电动助力转向系统性能的仿真试验*（续2）

刘超颖 张璐 王战中 吴文江

（1.河北中医药大学；2.石家庄铁道大学）

2.2 输入输出特性试验

EPS输入输出特性曲线体现了输入输出力矩的关系。根据汽车行业相关标准，输入输出特性应满足4个条件：1）当车速很慢或汽车静止时，要求有足够的助力转矩，保障转向轻便性；2）当方向盘力矩超过10 N·m时，系统要保持转向助力恒定；当方向盘力矩小于1N·m时，助力为0，保证驾驶路感；3）车速越大转向助力越小，保障汽车的行驶安全；4）输入输出曲线的对称度不低于85%，保证转向系统的稳定性。

当方向盘力矩超过10 N·m时，系统会保持转向助力恒定。选取输入信号为：-15sin（2πt+π/2），保障方向盘力矩从-15～15 N·m平缓过度，仿真时间为0.5 s，观察各种车速下的输入输出特性。

图7示出EPS的输入输出曲线。从图7可以看出，慢车速下的助力转矩要高于快车速时的助力转矩；当车速为0时，助力转矩最大，约为20 N·m，保障了转向轻便性。当方向盘转矩在-1～1 N·m时，助力转矩为0；当方向盘转矩值超过10 N·m时，助力转矩保持恒定，有效的保障了转向路感。随着车速的增加，助力转矩也越来越小，保障了汽车的行驶安全。输入输出曲线对称度很高，满足输入输出曲线的对称度不低于85%的要求，保障了转向系统的稳定性。

图7 电动助力转向系统的输入输出特性曲线图

2.3 助力电流特性试验

根据汽车行业相关规定，助力电流特性需满足2个条件：1）车速低时电流大，保障转向轻便性；2）随着汽车行驶速度的加快，助力电流越来越小，以满足汽车高速行驶下的稳定性需求。

当方向盘输入力矩为-2sinπ/3x，仿真时间为6 s，汽车分别以 0，30，60，90，120 km/h 的速度行驶时，其仿真结果，如图8所示。从图8可以看出，车速低时，电流大，保障转向轻便性；随着车速的加快，电流越来越小，满足了汽车高速行驶下的稳定性需求。

图8 电动助力转向系统的助力电流特性试验曲线图

2.4 转向轻便性试验

转向轻便性是指车速很慢时系统转向的灵活性，通俗的来讲就是开车很轻松。在相同的车速、方向盘转矩和转向时间下，通过比较无助力转向力矩和有助力转向力矩来观察转向轻便性。转向力矩是驾驶员提供方向盘力矩与电机助力力矩的和。

设定车速为0，30，60 km/h对电动助力转向系统的转向轻便性进行分析，给予方向盘一个-2sin πx的转矩，设置仿真时间为2s，观察转向力矩。图9示出电动助力转向系统的转向轻便性试验曲线。从图9可以看出，随着车速的变小，转向力矩逐渐增大，符合轻便性的要求。当车速为0时，助力转向力矩最大值约为4 N·m，是无助力转向力矩最大值的2倍，满足了转向轻便性的要求；当车速为30 km/h时，转向力矩最大值是无助力转向力矩最大值的1.5倍，满足了电动助力转向系统的轻便性要求；当车速为60 km/h时，转向力矩最大值是无助力转向力矩最大值的1.3倍，兼顾了轻便性和路感。

图9 电动助力转向系统的转向轻便性试验曲线图

2.5 转向回正性试验

转向稳定性是指车速很快时，助力尽可能小或为0，齿条位移曲线连续平缓，确保路感和稳定性。

回正特性就是方向盘在转过一个角度后，在没有外力的干扰下，方向盘可以自动回正。根据国家标准，进行低速回正试验（车速30 km/h）和高速回正试验（车速90 km/h），要求低速回正曲线经过原点，高速回正曲线残留角＜5°。

输入车速信号为30 km/h，方向盘力矩为2.5 N·m，当方向盘转角达到最大值时，不再提供转向力矩。以方向盘转角为横轴，方向盘扭矩测量值为纵轴，做低速回正特性曲线，如图10a所示；然后再以车速90km/h，方向盘转矩为3N·m，做高速回正特性曲线，如图10b所示。

图10 电动助力转向系统的高低速回正特性试验曲线图

如图10所示，回正曲线光滑无跳跃，表明系统回正平稳。低速回正曲线经过原点，高速回正曲线残留角为3.8°，皆符合相关要求，表明系统回正性能良好。

2.6 反向冲击试验

反向冲击试验是指，如果轮胎碰到地面的冲击，EPS能否迅速响应，并且保障汽车平稳行驶。

根据汽车行业标准，反向冲击力需为方向盘力矩大小的40%，作用时间为0.01 s。设定车速为60 km/h，方向盘力矩为-2.5 N·m，作用时间0.5 s。在转向器输出端加载冲击力为1 N，方向与方向盘力矩方向相反，作用时间为0.01 s，且在方向盘力矩作用0.3 s后加载冲击力。图11示出电动助力转向系统的反向冲击试验曲线图。

图11 电动助力转向系统的反向冲击试验曲线图

从图11a可以看出，在受到反向冲击力后，助力电机电流响应迅速，在0.01s内迅速响应并达到稳定，满足反向冲击试验的要求；从图11b可以看出，在受到反向冲击力后，方向盘转角曲线光滑平稳变化，没有出现来回摆动，转向摆动角小于3°，满足了汽车行驶平稳的要求。

3 结论

通过联合仿真创建了试验台架的虚拟试验平台，根据汽车行业的相关标准进行了相关性能试验。试验结果表明：汽车在高速行驶时电机提供的转向助力小，满足了驾驶员对路感的要求；汽车在低速行驶时转向助力明显增大，满足了转向轻便性的要求。回正试验表明：低速回正曲线经过原点，高速回正曲线残留角＜5°，符合汽车行业国家标准。当轮胎受外力冲击时，电动助力转向系统的响应时间小于0.01 s，满足要求；当汽车平稳行驶时转向跟随性良好，保证了汽车行车安全。通过机电一体化仿真，达到分析EPS性能的目的，为评价EPS的性能提供依据。