電動客車電動液壓助力轉向系統的匹配設計

趙明輝

摘要：隨著電動汽車的發展，電動液壓助力轉向系統以其穩定性好、舒適性高等特點，成為目前電動汽車設計中必不可少的關鍵零部件。純電動城市客車的液壓助力轉向系統主要由轉向油罐、電動轉向油泵、轉向管路、轉向器組成。電動轉向油泵將轉向驅動源電能轉化為轉向助力缸工作的液壓能。

關鍵詞：電動客車：電動液壓助力轉向系統;設計

目前，市場上營運的純電動客車主要采用液壓動力轉向器，安裝獨立的電動助力轉向油泵，整車電池提供直流高壓電，經逆變器逆變為三相交流電、驅動電動助力轉向油泵電機、電機再驅動助力轉向油泵為液壓動力轉向器提供油壓實現轉向助力。整車從啟動電源開關起，電動助力轉向油泵一直消耗整車電池電量，而且噪聲大，從而大幅度增加了整車制造成本，同時也增加了整車自重，消耗整車電池電量，影響整車續駛里程。

一、慨述

電動液壓助力轉向系統是以發動機為動力，帶動轉向油泵工作產生油壓，從而助力轉向達到轉向輕便的效果。油泵的流量大小跟發動機轉速相關聯。車速越高，發動機轉速越快，油泵的流量就會越大，相應產生的助力也就越大，這就導致車輛高速行駛時，出現轉向操控發飄的現象，路感不好，轉向的操控舒適性較差。另外，由于轉向系統的助力特性是一定的，若要滿足客車在高速行駛時仍具有較好的操控手感，那么停車或低速時就無法獲得足夠助力。在這兩方面選擇助力大小面臨兩難境地。另一方面，為了保證管路一直保持油壓，不論是否需要轉向助力，油泵時刻都處在工作狀態，當高速行駛時，油泵的轉速升高，產生的大部分液壓油未做功即回流入泵，造成大量的能量浪費，所以耗能較大。電動液壓助力轉向系統是以電動機代替發動機，帶動轉向油泵工作，同時增加電控單元對電動機進行單獨控制。電控單元采集整車中影響轉向因數的信號進行綜合控制，通過控制電機轉速來控制轉向油泵的流量。在車輛停車或低速行駛時，控制電機轉速升高，電機轉速越高，轉向油泵的流量越大，相應產生的助力也就越大;在車輛高速行駛時，控制電機轉速降低，相應產生的助力也就下降。所以通過控制電機轉速可以實現助力的調節。因此，電動液壓助力轉向系統克服了液壓助力轉向系統助力無法調節的缺點。

二、轉向泵參數匹配計算

某8m 純電動城市客車有關參數如下：車輪滾動半徑407.476 mm，前軸荷4 800kg，輪胎與地面的摩擦系數0.7，輪胎充氣壓力0.85 MPa。在電動液壓助力轉向泵的參數匹配設計中，主要包括轉向器的輸出扭矩設計、轉向泵壓力、流量以及轉向泵電機功率的匹配計算。

1、輪胎原地轉向阻力矩。汽車在原地時，轉向器所受到的轉向阻力是最大的，而轉向器轉向阻力矩主要受轉向器的負荷、輪胎氣壓和路面阻力等因素的影響。針對純電動城市客車的行駛路況，汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉向阻力矩MR可采用下列計算[3] ：

2、轉向器輸出扭矩。轉向器把來自轉向盤的轉向力矩和轉向角進行適當的變換，再輸出給轉向拉桿機構使車輪轉向。由于車輪轉向的過程中存在機械損耗，取轉向器系統的效率η= 0.93，此時轉向器最大輸出扭矩M=MR/η。帶入相關數據算出M= 2776 N·m。根據實際可選轉向器，其M為2800 N·m。

3、轉向系統壓力。機械式轉向器按照結構形式的不同，可分為齒輪齒條式、循環球式、蝸桿曲柄指銷式、循環球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中循環球式轉向器正、逆襲率都很高，因其操縱輕便、壽命長、工作穩定可靠而得到廣泛應用。轉向器液壓系統壓力與轉向器最大輸出扭矩、活塞有效受力面積、扇形齒分度圓半徑有關。計算循環球轉向器輸出最大扭矩時的轉向液壓系統壓力P的公式如下：

三、電動液壓助力轉向系統的控制原理

EPS是利用電動機產生的動力協助駕駛員轉向。當汽車轉向時，安裝在轉向盤處的扭矩傳感器會“感覺”到轉向盤的力矩和擬轉動的方向，這些信號會通過數據線發送給ECU控制單元，ECU會根據傳動力矩、擬轉的方向以及車速、電流反饋等數據，進行分析判斷，然后根據設定的參數向電動機控制器發出動作指令，電動機就會根據具體的需要輸出相應大小的轉動力矩，從而產生相應數值的轉向助力。在系統中，轉向操作和負載條件一定時，轉向助力與電機轉速成正比關系，因此對轉向助力的調節，關鍵在于對電機轉速的調節。在車輛駕駛的實際過程中，當車速較慢時，轉向阻力較大，我們需要更大的轉向助力，這樣轉向時就不會感到方向盤沉重，以提高駕駛的舒適性;當車速較快時，轉向阻力較小，我們需要較小的轉向助力，這樣在高速行駛過程中我們就能保持車輛的直線行駛，以提高駕駛的穩定性。當我們在駕駛過程中遇到需要緊急避讓時，通常會猛打方向盤，這時方向盤轉動的角速度增加，此時需要更大的轉向助力才能使車輛迅速轉向;當我們轉向變慢或停止時，這時方向盤轉動的角速度減小，此時不需要很大的轉向助力，這樣我們才能感覺到轉向助力的均勻連續，分析可知，系統控制策略的核心是如何根據車速和方向盤轉動的角速度來調節電機轉速。

比如根據車型選擇的油泵流量大小為16 L/min，永磁無刷電動機額定功率3kW，額定轉速1430r/min。在方向盤轉速為零的情況下，助力電機轉速隨車速變化形成的曲線是電動液壓轉向系統在無載荷的狀態下的性能特性曲線。圖所示為空載狀態下助力電機轉速隨車速變化曲線。

從曲線中可以看出，在車速較低或為零時，車輪與地面的靜摩擦較大，轉向盤所需的力比較大，此時助力電機轉速高，轉向油泵提供較大的助力油流量，為轉向時提供較大的轉向助力;在車速較高時，車輪與地面間主要摩擦為動摩擦，摩擦力較小，轉向盤較輕，此時助力電機轉速降低，油泵流量隨之下降，提供較小的轉向助力。電動液壓助力轉向系統的助力特性，降低了能耗，提高了整車經濟性。

四、適合大中型客車使用的EPS

目前EPS主要有兩種：一種是齒輪齒條式，是在傳統的轎車齒輪齒條轉向系統中增加助力電機，從而達到轉向助力目的;另一種是轉向柱式，該結構將助力電機布置在轉向傳動柱管上，由電機驅動柱管上的蝸輪蝸桿做功，以達到助力的目的。結合日常大中型客車產品開發工作的實際情況，我們提出一種集成式電動助力轉向器方案。該方案的基本思路是，將助力電機直接集成在目前大中型客車普遍使用的轉向器上，由該轉向器協調完成減速及助力的雙重功能，比之齒輪齒條式和轉向柱式EPS合成的電動助力轉向方案結構更緊湊，布置更方便，更容易實現大扭矩助力，而且也符合目前大中型客車轉向系統的實際情況。此外，由于目前大中型客車轉向器普遍為循環球或球面渦桿滾輪式轉向器，在此基礎上開發合成電動助力轉向器，通用化程度高，投資較少，技術上也不存在很大難度，容易形成批量生產。一旦該方案在大中型客車上得到應用，也會迅速在中重型貨車上得到推廣，因此，其市場潛力十分巨大。

EPS隨著電控技術的發展，智能駕駛技術最終會在客車上得到廣泛應用，EPS也會同客車發動機管理系統、電控制動系統、自動維護系統、障礙傳感技術、車內環境控制系統、遠程定位系統、故障診斷系統等電控技術一起成為智能駕駛技術的一個組成部分。電動液壓助力轉向系統能根據車速的變化改變助力大小，具有良好的助力特性，提高了車輛駕駛員的舒適性和轉向靈活性，主要解決了車輛高速時操控性不好的問題，并且降低了能耗，具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻：

[1] 王啟瑞.基于模糊自調整PD控制的EPS助力特性[J].農業機械學報，2014，（4）

[2] 雷明森，向鐵明.汽車電動助力轉向的控制策略[J].公路與汽運，2012，（4）：20-22.

[3] 徐春華，牛繼高.電動助力轉向系統實驗分析[J].洛陽理工學院學報（自然科學報），2013，（2）