线，但在确定过程中需要大量和稠密的理想转向盘力矩特性信息，故确定和调整都不容易；折线形的优、缺点则介于二者之间。

由上述曲线可以看出，直线型助力特性的特点是斜率越大转向盘力矩越小，即所用来转向的力越小，转向越省力，因此我们选择直线型助力。

4、EPS的仿真分析

对建立的EPS的动力学模型，采用直线型助理特性，用已知某样车的carsim的整车模型与simulink进行链接进行仿真，模型的结构如图4-1所示。

助力特性的确定需要根据理想转向盘力矩值，最终应满足低速时的轻便性和高速时增加“路感”的目的，为此，我们分别进行了原地助力转向仿真（零助力），车辆速 度为30 km/ h 时的转向仿真(加助力)和车辆速度为70 km/ h的转向仿真(加助力) ,仿真结果如图4-1所示。

根据仿真结果，不加助力时，原地转向最沉重；加助力时，转向盘转矩大大减少，转向轻便性提高；当车速提高，转向盘上的转矩相应增加，说明车速提高后，驾驶员获得了较强的路感。

5、结论

本文介绍了电动助力转向系统（EPS）的系统组成和工作原理，通过建立EPS动力学模型，基于simulink为平台结合carsim整车模型对直线型助力特性进行仿真分析，结果表明所设计的助力特性可以满足车辆对路感的要求，对EPS产品开发有一定指导意义。

[1] 汽车工程手册（设计篇）.北京：人民交通出版社，2001.

[2] 刘晓青.现代汽车转向系统的发展趋势 [J]. 上海汽车, 2004 年11 期.

[3] 施国标、林逸、张昕.动力转向技术及其发展 [J]. 农业机械学报，2006年10月.

[4] Yasuo Shimizu and Toshitake Kawai. Development of Electric Power Steering. SAE paper 910014.

Research on Electric Power Steering System Properties

Pei Xuejie1, Yang Shiwen1, Ji Xi2

The structure and working principle of the electric power steering ( EPS) system were summarized and the design method of the assistance characteristic of the EPS system was introduced. From the analysis of the mathematical models of the component modules of the EPS system a simulation model based on Simulink and carsim was built.The simulation results show that the designed assistance characteristic alleviates the contradiction between the steering agility and the road feel.

Electric Power Steering; Assistance Characteristic; Modeling; Simulation

U463. 44

A

1671-7988(2014)03-51-03

裴学杰，就读于中北大学。