CN101339096B - 重型运输车辆电动助力转向系统助力扭矩确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆电动助力转向系统最佳助力扭矩确定方法，其首先确定起始助力方向盘转矩，在不同的速度区间段设置起始助力方向盘转矩T₀(v₀)＝±1Nm、T₁(v₁)＝±1.5Nm、T₂(v₂)＝±2Nm。二是电动机初始助力比例系数V_L(V_i)(i＝0，1，2)是根据车辆运行状况(车辆空载、车辆相关参数)和助力效果来决定的。三是确定电动机最大助力扭矩，测量某种需要装配EPS系统的车辆在最大载重、静止状态下转动方向盘的扭矩T_dtest。四是根据车辆装载重量、车辆速度和对转向系统的要求(轻便性和路感)来调整EPS的实际助力系数为

。五是根据车辆实际行驶时的整车质量M、车辆行驶速度V、驾驶员方向盘转矩T_d、车辆转向系统参数确定EPS系统电动机的最佳助力电流。

Description

重型运输车辆电动助力转向系统助力扭矩确定方法 

技术领域

本发明涉及一种车辆电动助力转向系统最佳助力扭矩确定方法，更具体地说它涉及一种重型运输车辆电动助力转向系统电动机最佳助力扭矩确定方法。 

背景技术

随着汽车保有量地增加，能源、环保等问题逐渐成为汽车行业发展的主要障碍。电动助力转向系统(EPS：Electric Power Steering System)不同于传统的液压助力转向系统(HPS：Hydraulic Power Steering System)和电控液压助力转向系统，它不需要复杂的机械和液压控制，具有节能、环保和改善汽车操纵性能等诸多优点，受到许多学者的关注，成为现代汽车转向系统研究和开发的热点。 

电动助力转向系统性能的好坏关键之一在于电动机的助力电流是否是理想的助力电流，在任何工况下都能够保证良好的操纵手感。助力特性是指电动机助力随汽车运动状况变化而相应变化的特性。理想的助力特性应该能充分协调好转向轻便性与路感的关系，并且助力后的效果应该与驾驶员手动转向的感觉一致。在满足转向轻便性的条件下，如果助力特性在整个助力特性区域都不变化，那么就会造成在某些情况下驾驶员感觉来自路面的信息减少，会有车辆“发飘”的感觉。如果路感强度在整个助力特性区域都保持在很好的范围之内，那么驾驶员就会很容易地判定在此车况下转向所需要的操纵力矩的大小。 

现有的EPS系统最佳助力电流确定方法有多种，都是利用车辆速度V与驾驶员方向盘扭矩T_d进行计算的，可以表征为三种类型的曲线形式：直线型助力特性曲线、折线型助力特性曲线和曲线型助力特性曲线。 

直线型助力特性曲线如附图1所示。其最佳助力电流可以用下列函数关系来表示。 

$I=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;T_d<T_{d0}\\ K\left(V\right).(T_d-T_{d0})& T_{d0}\&le;T_d<T_{d\max }\\ I_{\max }& T_d\&GreaterEqual;T_{d\max }\end{array}\right.$

式中，I为电动机的助力目标电流；I_max为电动机的最大工作电流；T_d为转向盘输入转矩； K(V)为助力特性的梯度(助力系数)，随车速增加而减小；T_d0为EPS系统开始助力的转向盘输入扭矩；T_dmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。 

折线型助力特性曲线如附图2所示。该助力特性可以用下列函数关系来表示。 

$\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;T_d<T_{d0}\\ K_1\left(V\right).(T_d-T_{d0})& T_{d0}\&le;T_d<T_{d1}\\ K_1\left(V\right).(T_{d1}-T_{d0})+K_2\left(V\right).(T_d-T_{d1})& T_{d1}\&le;T_d<T_{d\max }\\ I_{\max }& T_d\&GreaterEqual;T_{d\max }\end{array}\right.$

式中，K₁(V)、K₂(V)分别为助力特性曲线的梯度，随着车速的增加而减小，在相同的速度区间随着转向盘转矩的增加而增加。 

曲线型助力特性曲线如附图3所示。该助力特性可以用下列函数关系来表示。 

$\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;T_d<T_{d0}\\ K\left(V\right).f\left(T_d\right)& T_{d0}\&le;T_d<T_{d\max }\\ I_{\max }& T_d\&GreaterEqual;T_{d\max }\end{array}\right.$

采用上述三种助力特性曲线的EPS系统中电动机的目标电流是根据驾驶员的转向力矩所反映的地面转向信息，结合车辆的行驶速度所在的区间段来进行确定。在相同的速度区间段，不同车辆电动机的最大目标电流固定不变、助力系数固定不变，这样的助力策略对轻型车辆而言是能够提供相对最佳的转向助力。对重型运输车辆而言，空载和满载驾驶员需要电动机提供的转向助力是有很大差别的，重型运输车辆满载行驶时即使速度较大也需要电动机的转向助力。在车辆载荷发生很大变化情况下，上述三种电动机最佳电流确定方法不能改变电动机的助力系数K(V)来确定电动机的最佳助力电流，从而EPS在这种情况下就很难能提供理想的助力扭矩保证驾驶员转向轻便和有良好的路感。 

发明内容

针对上述基于车辆速度V与驾驶员方向盘扭矩T_d计算EPS最佳助力电流的方法在应用到重型运输车辆上所带来的一系列问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的助力电流计算方法，使EPS应用在重型运输车辆上时能够提供最佳的助力扭矩。 

为解决上述技术问题，本发明提供了一种重型运输车辆EPS系统电动机最佳电流确定方法。其具体步骤如下： 

1、确定起始助力方向盘转矩 

为了保护电动机，防止电动机的频繁启动，在不同的速度区间段设置起始助力方向盘转矩T₀(v₀)＝±1Nm、T₁(v₁)＝±1.5Nm、T₂(v₂)＝±2Nm。起始助力方向盘转矩随着速度的增大而呈现阶段性增大，目的是增强高速转向时所追求的稳定感。同时0≤T_d＜T_i(V_i)(i＝0，1，2)区间EPS不起作用，也有利于提高EPS系统的节能效率。速度区间段v₀＝0～10km/h、v₁＝10～40km/h和v₂≥40km/h。 

2、确定初始助力系数 

合理的EPS系统助力特性曲线的助力系数应该根据车辆行驶状况具有一定地变化，可以使低速转向轻便、高速转向兼顾路感保持和转向轻便。 

电动机初始助力比例系数V_L(V_i)(i＝0，1，2)是根据车辆运行状况(车辆空载、车辆相关参数)和助力效果来决定的。 

利用 $V_L\left(V_i\right)=\frac{F_{\mathrm{ZQ}}{n}_v}{{\mathrm{gi}}_L[{\mathrm{dT}}_d/d(v^2/\mathrm{\&rho;})]}$ 求值。式中T_d为方向盘力矩，i_L为转向系统传动比，F_zQ为前轴静态载荷，n_v为轮胎拖距与主销前指之和，v²/ρ为车辆转向行驶时的向心加速度，g＝9.8m/s²。 

当i＝0时(低速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝15～20n.m/g；当i＝1时(中速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝20n.m/g；当i＝2时(高速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝20～30n.m/g 

3、确定电动机最大助力扭矩 

EPS控制系统设计过程中，确定电动机最大助力扭矩是型号匹配问题。测量某种需要装配EPS系统的车辆在最大载重、静止状态下转动方向盘的扭矩T_dtest。电动机的最大助力扭矩 $T_{a\max }=\frac{1+\frac{M^{\&prime;}}{m}{V}_L\left(v_0\right)}{\frac{M^{\&prime;}}{m}{V}_L\left(v_0\right)}{T}_{\mathrm{dtest}},$ 其中M为最大载荷下整车质量，m为空载时整车质量。对装配同一型号EPS系统的车辆而言，EPS系统所能提供的最大助力扭矩是相同的，不随车辆的运行速度、装载质量等的改变而发生变化。在助力特性曲线当中规定电动机的最大助力扭矩，最主要的目的就是保护电动机(防止电动机烧坏)。 

4、计算实际助力系数 

EPS系统工作时，根据车辆装载重量、车辆速度和对转向系统的要求(轻便性和路感)来调整EPS的实际助力系数为 

其中M为实际整车质量，m为空载时整车质量，round()为求整函数。 

5、确定电动机实际助力扭矩 

根据车辆实际行驶时的整车质量M、车辆行驶速度V、驾驶员方向盘转矩T_d、车辆转向系统参数确定EPS系统电动机的最佳助力电流。 

式中T_d为方向盘转矩；T_i(V_i)(i＝0，1，2)为不同速度区间段电动机的起始助力扭矩；V_L(V_i)(i＝0，1，2)为电动机在不同速度区间电动机初始助力系数；m为空载时整车质量；M为实际工况下整车质量(通常表示为m的倍数)；T_amax为电动机所能提供的最大助力扭矩；T_总为不同车况下转动方向盘的总力矩；round()为求整函数。其助力特性曲线如附图4所示。 

本发明的EPS系统助力电动机最佳助力电流确定方法适用于各种型号车辆，特别是重型运输车辆EPS系统，可以取得如下有益效果： 

1、由于根据车辆行驶速度设置了起始助力方向盘转矩，防止电动机的频繁启动保护了电动机，提高电动机的使用寿命。同时，由于高速行驶时电动机的起始助力方向盘转矩较高，提高了高速转向时整个系统的转向手感，使高速转向手感稳重。 

2、该助力特性曲线根据整车质量M、车辆行驶速度V、驾驶员方向盘转矩T_d、车辆转向系统参数合理调整EPS系统的助力系数，计算电动机最佳助力电流，避免重型运输车辆因为载荷的不同造成转向手感的差异，使车辆在任何工况下转向操作时都能达到转向轻便和良好路感，提高车辆转向操作的稳定性和舒适性。 

附图说明

图1为直线型助力特性曲线； 

其中I为电动机的助力目标电流；I_max为电动机的最大工作电流；T_d为转向盘输入转矩；T_d0为EPS系统开始助力的转向盘输入扭矩；T_dmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩；V为车辆行驶速度；V_max为EPS系统工作的最高车辆速度上限。 

图2为折线型助力特性曲线； 

其中I为电动机的助力目标电流；I_max为电动机的最大工作电流；T_d为转向盘输入转矩；T_d0为EPS系统开始助力的转向盘输入扭矩；T_d1为EPS系统改变助力系数的转向盘输入扭矩；T_dmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩；V为车辆行驶速度；V_max为EPS系统工作的最高车辆速度上限。 

图3为曲线型助力特性曲线； 

其中I为电动机的助力目标电流；I_max为电动机的最大工作电流；T_d为方向盘输入转矩；T_d0为EPS系统开始助力的转向盘输入扭矩；T_dmax为转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩；V为车辆行驶速度；V_max为EPS系统工作的最高车辆速度上限。 

图4为基于车辆速度、车辆载荷和方向盘转矩的助力特性曲线； 

其中，m为车辆空载时整车质量；1.5m为装载后的整车质量是车辆空载时整车质量的1.5倍；2.5m为装载后的整车质量是车辆空载时整车质量的2.5倍。起始助力方向盘转矩T₀(v₀)＝±1Nm、T₁(v₁)＝±1.5Nm、T₂(v₂)＝±2Nm；速度区间段v₀＝0～10km/h、v₁＝10～40km/h和v₂≥40km/h；T_amax为电动机的最大助力扭矩；T_d为方向盘转矩。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。如图4所示，本发明的重型运输车辆电动助力转向系统助力特性曲线图。 

首先，为了保护电动机防止电动机的频繁启动，在不同的速度区间段设置起始助力方向盘转矩T₀＝±1Nm、T₁＝±1.5Nm、T₂＝±2Nm。起始助力方向盘转矩随着速度的增大而呈现阶段性增大，目的是增强高速转向时所追求的稳定感。同时0≤T_d＜T_i(V_i)(i＝0，1，2)区间EPS不起作用，也有利于提高EPS系统的节能效率。 

其次，确定电动机在各个工况下的最大助力扭矩。对装配同一型号EPS的车辆而言，EPS系统所能提供的最大助力扭矩是相同的，不随车辆的运行速度、装载质量等的改变而发生变化。在助力特性曲线当中规定电动机的最大助力扭矩，最主要的目的就是保护电动机(防止电动机烧坏)。考虑到重型运输车辆在空载和满载两种车况下，相同速度区间内其转向阻力矩相差较大，为了保证重载车辆高速也能转向轻便并且保持良好的路感，电动机根据驾驶员的转向力矩进行合理比例的助力，而没有降低EPS系统在高速区间的最大助力扭矩，电动机的最大助力扭矩在所有速度区间都是相等的。 

第三步，电动机初始助力比例系数V_L(V_i)(i＝0，1，2)是根据车辆运行工况状况、和助力效果来决定的。 

根据 $V_L\left(V_i\right)=\frac{F_{\mathrm{ZQ}}{n}_v}{{\mathrm{gi}}_L[d{T}_d/d(v^2/\mathrm{\&rho;})]}$ 求值，T_d方向盘力矩；i_L转向系统传动比；F_zQ前轴静态载荷；n_v轮胎拖距与主销前指之和；v²/ρ为车辆转向行驶时的向心加速度；g＝9.8m/s²。 

为了保证转向轻便性和保持适当的路感，当i＝0时(低速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝15～20n.m/g；当i＝1时(中速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝20n.m/g；当i＝2时(高速区间段)，dT_d/d(v²/ρ)＝20～30n.m/g。 

EPS系统工作时，根据车辆实际行驶时的整车质量M调整EPS的实际助力系数为 

最后，计算助力电动机的最佳助力扭矩。 

假如车辆行驶速度为v＝20km/h，整车空载质量为1500Kg，实际行驶时6000Kg，方向盘力矩T_d＝4N.m。如图4所示，(1)在中速区间段，确定起始助力方向盘转矩T₁＝±1.5Nm。(2)确定该类车型最大助力扭矩T_amax。(3)计算初始助力系数V_L(V₁)＝1.304。(4)计算实际助力系数V_L(V₁)＝5.216。(5)电动机的最佳助力扭矩T_a＝13.04N.m。 

Claims (1)

1.重型运输车辆电动助力转向系统助力扭矩确定方法，其特征是确定步骤如下：

(1)确定起始助力方向盘转矩：

在不同的速度区间段设置起始助力方向盘转矩T₀(v₀)＝±1Nm、T₁(v₁)＝±1.5Nm、T₂(v₂)＝±2Nm；起速度区间段v₀＝0～10km/h、v₁＝10～40km/h和v₂＝40km/h以上；

(2)确定初始助力比例系数：

电动机初始助力比例系数V_L(V_i)，i＝0，1，2，是根据车辆运行状况和助力效果来决定的；利用

求值；式中T_d为方向盘力矩，i_L为转向系统传动比，F_zQ为前轴静态载荷，n_v为轮胎拖距与主销前指之和，v²/ρ为车辆转向行驶时的向心加速度，g＝9.8m/s²；

当i＝0时即低速区间段，dT_d/d(v²/ρ)＝15～20n.m/g；当i＝1时即中速区间段)dT_d/d(v²/ρ)＝20n.m/g；当i＝2时即高速区间段，dT_d/d(v²/ρ)＝20～30n.m/g；

(3)确定电动机最大助力扭矩：

测量某种需要装配EPS系统的车辆在最大载重、静止状态下转动方向盘的扭矩T_dtest，电动机的最大助力扭矩

其中M′为最大载荷下整车质量，m为空载时整车质量；

(4)计算实际助力系数

EPS系统工作时，根据车辆装载重量、车辆速度和对转向系统的要求来调整EPS的实际助力系数为

其中M为实际整车质量，m为空载时整车质量，round()为求整函数；

(5)确定电动机实际助力扭矩

EPS根据车辆实际行驶时的整车质量M、车辆行驶速度V、驾驶员方向盘转矩T_d、车辆转向系统参数确定EPS系统电动机的最佳助力电流；

式中T_d为方向盘转矩；T_i(V_i)，i＝0，1，2，为不同速度区间段电动机的起始助力扭矩；V_L(V_i)，i＝0，1，2，为电动机在不同速度区间电动机初始助力比例系数；m为空载时整车质量；M为实际工况下整车质量，表示为m的倍数；T_amax为电动机所能提供的最大助力扭矩；T_总为不同车况下转动方向盘的总力矩；round()为求整函数。

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