新技术应用
Science&Technology Vision科技视界DOI:10.19694/jki.issn2095-2457.2022.27.25
韩云肖丛玉利王柳郑登峰
(北汽福田汽车股份有限公司，北京102206)
【摘要】转向助力匹配计算是关系汽车转向系统选型的重要步骤，计算准确度影响汽车转向轻便性，电动助力转向匹配计算有它的独立特点。文章通过电机特性与转向工况性能(Task Performance)[1]相结合的方式提供一种电动助力转向匹配计算方法，从转向系统传动各环节、电机特性、转向工况等方面计算分析转向阻力与转向助力的匹配度。文中的参数选择体现长期实践的成果，计算结果对电动助力转向系统选型提供了重要依据。
【关键词】电动助力转向；匹配计算；汽车转向工况；电机特性
0引言
液压助力转向（HPS，Hydraulic Power Steering）的助力大小主要与转向器助力缸缸径和液压压强相关、助力速度主要与转向油泵流量相关，其助力匹配计算，通常是叠加了原地转向、和快速打方向盘两种最恶劣转向工况来进行，而这种工况实际很少发生。电动助力转向（EPS，Electric Power Steering）的助力大小和速度都与电机特性相关，所以EPS与HPS的助力匹配计算是明显不同的。，但是目前关于EPS助力匹配计算没有系统的介绍，本文即提供一个详细方法。
EPS的助力与电机特性密切相关，具有精确、可控的特点，也受电机最大输出转矩的限制。汽车的某一转向工况，对应助力电机工作的某一特性区间。汽车转向工况通常可以分为7种，在电动助力的匹配计算时，不必像象液压助力那样计算与叠加两种最恶劣工况的匹配性，仅需按这7种工况，分别计算校核电机在对应特性区间的能力（某一转速下的最大输出转矩）是否满足需求即可，如此更加适合实际情况，避免性能过剩，可以节省零部件成本。
下面以两轴卡车为例，分5部分介绍转向助力电机与7种转向工况的匹配计算方法。
1两轴卡某商用车EPS转向系统典型结构特征
如图1所示，两轴卡此车EPS转向系统采用循环球电动助力转向器，电机输出轴通过轮蜗杆换向、减速、增扭，将动力传递到转向器输入端，与方向盘转向力一起驱动转向器，经转向器内部循环球和齿条齿扇机构进一步减速增扭，将动力传递到转向杆系，最后驱动车轮转向。EPS匹配计算时需要按结
构特征分配传动比和传动效率。
2汽车电动助力转向工况
总结汽车转向的使用情况，将转向工况分为表1所列7种，基本可以涵盖车辆转向所有使用情况。电动助力可实现助力大小随车速可变，故表中高车速转向操纵力较大。针对不同车型、不同人、不同驾驶模式（操纵力重、中、轻或全自动）等需求，表中数值有所不同，本文仅按表中数值计算。
作者简介：丛玉利，本科，汽车工程师，研究方向为汽车转向系统和传动系统产品研发。
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3助力电机特性
转向助力电机的转矩-转速特性曲线如下，表示
电机在各转速下所能提供的最大转矩。
图2示出的是备选电机的曲线，下面就是对它的
匹配校核计算。
4助力电机工况点计算过程
按表1中的各种工况，结合图1某商用车转向系
统结构和性能参数，以表1工况1为例，首先将工况1
转向阻力推算到电机环节，看所需匹配的电机助力转
矩是多大，作为工况点的纵坐标：
M x=(0.4×1.6×m r)/(i s×i W×η1×ηj×ηW)-(m h/i W×ηh×ηW)
0.4—表1工况1对应满载率
M x—需匹配的助力电机转矩
m h—方向盘输入力矩（手力），工况1对应值30Nm
表1汽车的转向工况
m r—转向器输出端的阻力矩，为车轮原地转向阻力矩距通过传动杆系换算（此文略）到转向器输出端的阻
力矩；车轮原地转向阻力矩距经验公式T Z=μ
3
·
G3
t
p
√[2]；根据车型和实测数据做一定调整，卡车实际阻力矩约为
M r的1.4~1.6倍。
i s—转向器传动比，取22.5
i W—涡轮蜗杆传动比，取20.5
ηh—转向传动（上）传动效率，包括转向管柱和转向传动轴，取98%
ηW—涡轮蜗杆传动效率，取80%
ηj—转向器机械传动效率，取92%
η1转向传动（下）传动效率，包括拉杆球节和主销，取98%
图1卡车电动助力转向系统结构
序号工况/车速方向盘转速
（°/s）
最大齿条力的百分比or前
轴满载时转向阻力的百分比
方向盘转角占方向盘单侧
最大转角的百分比（%）
最大转向操纵力矩
（N·m）
1高速避让
80040%从直线行驶开始30或20[女士要求] 2方向盘转动加速度为
10000°/s2，持续0.08s，/
70km/h
3机动转向65050%0%<σ<70%8
4方向盘固定转角，10km/h50070%70%<σ<95%16
5方向盘恒定转速，踩脚制动，路面摩擦系数符合设计
要求，0km/h 36075%0%<σ<70%5
695%70%<σ<95%16 730100%0%<σ<100% 4.5
图2助力电机转矩-转速外特性
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然后根据表1工况1的方向盘转速推算出助力电机转速，从而确定工况点的横坐标：n d =n h ×i W ；n h —方向盘转速，取800°/s ，换算为133.2r/min ；n d —电机转速；i W —电机到方向盘转动传动比，在此为涡轮蜗杆传动比，取20.5；结构不同则传动比不同，如齿轮齿条式转向系统的齿条助力式EPS 则需同时考虑齿轮-齿条传动比和电机-齿条传动比进行推算。
这样，表1工况1就可以用点表示出来，并与电机转矩-转速特性曲线对比。同理，表1中其它工况的横、纵坐标也可以算出来并用点表示，见图2。
5电机特性与车辆转向工况特性的匹配度
上述计算得出需要的助力电机转速和转矩，在图中画点，与电机的转矩-转速外特性曲线对比，如下图，如
果点在特性曲线内部则符合助力需求。
图3电机转矩-转速外特性与车辆转向工况点
可以看出，此例电机的转矩-转速特性与车辆转向各工况特性需求比较吻合。推荐电机转矩在最恶劣工况点的后备系数β∈[1.2，1.5]，β=M d /M x （其中为电机某一工况点转速时的最大转矩，为此点需求电机转矩）。后备系数过大则性能过剩，过小则有助力不足风险。此例工况4最恶劣，其后备系数约为1.42。
6结语
总体来说，上述基于转向工况的EPS 匹配计算，就是以细分工况的方式、结合电机转矩特性，更精确的适应
车辆需求。而HPS 转向系统，转向油泵的特性是，在每一个转速都能提供最大压强，只要满足最恶劣工况的压强和流量需求，则其它工况必然满足，它的问题是助力难以调低，不能实现表1所有工况。
2019年开发的某燃油动力轻卡冷藏是福田第一辆匹配EPS 的燃油轻卡，上述匹配计算在它的设计过程中得到运用；经过严格的性能和可靠性试验，没有任何转向系统的不良反馈。目前，匹配EPS 的燃油轻卡已有更多车型，已开始批量上市。
【参考文献】汽车助力转向系统
[1]余志生，主编.汽车理论.第35版[M].机械工业出版社,2009.
[2]王霄锋，编著.汽车悬架和转向系统设计[M].第14版.清华大学出版社,
2015.
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