随着EPS 在汽车上的普遍应用， 关于EPS 开发和改进的研究越来越多，而由于实车实验不仅成本高、花费时间多，且存在一定危险。在此情况下，电动助力转向实验台应运而生，利用它可方便进行EPS 性能实验。
汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性。由于齿轮齿条式转向器结构简单紧凑、质量小、刚性大、转向灵敏、制造容易，传动效率高达90％，可自动消除齿间间隙，且转向器占用体积小，无转向摇臂和转向直拉杆，制造成本低。
因此，本实验台采用齿轮齿条式EPS 系统。EPS 系统的基本工作原理即当转向轴转动时，扭矩传感器将检测到的转矩信号转化为电信号送至电子控制单元ECU，ECU 再根据扭矩信号、车速信号、轴重信号等进行计算，得出助力电机的转向和助力电流的大小，完成转向助力控制。
EPS 系统在不同车上的结构部件尽管不尽一样，但是基本原理是一致的。它一般是由转矩传感器、电子控制单元ECU、电动机、电磁离合器以及减速机构组成，如图1 所示。

图1 电动助力转向系统机构
1、实验台架设计
电动助力转向实验台主要包括实验台架部分、液压部分、电气控制部分等。实验台架主要包括单边支撑体、万能调节机构、转向传动机构、夹具机构等。实验台的基本结构如图2 所示。
实验台机构全部固定在采用型钢焊接成型的框架上，形成特有的一体式结构。实验台的电气元件、控制板卡、电源、控制器、工控机、按钮等均布置在控制柜里，控制柜上有3 个按钮，分别是红色的停止按钮，绿色的启动按钮，红色蘑菇头的紧急停止按钮。显示器、鼠标和键盘放置在可旋转的操作托盘上，操作者可根据自己的习惯调节到合适的操作位置。试验台有两套万向调节机构，分别用于安装、固定转向系统管柱和试验用驱动头， 通过万向调节机构可以把管柱和驱动头调节到合适的位置并连接起来。转向器安装T 型支架和车架吊装T 型框焊接固定在框架上，通过专用夹具固定车架和悬架弹簧。左右单边支撑体安装在T 型滑槽上，上面装配好轮胎。液压系统通过轮胎加载油缸和轮胎回缩油缸给转向系统提供载荷，模拟汽车运行时的各种工况。

图2 实验台总体效果图

图3 单边支撑体
1．1 单边支撑体
如图3 所示，轮胎架拉板安装在专用的T 型滑槽上，它是整个单边支撑体的底座。通过控制升缩油缸的往复运动给轮胎施加模拟的摩檫力，摩檫力的大小由轮胎升缩压力传感器检测，旋转角度的检测由安装在轮胎架拉板下的旋转编码器完成。轮胎支架框下板、轮胎支架框上板和轮胎架拉杆刚性装配成一整体，通过固定在轮胎架上拉板上的加载油缸上下提升该机构， 加载力由轮胎加载传感器检测。轮胎安装在轮胎垫板机构上，该垫板可以根据实际路况更换。

图4 万向调节臂
1．2 万向调节机构
如图4 所示，万向调节臂通过丝杠螺母、蜗轮蜗杆机构实现调节机构的多自由度运动。操作者通过手轮可以很方便的完成机构的角度和位置的调整，使驱动头和管柱安装在合适的位置。

图5 液压原理图
2、液压系统原理
液压系统原理如图5 所示， 主油路主要由油箱、驱动电机与油泵、溢流阀、卸荷阀组成。分支油路与主油路并联连接，主要由3 支油路组成，其元件组成很相似。依次从左到右，由左右转向摩擦力加载支油路（包括底部的左右液压缸、液控单向阀）、节流阀（调节油缸进油回油量、调节车轮振动频率）、溢流阀（调节转向摩擦加载力、调节压力一般比对应支路减压阀略高）、三位四通电磁换向阀（调节进油和回油方向）、减压阀（调节支路最高压力及压力表组成）、左轮承重加载液压油路与右轮承重加载液压油路组成。
实验台设计的目的是为EPS 开发过程中进行电动助力转向方面的性能实验，液压系统的设计主要是为了模拟汽车在不同运行工况下转向阻力的变化。汽车速度逐渐增加的过程中液压系统给轮胎的压力在逐渐减小，转向更轻便。汽车转向时，汽车的载荷会向内侧轮胎发生转移，通过控制两边液压缸压力的不同来模拟转向时汽车载荷的转移。在实验前， 先确定硬件在环实验模拟汽车运动工况，从而确定液压系统的控制程序，最终实现液压缸压力的控制来模拟汽车不同运动工况下的转向阻力。

图6 电气原理图
3、电气控制原理
电气电路原理如图6 所示，主要由强电控制电路和弱电控制部分组成。强电控制部分主要控制弱电电源的供电、电脑的供电、油泵电机的启停、报警供电、冷却风机启停。弱电部分输入一相220 V 强电到直流电源转换器，可以变换＋5V、＋12V、－12V、＋24V 的电源，分别为4 个压力传感器（＋12V）、1 个静扭矩传感器（＋12V）、1 个扭矩传感器（＋12V、－12V）、4 个液压缸位移传感器（＋5 V）、2 个光电编码器（测车轮转角，＋12 V）、各个电磁阀（＋24 V）、电压电流传感器（＋24 V）、板卡AC141（＋12 V）、步进电机控制器与助力电机控制器（＋12V）等供电。
通过板卡AC141 控制各个阀、电机、步进电机信号及提供电火信号。通过AC157 端口板卡（作为AC1080 的模拟量输入配接卡， 采用D37 帧插头电缆连接）采集各传感器的模拟量状态，如压力、静态扭矩、电流、电压、位移信号。通过配套卡AC142 采集步进电机的输入转角脉冲量及方向，采集车轮转角的脉冲量及方向。

图7 悬架加载时转向轻便性实验曲线
4、转向轻便性实验测试
实验台设计完成后，利用转向轻便性实验测试实验台的功能是否达到设计要求。将LabVIEW 编写的转向轻便性测试程序安装到工控机上，应用该程序进行转向轻便性实验，测试所设计的电动助力转向实验台的有效性，得到的实验曲线见图7。
由实验测试曲线可知， 无助力时最大操纵转矩为35N·m，有助力时降为20 N·m，利用该电动助力转向实验台可以很好的完成转向轻便性硬件在环实验， 能够准确测量转向系统的动态参数， 包括方向盘转角及转矩等，实验结果较为理想。转向系统在有助力的情况下方向盘转矩明显减小，转向更轻便。
为验证实验台设计的合理性和准确性，进行实车转向实验，记录实验结果，绘制实验曲线，实验场地相当于C 级路面。实验仪器包含动态信号实时分析系统DSPSV5．0、非接触式车速仪、VG400 陀螺仪、转向盘转角转矩测量仪、笔记本电脑、逆变器、电池组等。图8 为实验仪器布置图，图9 为原地无助力转向和原地助力转向实验结果图。
从图9 中可以看出，无助力和有助力实车实验结果与硬件在环实验台实验结果具有较高的吻合性。无助力时最大操纵转矩为32N·m，有助力时降低至16 N·m，通过实车实验对比可知，设计的电动助力转向实验台合理可靠。

图8 实验仪器布置图

图9转向实验结果曲线
5、结语
设计的电动助力转向实验台主要包括实验台的整体台架设计、液压油路控制设计以及电气电路设计等。实验台操作方便，并且可以通过调节夹具来固定不同参数的转向系统，适用范围广。利用该实验台可以进行EPS 的硬件在环实验， 测试EPS的工作性能，为EPS 实车实验提供有效的支持。


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