中型越野车转向问题浅析

黄志春 邱晨 杨振青 赵永刚

（一汽解放汽车有限公司 商用车开发院，长春 130011）

主题词： 电动辅助转向系统 EAS 越野车 机动性

1 引言

随着汽车人工智能技术的飞速发展，“解放”驾驶员成为一种趋势。智能驾驶汽车在舒适性、便捷性与经济性等方面占据优势，已经被各大汽车制造企业和科研院所重视，车辆的智能化是大势所趋,是当前汽车前沿技术研发的热点。在2018年，奥迪率先推出了行业内认可的SAE 3级Audi A8 Traffic Jam Pilot自动驾驶车，使汽车在未来智能化领域迈出实现产品级的主要一步。中重型商用车自动驾驶技术近年来也突飞猛进，能实现高速公路、港口、矿山等限定场景的智能驾驶功能。在充分借鉴民品的成功经验基础上，考虑到现代战场环境的复杂性，为抢险救灾、减少战场伤亡和侦查监控等高危险场景而开发的无人及有人驾驶[1]技术在科研机构开始大量研究。在未来，高机动性、高智能化的越野军车将对转向系统提出更高要求。传统的液压助力转向系统（HPS）显然不能满足要求。

机动性是汽车行驶过程中在各种路面条件下的快速通过能力[2]。在信息化高度发达的今天和复杂的战场环境条件下，越野车如具备更加高超的机动性能，将会大大增加战场生存下来的可能。因此，如何提升越野车的机动性能，正在成为各大车企所研讨的重大议题。受制于中型越野车前轴重量大，我国汽车技术发展等因素的影响，中型越野车还是采用传统的HPS，而HPS结构特性的束缚影响了中型越野车机动性能的提升。

2 液压助力转向系统（HPS）存在的问题

传统液压助力转向系统（HPS）一般是由发动机带动转向油泵，通过循环球式转向器提供转向助力。这种结构可以提供较大的转向助力，适合应用在中重型商用车领域。但是，路面的冲击力矩会直接传递到方向盘，在低等级路面驾驶时，路面等级越差，车速越高，驾驶员手感体验越差，甚至出现方向盘打手问题。主要原因是反向传递力矩过大所致。而中型越野车的使用场景恰恰侧重于低等级路面，因此，这个问题尤为突出。

传统的解决方法是采用降低反向传递力矩的方式进行优化系统。但是，带来的新问题就是转向反应手感差、路感差[3]的问题。因此，在优化HPS的转向机、转向泵、传递连杆及液压系统等结构上，还需要较大的改动，并且需要大量细致且漫长的试验研究工作。

3 电动辅助转向系统（EAS）介绍

中重型商用车受限于低压直流电机功率、尺寸和整车布置的限制[4]，EPS[5]暂时还无法在前轴荷大的车辆上应用，一般还需依赖HPS提供转向助力。为实现低速更轻、高速更稳的随速转向特性，同时实现遥控驾驶和无人驾驶等功能，国际上，将EPS的电控系统和HPS机械液压助力系统进行了互补结合，出现了一种新型电动辅助转向系统（Electric Auxiliary Steering，EAS）[6]。并且已经批量装配在欧洲部分高端重卡产品中，实现了产品级的应用。其不但具备基本的助力和主动回正功能，还具备摩擦补偿[7]、惯性补偿[7]和阻尼补偿[8]等功能。这对解决前述问题提供了一种可行的解决方案。2019新款Benz Arcos品牌8×4驱动型式重型商用车（前轴负载超过7.5 t）首次配备了这种电动液压助力转向系统，图1为ZF公司开发的针对重型商用车的核心组件ZF-Servotwin[9]集成电动液压控制转向器结构及原理图示。

图1 ZF-Servotwin示意[9]

该系统具有纠正干预的功能，以防止车辆偏离车道，在面对侧向风的时候，该系统的控制单元将会通过电动马达提供必要的转向修正。马达电机可以实现智能横向控制。Volvo公司推出的新款FH16重卡上应用了Volvo Dynamic Steering沃尔沃动态转向系统，Tedrive公司研发了新型智能辅助液压转向系统Tedrive iHSA(intelligent Hydraulic Steering Assist)，均是类似的产品。

4 EAS提高驾驶手感体验原理

由于EAS系统是通过控制单元给电机马达输出指令旋转来帮助驾驶员实现转向目的，伺服转向器的输入力矩Tservocom可表达为：

Tsteering wheel为方向盘力矩，TE-Motor为电机力矩，控制单元也可以对电机输入反向阻尼转矩Td_amp，到达阻尼控制功能[10]。在系统中，通过控制电机的转向加入反向阻尼转矩Td_amp的方法实现阻尼控制。

其中，Kv_damp为阻尼转矩车速相关系数，随车速的升高而增大，由不同车速试验拟合得到；nm为电机转速，电机转速越大，阻尼转矩越大；KTd_damp为阻尼转矩转向盘力矩相关系数，为使中心区向线性区过渡平滑，KTd_damp随转向盘转矩增大而减小，在低等级路面高机动性行驶时，由于车辆处于直线行驶，转向盘转矩为0，此时KTd_damp=1，阻尼扭矩处于最大值。由于路面不平所带来的车轮抖动和摆振产生的阻力矩Kinterference就受到了电机的反向阻尼转矩Td_amp[11]衰减，能够大大减少传递到方向盘的力矩。

5 某型号中型越野车配装EAS和HPS试验研究

5.1 车辆配置说明

某型号中型越野车配置见表1。

表1 某型号越野车基本配置

匹配EAS后，在转向器输入端各增加1个电机、力矩传感器、转角传感器和控制器电控单元。控制器通过采集车速、方向盘转角和力矩3个信号，进而对信号综合分析和拟合，控制电机执行输出力矩、转动方向和转动角度。电机直接驱动液压转向机执行转向动作。

5.2 低等级路面越野行驶

为检验在不同特点的低等级路面越野行驶反向传递力矩数据特征，分别配装EAS和HPS后，在一汽解放汽车有限公司农安汽车试验场3号综合强化路，选取了4种不同路面特征的低等级路面进行了越野行驶对比试验，路面不平度均在D等级以下，如表2所示。

表2 路面不平度标准差

试验时车辆尽量保持同速通过每个测试路段，车速及行驶轨迹如图2所示。

图2 行驶场景及速度

配装HPS后，分别在大小圆凸起路、卵石路和石块路行驶时，驾驶员反馈方向盘有明显的打手问题，而配装EAS后驾驶员反馈无打手问题。图3～图8的结果表明，由于左右轮胎在快速无序接触到凸起的大小圆、卵石和石块时，汽车运动惯性导致左右轮胎产生大量高频大幅值的回正力矩，经过测量，幅值范围在5 N∙m～35 N∙m，在等级路最差的卵石路行驶时，左右方向在此范围力矩幅值概率之和高达26%，HPS油液的阻尼衰减非常有限，它几乎原样将回正力矩反馈到方向盘。而EAS通过加反向阻尼转矩方法，使得传递到方向盘的力矩值明显减少。可控制在5 N∙m以内，消除了打手问题，提升了驾驶手感体验。经过测量表明，在小圆凸起路可消除掉6.3 N∙m～13.6 N∙m，在石块路可消除掉4.1 N∙m～9.6 N∙m，在卵石路可消除掉6.4 N∙m～35.0 N∙m。

图3 大小圆凸起路方向盘力矩时域

图4 大小圆凸起路方向盘力矩概率密度

图5 石块路方向盘力矩时域

图6 石块路方向盘力矩概率密度

图7 卵石路方向盘力矩时域

图8 卵石路方向盘力矩概率密度

图9 ～图10的测量结果表明，搓板路行驶时，EAS与HPS的方向盘手力非常接近，均在5 N⋅m以下。这是由于搓板路的规律性上下起伏路形特点导致了两侧轮胎受到的横向激励小原因，车辆受到大量的振动是上下颠簸振动，而几乎无左右方向的摆动。

图9 搓板路方向盘力矩时域

图10 搓板路方向盘力矩概率密度

5.3 转向回正

为检验转向回正时的反向传递力矩数据特征，分别配装EAS和HPS后，在水泥铺装路面，汽车方向盘分别以小于国标要求角度（400°）和国标要求角度（约540°）固定转角进行转向回正对比试验。经过测量，如表3及图11和图12所示，配装EAS与HPS相比，400°和540°的转向回正评价分值均有所提高，分值提高在6%～7%。

表3 转向回正分值结果

图11 400°横摆角速度曲线

图12 540°横摆角速度曲线

6 结论

经过试验研究表明，EAS能很好的解决了越野车在低等级复杂路面高机动行驶时的方向盘打手体验差问题，改善了驾驶员的驾驶手感体验；具备较好的转向回正特性，EAS短期内能够满足对中型越野车智能化的拓展和高机动性的提升需求。

研究过程中也发现，标定和试验评价环节非常关键，还需要细致评价试验研究优化。这些内容都是未来研究的重点。