商用車智能混合動力轉向系統的設計與研究

高建華

摘要：智能駕駛是車輛未來發展的主要方向，為了使商用車實現智能駕駛的功能，設計開發了一款應用于商用車的智能混合動力轉向系統。在傳統的液壓助力轉向機構的基礎上，增設一套電動助力轉向機構，并通過電子控制單元ECU根據車速、轉向盤扭矩、轉角等信號，對整車提供實時、可變的轉向助力，使車輛具有駕駛舒適性和安全性的同時，具備應急轉向、隨速轉向、主動回正、自主轉向、車道偏離預警和軟件鎖止等功能，滿足未來車輛智能化駕駛、無人駕駛的需求。

關鍵詞：轉向系統；混合動力；智能駕駛

智能駕駛是車輛未來發展的主要方向，目前市場上商用車轉向系統中廣泛使用循環球液壓助力轉向器，不具備自主轉向、輔助轉向、車道偏離預警等功能，無法根據車速對助力特性進行調節，無法滿足智能輔助駕駛的要求。

電動助力轉向系統由助力電動機提供轉向助力，可隨車速控制助力大小，使汽車轉向系統得到最佳的助力特性，但由于商用車前軸載荷較大，一般的電動助力轉向系統所提供的助力無法滿足商用車轉向助力需求。因此，需要開發一種智能混合動力轉向系統，滿足未來車輛智能化駕駛、無人駕駛的需求。

智能混合動力轉向系統的設計原理

根據商用車市場的需求，開發一種智能混合動力轉向系統，在循環球液壓助力轉向系統的基礎上，增設一套電動轉向系統，同時配備車速傳感器、扭矩轉角傳感器和電子控制單元（ECU）等。ECU通過監測車速和轉向盤扭矩、轉角等信號，控制電動助力大小，進而影響液壓助力系統的助力大小，對整車提供實時、可變的轉向助力。

同時，通過軟件控制，使車輛具備應急轉向、隨速轉向、主動回正、自主轉向、車道偏離預警和軟件鎖止等功能。

如圖1所示，電動轉向機構的輸出端與循環球液壓助力轉向機構的輸入端連接一起，扭矩轉角傳感器安裝在電動轉向機構的中間軸上，電子控制單元集成在電動機后端，構成了智能混合動力轉向系統。

智能混合動力轉向系統參數設計與匹配

1.混合動力轉向系統的主要技術指標

商用車轉向系統的主要技術指標有適用前軸負荷、助力缸徑、搖臂擺角、總圈數、輸出扭矩、油泵壓力及傳動比等。

在EPS助力模式下，具有轉向輕便、助力隨速可變、主動回正等功能。同時，根據整車CAN發出的轉向角指令，驅動車輪伺服轉向的自動轉向功能等。

2.混合動力轉向系統主要技術參數的確定

該款智能混合動力轉向系統主要解決未來商用車智能化駕駛、無人駕駛的需求，應用于商用車市場。根據市場主流商用車車型轉向系統的需求，根據系統結構，參考循環球液壓助力轉向機構和電動轉向機構分別確定參數。

（1）循環球液壓助力轉向機構參數設計 循環球液壓助力轉向機構傳動結構主要包括螺桿-螺母、齒條-齒扇傳動副。

由循環球液壓助力轉向機構的結構關系可得：當轉向盤轉動一個角度j時，轉向螺母及齒條的移動量為

s = （φ /360）P （1）

式中 P——螺桿/螺母的螺距。

相應的，齒扇轉過角度β 。齒扇的嚙合半徑rw，則b角所對應的嚙合圓弧長也為s，即

（φ /360）rw = 2ps （2）

結合式（1）和式（2），可得循環球液壓轉向機構的角傳動比iw為

iw=φ /β=2prw= s （3）

根據 2rw=Z1mt （4）

結合式（3）和式（4）可得

iw=pZ1mt /P （5）

式中 Z1——齒扇整圓齒數；

mt——齒扇端面模數，mt= mn，根據齒條齒扇嚙合強度計算確定。

根據設計要求，角傳動比18.6左右。通過查閱循環球轉向器齒扇模數表選定模數mt=8.6，整圓齒數Z1=12（齒扇齒數5齒），得到螺桿螺距P=17.4625，從而確定循環球液壓助力轉向機構的基本參數，見表1。

（2）電動助力轉向系統參數匹配 電動轉向機構主要由蝸輪蝸桿傳動副組成，主要對助力電動機起減速增扭的作用。根據相關資料，選擇轉動慣量小、可靠性高的平行軸無刷永磁交流電動機，其額定轉矩為8N·m，電源電壓24V。

選擇蝸輪蝸桿傳遞交錯軸件的回轉運動和動力，主要具有結構緊湊、傳動比大、傳動平穩及噪聲低等優點。本結構選用蝸桿頭數為雙頭的一對傳動副，根據結構空間和需要減速增扭的需求，確定蝸輪齒數

41，模數2.2。通過《機械設計手冊》新版蝸桿傳動相關公式計算可得蝸桿傳動基本參數表，見表2。

3.混合動力轉向系統助力特性設計

車輛在不同行駛條件下，駕駛人輸入的手力和轉向系統提供的助力大小隨之不同，以滿足轉向性能在低速轉向輕便性和高速轉向穩定性的要求。根據混合動力轉向系統工作原理，所需電動轉向機構部分助力大小與助力電動機轉速近似成正比例關系，即電動機的轉速越高，輸出的助力越大，反之越小。同時，電動部分助力的大小直接影響液壓部分轉閥的開啟，進而影響液壓助力的大小。

因而，智能混合動力轉向系統助力特性的設計需要根據行車工況，結合ECU對不同反饋信號的運算處理，控制助力電動機的助力大小，進而控制液壓助力轉向部分助力大小，為車輛提供實時可變的轉向助力。

4.智能混合動力轉向系統的工作原理及控制

智能混合動力轉向系統工作原理如圖2所示。ECU根據車速和轉向盤轉矩判斷車輛的行駛狀態，并依據嵌入的轉向助力特性曲線數據確定所需的助力大小，由目標助力進一步判斷決定系統的工作模式：當汽車低速或原地轉向時，轉向阻力矩非常大，液壓助力與、電動助力同時工作，電動機可以根據車輛行駛狀態調整電動機本身的助力大小以及液壓助力的大??；汽車在中速或高速轉向時，轉向阻力矩較小，電動助力單獨工作；當電動助力轉向裝置出現故障時，液壓助力單獨工作也能保證一定的轉向助力。

此外，當車輛需要開啟智能輔助駕駛時， ECU可根據智能輔助駕駛系統上位機的指令控制電動助力轉向裝置上的電動機動作，控制轉向盤位置，控制原理如圖3所示。采用位置環和電流環雙閉環控制，ECU根據轉向盤實際角度反饋和目標角度指令的差值，進行目標參考電流的計算，然后依據實際電流反饋，進行電動機驅動占空比的計算，實現對轉向盤位置的閉環控制。

臺架測試與驗證

為進一步驗證混合動力轉向系統的各項性能，結合實驗中心和同行單位資源，模擬整車轉向系統結構，搭建測試平臺（見圖4）。包括測試臺、模擬轉向盤裝置、需測試的混合動力轉向系統及前懸部分，轉向盤下的轉向管柱處裝有伺服電動機用來代替手力驅動轉向盤，可實現轉向盤角速度自動控制輸入，將扭矩傳感器安裝在步進電動機減速機構輸出端和轉向管柱上端。同時，在系統前軸上端裝有一套電控加載裝置，用來模擬前輪的載荷，通過控制面板上的按鈕可實現對輪胎的加載。經試驗驗證，基本滿足設計需求。

結語

本文以商用車轉向系統為研究對象，以滿足商用車未來智能輔助駕駛為需求，在行業相關經驗基礎上，設計加工了一套智能混合動力的轉向系統，并搭建測試臺架對樣機進行試驗驗證，通過驗證表明該系統滿足商用車智能化的需求。由于經驗不足，加上試驗不夠充分，轉向系統的助力特性不是特別理想，后續還需不斷改進及優化。

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