一种汽车电动助力转向系统耐久测试设备的开发

2021-03-05郑春刘运来宋志才赵开瑞

汽车零部件 2021年2期

郑春，刘运来，宋志才，赵开瑞

(山东凯帝斯工业系统有限公司，山东德州 253023)

0 引言

电动助力转向系统，凭借其低能耗、结构简单、占空间小、优秀的回正能力、根据车速调节的性能、主动转向等特点，广泛应用于乘用车中。汽车转向系统台架耐久性测试，是验证转向系统疲劳耐久性能、验证产品设计极限寿命的必要手段。随着验证要求的不断提高，模拟极限工况、验证在过载或过热情况下系统的保护功能的有效方式[1]。

转向系统耐久设备，最初是最简单的直线加载、输出端恒定加载、输入端固定转速及转角条件下，运行设定的次数。但是这种单一的耐久测试，无法全面地对转向系统进行评估，往往在道路测试中，会出现很多台架测试中没有发现的问题。系统的耐久性台架测试随着测试技术的积累与不断创新的过程中，得到不断提升。

系统首先在设备形式上进行了优化升级。可模拟实车状态下转向输出端双端摆动加载、载荷可变可调，有效模拟球头部位的上下振动；输入端可实现不同行车工况下的输入转角及输入转速的变化；搭载泥水、温度等环境的变化，让耐久测试更接近实车状态。

在测试方法的搭建上，根据不同的里程分布、环境分布、载荷分布及驾驶员习惯分布等因素定制不同的测试方法，可配置式的软件能更加简单高效地进行软件开发，提升个人和团队的交付能力和效率。

1 电动助力转向系统组成及工作原理

电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)由电动助力电机直接提供转向助力，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。

驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元(ECU)，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转矩电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。汽车不转向时，电子控制单元不向电动机控制器发出指令，电动机不工作[2]。电动助力转向系统如图1所示。

图1 电动助力转向系统

2 测试设备测试项目及功能

首先，满足《QC/T 1081—2017 汽车电动助力转向装置》行业标准的测试要求。

为了更接近实车全寿命转向系统的耐久工况，分别从里程分布、环境分布、载荷分布及驾驶员习惯分布等条件进行试验的搭建。里程分布，包括整车寿命下行驶里程，一般会取30万km；在整车寿命下各种路况的分布，包括高速、乡村道路、城市道路、严苛的道路、静态驻车等按照实车状况进行对应时间或次数的设定[3-4]，路况分析见表1。

表1 路况分布示例

环境分布，比如泥水环境、高低温环境、耐温湿试验等。载荷分布，包括通过整车前桥载荷计算转向系统的额定载荷；在全行程下载荷的变化，在转向全行程角度50%以下水平时，左右横拉杆力是正弦对称的；在转向全角度50%以上时，载荷曲线不再是正弦曲线，且左右横拉杆的力分布是不对称的，通常拉杆力与额定载荷按照比率2∶1分布。驾驶员习惯分布，则体现在输入转速的变化、转角的变化、极限位置停顿的变化等，加载曲线如图2所示。

图2 加载曲线

3 测试系统功能设计

3.1 机械结构及功能设计

测试系统采用台架式结构，由输入驱动轴一套、旋转加载轴两套、上下振动轴两套，简称为五轴系统。被测试转向系统实车角度安装，转向器的安装角度及管柱部分的布置角度均可调节。输入端驱动装置模拟转向方向盘的转动；两端旋转加载系统模拟实车转向节臂，对转向系统施加载荷；输出加载装置复合上下振动机构，模拟实车状态下对转向器球头部分的高频的震动。测控系统整体示意如图3所示。

图3 测控系统整体示意

3.2 输入驱动装置

输入驱动装置通过伺服电机实现，串联扭矩传感器及角度传感器，可实现精确的角度控制、位置控制及扭矩控制。通过扭矩传感器及角度传感器可精确地将输入扭矩及角度进行检测。输入驱动装置，安装在多维度支撑调节模组上面，可实现空间内角度及位置的调节，从而满足不同实车角度的调整。输入驱动系统结构如图4所示。

图4 输入驱动系统结构

3.3 输出加载及振动装置

输出加载通过伺服旋转加载方式实现，通过拐臂将伺服电机及减速机的加载扭矩转变为加载力。系统在旋转主轴的一侧添加一套滚珠丝杠机构，滚珠丝杠通过伺服电机驱动，实现输出端的上下运动。伺服电机正反转动带动滚珠丝杠转动从而带动转向器球头拉杆上下震动，系统模块可根据不同的路况设置不同的振动幅度，从而更好地模拟球头的振动对转向系统的影响。输出加载及振动装置如图5所示。

图5 输出加载及振动装置

如图6所示，摆臂加载以A点为中心，通过伺服电机的驱动，减速机的传动，输出力矩T，使摆臂AM左右摆动，输出到转向器的力为F。

图6 旋转加载原理

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最大为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)

当摆臂与F方向垂直时系统所需力矩最小，当摆臂行程达到最大时CD=100,故α最大为18.43°系统所需力矩最大。

3.4 工业控制部分

系统采用上下位机模式。下位机由专用运动控制器实现，用于系统的伺服电机的运动控制，根据上位机给出的指令进行输出轴的加载与输入端的驱动，可根据对应的角度及力的传感器进行精确的闭环控制。上位机采用工业电脑及显示器组成，作为上位机软件的运行平台，实现与下位机信息的交互，测试条件的设置，曲线的显示与试验数据的实时保存。

上下位机的模组，可以让下位机保持更好的运算速度与实时性，使得控制更精确；同时也解放了上位机运算的工作量，使得系统更加顺畅。

3.5 可配置式软件系统

软件开发平台KEYEN是通过抽象工厂模式面向软件开发者提供的一站式Mult ithreading开发平台。程序员基于模块化开发模式按需调用功能组件，可以实现硬件端口的自动配置，不同设备端口之间的无缝切换，并且可以轻松完成软件项目管理、配置管理、代码检查、编译、构建、测试、部署、发布等，能更加简单地进行软件开发，提升个人和团队的交付能力和效率。

测试人员可自由搭建测试流程，并可设定不同的加载曲线，让设备具有更好的开发性与通用性。通过以上特点，可实现转向系统在不同工况下的测试，可实现七阶或十二阶的耐久测试，根据测试的耐久工况实现不同里程分布、环境分布、载荷分布、驾驶习惯等的不同测试。