彭 冲，姚 波，李 连

(重庆车辆检测研究院有限公司国家客车质量监督检验中心，重庆 401122)

随着汽车转向技术的快速发展，电动助力转向(EPS)系统以其能耗低、结构模块化等特点，成为了目前最具代表性的助力转向装置，已普遍应用于汽车［1］。EPS系统中由于电动特性与转向助力相互不匹配导致汽车操纵性能降低且驾驶员转向路感差是目前EPS系统实际应用过程中的主要问题［2］。为完善电动特性与转向助力相互匹配，需设计一款高效的电动助力转向系统试验台，以便EPS系统进行各类性能试验以完善其性能设计。

目前EPS系统试验台局限于采用伺服电机、磁粉制动器、液压装置和弹簧方式加载［3－5］。该类加载方法存在一定局限性，有阻力加载困难、响应速度慢、非线性度特性不足等缺点。本文基于电动助力转向系统特性，设计了一款具有两种工作模式的新型EPS试验台。试验结果表明，该新型试验台可有效满足EPS系统的试验需要。

1 EPS加载阻力研究

1.1 EPS助力特性分析

EPS主要由控制单元(ECU)、助力电机、减速机构等组成［6］。汽车停车、低速或者高速行驶时，需要转向力矩大小不同，电机控制器输出电流是基于助力特性曲线而来。目前助力特性有直线型、折线形和曲线形3种形式［7－9］，如图1所示。对于直线型，基于目标速度下，电机助力随角度成线性变化，简化了助力控制输出程序却降低了助力效果;对于折线型，即对转向角度进行分段，利用折线型进行助力加载，提高了助力效果;对于曲线型，即理想的助力特性曲线能有效地提高驾驶的转向轻便性及操纵稳定性，但实现难度高。

图1 EPS助力特性曲线

1.2 试验台加载阻力分析

为确定所开发的EPS试验台的加载阻力，本文基于图1(c)非线性转向助力特性曲线，对汽车转向阻力进行分析。有研究表明［10］，转向阻力(即加载阻力)主要由转向轮回正力矩产生。汽车转向过程中，对转向系统回正力矩的影响因素众多，其中主销内倾角γ和主销外倾角β为主要因素。

车辆转弯时，路面对转向轮的侧向反作用力为:

式中:Ff为前轴垂向支撑力;Fr为后轴垂向支撑力。

设主销轴线与路面接触点之间垂向距离为e，则e为:

式中:r为轮胎半径;θ为转向轮偏转角。则由主销后倾角产生的回正力矩为:

当转向车轮在外力作用下绕主销旋转角度θ时，由于主销内倾角的存在，汽车势能增加，基于能量方程则β对应的回正力矩为:

基于主销后倾角与主销内倾角对应的回正力矩公式，则横拉杆转向加载阻力Fm的计算公式为:

式中:d为主销与转向横拉杆的纵向距离。

基于 GB 17675－1999［11］，针对某款纯电动工程车，采用式(1)，以行驶速度v与转向偏角θ为变量对转向横拉杆上的加载力Fm进行计算，结果如图2所示。

图2 加载力随行驶速度v与转向偏角θ变化曲面

由图2可知，当车速为10 km/h，转弯半径为R=12 m(则θ=arcsin(L/R))时，转向横拉杆加载阻力为2 000 N左右，与实测结果基本一致，式(1)可作为试验台加载阻力的计算公式。

2 EPS试验台开发

2.1 EPS试验台原理

基于试验台加载阻力Fm的计算公式，为精确模拟EPS系统在转向过程中横拉杆的加载力，本文基于EPS自身助力特性提出采用一套EPS作为阻力加载件，另一套EPS作为被测试件，如图3所示。

图3 EPS试验台原理图

图3中，被测EPS与加载EPS通过传感器1连接，右侧挡板与底板为可固定滑轨连接。加载EPS系统左端直接与线性加载弹簧及挡板相接，对应挡板与底板同为可固定滑轨连接。

基于可固定滑轨连接方式，该试验台可分为两种加载方式:一种为EPS被动加载，用于已生产的EPS的调校与测试;另一种为弹簧补差主动加载，用于新型EPS的研发。

1)EPS被动加载方式。即单独采用加载件EPS进行加载，此时取掉左右两侧的加载弹簧。当被测件EPS转动时，其加载力仅由加载件EPS提供。采用该种方式需提供较精准的EPS加载件系统，在测试过程中，不断提供所对应加载力。

2)弹簧补差主动加载方式。即两侧挡板与底板滑轨连接固定，被测EPS在左右转动过程中，由于弹簧与挡板为非固定连接，则只对相应一侧加载弹簧进行压缩，同时另一EPS对加载力进行主动补差。若被测EPS转向盘向右侧转动时，被测EPS横拉杆右侧受到右端加载弹簧作用力，同时受到加载EPS通过转向助力电机作用在被测EPS横拉杆右侧的非线性主动力作用，对目标加载阻力进行主动补差，以完成所得转向横拉杆加载力的精确加载。若被测EPS转向盘向左侧转动，同理进行加载，则横拉杆加载力Fj为:

式中:k为对应一侧的弹簧刚度;c为横拉杆位移;Fs为加载EPS提供的非线性主动补差力。准确的转向阻力是位移的非线性函数，采用线性弹簧力与可控的非线性主动补差力叠加为非线性加载力，可较精确地模拟转向过程中的加载阻力。

2.2 试验台结构设计及测试

基于EPS试验台工作原理，对试验台进行结构设计。考虑加载试验台成本及轻便性，采用可固定钢板作为EPS试验台平台，采用倒T型支撑结构。基于某款EPS系统进行设计并加工的试验台如图4所示。

图4 EPS加载试验台实物装配图

由于试验台需在EPS被动加载与弹簧补差主动加载两种模式下工作，所以左右挡板采用可拆卸挡板。当试验台在EPS被动加载模式下，则取下左右两侧加载弹簧;当在弹簧补差主动加载模式下，则安装左右加载弹簧以提供主动加载力。

测试过程中，若需对已生产的EPS进行快速调校与测试，可采用EPS被动加载模式，无需对EPS加载件进行控制，即取下加载弹簧，安装挡板，即可实现;若需对新研发的EPS系统进行试验，侧可采用弹簧补差主动加载模式，在设置固定车型参数后，输入不同转速、不同车速可自动计算对应的转向阻力。测试流程如图5所示。

基于试验台所安装EPS系统为加载件，采用弹簧补差主动加载模式，对试验台模拟目标加载力功能进行验证测试，针对安装EPS系统某特定目标曲线进行加载，加载对比图如图6所示。在试验过程中各机构无相互干涉等现象。

由图6可知，试验台弹簧补差主动加载模式，能较好地模拟目标加载力。

图5 主动加载控制流程图

图6 弹簧补差主动模式下加载力对比图

3 结束语

本文针对目前EPS系统加载情况存在的问题，设计一种新型电动助力转向试验台，可在被动加载及主动加载两种模式下工作。实践证明，所开发的EPS系统试验台提高了现有的EPS系统的调校与测试效率，为新型EPS系统的研发提供了支持。

修改稿日期:2018－05－14