液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

孔慶奎

（山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南，250200）

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

孔慶奎

（山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南，250200）

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其轉(zhuǎn)向的輕便型和高速行車時(shí)的穩(wěn)定性是一對矛盾，傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)隨車速變化而作出必要的精確調(diào)節(jié)，因此無法兼顧低速時(shí)的加力效果和高速時(shí)車輛行駛的穩(wěn)定性，故有必要對傳統(tǒng)的機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以改善其使用性能。

電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳感器；控制器

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能讓駕駛員的操縱更加輕便，轉(zhuǎn)向反應(yīng)更加敏捷，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)性大幅提升，車輛行駛安全性得到提高，因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論是在重型車輛還是各級轎車上都得到廣泛普及。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其轉(zhuǎn)向能源完全由駕駛員提供，而動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向所依賴的轉(zhuǎn)向能源卻來自于兩個(gè)方面，正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量只有一小部分來自駕駛員，或者說，駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱僅僅是一個(gè)觸發(fā)/解除觸發(fā)和輔助轉(zhuǎn)向的作用，而大部分轉(zhuǎn)向能量來自于轉(zhuǎn)向加力裝置，歸根結(jié)底是發(fā)動(dòng)機(jī)。即使是在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時(shí)，其機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能維持基本功能，只不過此時(shí)全部轉(zhuǎn)向能量只能由駕駛員獨(dú)立提供。

1 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

汽車工業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)水平不斷提升，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展使得汽車整體性能在最近20年得到大幅提高。人們在駕駛汽車的過程中對安全、輕便、舒適性的要求越來越高，就轉(zhuǎn)向系而言，純粹的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本被棄用，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而且技術(shù)成熟可靠，成本低廉。目前，汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括液壓（氣壓）動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

氣壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到動(dòng)力源及部件尺寸限制的原因使用較少。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，性能能夠滿足要求不高的駕駛者的要求，因此，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種類型不同級別汽車上得到廣泛應(yīng)用。但液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有隨車速變化對助力力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能，因此，必須兼顧低速時(shí)轉(zhuǎn)向助力的上限和高速時(shí)轉(zhuǎn)向助力的下限，折中的結(jié)果必然是低速行車時(shí)駕駛員感覺方向較沉重，助力效果不明顯，高速行車時(shí)駕駛穩(wěn)定性較差。鑒于此，才有了新一代電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因其成本目前尚處于高位，故僅在少量進(jìn)口高端車、商務(wù)車上被采用。因此，研究電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）也可以叫EPAS，其結(jié)構(gòu)組成包括一套傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和提供轉(zhuǎn)向輔助力矩的電動(dòng)機(jī)。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以隨速控制助力，在低速時(shí)提供較大助力，保證輕便轉(zhuǎn)向；在高速時(shí)減小助力，提供駕駛員足夠的路感。EPS只在轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)揮作用，因此不像液壓轉(zhuǎn)向會(huì)一直對發(fā)動(dòng)機(jī)造成額外負(fù)擔(dān)，從而減小油耗，同時(shí)沒有不可回收件，更加綠色，從各方面滿足環(huán)保的

需求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2012年電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)約占全部汽車的35%，但一段時(shí)間之內(nèi)，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍是主流，而且豐田、日產(chǎn)等著名汽車廠商也在不斷推出電子控制的液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可見液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在一定時(shí)期內(nèi)仍處于霸主地位。

2 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析

在液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，提供轉(zhuǎn)向助力的轉(zhuǎn)向加力裝置有常壓式和常流式兩種。

2.1 常壓式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤位于中間位置時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉，液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，泵出的壓力油因轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉而無法進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸，只能進(jìn)入到蓄能器，當(dāng)壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，液壓泵上的安全閥打開，液壓泵雖然依然運(yùn)轉(zhuǎn)，但實(shí)際上處于內(nèi)循環(huán)工作狀態(tài)，從而維持蓄能器壓力的穩(wěn)定。當(dāng)駕駛員做出轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)，機(jī)械轉(zhuǎn)向器通過連接桿件促動(dòng)轉(zhuǎn)型控制閥打開，開啟的方向取決于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向的方向，此時(shí)，蓄能器中的壓力油流入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸中活塞兩側(cè)工作腔中的其中一個(gè)，同時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥將另外一側(cè)工作腔與轉(zhuǎn)向油罐接通，一側(cè)壓力油強(qiáng)行推動(dòng)壓力缸活塞移動(dòng)，另外一側(cè)工作油液被擠回轉(zhuǎn)向油罐，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)向動(dòng)作終止時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉，助力消失。可見，無論轉(zhuǎn)向盤處于何種位置，無論轉(zhuǎn)向盤處于何種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也不管轉(zhuǎn)向控制閥開啟還是關(guān)閉，整個(gè)液壓系統(tǒng)始終保持較高的油壓，這勢必要消耗更多的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并且持續(xù)的系統(tǒng)高壓必然會(huì)影響零部件的使用壽命。但是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)意外熄火時(shí)，蓄能器依然能提供一定的轉(zhuǎn)向助力，因此該系統(tǒng)特別適用于轉(zhuǎn)向沉重的重型汽車。

2.2 常流式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

當(dāng)車輛直行時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥開啟，將連接轉(zhuǎn)向液壓泵的管路與連接轉(zhuǎn)向油罐的回油管路接通，無油液流入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸，故沒有轉(zhuǎn)向助力作用。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，路面作用在轉(zhuǎn)向輪上的阻力通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳遞到轉(zhuǎn)向器，動(dòng)力缸活塞和轉(zhuǎn)向齒條暫時(shí)都不能運(yùn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)向齒輪暫時(shí)也不能隨轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，由轉(zhuǎn)向軸傳到轉(zhuǎn)向齒輪的轉(zhuǎn)矩只能使轉(zhuǎn)向控制閥的扭桿產(chǎn)生少許扭轉(zhuǎn)變形，使轉(zhuǎn)向軸（即轉(zhuǎn)向控制閥的閥芯）得以相對于轉(zhuǎn)向齒輪（即轉(zhuǎn)向控制閥的閥套）轉(zhuǎn)過不大的角度，從而使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞一側(cè)工作腔與來自轉(zhuǎn)向液壓泵的高壓油管接通，同時(shí)切斷了高壓油路經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥與回油管路的流通路徑，因此，轉(zhuǎn)向液壓泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞為止；而另外一側(cè)的工作腔則由轉(zhuǎn)向控制閥將其與回油管接通，在液壓油的作用下，幫助轉(zhuǎn)向齒輪迫使轉(zhuǎn)向齒條開始移動(dòng)，促動(dòng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥扭桿的扭轉(zhuǎn)變形消失，轉(zhuǎn)向控制閥回到中間位置，轉(zhuǎn)向助力作用消失。

無論常壓式還是常流式，都無法提供可變的轉(zhuǎn)向助力，即液壓轉(zhuǎn)向加力裝置都不能隨車速的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。在常流式轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)中雖然有流量控制閥和溢流閥，也只是起到有限的油壓調(diào)節(jié)和限壓的作用，無法實(shí)現(xiàn)隨車速變化而作出必要的精確調(diào)節(jié)。因此使用傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧低速時(shí)的加力效果和高速時(shí)車輛行駛的穩(wěn)定性，故有必要對傳統(tǒng)的機(jī)械液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以改善其使用性能。

3 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路為了減輕汽車駕駛的勞動(dòng)強(qiáng)度，在低速行車時(shí)希望轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)能提供較大的轉(zhuǎn)向助力；但在高速行車時(shí)，更應(yīng)充分考慮汽車行駛的穩(wěn)定性，因此，希望轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)適當(dāng)減小助動(dòng)力，以增強(qiáng)駕駛員的“手感”和“路感”。為了實(shí)現(xiàn)與速度區(qū)間完美匹配的精確可調(diào)的助動(dòng)力，引入電控單元并配以傳感器、執(zhí)行器來構(gòu)建新型的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以稱為電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECPS)。

3.2 設(shè)計(jì)方案

圖 1電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框圖

電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECPS)框圖如圖1所示，ECU負(fù)責(zé)采集車速傳感器以及轉(zhuǎn)向角速度傳感器的信號，并依據(jù)此信號按照控制程序決定轉(zhuǎn)向加力裝置提供的助動(dòng)力的大小，轉(zhuǎn)向加力裝置是否啟動(dòng)仍然由轉(zhuǎn)向控制閥控制，電磁閥跨接在轉(zhuǎn)向液壓泵輸出管路與轉(zhuǎn)向控制閥回油管路之間，若電磁閥完全打開，轉(zhuǎn)向液壓泵泵出的壓力油全部流經(jīng)電磁閥回到轉(zhuǎn)向油罐，系統(tǒng)無助力。若電磁閥完全關(guān)閉，當(dāng)轉(zhuǎn)向控制閥連通轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的某一工作腔時(shí)，系統(tǒng)提供最大的轉(zhuǎn)向助力。當(dāng)ECU檢測到車速較高需適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向助動(dòng)力時(shí)，適當(dāng)開啟電磁閥并保持一個(gè)合適的開度，將部分液壓油旁路直接流回轉(zhuǎn)向油罐。

電磁閥控制的是轉(zhuǎn)向液壓泵實(shí)際輸出到轉(zhuǎn)向控制閥的液壓油流量，屬于流量控制，當(dāng)車速較慢時(shí)，電磁閥開度可以很小甚至完全關(guān)閉，使轉(zhuǎn)向液壓泵輸出最大量的液壓油，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)向助力；當(dāng)車速較高時(shí)，適當(dāng)開啟電磁閥，使得一部分油液不經(jīng)過轉(zhuǎn)向控制閥直接流回轉(zhuǎn)向油罐，從而減小轉(zhuǎn)向助力。壓力傳感器檢測系統(tǒng)油壓，并將信號反饋給ECU，壓力高低能反映電磁閥開度的大小，當(dāng)電磁閥開度不足以達(dá)到程序設(shè)定的助力效果時(shí)， ECU將發(fā)出調(diào)節(jié)指令，進(jìn)一步增大或減小電磁閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

通過軟件程序設(shè)計(jì)、標(biāo)定和調(diào)校，可得到車速區(qū)間內(nèi)不同取值的轉(zhuǎn)向助動(dòng)力。無論是停車、低速或高速行駛時(shí)，它都能提供合適的轉(zhuǎn)向助力，無論是停車場，還是高速行駛，都能夠讓駕駛員獲得良好的操控感覺。溢流閥屬于轉(zhuǎn)向液壓泵的附屬裝置，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到極限值時(shí)，自動(dòng)開啟泄壓，使壓力維持在正常范圍內(nèi)。

電磁閥的開度取決于流經(jīng)電磁閥線圈的平均電流，其控制信號是脈沖信號，脈沖電流信號的占空比由ECU控制，占空比改變平均電流，當(dāng)平均電流強(qiáng)度產(chǎn)生的電磁力不足以克服電磁閥彈簧預(yù)緊力時(shí)，電磁閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，隨著占空比的增大平均電流將逐漸增大，當(dāng)占空比維持在一個(gè)固定值時(shí)，電磁閥開度也就懸停在某一開度位置。車速越高，流過電磁閥電磁線圈的電流平均值越大，電磁閥開度越大，旁路液壓油流量越大，助力效果越弱。

[1] 雷瓊紅．汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析J．機(jī)械工程師，2009年第9期：53-55

[2] 陳家瑞．汽車構(gòu)造（下）M．第3版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:246-281

The Performance Analysis and Optimal Design on Hydraulic Power Steering System

Kong QingKui
（ShanDong College of Electronic Technology,Jinan ShanDong，250200,China）

It is a contradiction between portability and stability in hydraulic power steering system. Traditional hydraulic power steering system can’t make precise adjustment with the change of vehicle speed, so consideration couldn’t be given to both the assist effect in low speed and the stability in high speed, therefore , it is necessary that optimal design on hydraulic power steering system will be done for better performance.

Electronically Controlled Hydraulic Power Steering System;sensor;controller