CN103674387A

CN103674387A - 测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置及方法

Info

Publication number: CN103674387A
Application number: CN201310671256.0A
Authority: CN
Inventors: 唐斌; 江浩斌; 马世典; 袁朝春; 耿国庆; 华一丁
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103674387B

Abstract

本发明提供了一种测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置与方法，所述装置包括数据采集系统、装在汽车方向盘上的力矩测定装置、电磁阀单元、控制器、位于汽车质心位置处的陀螺仪、位于汽车尾部的车速仪，所述力矩测定装置、陀螺仪、车速仪分别与数据采集系统连接；所述数据采集系统与控制器、上位计算机连接，所述电磁阀单元并联于液压转向系统的转阀两端、且与控制器连接。本发明既适用于乘用车的理想转向盘操纵力矩的测定，也适用于中重型商用车的理想转向盘操纵力矩的测定，实施方便，测定的结果更具准确性和真实性。

Description

测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置及方法

技术领域

本发明涉及汽车转向系统，具体是测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置及方法。

背景技术

目前大部分的汽车仍然采用液压助力转向系统（HPS），此转向系统的助力特性是固定的，即转向助力大小不随车速的变化而相应地调节。设计HPS助力特性时如果注重低速转向轻便性，汽车高速转向时，由于转向助力大，驾驶员就会感觉路感不清晰，感觉汽车“发飘”，这样汽车的操纵稳定性和行驶安全性就得不到保证；如果注重高速转向稳定性，那么助力特性在小操纵转矩区更平、更长，牺牲了低速转向的轻便性来提高高速转向的安全性，但是低速转向时就会感觉沉重。

电动助力转向系统（EPS）和电动液压助力系统（EHPS）能使汽车在低速转向时轻便，高速转向时稳定，但是由于其功率有限，不适用于前轴负荷较大的重型车辆。电控液压助力转向系统（ECHPS）在HPS基础上加装电子执行装置，使系统的压力和流量随行驶工况的变化而变化，从而实现低速转向轻便，高速转向稳定的目标。ECHPS的动力源依然是发动机，因此适用于重型车辆。

汽车转向系统的助力特性是指转向盘操纵力矩与系统助力矩之间的关系，具体地，HPS、EHPS和ECHPS的助力特性是操纵力矩与助力油压的关系，EPS的助力特性是操纵力矩与助力电流的关系。要设计随车速可变的助力特性，首先要知道理想转向盘操纵力矩，即一定的车速下驾驶员偏好的操纵力矩，然后再根据一定车速下的转向阻力矩，就能算出助力矩，这样得出一定车速下的助力特性，以此类推，得到其他车速下的助力特性，从而得到全车速范围内的助力特性。理想转向盘操纵力矩是驾驶员的主观感受，只能通过实车试验来评价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置与方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，包括数据采集系统、装在汽车方向盘上的力矩测定装置、电磁阀单元、控制器、位于汽车质心位置处的陀螺仪、位于汽车尾部的车速仪，所述力矩测定装置、陀螺仪、车速仪分别与数据采集系统连接；所述数据采集系统与上位计算机连接，所述电磁阀单元并联于液压转向系统的转阀两端；所述控制器包括：

微处理器模块，为控制器的核心，用于实时采集滑动变阻器的电压分压值、并输出PWM信号给驱动模块来控制电磁阀单元阀口的开度；

电源模块，与所述微处理器模块相连，用于处理电源中的共模和串模干扰、并产生控制器中芯片所需的电压；

CAN模块，分别与微处理器模块、数据采集系统相连，用于将PWM信号的占空比值传输到数据采集系统；

驱动模块，与所述微处理器模块、电磁阀单元相连，用于将微处理器模块发出的PWM信号转化为驱动电磁阀单元的电流信号；

滑动变阻器，其两个端点分别与电源模块中的正电源和电源地相连，中间点与微处理器的D/A采集端相连，作为控制旋钮，用于调节电磁阀单元中的电液比例阀的开度，以调节助力转向系统的助力矩的大小。

优选地，所述电磁阀单元由阀座、安装在阀座上的电液比例阀组成，阀座上设置有第一进油口、第一出油口，所述电液比例阀由阀体、阀芯、弹簧、调整螺栓、线圈、进油口、出油口组成，阀芯位于阀体内部，阀芯的轴向中心有进油油道，径向有出油油道，进油和出油油道贯通，阀体一端设有进油螺孔，进油螺孔与阀芯的进油油道相连通、另一端设有调整螺栓，所述调整螺栓与阀芯之间设有弹簧，线圈套在阀体外部，所述阀体上还设有第二进油口和第二出油口，第二出油口位于阀体的侧面，所述第二进油口和第二出油口分别能够与第一进油口、第一出油口相通，所述线圈与所述控制器的驱动模块相连。

优选地，所述电磁阀单元的进油口、出油口通过两个三通接头连接转阀进油管路、出油管路。

优选地，所述微处理器模块以单片机XC866为处理芯片。

优选地，所述驱动模块包括功率放大电路、电流反馈电阻、续流二极管、滤波电容，滤波电容连接于正电源与电源地之间，所述电磁阀单元的线圈、电流反馈电阻、功率放大电路依次串联于正电源、电源地之间，续流二极管与所述线圈和电流反馈电阻并联。

一种测定汽车理想转向盘操纵力矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）从10Km/h到100Km/h的车速中选出多个能够构成等差数列的多个车速；

（2）选择一个驾驶员驾驶汽车以步骤（1）中所述多个车速中的一个车速v沿直线行驶，数据采集系统通过车速仪监测车速v；驾驶员向左、或向右转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统通过力矩测定装置采集车速v状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW1；

（3）保持车速v，使汽车以转弯半径R、侧向加速度a_y为沿圆周行驶，数据采集系统通过车速仪、陀螺仪分别监测车速v、侧向加速度a_y；转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统通过力矩测定装置采集车速v、侧向加速度a_y状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW2；

（4）更换驾驶员重复步骤（2）、（3）。

（5）上位计算机将数据采集系统所采集的多个车速下的多个驾驶员的理想转向盘操纵力矩M_SW1、每位驾驶员在多个侧向加速度a_y的条件下的理想转向盘操纵力矩M_SW2分别取平均值，作出车速v—理想转向盘操纵力矩M_SW1曲线、侧向加速度a_y—理想转向盘操纵力矩M_SW2曲线。

优选地，所述步骤（2）、（3）中的车速v为10Km/h、20Km/h、30Km/h、40Km/h、50Km/h、60Km/h、70Km/h、80Km/h、90Km/h、100Km/h中的中的一个或多个。

优选地，所述步骤（3）中侧向加速度a为1m/s²、2m/s²、4m/s²、6m/s²、8m/s²中的一个或多个。

本发明的有益效果是：本发明电控液压助力转向系统控制器及其控制方法既适用于乘用车的理想转向盘操纵力矩的测定，也适用于中重型商用车的理想转向盘操纵力矩的测定。本发明实施方便，只需在原车HPS转向系统上做稍许改装就可以完成操纵力矩的测定，而且是通过实车试验的方式测定，比其他通过驾驶模拟器等方式测定的结果更具准确性和真实性。

汽车理想转向盘操纵力矩是设计汽车转向系统助力特性的依据，根据本发明所述的装置及方法测得的理想转向盘操纵力矩，以设计随车速可变的助力特性。

附图说明

图1为汽车理想助力特性曲线示意图。

图2为本发明所述测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置的结构框图。

图3为所述电磁阀单元的结构示意图。

图4为所述控制器的原理结构图。

图5为所述驱动模块的原理结构图。

图6为所述测定理想转向盘操纵力矩的装置在测试时的布置图。

图7为理想转向盘操纵力矩与车速的关系图。

图8为理想转向盘操纵力矩与侧向加速度的关系图。

附图标记说明如下：1-转向油泵，2-转阀，3-三通接头，4-电磁阀单元，41-阀座，42-第一进油口，43-第一出油口，44-电液比例阀，45-阀体，46-线圈，47-阀芯，48-弹簧，49-第二进油口，410-第二出油口，411-调整螺栓，5-转向动力缸，6-控制器，7-力矩测定装置，8-数据采集系统，9-陀螺仪，10-车速仪。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为汽车理想助力特性曲线示意图，车速为0时，曲线的斜率较大，助力油压大，方向盘转矩小；车速为80Km/h时，曲线的斜率较小，助力油压小，方向盘转矩大，保证低速转向轻便性和高速转向稳定性。理想的助力特性是由理想转向盘操纵力矩和转向阻力矩得到的，因此按照理想转向盘操纵力矩设计的助力特性才能保证汽车在转向过程中良好的“路感”。

如图2所示，原车HPS转向系统由转向油泵1、转阀2和转向动力缸5、转向传动机构（图中未示出）组成。本发明提供的测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，包括数据采集系统8、力矩测定装置7、电磁阀单元4、控制器6、陀螺仪9、车速仪10。并联于液压转向系统的转阀2两端所述电磁阀单元4的进油口、出油口通过两个三通接头3连接转阀2进油管路、出油管路。

所述力矩测定装置7固定在汽车方向盘上，通过输出线连接到数据采集系统8的第一电压采集端口；用于测量驾驶员操纵方向盘的转向盘操纵转矩，力矩测定装置7测得的转向盘操纵转矩信号经输出线传送到数据采集系统8。

所述陀螺仪9放置在汽车质心位置处，通过输出线与数据采集系统8的第二电压采集端口连接；用于测量汽车的侧向加速度，并将加速度信号输出到数据采集系统8。

所述车速仪10通过吸盘固定于汽车尾部，通过输出线与数据采集系统8的串口端；用于测量汽车的行驶速度，即车速，并将车速输出到数据采集系统8。

所述数据采集系统8由采集器和上位计算机组成，用于采集转向盘操纵转矩、汽车的侧向加速度、汽车的行驶速度、记录控制器6中PWM信号的占空比。

所述电磁阀单元4并联于液压转向系统的转阀2两端；参图4所示，所述控制器6包括：

微处理器模块，是控制器6的核心，用于实时采集滑动变阻器的电压分压值、并输出PWM信号给驱动模块来控制电磁阀单元4阀口的开度；所述微处理器模块以单片机XC866为处理芯片。

电源模块，与所述微处理器模块相连，用于处理电源中的共模和串模干扰、并产生控制器6中芯片所需的电压。

CAN模块，分别与微处理器模块、数据采集系统8相连，用于将PWM信号的占空比值传输到数据采集系统8；以备研究ECHPS控制策略时所需。

驱动模块，与所述微处理器模块、电磁阀单元4相连，用于将微处理器模块发出的PWM信号转化为驱动电磁阀单元4的电流信号；

滑动变阻器，其两个端点分别与电源模块中的正电源和电源地相连，中间点与微处理器的D/A采集端相连，作为控制旋钮，用于调节电磁阀单元4中的电液比例阀44的开度，从而调节助力转向系统的助力矩的大小。

如图5所示，所述驱动模块包括功率放大电路、电流反馈电阻Rf、续流二极管D1、滤波电容，滤波电容C1连接于正电源与电源地之间，所述电磁阀单元4的线圈46、电流反馈电阻、功率放大电路依次串联于正电源、电源地之间，续流二极管与线圈46和电流反馈电阻并联。

功率放大电路包括功率管Q1、外围电阻R1、外围电阻R2、二极管D2、二极管D3、二极管D4，D2和D3串联后并联在功率管Q1的漏极和栅极，D4和R2分别并联在功率管Q1的栅极和源级。功率管Q1始终工作在饱和区和截止区，相当于一个电子开关，而且功耗很小。R1为Q1栅源间电容的充电电阻，R1阻值的选择应保证功率管通断时没有尖峰脉冲；R2为Q1栅源间电容的放电电阻，R2阻值的选择应保证功率管的开关速度。D2、D3、D4是反向击穿二极管，即齐纳二极管，作用是当电液比例阀44的反电动势超过功率管的漏-栅结、栅-源结的最大承受电压时保护功率管Q1的漏-栅结、栅-源结。电流反馈电阻Rf是精度为0.5%的精密电阻，阻值为0.1欧姆，用来反馈电液比例阀44的电流；续流二极管D1是肖特基二极管，特点是恢复速度快，电流大，用于给线圈46反电动势提供泄流通道；滤波电容C1主要用来滤除功率管Q1开关过程中形成的尖峰脉冲，防止干扰杂波进入电源中。

如图3所示，所述电磁阀单元4由阀座41、安装在阀座41上的电液比例阀44组成，阀座41上设置有第一进油口42、第一出油口43，所述电液比例阀44由阀体45、阀芯47、弹簧48、调整螺栓411、线圈46、进油口、出油口组成，阀芯47位于阀体45内部，阀芯47的轴向中心有进油油道，径向有出油油道，进油和出油油道贯通，阀芯47同时充当电磁阀的衔铁和液压阀的阀芯47，这样有利于缩小所述电液比例阀44的体积。阀体45一端设有进油螺孔，进油螺孔与阀芯47的进油油道相连通、另一端设有调整螺栓411，所述调整螺栓411与阀芯47之间设有弹簧48，调整螺栓411用来调节弹簧48预紧力。线圈46套在阀体45外部，所述阀体45上还设有第二进油口49和第二出油口410，第二进油口49为进油螺孔，第二出油口410位于阀体45的侧面，阀芯47的出油油道与第二出油口410完全错位时，第二出油口410与阀芯47出油油道不连通，随着阀芯47的移动，油口与油道逐渐连通，直至最终完全连通，所述第二进油口49和第二出油口410分别能够与第一进油口42、第一出油口43相通，所述线圈46与所述控制器6的驱动模块相连；线圈46根据驱动模块的驱动信号控制电液比例阀44阀口的开度。

阀芯47的第一进油口42、第一出油口43与阀体45的第二进油口49和第二出油口410错位时，油路不通；当阀芯47的第一进油口42、第一出油口43与阀体45的第二进油口49和第二出油口410对位时，油路导通。线圈46不通电时，液压油经进油螺孔进入阀芯47，此时阀芯47上的第一出油口43与阀体45的第二出油口410错位，旁通油路不通。当控制器6的驱动模块发出控制信号使线圈46通电时，阀芯47在磁力作用下向右运动，最大位移为2mm，阀芯47的第一出油口43与阀体45的第二出油口410导通，形成导通的油路。

采用本发明所述测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置测定汽车理想转向盘操纵力矩时，装置的布置图如图6所示。

测定汽车理想转向盘操纵力矩的方法，包括以下步骤：

（1）从10Km/h到100Km/h的车速中选出多个能够构成等差数列的多个车速。例如10Km/h、20Km/h、30Km/h、40Km/h、50Km/h、60Km/h、70Km/h、80Km/h、90Km/h、100Km/h。

（2）选择一个驾驶员驾驶汽车以步骤（1）中所述多个车速中的一个车速v沿直线行驶，数据采集系统8通过车速仪10监测车速v；驾驶员向左、或向右转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统8通过力矩测定装置7采集车速v状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW1。

（3）保持车速v，使汽车以转弯半径R、侧向加速度a_y为沿圆周行驶，数据采集系统8通过车速仪10、陀螺仪9分别监测车速v、侧向加速度a_y；转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统8通过力矩测定装置7采集车速v、侧向加速度a_y状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW2。侧向加速度a_y为1m/s²、2m/s²、4m/s²、6m/s²、8m/s²中的一个或多个。

（4）更换驾驶员、改变车速v、侧向加速度a_y重复步骤（2）、（3）。

（5）上位计算机将数据采集系统8所采集的多个车速下的多个驾驶员的理想转向盘操纵力矩M_SW1、每位驾驶员在多个侧向加速度a_y的条件下的理想转向盘操纵力矩M_SW2分别取平均值，作出车速v—理想转向盘操纵力矩M_SW1曲线、侧向加速度a_y—理想转向盘操纵力矩M_SW2曲线。

理想转向盘操纵力矩与车速关系的示意图如图7所示，表示了各驾驶员理想转向盘操纵力矩的平均值随车速变化的特性曲线，图7体现了理想转向盘操纵力矩总体趋势上随车速升高而增大，即车速高时转向所需的力矩大，满足高速转向的稳定性。

一定车速下理想转向盘操纵力矩与侧向加速度关系的示意图如图8所示，表示了各驾驶员理想转向盘操纵力矩的平均值随侧向加速度变化的特性曲线，图8中，分别是车速为100Km/h、80Km/h、60Km/h、40Km/h、20Km/h时的特性曲线。图8体现了在一定车速下侧向加速度越大，即一定车速下转弯半径越小，理想转向盘操纵力矩越大，加速度增加到一定值时，操纵力矩趋于平缓；还可以看出一定的侧向加速度下，车速越高，理想操纵力矩也越大。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，包括数据采集系统（8）、装在汽车方向盘上的力矩测定装置（7）、电磁阀单元（4）、控制器（6）、位于汽车质心位置处的陀螺仪（9）、位于汽车尾部的车速仪（10），所述力矩测定装置（7）、陀螺仪（9）、车速仪（10）分别与数据采集系统（8）连接；所述数据采集系统（8）与上位计算机连接，所述电磁阀单元（4）并联于液压转向系统的转阀（2）两端；所述控制器（6）包括：

微处理器模块，为控制器（6）的核心，用于实时采集滑动变阻器的电压分压值、并输出PWM信号给驱动模块来控制电磁阀单元（4）阀口的开度；

电源模块，与所述微处理器模块相连，用于处理电源中的共模和串模干扰、并产生控制器（6）中芯片所需的电压；

CAN模块，分别与微处理器模块、数据采集系统（8）相连，用于将PWM信号的占空比值传输到数据采集系统（8）；

驱动模块，与所述微处理器模块、电磁阀单元（4）相连，用于将微处理器模块发出的PWM信号转化为驱动电磁阀单元（4）的电流信号；

滑动变阻器，其两个端点分别与电源模块中的正电源和电源地相连，中间点与微处理器的D/A采集端相连，作为控制旋钮，用于调节电磁阀单元（4）中的电液比例阀（44）的开度，以调节助力转向系统的助力矩的大小。

2.根据权利要求1所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，所述电磁阀单元（4）由阀座（41）、安装在阀座（41）上的电液比例阀（44）组成，阀座（41）上设置有第一进油口（42）、第一出油口（43），所述电液比例阀（44）由阀体（45）、阀芯（47）、弹簧（48）、调整螺栓（411）、线圈（46）、进油口、出油口组成，阀芯（47）位于阀体（45）内部，阀芯（47）的轴向中心有进油油道，径向有出油油道，进油和出油油道贯通，阀体（45）一端设有进油螺孔，进油螺孔与阀芯（47）的进油油道相连通、另一端设有调整螺栓（411），所述调整螺栓（411）与阀芯（47）之间设有弹簧（48），线圈（46）套在阀体（45）外部，所述阀体（45）上还设有第二进油口（49）和第二出油口（410），第二出油口（410）位于阀体（45）的侧面，所述第二进油口（49）和第二出油口（410）分别能够与第一进油口（42）、第一出油口（43）相通，所述线圈（46）与所述控制器（6）的驱动模块相连。

3.根据权利要求1所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，所述电磁阀单元（4）的进油口、出油口通过两个三通接头（3）连接转阀（2）进油管路、出油管路。

4.根据权利要求1所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，所述微处理器模块以单片机XC866为处理芯片。

5.根据权利要求2所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的装置，其特征在于，所述驱动模块包括功率放大电路、电流反馈电阻、续流二极管、滤波电容，滤波电容连接于正电源与电源地之间，所述电磁阀单元（4）的线圈（46）、电流反馈电阻、功率放大电路依次串联于正电源、电源地之间，续流二极管与所述线圈（46）和电流反馈电阻并联。

6.测定汽车理想转向盘操纵力矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）选择一个驾驶员驾驶汽车以步骤（1）中所述多个车速中的一个车速v沿直线行驶，数据采集系统（8）通过车速仪（10）监测车速v；驾驶员向左、或向右转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统（8）通过力矩测定装置（7）采集车速v状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW1；

（3）保持车速v，使汽车以转弯半径R、侧向加速度a_y为沿圆周行驶，数据采集系统（8）通过车速仪（10）、陀螺仪（9）分别监测车速v、侧向加速度a_y；转动方向盘，根据驾驶员的感受到的力矩大小，调节滑动变阻器，直到驾驶员感觉力矩大小适中，数据采集系统（8）采集车速v、侧向加速度a_y状态下的理想转向盘的操纵力矩M_SW2；

（4）更换驾驶员、改变车速v、侧向加速度a_y，重复步骤（2）、（3）。

（5）上位计算机将数据采集系统（8）所采集的多个车速下的多个驾驶员的理想转向盘操纵力矩M_SW1、每位驾驶员在多个侧向加速度a_y的条件下的理想转向盘操纵力矩M_SW2分别取平均值，作出车速v—理想转向盘操纵力矩M_SW1曲线、侧向加速度a_y—理想转向盘操纵力矩M_SW2曲线。

7.根据权利要求6所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的方法，其特征在于，所述步骤（2）、（3）中的车速v为10Km/h、20Km/h、30Km/h、40Km/h、50Km/h、60Km/h、70Km/h、80Km/h、90Km/h、100Km/h中的中的一个或多个。

8.根据权利要求6所述的测定汽车理想转向盘操纵力矩的方法，其特征在于，所述步骤（3）中侧向加速度a_y为1m/s²、2m/s²、4m/s²、6m/s²、8m/s²中的一个或多个。