電動液壓助力轉向系統節能機理的試驗研究*

王 軍，陳 勇

WANG Jun，CHEN Yong

（淮陰工學院 交通工程學院，淮安 223003）

0 前言

電動液壓助力轉向系統（EHPS）是在液壓助力轉向系統的基礎上發展起來的，不再以發動機驅動液壓泵，而是使用電動機驅動。這樣相對于原液壓助力轉向系統它主要有三方面優勢[1]：1）在轉向過程中通過控制電動機的轉速來控制液壓油流量，從而控制轉向手力，滿足輕便性；2）在沒有轉向操作時的液壓油流量極低，提高了燃油經濟性；3）隨著速度的提高，適當減少液壓油流量，不僅節約了能耗，還抑制了高速轉向發飄，提高了高速轉向時的手感。

本文通過搭建EHPS系統試驗平臺，通過試驗找出影響EHPS系統能耗的主要因素，提出了解決的方法。

1 電動液壓助力轉向系統組成和工作原理

電動液壓助力轉向系統EHPS的基本組成如圖1所示，主要包括：轉向盤、轉向柱、轉向盤轉角傳感器、速度傳感器、電控單元（ECU）、助力電機、液壓泵、轉向器及轉向車輪等。

轉向時，EHPS系統的ECU根據車速、方向盤角速度傳感器傳來的信號，經運算處理后輸出脈寬調制（PWM）的占空比信號，以控制直流無刷電機的轉速，使電機驅動的液壓泵的輸出流量發生改變，進而控制進入助力油缸油液的壓力，以控制助力大小。

圖1 EHPS系統的結構圖

2 試驗臺的建立

2.1 試驗臺系統組成

搭建該試驗平臺主要是研究EHPS系統能量消耗情況。試驗臺采用模塊化設計方法， EHPS系統試驗平臺由EHPS試驗主控平臺、EHPS系統、轉向阻力加載模塊（根據整體動力學模型來模擬，轉向阻力由液壓加載系統提供）、以及測試模塊組成。

2.2 基本工作原理

EHPS系統試驗平臺由方向盤輸入轉向信號，轉向阻力加載模塊根據測試模塊提供的方向盤的角速度信號和速度信號來提供相應的轉向阻力，同時測試模塊采集EHPS系統中各個測試點的數據進行數據分析。

2.2.1 轉向阻力加載模塊

轉向阻力加載模塊用來根據實際行駛速度和轉向角度，模擬實時轉向阻力，如圖2所示。目前國內轉向試驗臺一般采用彈簧加載方式。這種加載方式的優點是結構簡單、成本較低，但由于彈簧的彈性系數不能實時調節，從而不能準確地模擬各種轉向工況下的轉向阻力。為克服上述缺點，該仿真試驗平臺采用了液壓加載系統，加載油缸產生的軸向阻力直接加載到EHPS系統的助力油缸的輸出端。

位移傳感器用來確定方向盤是否回到中位，拉壓傳感器用來檢測實際作用在齒條上的阻力大小。轉向時，EHPS系統試驗主控平臺根據實際運行工況（方向盤轉角θ和車速V），實時計算出轉向阻力，并傳遞給液壓加載控制單元，通過控制比例壓力控制閥和比例方向閥來控制進入加載液壓缸的壓力和流量，從而實現轉向阻力隨運行工況變化而變化的特性[6]。

2.2.2 測試模塊

電動液壓助力轉向系統試驗臺測控模塊主要采集EHPS系統液壓泵的輸出壓力、流量、溫度信號，方向盤角速度、轉角、扭矩信號，助力油缸的拉壓力、位移信號，直流無刷電機的轉速、電流信號，對轉向阻力進行控制，如圖3所示。主控平臺采用工控機，測試系統數據采集軟件用虛擬儀器技術開發。

圖2 試驗臺轉向阻力加載模塊和測試系統模塊

3 試驗結果分析

由于轉向系統的功能要求，即使在沒有轉向的條件下轉向系統的流量也必須被維持（開式中心轉向閥）。因為操作人員可能隨時需要轉向操作。

3.1 定液壓阻力下電機電流消耗情況

圖3 定液壓阻力下電流消耗和輸出流量的關系

圖3所示為EHPS系統動力單元克服一個不變的液壓阻力P＝0.2MPa時，電機電流的消耗和液壓泵輸出流量的關系圖。從圖中可以看出，隨著電機轉速增加（即輸出流量的增加），電機電流的消耗呈現二次曲線的方式增長。如果液壓阻力增加的話電流可能會更高（如連接管路變長，油液黏度的變化，轉向閥節流口面積的變化等）。

3.2 變輸出流量下系統背壓對電流消耗的影響

圖4所示為在不同輸出流量下液壓系統的背壓對應電流消耗的影響。

圖4 變輸出流量下液壓系統背壓對應電流消耗的情況

非轉向工況下，電機電流的大小對轉向系統的節能有很大的影響。低轉向需求占轉向循環的比例明顯要多于90%，通過減少動力單元的轉速（流量）或減少液壓損失（使用低泄漏的閥，縮短進出油管長度等）來減少電機的電流是完全可行的。

4 結論

通過建立EHPS系統的試驗平臺來分析系統的節能機理。在實際轉向循環中，EHPS系統的能耗主要消耗在非轉向工況和低轉向需求工況。對EHPS系統而言，功率消耗多少是由待機消耗來決定的。通過研究EHPS系統非轉向工況和轉向工況之間的快速轉換規律來降低非轉向工況的能耗是目前主要研究的目標。

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