EPS性能试验与评价方法研究

一、EPS的定义

EPS（Electric Power Steering）称为电动助力转向系统，电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护环境。



二、EPS的作用

电动助力转向器的作用是在行车过程中，辅助驾驶员完成转向动作。通过单片机（ECU）微机系统综合处理来自转角传感器、扭矩传感器的信息，并结合车速以及驾驶员输入扭矩的信号，根据PDI模糊控制原理通过一定的算法来提供助力辅助转向，实现了助力智能化。



三、EPS的种类

EPS主要有三种类型，即C型、P型和R型。

1C型
一种机电一体化的新一代汽车智能助力转向装置。在不同车况下汽车转向时，它通过电子控制装置，使转向助力电机产生所需的辅助助力，达到操纵稳定、转向轻巧、行驶安全，使驾驶员行车有良好的舒适感。

其特点如下：
1）适应性强，可根据不同车型选用和定制汽车电动助力转向管柱和控制器，同时进行助力匹配，可广泛应用在0.6-1.8L排量的经济型轿车和微型轿车；
2）结构紧凑，安装方便，所需安装空间小；
3）低速时转向轻便，高速时操纵稳定，回正性能优良；
4）可靠性高，免维护；
5）具有自诊断和安全控制功能。



2P型
由EPS控制器、扭矩传感器、电机总成和减速装置组成，是新一代汽车电动助力转向装置。通过将电力辅助单元配置到转向装置的齿轮轴，实现了小型轻量化，可直接安装在驾驶舱内，机械结构更易于整体安装，与液压助力转向器的尺寸大小相当；扭矩传感器安装在助力转向器内部。

3R型
通过EPS辅助单元与齿条轴的一体化，提高了轻量化及装配紧密性。直接辅助齿条轴，实现了低惯性、低摩擦、高效率，提高了驾驶舒适感，达到了高输出化。



四、EPS的结构特点

EPS由电动机提供助力，助力大小由电控单元（ECU）实时调节与控制。所以EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向操纵稳定性，进而提高汽车的主动安全性。



其基本原理是，扭矩传感器与转向轴（小齿轮轴）连接一起，当转向轴转动时，扭矩传感器把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU，ECU根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和电流的大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易的实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。



汽车EPS的服役条件包括：载荷、温度、腐蚀介质。

1载荷

载荷是指利用伺服电机模拟方向盘转动产生的扭矩。
载荷分为动载荷与静载荷，方向盘在空载情况下的转动为静载荷，动载荷包括交变载荷与冲击载荷，正常路况下，方向盘平滑的左右转动以交变载荷的形式体现出来，是行车过程中主要形式，针对这种形式进行疲劳试验检测；在路况较差的情况下，方向盘的快速转动对转向器的性能要求偏高，即以冲击载荷的形式体现，主要针对冲击试验检测其可靠程度。



2温度
温度是指汽车EPS除正常工作温度下的高温与低温情况。
温度对转向系统有很大影响，北方温度较低，南方温度较高，特别是夏季路面温度更高，这对于转向器温度适应性有较高要求。

3腐蚀介质
腐蚀介质是指EPS在雨雾天气等不良环境中运行的情况下，空气中的水汽、灰尘、泥浆等腐蚀物质对EPS的性能的影响。



五、EPS的性能要求



1平滑性
在按不同车速手动转动方向盘的过程中，感觉转动过程中应平滑、无卡滞，方向盘无明显振动，转动方向盘至任意角度停下时转向器输出端不应有惯性延时现象。

2耐久性
经过疲劳与冲击试验后，在电动助力控制器电源断开情况下，汽车EPS静扭强度和刚度应符合QC/T649或QC/T29097标准的要求。

3抗干扰性
为了确保电子电气组件能够正常工作，应进行电磁辐射抗扰性测定、无线电干扰特性测定、静电放电产生的电干扰测定。试验过程中和试验过程之后能执行预先设计的所有功能，不得出现任何异常状况。



六、EPS的试验标准
影响EPS性能的因素主要有载荷、温度、腐蚀介质。根据试验要求考虑载荷与温度两个因素。

1载荷模拟
载荷模拟是指利用交流伺服系统模拟实际过程中，方向盘的转动对转向器的影响。

试验主要包括两个部分：
1）方向盘平滑转动即疲劳耐久性试验
2）方向盘快速转动即冲击载荷试验
根据《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法》要求，经过载荷模拟试验，装置仍能正常转向，不得出现异常和损坏。



2温度模拟
考虑到地域、季节的不同，针对转向装置在不同温度条件下的工作状态，进行性能评价，利用温控箱实现。根据《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法》要求，经过温度模拟试验，各元件仍能正常工作。

3试验项目
为了使汽车EPS在不同服役条件下满足不同性能，要求进行如下试验：



七、EPS的试验项目
全面掌握EPS外在特性的表现是确定其试验项目应该明确一个根本原则。在下图给出的转向柱助力型式EPS总成结构示意图上，从方向盘侧力矩输入、电机输出助力矩，到机械机构力矩变换、总成输出旋转力矩(或齿条推拉力)至车轮,是一个力矩平衡系统,总成工作中关键部件的几何位置，以及造成力矩平衡系统动态变化的控制策略与助力手段等都将成为影响EPS性能的要素。



参照国外相关企业标准和国内行业草拟的EPS总成技术条件，EPS的试验项目基本明确在性能试验和可靠性试验两个方面，下表中给出的基本性能试验项目要求与试验的目的是一致的。



由于行业EPS标准草案中对应的传感器、助力电机、控制器(ECU)三个标准分别独立于总成标准，故表中的试验项目不涉及三者的内在特性。

八、EPS的试验内容与评价

在EPS工作的力矩平衡系统中，涉及输入输出扭矩、输入输出转角、电机工作电流和配置车速等物理量。
EPS系统工作的力矩动力学方程可表示为：
JeqΗ+B1ΗP+Msw=Tfz-Td
上式中：
Jeq——折算到小齿轮上的系统总惯性矩
B1——系统当量摩擦系数
Msw——方向盘把持扭矩ΖMsw=Ks(Ηp-Ηh)，其中Ks为扭杆的扭变刚度，Ηp为转向小齿轮转角，Ηh为方向盘转角
Td——电机当量助力转矩
Tfz——路面作用于转向小齿轮的转矩
试验系统的加载方式必然有别于实际运行，理论上全载荷、部分载荷情况都可以由磁粉制动器设定。弹性载荷确定应结合前轴载荷和轮胎与路面的摩擦等因素适当选择，输出端冲击加载可利用重锤落体等方式实现。输出端冲击加载可利用重锤落体等方式实现。



1功能试验
将被试装置安装在试验台架上，在输出端施加相当于汽车最大转向阻力的1/4载荷，在0~到最高车速范围内、按5~20Km/h车速间隔试验。在向两个方向手动匀速转动转向盘的同时，在全行程内感觉工作是否平滑、连续及转向盘有无振动；转向盘转至任意角度停下时,输入端不应有惯性延时现象。

2输入、输出特性试验
将被试装置安装在试验台架上，系统正常工作，把输出端刚性固定或加弹性载荷，设定不同车速(从0Km/h至最高速，间隔5~20km/h)分别向两个方向匀速转动输入轴，转到输入力矩/力至设定值为止，同时纪录各个车速下输入力矩与输出力矩/力关系曲线，见下图。

1） 做出不同车速下的转向手力特性
2） 分别测出不同车速下左右最大转动力矩/力
3）分别计算出各车速下曲线的对称度



3助力电流特性试验

将被试装置安装在试验台架上，系统正常工作，匀速转动转向盘，使输出端载荷达到额定载荷，设定不同车速（从0km/h至最高车速，间隔5~20km/h），记录输入载荷与电流变化关系，见下图：
1）做出不同车速下的电流特性
2）分别测出各车速下最大行程时的左右最大电流



4反向冲击特性试验
将被试装置安装在试验台架上，系统正常工作，当转向盘处于直线行驶位置时，在转向器输出端施加额定输出力的40%冲击载荷，时间不超过10毫秒，记录冲击时的电流响应时间和方向，测出转向盘所转动的角度。见下图：



5转动力矩特性试验
将被试装置安装于试验台架上，输出轴应处于无负载状态。
1）在汽车点火开关关闭状态下，输入轴以6±1r/min的转速从起始位置(0°位置)，顺时针转动到90%最大转角，然后再反向转动到90%最大转角，再顺时针转回到起始位置。记录并绘制转动力矩曲线(如下图)
2）在汽车点火开关开启状态下，重复上述试验并绘制转动力矩曲线(如下图)
3）模拟车速点火开关开启状态下，保持5s，测试输入、出轴力矩/力



6回正试验
将被试装置安装在试验台架上，系统正常工作，车速分别在20Km/h和80km/h时，转动转向盘转至最大角度时松开，在弹性力作用下使其自由回正，然后反方向再作一遍。做Mθ曲线,检查回正曲线情况。见下图：




九、结语
EPS系统是汽车转向系统的发展方向，由于电动助力机直接提供转向助力，省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮，既节省能量，又保护了环境。



另外，EPS还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。现在新能源汽车是发展方向，尤其续航里程作为企业重点关注的指标，对于能够有节能方向的产品开发也显得越来越重要；同时，人们也更加关注主动安全这块的功能，所以，EPS系统在汽车的功能开发中显得也尤其重要。