毕业论文电动助力转向系统EPS的技术特性及其操作稳定性分析.wps

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1、本科毕业论文（设计） 电动助力转向（EPS）技术的特 性分析及对车辆操纵稳定性影响 电动助力转向（EPS）技术的特性分析及对车辆操纵稳定性影 响 摘 要 作为汽车的关键部分，转向系统性能的好坏直接影响汽车的操纵稳定性、 行 驶安全性及驾驶舒适性，具有以其节能、 环保、 结构简单、 可移植性好、 助力实时 可变、转向路感清晰等一系列优点，汽车电动助力转向(EPS)系统因具有传统液 压动力转向系统无法比拟的优势，成为现代汽车转向系统研究的热点之一。 本文在研读和分析电动助力转向系统国内外研究现状和发展趋势的基础上， 首先介绍了电动助力转向系统的结构、 工作原理、 主要类型、 优点，对电动助力转 向

2、系统组成、电动助力转向系统（EPS）的工作原理进行了深入研究。 其次，在理论上对电动助力转向系统的助力特性进行分析，助力特性的分 类及设计原则，电动助力转向系统的三种助力特性曲线，并且对直线型、 折线型 曲线型的对比分析其优势。 最后，对电动助力转向系统对操纵稳定性影响进行研读，论文分析了线性二自由度 汽车模型，因此建立运动微分方程，探讨了 EPS 系统引入横摆角速度反馈对车辆 行驶稳定性的影响，易于车辆操纵稳定性的进一步研究，得到 EPS 系统引入横 摆角速度反馈有利于改善车辆的行驶稳定性。 其中涉及汽车曲线行驶的时域与频 域响应，在研究本文电动助力转向技术对操纵稳定性影响也是必不可少的。

3、关键词：电动助力转向系统，助力曲线，操纵稳定性 The characteristics of electric power steering technology analysis And the impact on the vehicle steering stability Author: Sun Yahong Tutor: Liu Haijun Abstract As a key part of the car, the performance of steering system has a direct impact on vehicle handling stability and

4、 driving safety and driving comfort, road with its energy-saving, green, simple structure, portability, and power real-time variable steering feel clear,and another a series of advantages, Comparing to the traditional hydraulic power steering system, the Electric Power Steering (EPS) system has more

5、 advantage and has been one of the hot spots of the modern automobile steering system . In this paper, based on the study and analysis of electric power steering systems status and trends of domestic and foreign research, the structure, working principle, main types, the advantages of the electric p

6、ower steering system are firstly introduced,especially, studied deeply the constitute and working principle of electric power steering system (EPS) . Secondly, in theory, the assist characteristic of electric power steering system is analyzed and studied, the classification and design principles of

7、assist characteristic are also studied, the three assisted characteristic curve of the electric power steering system including the straight, poly-line, curved are analyzed comparatively and of their advantage is analyzed ,too. Finally, the impact of electric power steering system on handling and st

8、ability is studied, The motion differential equations of 2-dof linear model are derived in detail in this paper, which is discussed that the EPS system introduced yaw rate being feedback on the vehicle stability and vehicle handling and stability is easy to be studied further, the conclusion that th

9、e EPS system introduced yaw rate feedback will help to improve the stability of the vehicle is drawn. the time domain and frequency domain response which are involved in the car curves is also essential for the study of the influence on handling stability of EPS technology. Key words: electric power

10、 steering, power curve, handing stability 目 录 1 绪论 1 1.1 前言.1 1.2 汽车电动助力转向系统简介.1 1.3 电动助力转向优点.2 1.3.1 提高操纵轻便性和高速稳定性.2 1.3.2 节能环保2 1.3.3 提供可变的转向助力特性3 1.4 EPS 系统的国内外发展现状.3 1.4.1 国内发展现状3 1.4.2 国外发展现状4 2 电动助力转向系统的主要构成及工作原理.5 2.1 电动助力转向系统的构成.5 2.1.1 助力电动机5 2.1.2 减速机构5 2.1.3 车速及转矩传感器6 2.1.4 EPS 的控制器.6 2.2

11、 电动助力转向系统的工作原理.6 2.3 电动助力转向系统的分类.7 2.3.1 转向柱助力式7 2.3.2 齿轮助力式8 3 EPS系统的助力特性分析10 3.1 EPS系统受力分析10 3.2 EPS的助力特性11 3.2.1 助力特性概念11 3.2.2 EPS 的助力特性.12 3.2.3 助力特性的分析13 3.3 三种助力特性曲线分析对比.13 4 EPS 系统对操纵稳定性的影响.17 4.1 线性二自由度汽车模型分析.17 4.1.2 侧偏角和横摆角速度对前轮转向角的传递函数18 4.2 汽车曲线行驶的时域与频域响应.22 4.2.1 EPS 操纵稳定性介绍22 4.2.2 时域

12、及频域响应23 4.3 汽车稳态响应.24 4.3.2 分析装备EPS系统的汽车稳态响应.26 4.4 EPS系统对操纵稳定性的影响分析总结28 结论和展望.30 致谢.31 参考文献.32 1 绪论 1.1 前言前言 汽车自 19 世纪末诞生到现在 100 余年的时间，汽车工业从无到有，以惊人 的速度发展，在近代文明史上写下了的重要篇章。 汽车是数量最多、 最普及、 活动 范围最广、运输量最大的现代化交通工具。可以说，没有哪种机械产品像汽车那 样队社会产生如此广泛而深远的影响。 汽车已从“没有马的马车”的雏形经过了无数的精心的雕琢而演化成精妙 绝伦的高薪科技产品。近 20 年来，诸方面的成就

13、改变了汽车的面貌，而且也是 汽车产品的结构和性能焕然一新。 汽车产品的现代化，特别是汽车操纵控制的电 子化。在80年代初，电子设备还只占汽车成本的 2%，而现在，在一些先进的汽 车上，这个指标已经超过了15%。汽车上几乎每一个系统都可以采用电子装置改 善性能和实现自动化。 例如，发动机点火系统、 电子操纵的供油系统、 电控自动变 速器、 防抱死制动系统、 智能悬架、 制动力调节装置、 速度感应式转向系统、 电控防 撞系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统等的应用大大的加强汽车的 安全性、可靠性、舒适性、经济性、通过性、平顺性以及稳定性。 近年来人们对汽车的安全性、舒适性和可靠性提出了更高

14、的要求，特别是 对主动安全性的有着很高的期望。 转向系统是汽车主动安全性的最关键总成，所 以对转向系统的研究显得尤为重要。 良好的转向系统不仅仅对汽车的主动安全性 有很大的提高，而且对改善汽车的舒适性、 通过性、 燃油的经济性、 行使得平顺性 操纵的稳定性又十分重要的作用，所以优良的转向系统是汽车性能的评价的重 要指标之一。 使汽车具有良好的操纵性能，因此改进汽车的转向特性始终是我们 汽车技术人员、汽车生产厂家以及各大科研机构的重要研究课题。如今，考虑到 车流量密集、高车速、驾驶人员不专业的问题，具备良好的操纵性是十分有必要 的。 本文在撰写的过程中追求的目标是，力求使其内容既有理论的意义又有

15、实 用价值，使它尽可能多的应用到现实生活中。 1.2 汽车电动助力转向系统简介 汽车在行使过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行使方向，被称为汽车 转向。 常见的轮式汽车实现转向的方法是驾驶员通过专设的机构，使汽车的转向 桥上的转向轮相对于汽车的轴线有一定角度偏转。 当汽车直线行使的时候，因为 汽车转向轮会受到路面对其侧向干扰的力的作用，改变原来的行使方向。 此时， 驾驶员也可以利用助力转向系统使转向轮向向相反的方向偏转，从而使汽车恢 复原来的行使方向。 这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽 车转向系。 因此，汽车转向系的作用是保证汽车按驾驶员的意志而进行转向行驶 如今，汽车转向

16、系统已经逐步发展成熟，由以前的机械式、 液压助力转向发 展到电动助力转向，微电子控制技术也也广泛的应用于汽车领域，当今世界倡 导节能环保，由此EPS得到广泛的应用。我国对EPS 的研究起步较晚，但目前已 有十多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研究，并已取得了较大的进 展。 EPS 的电动机、 助力特性、 传感器和ECU 等关键技术也有了突破性的进展。 在 1980年甚至更早，国外研制出电动助力转向系统并且装在汽车上使用。 1.3 电动助力转向优点 1.3.1 提高操纵轻便性和高速稳定性 电动助力转向系统对汽车转向系最基本的要求是：低速时转向操纵轻便， 高速时转向稳定。 在早期，低速型电动

17、助力转向系统在车速高于设定值的时候停 止助力，而现在，研究最多的是全速型电动助力转向系统，全速型是汽车在任 何车速下都能够提供最佳助力，即高速时：转向的时候产生良好的路感，提高 汽车行驶的稳定性；在低速时：即汽车原地或低速转向时，使转向操纵轻便。 而 HPS，即液压助力转向系统在汽车高速转向时仍提供较大的助力作用，因而会使 驾驶员丧失路感，影响了行驶的稳定性。 1.3.2 节能环保 电动助力转向系统是在机械转向系统的基础之上加入电机作为动力源，主 要由控制器、 车速传感器、 转向盘转矩传感器、 助力电机及减速机构、 机械式转向 器、离合器和蓄电池等组成。 与传统的液压助力转向相比，EPS 的优

18、点是：能量消耗很小，因为电机只 在需要转向助力时才工作，汽车大部分时间正常行驶时电机并不工作。 而传统的 HPS 由液压泵、 油缸和管路组成，系统一直处于工作状态，以便保持一定的压力， 而不考虑是否需要转向助力，所以能量消耗比较高。在 HPS 系统中，发动机驱 动转向油泵，发动机一运转，就会带动油泵工作；而在电动助力转向系统中， 是由电动机提供助力，由发动机或者由蓄电池来驱动电动机，只在转向时消耗 发动机功率，不转向时几乎不消耗发动机功率，使燃料消耗降低。 这两者进行对 比较表明：装备电动助力转向系统的汽车燃料消耗比装备 H 液压助力转向系统 的汽车降低了 5.5%1；EPS 不存在液压助力转

19、向中的转向油罐等，整体质量减小， 结构更加紧密；电动助力转向系统避免了液压油泄露问题，给环境保护带来方 便。电动助力转向系统中只有 5%的组件是不能回收利用的，而液压助力转向系 统却达到15%。 1.3.3 提供可变的转向助力特性 EPS系统可修改转向助力特性使系统具有不同的助力性能，快速准确地与不 同车型匹配，以便适应各种类型汽车转向助力的需要2，而且转向助力的大小 是随转向快慢、 车速以及路面条件等的变化实时进行调整的，保证始终获得良好 的操纵性能和转向路感。 此外，EPS 还具有安装维修方便、集成度高等优点。 1.4EPS 系统的国内外发展现状 1.4.1 国内发展现状 目前国内对EPS

20、系统的研究主要集中在转向柱助力式EPS 系统。许多企业以 及高校已经开始对EPS系统的研究和试验工作。 在许多国内的高校，比如：吉林 大学、 北京理工大学、 清华大学分别针对电动助力系统的助力特性系统试验台、 控 制策略等方面展开研究，开发了 EPS 系统样机及其试验台并且进行了实车试验， 例如北京理工大学在夏利 2000 吨电动轿车和北斗星轿车上已经进行了实车试验， 而且试验效果良好。 此外，在天津大学、 西华大学、 武汉理工大学、 北京科技大学、 江苏大学等院校也在展开对EPS系统的研究。 在国内企业方面，南方航空动力机 械公司正在展开对电动助力转向系统的研究工作和洽谈相关合作项目。 国内

21、的广 州本田飞度、 思迪，天津丰田的皇冠，昌河北斗星，重庆长安的雨燕，上海大众 的途安和一汽大众的开迪等轿车是国内较早装备电动助力转向系统的车型。 随着 全球能源消耗的增大，各国面临着节能减排的迫切压力。 如今汽车重要的能耗物 节能需要进一步加大。 人们对环保和安全意识的不断增强，电动助力转向系统的 研究运用在轿车上的广泛采用已经成为一种趋势。 电动助力转向系统将在各大高 校和企业中不断进行深入研究。 1.4.2 国外发展现状 在国外，电动助力转向系统首先是在微型轿车上发展起来，但因为微型轿 车的发动机舱空间狭小，液压动力转向系的布置安装起来比较麻烦，因此，在 1988 年日本铃木公司首先在小

22、型轿车 Cervo 上配备了转向柱助力式 EPS 系统， 接着又将其应用于 Alto 车上，两年后，日本本田公司也在运动型轿车 NSX 上配 备了齿条助力式 EPS系统，从此揭开了电动助力转向系统（EPS）在汽车上应用 的新篇章。 相对而言，欧美等国汽车公司对电动助力转向系统的开发研究比日本晚， 目前欧美等国经过不断的努力也开发出了 EPS 系统，并且已经装车销售，比如 美国的 TRW 公司于 1996 年推出 EPS 系统并且在马自达 323F 和福特 Fiesta 上进 行了实车试验；Sagninaw 公司于 1999 年研制成功，德国的 ZF 公司也研制出适 用于不同类型轿车的 EPS

23、系统；目前，Mercedes-Bens 和 Siemens Automotive 两大汽车公司共同投资6500万英镑致力于电动助力转向系统的研究。 2 电动助力转向系统的主要构成及工作原理 2.1 电动助力转向系统的构成 电动助力转向系统是动力转向系的一种，可以简单的看作是在机械转向系 统的基础上，加了电动机作为助力动力源。电动助力转向系统（EPS）主要有由 控制器、 转向盘转矩传感器、 车速传感器，机械式转向器、 助力电机及减速机构、 蓄电池等组成。系统结构如图2.1 所示。 图2.1 电动助力转向系统结构示意图 2.1.1 助力电动机 助力电动机是EPS的执行元件，随着人们对车辆使用轻便性

24、的要求越来越高， 对电机的输出扭矩要求也越来越高。如果扭矩不够高，直接反映给驾驶员 路况与驾驶手感不协调，助力电动机应具备低噪声、 大功率、 低振动、 较小的体积 和质量等要求；还应具有起动快速、 转矩惯量比大的性能；如果接到指令后反应 时间短，则说明灵敏度高；如果电机的转速随控制信号呈连续线性变化，说明 电机可靠性高；在恶劣的条件能够良好的运行。 2.1.2 减速机构 常用的有滚珠螺杆螺母式蜗轮蜗杆式和行星齿轮式几种。 减速机构的作用是 减速增扭，有的减速机构与离合器配合工作，完成转向。 此机构对系统工作性能 的影响较大，要求此机构具有高效率、低噪声的特性。 2.1.3 车速及转矩传感器 车

25、速传感器是用来检测车速信号，驾驶员在驾驶车辆过程中，根据不同路况 调整不同的速度，当车速不同的时候，方向盘转角时侧向加速度也不相同，因 此要使驾驶员有良好的路感，就要不断调整转向助力系数。 为满足其要求，要求 传感器具有较高的精度、 可靠性、 耐久性、 通用性、 结构紧凑和成本低的特点。转矩 传感器将测量到的驾驶员作用在方向盘上的力矩大小和方向以及转向盘转角的 大小和方向转成电子信号传至ECU。就是将机械信号转化成电子信号，作为电动 助力转向系统重要部分，其监测的准确性直接影响转向精度，基本要求是要精 确、可靠、低价格。 2.1.4 EPS 的控制器 一般 ECU 都具有安全保护和自诊断功能，

26、作为电动助力转向系统的核心控 制部分，它接收车速及转矩传感器发来的信号，进行转换、 运算和分析，它决定 助力作用的大小与方向是通过执行器助力电机发出动作指令的。 因此控制器应具 有良好的抗干扰性、运算快速精准、实时测控能力强等特点。 自诊断功能。 当驾驶员接通汽车电源时，EPS指示灯常亮（表示汽车配有 EPS）；当驾驶员在启动发动机的过程中，EPS控制器就对传感器、 电路及电机等 部件进行自我诊断。部件出现故障时，EPS指示灯常亮或闪烁，此时可以通过将 诊断开关端子B1接电源（蓄电池）负极进行故障诊断 安全防护功能。 当EPS系统出现异常时，EPS控制器将切断EPS系统电源， 自动转换成无助力

27、的机械转向系统并且EPS指示灯常亮（或闪烁）。 2.2 电动助力转向系统的工作原理 电动助力转向系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而成的，主要由 转向盘转矩和转角传感器、 轴重传感器、 车速传感器、 电子控制单元（ECU）、 电动 机、 减速机构和电磁离合器等组成。 图 2.2为一种转向轴助力式的EPS系统结构框 图。 图2.2 EPS系统结构框图 工作原理： 当汽车转向时，由转矩和转角传感器将所检测到的转矩和转角的大小和方 向信号输入至 ECU，此时车速及轴重传感器也将各自检测到的信号输入给 ECU。 ECU 根据这些信号进行处理，因此确定电动机助力电流的大小以及方向。 该 电流即为所需

28、的助力转矩，由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在转向 轴上使之得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。 当 ECU检测到异常信号 时，立即断开电磁离合器，退出助力模式，同时点亮故障指示灯。 当汽车不转向 时，电动机不工作。 2.3 电动助力转向系统的分类 按照电动机助力位置的不同, EPS 可以分为转向柱助力式(Column-assist type EPS)、齿轮助力式(Pinion-assist type EPS)、齿条助力式(Rack-assist type EPS)等三种类型。 2.3.1 转向柱助力式 转向柱助力式的电动机、扭矩传感器、离合器和转向助力机构组成一体，安 装在转向柱

29、上，直接驱动转向轴因而实现助力转向，如图 2.3(a)所示3。其特点 是助力转矩经过转向器放大，因此电机的减速机构传动比较小，使该 C-EPS 系 统结构简单、紧凑、易于安装；电机布置在驾驶室内，工作环境比较好，此装置 对电机的密封要求低，但同时对电机噪声要求较高；因为电机距离转向盘比较 近，电机的力矩波动容易直接传到转向盘上，因而导致转向盘振动；助力转矩 通过转向管柱传递，这就要求转向管柱有较大的刚度和强度。 由于受到空间布置 和噪声的影响，电机的体积较小，输出扭矩不是很大，适合用于前轴负荷比较 小的微型轿车上。 0 图2.3电动助力转向系统的分类 2.3.2 齿轮助力式 齿轮助力式(P-E

30、PS) 的扭矩传感器、电动机、离合器以及转向助力机构仍为一体 只是整体安装在转向小齿轮处，直接驱动小齿轮实现助力转向，如图 2.3(b)所 示。 其特点是助力转矩经过转向器放大，因此电机的减速机构传动比相对来说比 较小；电机安装在发动机舱内，工作环境比较差，这对电机的密封性要求较高； 电机的力矩波动不太容易传到转向盘上，驾驶员手感适中。 由于助力电机不是安 装在乘客舱内，因此可以使用较大的电机以获得较高的助力扭矩，而不必担心 电机转动惯量太大而产生的噪音，此类型更适合用于前轴负荷中等的轻型轿车 上。2.3.3 齿条助力式 齿条助力式(R-EPS)的的扭矩传感器单独布置在小齿轮处，电动机与转向助

31、 力机构一起安装在小齿轮另一端的齿条处，直接驱动齿条实现助力转向，如图 2.3(c)所示。其特点是助力转矩作用在齿条上，不经转向器放大，要求电机的减 速机构具有较大的传动比，减速机构相对比较大；电机的安装位置距离驾驶员 较较远，对电机的噪声要求不是很高；电机力矩波动不易传到转向盘上，因此 驾驶员手感良好。 由于电机在齿条上的安装位置比较自由，所以布置时非常方便 同 C-EPS 和 P-EPS 相比，R-EPS 可提供更大的助力，适用于前轴负荷较大的 高级轿车和货车上。 3 EPS 系统的助力特性分析 3.1 EPS 系统受力分析 电动助力转向系统所受的力有驾驶员作用在方向盘的操纵力、 电动机的

32、助力 矩和转向系统所受到的助力矩。 驾驶员在转向过程中作用在方向盘上的操纵力， 同时在电动助力转向系统的电动机助力下，通过转向机构克服转向阻力矩，从 而实现对汽车的转向。 在转向过程中，驾驶员在方向盘上的作用力以及电动机作 用的助力矩大小与汽车转向系统所受的助力矩有关系。 1）驾驶员的操纵力 汽车转弯时，可对方向盘作用切向力来操纵汽车行驶方向，驾驶员对汽车 的操纵力分为两种情况:第一、改变汽车行驶方向的时候驾驶员作用在转向盘上 的切向力;第二、 保持汽车的行驶方向不变时驾驶员保持方向盘不动的力3。 汽车 进行直线行驶或者固定在某个方向不变的时候就需要一个方向不变的把持力。 2) 电动机的助力矩

33、 电动机助力矩是由电动机为了提高汽车操纵的轻便性而对转向系外加的力 矩。它的大小由EPS的 ECU根据传感器传来的力矩和车速信号来决定的。 3) 转向系统的阻力矩 转向的阻力矩大体上可以分为“转向系的阻力矩”和“绕主销的阻力矩” 这大部分。 其各组成部分都随车速、 车辆侧偏角、 轮胎偏离角、 转向盘转角、 转向盘 转动角速度以及的变化而发生变化。 路面和轮胎间的转矩形成绕主销的阻力矩，路面状态、轮胎特性、车轮定位参数 和负荷都会对其产生影响，绕主销的阻力矩随着转向轮偏离角和车速的变化而 发生变化。 一般来说，按汽车不同的行车方式绕主销的阻力矩被分成“原地转向阻力 矩”和“行车转向阻力矩”两种。

34、 原地转向阻力矩，顾名思义是指静止的汽车进 行转向时，轮胎发生变形，随之路面和胎面之间发生滑移，因而产生转向阻力 矩。 行车转向阻力矩则是汽车在行驶的过程中产生的转向助力矩，由于转向的车 速增加了，轮胎接地面积的滚动成分增加，因此行车转向阻力矩就比较小。 高速 行车过程中，随主销后倾角越大，轮胎偏离角所引起的转向阻力矩越大。 转向系阻力矩主要包括这三部：转向系复原力矩、转向系惯性力矩、转向系 摩擦力矩。 转向系复原力矩主要是由转向系内一系列弹性变形引起的回复力产生 的；转向系惯性力矩主要是由转向系内各部分在运动过程转速变化而形成；转 向系摩擦力矩主要是指转向系各部分之间的干摩擦阻力矩的总和。

35、3.2 EPS 的助力特性 3.2.1 助力特性概念 转向系统的助力特性是指助力随汽车运动状况和受力状况变化而变化的 规律。它是电动助力转向系统研究的首要目标之一，是决定转向路感、转向轻便 性和操纵稳定性的首要条件。 助力特性曲线是电动助力转向的控制目标，唯有先 确定了转向助力特性曲线，才可在此基础上进行 EPS 控制器的综合分析。由于 在传统的液压助力转向系统中，其提供的转向助力是随着液力油压增高而增大 的，因此其助力特性通常用液力油压与行驶车速及方向盘输入手力矩的变化关 系表达。在 EPS 中由于其提供的助力是与助力电动机的电流或电压成线性变化 的，因而其助力特性可用助力电动机的电流或电压

36、与方向盘输入手力矩、 汽车行 驶车速的变化关系来表达。 我们平常所说的路感是指驾驶员通过施加在转向盘上的手力来感受来自路 面反馈的转向反力并由此来了解车辆当前的运动状态的一种主观评价。 而在实际 驾驶过程中路感与转向轻便性是相互对立的。 若要使汽车具有良好的路感，这就 要求转向机构能将从地面反馈的转向反力的变化都能清楚地传到驾驶员手上， 以便更加清楚地了解汽车当前行驶状况，而但是这导致了在低速转向时转向阻 力过大，使转向沉重；若要使转向轻便性良好，这就要求转向系统能给予较大 的转向助力，但是这将会导致驾驶员感受不到路面反力的细微变化，致使路感 严重下降。 因而我们要求理想状态的助力特性能恰当的

37、调和两者之间的矛盾，既 能满足转向轻便性的要求又能在整个车速范围内给予驾驶员清晰的路感，从而 提高汽车行驶的主动安全性能。装备了 EPS 的转向系统，要能够良好地协助驾 驶员进行转向操作，使转向更为方便。 助力矩与转向盘转矩之间的理想关系应具 备以下特点： 1、助力矩应该与驱动力矩的变化保持一致，以便保证转向的平稳性。 2、助力矩应该与车速的变化相反，即随着车速的升高，施加的转向助力应 减小，以便驾驶员获得良好的路感，保证行车安全。 3、对于实际驾驶中，驾驶员时常为了调整汽车行驶路线而进行高频率细微 角度转向操作，应设定在此调节区域内不施加转向助力，以免助力电机频繁动 作导致器件损耗并浪费了能

38、量。 4、当助力矩增加到一定值时应保持恒定，一则以免原地转向时助力电动机 3.2.2 EPS 的助力特性 电动助力转向系统根据输入力的大小和方向，对转向系统施加更多的助力， 因为电动助力转向系统的作用，方向盘输入的力和转向机构实际受到的力是非 线性关系;没有装电动助力转向系统的车辆，是由方向盘直接输入力，经过变速 机构的放大作用，带动转向横拉杆，因而实现转向作用，此时的方向盘输入力 和转向机构实际受到的力是线性比例关系。 本文选择电动助力转向系统助力特性曲线属于速度感应式，主要有两个： 高速和低速，低速型是指只有在低速驱动的时候才提供助力，而全速类型则是 指在所有的速度驱动下都将为系统提供助力

39、。 只有速度超过预订的某一特定值时 电动助力转向系统停止工作。 低速型缺点高速操纵稳定性差，优点是对系统的要求相对较低；而全速型恰恰相反， 助力特性主要关系到转向轻便性和路感4，装有助力装置的系统，应尽可能的不违背 驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向的时候得心应手。 输入力矩与助 力力矩之间的理想特性曲线有以下特点： 1)在常用的快速转向行驶时间，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助 力部分发挥作用，助力效果明显； 2)在要求输入转向力矩很小的区域，希望助力部分的输出越小越好，助力 部分基本不起作用，保持较好的路感； 3)各区段过渡要平滑； 4)原地转向或汽车掉头时，即当转向阻力矩相当

40、大时，应尽可能发挥较大 的助力转向效果，输出力矩增幅大； 5)随着车速的增高，输入力矩很小时不助力的区域应增大。 3.2.3 助力特性的分析 助力系统提供的助力随汽车的车速，方向盘手力，方向盘转速，车身横摆角 速度等的变化而提供相应助力的规律，这就是转向系的助力特性。对 EPS 来说， EPS 系统的助力大小是与电动机电流成正比的，因为是通过电机的电流、方向盘 力矩、 车速、 方向盘转速的变化来控制助力特性。 理想的助力曲线应该满足:既可 以满足转向轻便型与良好的路感，也要可以协调好转向轻便型和路感之间的关 系，而且还要使 EPS 系统的转向特性尽可能的与手动助力转向的转向特性相一 致。 因为

41、低速行驶转向盘转矩比较大，所以要能提供较大的转向助力矩以便足对 转向轻便性的要求，在汽车高速行驶时，汽车转向要求的转向力矩比较小，这 时就要求汽车转向系统满足驾驶员对路感的要求。 3.3 三种助力特性曲线分析对比 电动助力转向系统的助力特性具有多种曲线形式，目前最为典型的主要有 直线式、折线式和曲线式三种。但是不论采取哪种形式助力特性，电动助力转向 系统的助力要求决定了整个转向过程按照方向盘手力矩大小将划分成三个区域： 非助力区、 助力变化、 助力恒定区。 助力区使用的助力曲线不同是这三种助力特性 之间的主要区别。下面对这三种形式分别进行介绍。 1、直线式助力特性 直线形的助力特性特点是在助力

42、变化区，助力电流与转向盘的输入手力 矩成线性变化，并且在不同车速时其助力斜率是不同的，总的来说是随车速的 增高而下降的，因此可以得到一组不同车速下的助力曲线。如图 3.1 所示： 该助力特性曲线可用以下函数表示： 式中 ： I -电机的目标电流，A； ax ddTTvKI m 0 I )( 0 max max0 00 dd ddd dd TT TTT TT Td -方向盘的输入力矩，Nm； Td0 -系统开始助力时转向盘的输入力矩,Nm； Imax -助力电机的最大工作电流,A； -助力梯度，又称为车速感应系数，它与车速成反向变化。 并可以根据方程 计算不同车速下的车速感应系数。 )(vK 0

43、max mI )( dd ax TT vK 图3.1 直线式助力特性曲线 从图中我们可以看出：当方向盘的输入手力矩小于 Td0 时，系统不工作， 汽车仅靠驾驶员输入的手力矩进行转向；当方向盘的输入手力矩达到 Td0 时， 系统开始工作，助力电机提供助力以协助驾驶员转向操作；当 Td 超过 Tdmax 时， 系统助力达到最大值。 2、折线式助力特性 折线形的助力特性与直线型相类似，区别在于在助力变化区，其助力斜率 是分段变化的成为了折线形。 这样就可以在方向盘输入手力矩较小时，使助力稍 小 些以提升“路感”，而在大力矩转向时，能够给予较大的助力使转向更为轻便。 折线式助力特性见图 3.2： 该助

44、力特性曲线可用以下函数表示： 图 3.2 折线式助力特性曲线 ax dddd dd TTvKTTvK TTvK I m 01112 01 I )()( )( 0 )(1vK)(2vK)(1vK)(2vK max max1 10 00 dd ddd ddd dd TT TTT TTT TT 其中Td1 为车速感应系数由变化到时的方向盘的输入力矩。从图中我们可以 看出：当方向盘的输入手力矩小于 Td0 时，系统不工作，汽车仅靠驾驶员输入 的手力矩进行转向；当方向盘的输入手力矩达到 Td0 时，系统开始工作，并且 提供助力力矩以协助驾驶员进行转向；当方向盘的输入手力矩达到 Td0 时，助 力特性曲线

45、的梯度为：当方向盘的输入手力矩达到 T d1时，助力特性曲线的梯 度为；当Td 达到或超过Tdmax 时，系统输出最大的助力力矩并保持恒定不变。 3、曲线式助力特性 曲线形的助力特性为了在助力变化区实现方向盘输入手力矩较小时少提供 助力，手力矩较大时多提供助力，助力电机的电流与方向盘的输入手力矩成曲 线 变化形式。 该特点与折线式相同，只是曲线形式比折线式过渡得更平滑些，同时 助力增益变化更合理，曲线式助力特性曲线如图 3.3 所示： 该助力特性曲线可用以下函数表示： 其中 为助力变化函数。我们从图中可以看出：当转向盘输入力矩小于 Td0 时，系统不工作，汽车仅靠转向盘输入力矩进行转向；当转向

46、盘输入力矩达到 Td0 时，系统则开始工作，助力电机提供曲线变化形式的助力力矩以协助驾驶员 进行转向；当Td 超过Tdmax 时，系统提供最大助力力矩。 max max0 00 dd ddd dd TT TTT TT )(dTf ax dTfvKI mI )()( 0 图3.3 曲线式助力特性曲线 比较以上三种助力特性曲线，直线式助力特性最简单，控制系统设计方便， 并且容易调整，曲线式助力特性最为复杂，调整不方便，折线式助力特性介于 两者之间。从设计、调整、使用的角度看，直线式助力特性能够满足实际应用。 4 EPS 系统对操纵稳定性的影响 4.1 线性二自由度汽车模型分析 为了便于掌握操纵稳定

47、性的基本特征，我们将对一简化为线性二自由度汽 车模型进行分析，如图 4.1 所示，假设:不考虑转向系统的影响，直接以前轮 转角作为输入5；汽车仅作平行于地面的平面运动，不考虑悬挂的作用； 汽车沿 X 轴的前进速度不变，汽车有沿 Y 轴的侧向运动和绕 Z 轴的横摆运动； 驱动力比较小，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的 作用；不考虑左右车轮由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化。 图4.1 汽车线性二自由度转向模型 因此实际汽车便简化成为一个两轮摩托车模型。 它是一个由前后两个有侧向 弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型6。 4.1.1 运动微分方程 平面运动

48、汽车对车辆坐标系的运动微分方程为: （4-1） )(cos12tYYuvmFF rzYYIbFaF21cos 式中 整车质量 前轮转向角 FY1、FY2地面对前、后轮侧向反作用力，即侧偏力 m IZ 汽车绕Z轴的转动惯量 考虑到较小，上式可以改写为： 侧偏力大小是与侧偏角和汽车运动参数有关系，汽车前后轴重点速度 为 ，侧偏角为 ，质心侧偏角是 ， 。设 是 与X轴 )(12rYYuvmFF rZYYIbFaF21 21uu、 21、 u v 1u 夹角，其值为： 据坐标系规定前后侧偏角为： （4-2） 式（4-1）可以写为： 式中、侧偏刚度 、分别为前后轮中心到汽车质心的距离 设为汽车轴距将式

49、（4-2）代入上式，整理后得到二自由度汽车运动微分 方程： （4-3） u a u av u urr x y 1 1 u a a r )(1 u b u bvrr 2 )(2211rruvmkk rzIbkak2211 1k2k a b baL )()()( 1 )(12121rrrmuuvmkbkak u kk （4-4） 4.1.2 侧偏角和横摆角速度对前轮转向角的传递函数 对（4-3）、（4-4）进行拉式变换，设初始条件为零，由此可得到以 下等式： （4-5） （4-6） 其中：； （4-7） ； （4-8） （4-9） 因此横摆角速度和侧偏角对前轮转向角的传递函数分别为： （4-10）