CN201163239Y - 电动助力转向试验台 - Google Patents

Abstract

电动助力转向试验台，该装置包括有EPS系统总成、检测系统，其特征是：它还包括有加载机构、测试装置控制系统，EPS系统总成还包括右转向前轮总成，右转向前轮总成由转向控制臂、转向节臂和前轮组成，转向控制臂和转向节臂与前轮连接，转向节臂的另一端和转向横拉杆连接，加载机构一部分与转向齿条联结，另一部分与转向控制臂联结，测试装置控制系统与EPS系统总成、加载机构电连接。电动助力转向试验台转向阻力模拟精度高、控制系统实时性好、能提供实时的车辆动力学仿真环境。本实用新型实现了一个能对EPS系统性能进行测试的良好平台。

Description

电动助力转向试验台

技术领域

本实用新型属于汽车底盘性能测试设备技术领域，具体涉及到一种汽车电动助力转向试验台。

背景技术

电动助力转向(Electric Power Steering，简称EPS)技术在国内已经得到了长足的发展，是目前国内转向技术的研究热点。如何在实验室的环境下进行EPS系统性能的测试和EPS控制策略的评价，是研究者需要着重考虑的问题。合理的加载方式、逼真的仿真环境和实时的采样控制是EPS系统性能测试装置需要解决关键问题。

目前，国内已经有多家企业、高等院校开发了EPS系统性能测试装置。

但国内EPS系统性能测试装置多采用液压作动器或者弹簧加载，加载系统复杂、繁琐或者不能真实模拟汽车的实际转向阻力。实用新型汽车电动助力转向系统仿真测试装置(200420065141.3)虽采用电机对转向系统加载，但其加载指令是以二自由度车辆动力学模型为基础计算出来的，难以保证加载阻力的模拟精度；且需要另行开发加载电机的控制器。

还有，国内EPS系统性能测试装置中通常都省去了转向前轮总成，这对真实模拟原地转向阻力矩是很不利的，而原地转向工况下的EPS系统性能却恰恰是EPS系统需要考察的一项重要性能。

再有，国内EPS系统性能测试装置的控制系统通常不是实时的，不能进行实时的车辆动力学仿真，不能为EPS系统性能测试提供实时的车辆仿真环境；也不能利用测试装置自身的控制系统对执行器(如加载电机)进行实时控制。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能进行实时转向阻力模拟、实时车辆动力学仿真和实时采样控制的电动助力转向试验台。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

电动助力转向试验台，该装置包括有EPS系统总成、检测系统，EPS系统总成包括方向盘、转向传动轴、转矩传感器、减速机构、电磁离合器、助力电机、电子控制单元、中间传动轴、小齿轮、转向齿条和转向横拉杆，方向盘与转向传动轴联接，转矩传感器安装在转向传动轴上，减速机构一端与转向传动轴固接，减速机构另一端与助力电机和电磁离合器总成联接，转向传动轴与中间传动轴联接，中间传动轴与小齿轮轴联接，小齿轮与转向齿条啮合，转向齿条与转向横拉杆是球形联接，检测系统包括测力方向盘、电流传感器，数据采集仪，数据采集仪与测力方向盘和电流传感器电连接，其特征是：它还包括有加载机构、测试装置控制系统，EPS系统总成还包括右转向前轮总成，右转向前轮总成由转向控制臂、转向节臂和前轮组成，转向控制臂和转向节臂与前轮连接，转向节臂的另一端和转向横拉杆连接，加载机构一部分与转向齿条联结，另一部分与转向控制臂联结，测试装置控制系统与EPS系统总成、加载机构电连接。

电动助力转向试验台转向阻力模拟精度高、控制系统实时性好、能提供实时的车辆动力学仿真环境。本实用新型实现了一个能对EPS系统性能进行测试的良好平台。

附图说明

图1为EPS系统结构示意图。

图2为现有的EPS系统测试装置及弹簧加载示意图。

图3为现有的EPS系统测试装置及伺服电机加载示意图。

图4为本实用新型的总体结构示意图。

图5为仿真车辆行驶时测试装置数据采集和实时控制实施过程图解。

图6为仿真车辆原地转向时测试装置数据采集和实时控制实施过程图解。

具体实施方案

下面结合附图详细说明本实用新型的具体技术方案。

电动助力转向试验台，该装置包括有EPS系统总成、检测系统，EPS系统总成包括方向盘1、转向传动轴2、转矩传感器3、减速机构4、电磁离合器5、助力电机6、电子控制单元7、万向节A8、中间传动轴9、万向节B10、小齿轮11、转向齿条12和转向横拉杆13，方向盘1与转向传动轴2联接，转矩传感器3安装在转向传动轴2上，减速机构4一端与转向传动轴2固接，减速机构4的另一端与助力电机6和电磁离合器5总成联接，转向传动轴2通过万向节A8与中间传动轴9联接，中间传动轴9通过万向节B10与小齿轮11的轴联接，小齿轮11与转向齿条12啮合，转向齿条12与转向横拉杆13是球形联接，检测系统包括测力方向盘35、电流传感器36，数据采集仪37，数据采集仪37采集测力方向盘35和电流传感器36的信号，其特征是：它还包括有加载机构、测试装置控制系统，EPS系统总成还包括右转向前轮总成，右转向前轮总成由转向控制臂23、转向节臂22和前轮25组成，转向控制臂23和转向节臂22与前轮25连接，转向节臂22的另一端和转向横拉杆13连接，加载机构一部分与转向齿条12联结，另一部分与转向控制臂23联结，测试装置控制系统与EPS系统总成、加载机构电连接。

测试装置控制系统包括主控计算机38和目标计算机45两部分，其中主机中安装的是Windows操作系统44、Matlab/Simulink42、实时车辆模型43和实时仿真平台软件41，目标机中安装的是分布式实时操作系统39和实时仿真平台软件41的文件包，目标机中装有高速采样卡40，主控计算机38和目标计算机45以协议UDP/IP的方式进行通讯。

加载机构包括给转向齿条加载的电动缸作动器27以及给右转向前轮加载的丝杆24，电动缸作动器27与测试装置控制系统电连接，与转向齿条12机械联接，丝杆24上端固定，下端与右转向前轮总成连接。

实施例1：

当仿真车辆行驶时，将右转向前轮25从测试装置中拆下，驾驶员在一定的仿真车速(在实时车辆动力学模型中设置)下对EPS系统施加转向输入，方向盘转角传感器34的信号经高速采样卡40进入测试装置控制系统用于实时车辆动力学仿真和转向阻力矩指令值计算，转向阻力矩指令值再经高速采样卡40转换形成电动缸作动器27的电压驱动指令，从而驱动电动缸推杆给转向齿条加载以模拟转向阻力矩；同时，测试装置控制系统发出的车速(与仿真车速一致)信号和发动机转速信号经高速采样卡40进入电子控制单元7，电子控制单元7接收点火开关信号14、车速信号15、发动机转速信号16和转矩传感器信号3，经分析判断后，输出助力电机和离合器控制信号，驱动助力电机辅助驾驶员转向。

实施例2：

当仿真车辆原地转向时，将右转向前轮与测试装置联结，用丝杆加载右转向前轮至其在实车上所受的实际垂直载荷以模拟右前轮转向阻力矩，驾驶员对EPS系统施加转向输入，方向盘转角传感器34的信号经高速采样卡40进入测试装置控制系统用于转向阻力矩指令值计算(转向阻力矩指令值依据实车原地转向试验结果进行计算)，转向阻力矩指令值再经高速采样卡40转换形成电动缸作动器27的电压驱动指令，从而驱动电动缸推杆给转向齿条加载以模拟左前轮转向阻力矩；同时，测试装置控制系统发出的车速(零车速)信号和发动机转速信号经高速采样卡进入电子控制单元，电子控制单元接收点火开关信号14、车速信号15、发动机转速信号16和转矩传感器信号，经分析判断后，输出助力电机6和离合器控制信号，驱动助力电机辅助驾驶员转向。

本实用新型的工作过程为：

1EPS系统的驱动

如图4所示，当12V稳压电源电源给EPS系统总成供电后，EPS系统总成7接收点火开关信号14、车速信号15、发动机转速信号16和转矩传感器信号3‘，经分析判断后，输出电机电流控制信号17和离合器控制信号18，驱动电机辅助驾驶员转向，其中，点火开关信号也由12V稳压电源提供，车速信号和发动机转速信号在测试装置控制系统中生成然后经高速采样卡40发送给EPS系统总成。当EPS系统总成无故障时，EPS系统总成控制离合器5处于接合状态。

2转向系统的加载

如图4，图5，图6所示，当仿真车辆行驶时，由电动缸作动器27给转向齿条12加载以模拟转向阻力矩。

当仿真车辆原地转向时，电动缸作动器27给转向齿条12加载以模拟左轮的转向阻力矩；丝杆24将右轮25加载至其在实车上所受到的实际垂直载荷以模拟右轮转向阻力矩，加载力由驾驶员通过手轮从丝杆上端输入。

转向阻力矩指令33‘在测试装置控制系统生成，经高速采样卡40D/A转换形成电动作动器27的电压驱动指令33，然后输出给伺服电机29的驱动控制器28，称重传感器26用于测量右轮的垂直载荷。

3数据采集和实时控制过程

3.1数据采集和实时控制过程阐述

如图4，图5，图6所示：

1)仿真车辆行驶时，当驾驶员转动转向盘后，方向盘转角传感器信号34‘经高速采样卡40A/D转换后进入目标机38，然后经实时仿真平台软件41传递到主机45的Simulink42环境下，再输入实时车辆动力学模型43用于实时车辆动力学仿真，输出前轮回正力矩46和车辆的运动状态变量47，如横摆角速度、侧向加速度等。

同时，在Simulink42环境下生成的转向阻力矩指令33‘、车速信号15‘、发动机转速信号16‘经实时仿真平台软件41传递到目标机38中，再经高速采样卡40D/A转换后形成电动缸作动器驱动指令33、车速信号15、发动机转速信号16以用于驱动电动缸作动器和助力电机。

2)仿真车辆原地转向时，首先用丝杆24对右转向轮25加载至其在实车上所受到的实际垂直载荷。称重传感器信号26经高速采样卡40A/D转换后进入目标机38，再经实时仿真平台软件41传递到主机45的Simulink42环境下，右轮承受的垂直载荷26‘实时的显示在模块26”中。

然后驾驶员转动转向盘，转角传感器信号34‘经高速采样卡40A/D转换后进入目标机38，然后经实时仿真平台软件41传递到主机45的Simulink42环境下用于转向阻力矩指令33‘的计算。

在Simulink42环境下生成的转向阻力矩指令33‘、车速信号15‘、发动机转速信号16‘经实时仿真平台软件41传递到目标机38中，再经高速采样卡40D/A转换后形成电动缸作动器驱动指令33、车速信号15、发动机转速信号16以用于驱动电动缸作动器和助力电机。

3.2电动缸作动器驱动指令计算

仿真车辆行驶时，转向阻力矩指令F_r ^*应等于转向前轮回正力矩、转向主销干摩擦力矩、转向主销粘性阻尼力矩在转向齿条上的当量值的和。即：

$F_r^{*}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}[A{T}_i+|f_{\mathrm{kpi}}|\·\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{fwi}}\right)+b_{\mathrm{kpi}}\·{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{fwi}}]/N{L}_i---\left(1\right)$

式(1)中AT_i(i＝1，2)为左右前轮回正力矩，f_kpi(i＝1，2)为左右前轮转向主销干摩擦，b_kpi(i＝1，2)为左右前轮转向主销阻尼系数，θ_fwi(i＝1，2)左右前轮转向角，NL_i(i＝1，2)为转向齿条至左右转向前轮的线角传动比。

仿真车辆原地转向时，转向阻力矩指令F_r ^*应等于实车转向轴总阻力矩T_r在转向齿条上的当量值的一半。即：

$F_r^{*}=T_r\·r_p/2---\left(2\right)$

式(2)中，T_r可以通过试验测定(它与关闭动力转向时实车原地转向试验的转向盘力矩T_d大小相等、符号相反)，r_p转向器小齿轮分度圆半径。

如图5所示，仿真车辆行驶时，方向盘转角信号34‘’进入Simulink42环境后输入实时车辆动力学模型43用于实时车辆动力学仿真，车辆动力学模型43输出转向前轮回正力矩信号46，模块33’‘依据式(1)计算转向阻力矩指令33‘。

如图6所示，仿真车辆原地转向时，方向盘转角信号34‘’进入Simulink42环境后输入模块33’‘，模块33’‘依据式(2)计算转向阻力矩指令33‘。

3.3高速采样卡输入输出信号定义

表1为高速采样卡输入输出信号定义。

表1  高速采样卡输入输出信号定义

4测试试验数据的采集

测力方向盘35和霍尔电流传感器36测量测试试验所需的转向盘力矩、转向盘转角和助力电机电流，其试验数据由专用的数据采集仪37进行采集。

利用本实用新型可以开展EPS关键部件特性测试试验、EPS系统性能试验和装备EPS系统整车的模拟试验。

具体应用1：EPS关键部件特性测试试验

利用本实用新型可以测定EPS转矩传感器特性、EPS转角传感器特性等。

1)EPS转矩传感器特性测试试验

用丝杆给右转向前轮施加一定的垂直载荷，驾驶员转动转向盘时，EPS转矩传感器便会有信号输出。用测力方向盘测量转向盘力矩值，用数据采集仪分别采集转向盘力矩值和转矩传感器的电压输出信号，便可得到EPS转矩传感器特性曲线图。

2)EPS转角传感器特性测试试验

对装有转角传感器的EPS系统而言，也可用类似的方法测出其转角传感器的输入输出特性。同样用丝杆给右转向前轮施加一定的垂直载荷，驾驶员转动转向盘时，EPS转角传感器便会有信号输出。用测力方向盘测量转向盘转角值，用数据采集仪分别采集转向盘转角值和EPS转角传感器的电压输出信号，便可得到EPS转角传感器特性曲线图。

具体应用2：EPS系统性能试验

利用本实用新型可以进行的EPS系统性能试验有EPS系统功能试验、输入扭矩/电流特性等。

1)EPS系统功能试验

用丝杆给右转向前轮施加一定的垂直载荷，将EPS系统驱动起来，在0～最高车速范围内按10Km/h车速间隔进行试验。驾驶员向左右两个方向匀速转动方向盘，在全行程内感觉EPS系统是否工作平滑、连续及转向盘有无振动；当转向盘转至任意角度停下时，考察EPS系统是否有助力延迟现象。

2)输入扭矩/电流特性试验

用丝杆给右转向前轮施加一定的垂直载荷(使得不同车速下转向轴总阻力矩值稍大于该车速下的最大助力矩和最大转向盘力矩之和)，将EPS系统驱动起来，在0～最高车速范围内按10Km/h车速间隔进行试验。驾驶员向左右两个方向匀速转动方向盘，用测力方向盘测量转向盘力矩值，用霍尔电流传感器测量助力电机实际电流，从而测定EPS系统的输入扭矩/电流特性。

具体应用3：装备EPS系统整车的模拟试验

本实用新型能真实的再现实车的原地转向工况，能提供实时的车辆动力学仿真环境，因此可以利用本实用新型开展装备EPS系统整车的模拟试验。

1)原地转向力试验

用电动缸作动器27给转向齿条加载以模拟左轮的转向阻力矩；用丝杆将右轮加载至其在实车上所受到的实际垂直载荷以模拟右轮转向阻力矩。依据试验规范将EPS系统驱动起来，驾驶员依据试验规范转动方向盘，用测力方向盘记录转向盘力矩和转向盘转角的试验结果。并分打开动力转向和关闭动力转向两种工况进行此项试验，以考察EPS系统的转向轻便性。

2)转向盘中间位置区域操纵稳定性试验

将右转向前轮总成拆卸下来，用电动缸作动器27给转向齿条加载以模拟转向阻力矩。依据试验规范将EPS系统驱动起来，驾驶员依据试验规范转动方向盘，用测力方向盘记录转向盘力矩和转向盘转角的试验结果，实时车辆动力学模型输出侧向加速度的仿真结果。并分打开动力转向和关闭动力转向两种工况进行此项试验，以考察EPS系统的转向盘中间位置区域的操纵稳定性。

3)转向回正性试验

将右转向前轮总成拆卸下来，用电动缸作动器27给转向齿条加载以模拟转向阻力矩。依据试验规范将EPS系统驱动起来，驾驶员依据试验规范转动方向盘，用测力方向盘记录转向盘转角的试验结果，实时车辆动力学模型输出仿真车辆横摆角速度的仿真结果。并分打开动力转向和关闭动力转向两种工况进行此项试验，以考察EPS系统的转向回正性能。

Claims (4)

1、电动助力转向试验台，该装置包括有EPS系统总成、检测系统，EPS系统总成包括方向盘(1)、转向传动轴(2)、转矩传感器(3)、减速机构(4)、电磁离合器(5)、助力电机(6)、电子控制单元(7)、中间传动轴(9)、小齿轮(11)、转向齿条(12)和转向横拉杆(13)，方向盘(1)与转向传动轴(2)联接，转矩传感器(3)安装在转向传动轴(2)上，减速机构(4)一端与转向传动轴(2)固接，减速机构(4)另一端与助力电机(6)和电磁离合器(5)总成联接，转向传动轴(2)与中间传动轴(9)联接，中间传动轴(9)与小齿轮(11)轴联接，小齿轮(11)与转向齿条(12)啮合，转向齿条(12)与转向横拉杆(13)是球形联接，检测系统包括测力方向盘(35)、电流传感器(36)，数据采集仪(37)，数据采集仪(37)与测力方向盘(35)和电流传感器(36)电连接，其特征是：它还包括有加载机构和测试装置控制系统，EPS系统总成还包括右转向前轮总成，右转向前轮总成由转向控制臂(23)、转向节臂(22)和前轮(25)组成，转向控制臂(23)和转向节臂(22)与前轮(25)连接，转向节臂(22)的另一端和转向横拉杆(13)连接，加载机构一部分与转向齿条(12)联结，另一部分与转向控制臂(23)联结，测试装置控制系统与EPS系统总成、加载机构电连接。

2、根据权利要求1所述的电动助力转向试验台，其特征是：所述的加载机构包括给转向齿条加载的电动缸作动器(27)以及给右转向前轮(25)加载的丝杆(24)，电动缸作动器(27)与测试装置控制系统电连接，与转向齿条(12)机械联接，丝杆(24)上端固定，下端与右转向前轮总成连接。

3、根据权利要求2所述的电动助力转向试验台，其特征是：所述的电动缸作动器由电动缸(30)、伺服电机(29)及其驱动控制器(28)、电动缸推杆(31)组成，其中驱动控制器(28)与伺服电机(29)之间是电气连接，伺服电机(29)固接在电动缸(30)上，伺服电机(29)通过滚珠丝杆与电动缸推杆(31)相连，电动缸推杆(31)和转向齿条(12)通过万向节(32)联结。

4、根据权利要求1所述的电动助力转向试验台，其特征是：所述的测试装置控制系统由主控计算机(38)和目标计算机(45)两部分组成，其中主控计算机中安装的是Windows操作系统(44)、Matlab/Simulink(42)、实时车辆模型(43)和实时仿真平台软件(41)，目标计算机中安装的是分布式实时操作系统(39)和实时仿真平台软件(41)的文件包，目标计算机中装有高速采样卡(40)。

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