電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與研究

柳強(qiáng) 張奇奇 高龍 周磊

摘要：為了提升汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性能，降低整車油耗，本文基于輕型客車對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，其中包括對(duì)電液泵工作流量和電機(jī)額定功率的匹配計(jì)算，并分析了系統(tǒng)參數(shù)之間的標(biāo)定控制策略。最后通過對(duì)樣車的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和油耗測試，驗(yàn)證了該匹配設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；匹配設(shè)計(jì)；油耗測試

Abstract：In order to improve the performance of automobile power steering system and reduce the energy consumption of this system，the article design and calculate an Electro-Hydraulic Power Steering System（EHPS）based on van，including flow calculation of motor-pump and power calculation of motor，and analyses of its function and control strategy of parameters. The last，according to the test result of manipulate stability and oil consumption，proves that matching design is correct and effective.

Key words：Electro-hydraulic Power Steering System，Matching Design，Oil Consumption Test

近些年隨著汽車行業(yè)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，國家針對(duì)汽車排放、油耗等限制標(biāo)準(zhǔn)也在逐步的提高，綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等設(shè)計(jì)理念已經(jīng)開始融入到汽車的研發(fā)過程中，越來越多的節(jié)油技術(shù)開始量產(chǎn)應(yīng)用。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）和電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）相對(duì)于傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）不僅有較好的操縱性能，另外具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)相關(guān)測試表明，EPS可節(jié)油約5%，EHPS可實(shí)現(xiàn)節(jié)油約3%[1-3]。但目前由于前軸載荷和助力電機(jī)功率的限制，EPS多應(yīng)用于小型家用轎車領(lǐng)域，針對(duì)客車、輕卡等車型匹配EPS存在較大的困難，而采用EHPS能夠滿足輸出較大的轉(zhuǎn)向扭矩，其中特別包括電動(dòng)客車和電動(dòng)輕卡。

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）是在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是將原來由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且增加了車速傳感器、轉(zhuǎn)向角速度傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等電控裝置。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以即時(shí)關(guān)閉，與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，它不僅節(jié)省了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，提高了經(jīng)濟(jì)性，并且可以解決低速轉(zhuǎn)向沉重和高速“發(fā)飄”問題，改善了駕駛舒適性，同時(shí)保證了穩(wěn)定性和安全性[4]。本文基于江淮汽車某輕型客車進(jìn)行了EHPS的匹配開發(fā)，并測試對(duì)比了樣車在NEDC工況下的油耗值，車輛的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

1 EHPS的組成

EHPS系統(tǒng)由電氣裝置和機(jī)械裝置兩部分組成，如圖1所示。電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電子控制單元ECU組成；機(jī)械裝置包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器（包括轉(zhuǎn)子閥和助力缸）、控制閥及管路、電液泵。而比較先進(jìn)電液泵把齒輪泵（或葉片泵）、ECU、低慣量、高功率的直流電機(jī)和儲(chǔ)油罐集成在一起，構(gòu)成集成的電液泵，使得整個(gè)總成結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量變得更輕，安裝的柔性也大大增強(qiáng)[5]。

本文中的輕客車為齒輪齒條式電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其主要由電液泵，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤、及儲(chǔ)油罐和管路等零部件組成。

2 電液泵的選型設(shè)計(jì)

電液泵結(jié)構(gòu)主要包括無刷直流電機(jī)、液壓泵及控制單元等零部件，其設(shè)計(jì)匹配參數(shù)主要包括液壓泵的流量、排量和最大工作壓力，以及電機(jī)的電流及功率。

2.1 電液泵工作流量計(jì)算

該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪齒條式助力轉(zhuǎn)向，其相關(guān)參數(shù)如表2。

3 系統(tǒng)標(biāo)定控制策略

EHPS通過CAN通訊與整車匹配，電液泵的輸入信號(hào)有發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)、車速信號(hào)和轉(zhuǎn)角信號(hào)。為保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著較好的操控手感，要求車輛在低速的時(shí)候轉(zhuǎn)向手力輕便，高速時(shí)手力沉穩(wěn)。而在緊急避讓時(shí)需要快打方向盤，這時(shí)候方向盤轉(zhuǎn)角速度增加此時(shí)需要較大的轉(zhuǎn)向助力。

在不同的轉(zhuǎn)向工況下，需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，其中車速的變化、方向盤轉(zhuǎn)角速度的變化均為不同轉(zhuǎn)向工況的體現(xiàn)方式，因而電液泵的控制策略核心就是調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出所需的轉(zhuǎn)向助力。

3.1 車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

為保證轉(zhuǎn)向在低速輕便、高速沉穩(wěn)的舒適性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n一般隨著車速v的增加而逐漸呈非線性降低。當(dāng)車速v較低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n應(yīng)當(dāng)較高，這是由于低速時(shí)整車的轉(zhuǎn)向阻力偏大，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要較大的轉(zhuǎn)向助力。高速時(shí)轉(zhuǎn)向阻力小，通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速減小轉(zhuǎn)向助力可以讓車輛轉(zhuǎn)向更加沉穩(wěn)，關(guān)系曲線圖如圖2所示。確定車速與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系目的是在汽車車速較低時(shí)滿足轉(zhuǎn)向輕便，隨著車速的不斷提高轉(zhuǎn)向助力越小，防止了高速時(shí)轉(zhuǎn)向盤“發(fā)飄”的現(xiàn)象，增強(qiáng)了高速行駛的“路感”[7]。

3.2 轉(zhuǎn)角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

轉(zhuǎn)角速度ω在較低區(qū)間段時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n保持為恒轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角速度ω越小，即方向盤打動(dòng)的越慢，所需的助力相應(yīng)較小；當(dāng)ω=0時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不要助力，但是電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速nmin應(yīng)該能滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量供應(yīng)。為了更好的提升助力跟隨性及提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，電機(jī)轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)角速度ω的增加而增加；當(dāng)轉(zhuǎn)角速度ω>ω2的時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n增加到最大轉(zhuǎn)速nmax，并保持不變。關(guān)系曲線圖如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)標(biāo)定MAP圖

在對(duì)整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的標(biāo)定調(diào)試過程中，依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速n與車速v和轉(zhuǎn)角速度ω關(guān)系進(jìn)行多次的試驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)，不僅要求車輛在低速時(shí)手力輕便，而且中高速時(shí)轉(zhuǎn)向沉穩(wěn)。經(jīng)過多輪次不同路況、載荷等條件下的調(diào)試標(biāo)定，車輛的部分標(biāo)定參數(shù)如表5所示。

根據(jù)表5中電機(jī)轉(zhuǎn)速n與車速v、轉(zhuǎn)角速度ω的相應(yīng)數(shù)值可以繪制出三者的關(guān)系曲面MAP圖。在車輛的實(shí)際行駛過程中，電液泵控制器是不斷采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和車速傳感器等信號(hào)，并通過程序計(jì)算后輸出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力，使車輛具有良好的轉(zhuǎn)向助力特性和轉(zhuǎn)向路感。

4 整車操穩(wěn)性能及油耗測試

通過對(duì)電液泵裝車前、后的不同狀態(tài)對(duì)車輛的操控穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向輕便性按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6、表7所示，結(jié)果表明：電液轉(zhuǎn)向各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)且不低于原車，且電液轉(zhuǎn)向左右轉(zhuǎn)向力一致性更好，轉(zhuǎn)向力波動(dòng)更小。

在對(duì)整車更換電液泵的前、后狀態(tài)分別對(duì)車輛進(jìn)行了油耗測試，測試方法為NEDC循環(huán)試驗(yàn)工況，測試結(jié)果如表8所示。原狀態(tài)的車輛油耗測試為百公里9.5L，更換電液轉(zhuǎn)向后的油耗為百公里9.2L，節(jié)油效果約為3%。

5 結(jié)論

通過在樣車上的搭載，EHPS相對(duì)傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變動(dòng)較小，其設(shè)計(jì)匹配的重點(diǎn)在于電機(jī)選型及電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速和轉(zhuǎn)角速度的標(biāo)定。根據(jù)樣車的操穩(wěn)性能試驗(yàn)及油耗測試表明：EHPS不僅能夠有效解決低速轉(zhuǎn)向沉重和高速“發(fā)飄”問題，提供良好的駕駛舒適性，更對(duì)整車的燃油經(jīng)濟(jì)性有著較好的貢獻(xiàn)，實(shí)車測試在NEDC工況下可節(jié)油約3%。

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作者簡介：

柳強(qiáng)（1989-），男，底盤設(shè)計(jì)主管，工學(xué)碩士，主要從事底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。