浅析汽车电动助力转向系统开发与验证

浅析汽车电动助力转向系统开发与验证摘要：随着我国科技的发展，汽车电动助力转向系统也得到了发展，汽车底盘正由传统底盘向线控底盘过渡。

为了追求更高的执行精度、更快的响应速度及更好的安全性，智能驾驶汽车要求底盘系统能够尽可能取消执行机构间的机械连接，用电信号来传递指令。

其中，线控转向是线控底盘中控制横向运动的核心部件，是汽车高阶智能驾驶的重要执行机构。

关键词：引言乘用车转向系统的发展历经纯机械转向系统—液压助力转向系统—电动助力转向系统3个阶段,目前已全面进入电动助力时代。

根据助力形式的不同,电动助力转向系统可分为转向轴助力式、单齿轮助力式、双齿轮助力式、带传动单齿条助力式4种。

选择助力形式的一个关键因素是最大齿条力等力学特性参数,因此转向系统的力学特性分析对电机选型至关重要。

目前对于转向系统的研究大都聚焦于转向控制的策略,对于力学特性特别是齿条力的实车测试方面的分析还比较少。

1汽车电动助力转向系统特征分析1.1耗能量低汽车电动助力转向系统相较于传统汽车转向系统而言，具有耗能量低的特征。

具体而言，传统液压动力转向系统需通过电动机带动液压油流动而产生转向动力，液压油等资源浪费严重，转向能量消耗量大。

而汽车电动助力转向系统则可更好地控制能量输出，在汽车转向时进行能量的输出，实际能耗量低，大大提升了汽车与运行期间的经济效益及安全效益。

1.2转向跟随力强汽车电动助力转向系统的转向跟随力更强，在系统实际运行过程中，电动机与其他结构直接相连，使车轮转向期间前后摆振率降低，切实提高了汽车专项时的效率，对驾驶员的人身安全提供了重要保障。

不仅如此，对传统液压转向系统相比，汽车电动助力转向系统中迟滞效应小，抗扰能力强。

1.3稳定性高汽车电动助力转向系统具有稳定性高的特征。

以汽车高速运行转向情况为判断汽车稳定性的重要依据，采用汽车电动助力转向系统可帮助汽车在方高速行驶期间迅速回正，通过计算机网络系统的全程控制，确保汽车转向期间的安全性，提高驾驶员驾驶体验。

1.4转向回正性灵活汽车电动助力转向系统的转向回正性能为灵活，可通过计算机软件编程及硬件控制，提高转向回正的灵活性，更好适应汽车行驶过程中的力矩及车速。

不仅如此，利用汽车电动助力转向系统可将转向回正性编辑在运行程序中，因此在提升汽车转向性时所需花费资金较少，对提高汽车运行期间的经济效益具有重要影响。

2转向系统助力特性分析2.1车辆行驶转向阻力矩当车辆从原地起步后,轮胎和地面间的摩擦阻力矩由静态变为动态,转向阻力矩减小,回正力矩逐渐增大并开始成为主要阻力矩因素。

回正力矩主要由侧向力回正力矩、重力回正力矩和纵向力回正力矩组成。

其中侧向力回正力矩主要与轮胎拖距和主销后倾有关,是车辆在高速转向时需要克服的主要转向阻力矩。

回正力矩可通过车辆的轮胎模型和悬架动力学模型来计算。

2.2稳态圆周行驶方向盘力矩对于电动助力转向的车辆来说,当方向盘在中间位置附近时,提供较小的转向助力可以使司机获得较强烈的转向中心感,随着侧向加速度的增大,方向盘力矩和电机助力矩也会增大,但方向盘力矩的增长梯度应保持恒定甚至降低。

实际上对于同一车辆,方向盘力矩是分布在很大范围内的,为了获得舒适的转向感觉,还需要讨论在稳态圆周行驶工况下方向盘力矩与其他参量的关系。

3电动助力转向系统的开发思路和过程3.1电动助力转向系统的开发思路汽车电动助力转向系统的开发属于汽车产品开发的范畴，也必将遵循汽车产品开发的思路和过程。

汽车电动助力转向系统开发阶段主要是需要进行目标设定与分解，需要进行整车级目标设定、系统级目标设定、零部件目标设定，从整车级对转向系统的需求分解到系统级的需求，再到零部件级的需求；这是一个从整车到系统到零部件，自上往下的目标设定与分解过程。

3.2电动助力转向系统的开发过程汽车电动助力转向系统的开发有自己的开发特点和内容。

电动助力转向系统主要是在机械转向系统的基础上增加了电动助力部分，根据作用在转向盘上的转矩、转角和车速等信号，通过电子控制模块使电机产生相应的助力，目的是保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。

3.2.1助力形式对于电动助力转向系统的开发，首先需要确定助力的形式。

电动助力转向系统按电动机的布置位置不同分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式。

转向轴助力式电动助力转向机构的电动机布置在转向盘的下方，并经过蜗轮蜗杆减速机构与转向轴连接。

这种布置形式使电动机输出的助力力矩相对小些，适用于前轴载荷较轻的乘用车上。

齿轮助力式电动助力转向机构的电动机布置在与转向器主动齿轮相连的位置。

这种布置形式与转向轴助力式相比，可以提供较大的助力力矩，适用于中型车。

齿条助力式电动助力转向机构的电动机和减速机构等布置在齿条处，直接驱动齿条实现助力。

这种布置形式与齿轮助力式相比，可以提供更大的助力力矩，适用于大型车。

3.2.2助力特性电动助力转向系统的助力特性是电动助力转向的关键技术之一。

助力特性是指助力力矩随汽车运动状况变化而变化的规律，对动力转向系统的转向轻便性、回正性及路感等有重要影响。

理想的助力特性能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并给驾驶员提供与手动转向尽可能一致和可控的转向特性，使助力特性最终达到在低速行驶时转向轻便和高速行驶时有转向“路感”的目的。

电动助力转向系统采用由电动机提供的助力力矩与转向盘输入力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性。

助力特性曲线可以分为直线型、折线型和曲线型三种类型。

直线型和折线型助力特性曲线的特点是：助力增益在固定车速下固定不变，因此控制实施更简便易行，但是在转向阻力上升很快时只能按固定比例提供助力；曲线型助力特性曲线的特点是：在一定车速下助力力矩随转向盘输入力矩增大而迅速增加，因此更有利于减少受力。

3.3关键系统和零部件的开发（1）转向器转向器作为转向系统的重要部件之一，连接转向传动机构（转向管柱、转向中间轴）和转向节及转向车轮，是车辆完成转向功能的重要执行机构。

（2）转向传动机构转向传动机构是连接转向盘与转向器的传动机构。

主要由两部分组成：一部分是转向管柱，另一部分是转向中间轴。

它的作用是将转向盘上的手力传递给转向器，并将转向车轮受到的力和冲击反馈到转向盘使驾驶员能够感知路面情况，对车辆采取正确的操纵。

转向系统的传动效率、转向系统的传动比、转向系统的刚度以及转向系统所能提供的最大齿条力等内容作为转向系统的性能要求需要在设计开发中进行重点关注。

4线控转向系统的技术难点和优势4.1线控转向系统的技术难点线控转向系统需要实时地通过手柄给驾驶员尽可能准确地传递有关轮胎、路面和离合器啮合情况的触觉信号。

这些信息对驾驶员来说有重要的参考意义，因为驾驶员可以据此调节合适的驾驶速度，并据此进行加速和刹车。

此外，为了保证驾驶员的安全，就必须保证更为复杂的电子系统的运算不会出错。

而在电动和混合动力汽车中，电动机直接驱动转向轮，安装线控系统的安全性要高于内燃机车。

4.2线控转向系统的优势4.2.1高适应性和灵活性通过这种方式，借助于参数化的软件，转向系统可以适应各种车型。

由此可以调节车辆的驾驶灵敏度，实现与车型的匹配。

还可以根据驾驶与那的习惯设置个性化的参数，并将数据存储下来。

此外，线控转向还可以根据速度调节传动比、转向幅度、转向偏差，实现自动停车入位等，提高驾驶稳定性。

4.2.2自动转向和新功能的实现通过将转向盘和转向轮分开的方式，能实现更多功能。

当车载传感器发现驾驶员未察觉到的障碍物时,可以进行全自动的方向控制和转向机动。

一个与制动、传动系统相结合，完全实现自动化的驾驶系统将在不久的将来得以实现。

4.2.3降低生产成本当软件上能完成更多的硬件任务时，就能显著降低线控系统的成本，从而更易被市场认可。

此外，每个转向轮可以实现单独转向，2个前轮的转角由软件通过一定的算法进行计算，使得当今使用的各种悬架得到大大简化。

5汽车电动助力转向系统设计重点5.1控制电路的设计在电动助力转向系统控制电路设计过程中，相关工作人员应从以下三个方面入手：第一，对电动助力转向系统中转矩信号的采集电路系统进行设计，利用滤波处理技术对采集信号进行分压处理；第二，对电动助力转向系统电流信号进行控制，接入一定规格的电阻，将电流信号更好的转化为电压信号；第三，对车速信号进行控制，将实际信号输入到单片机中，通过光电耦合装置，切实提高电路安全性。

5.2控制系统的设计在电动助力转向控制系统设计期间，应从转换控制程序等方面入手。

首先，明确电动助力转向系统不同程序的功能；其次，对转换前的系统进行初始化控制；再次，依据电动助力转向系统转化需求，设置数据与控制寄存装置，然后进行上下输入通道设计。

最后，在电动助力转向系统程序设计过程中，需选择适当计算公式，以更好地明确系统实际运行期间电压值的具体额度，确保电动助力转向系统实际运行的稳定性。

6双转向桥车型设计方案6.1双转向桥车型法规应对方案6.1.1双回路转向系统工作原理双回路转向系统是在原液压动力转向系统的基础上，添加了新的功能部件，为转向机增加一套备用供油装置。

在车辆行驶过程中，一旦发动机停转或者主转向泵出现故障，系统自动切换到应急供油管路，由应急泵为转向机提供压力油，保证转向助力系统正常工作，可使车辆转向操纵力满足法规要求。

6.1.2双回路转向系统主要部件应急阀总成是动力转向系统的重要部件，具有判断转向系统主、辅回路是否正常工作的能力，当主回路流量出现异常时，自动切换到辅助回路工作状态，可配装安全阀，具有保护系统的作用，应急阀工作原理：应急阀内部接主转向泵、转向机、应急泵的油道通过单向阀相连，当主转向泵流量正常时，其流量产生的推力大于左腔弹簧推力，阀芯被推至左极限位置，此时主转向泵油液一部分经单向阀流入转向机接口，另一部分油液继续作用于滑阀内孔克服弹簧弹力，使滑阀始终处于左极限位置，应急泵内油液推动信号端的钢球后移，使钢球与传感器连杆分离，经回油口回油罐，此时传感器开关为断开状态。

当主转向泵流量不够时，流量产生的推力小于左腔弹簧推力，阀芯被弹簧弹力推至右极限位置。

滑阀运动过程中自动完成辅泵流量的换向，主转向泵和应急泵的液压油一起输出至转向机，信号端的钢球由于失去液压油推力，在弹簧的作用下向左移动，与传感器连杆接触，传感器与地导通，控制器I/O口根据该导通信号进行电动应急泵的提速，提升流量，满足应急转向。

6.2效果验证双转向桥车型采用双回路转向系统后，按原试验状态重新试验。

对比两次测量结果可以看出，驱动型式6×2和8×4的双转向桥车型，采用双回路转向系统可使车辆转向操纵力满足法规要求。

结语汽车电动助力转向系统开发属于汽车产品开发的一部分，也必将遵循汽车产品开发“V”字型思路和过程。

通过对汽车电动助力转向系统的验证思路和过程进行分析，提出了虚拟验证和实物验证的两种验证类型，同时对电动助力转向调校、测试与评价进行了深度解析，为后续转向系统的开发和验证提供参考和依据。