汽車電動液壓助力轉向系統的仿真研究★

黃東宇

（阜陽職業技術學院工程科技學院， 安徽 阜陽 236000）

引言

當前，大多數轎車均安裝有助力轉向系統。助力轉向系統種類較多，其中，電動液壓助力轉向系統（EHPS）是在傳統的液壓轉向系統（HPS）的基礎上發展而來的。傳統的液壓助力轉向系統由發動機帶動，無法較好控制其助力的大小，難以兼顧不同的車速。將其液壓泵改為由電機拖動，并對電機轉速進行控制，則為電動液壓助力轉向系統。

1 液壓助力轉向壓力的計算

電動液壓助力轉向系統中較為重要的元件為轉閥，轉閥的開度隨轉向盤上的扭力桿的變化而變化，用以調整系統的油壓，一般都常將轉閥等效為4 個節流閥的橋接，如圖1 所示。

圖1 中位開式旋轉閥的等效模型

根據流量計算公式，并經推倒可得：

式中：Qin為液壓泵出口處的流量，m3/s；P1、P2分別為A 口、B 口處的壓力，Pa；KL為流量系數；ρ 為油液密度，kg/m3；P為助力油缸兩端的壓力降，Pa；A為1、2兩個閥口面積中較小者，m2。

2 電動液壓助力轉向仿真模型的建立

假設除流量外的其它因素都為常數，對公式（1）進行求導，則：

由于液壓系統有一定的滯后性，因此設計時需考慮助力能否有效跟隨上方向盤轉速ω 的變化，而從公式（2）可知，提高油泵出口的流量Qin有助于提高助力跟隨性。

根據助力特性的要求，助力大小與車速V有較大的關系，而由公式（1）可知，提高油泵出口的流量Qin即提高助力油壓。

對于電動液壓助力轉向系統來說，油泵由電機帶動，油泵出口的流量Qin和電機轉速n成正比，因此，需根據車速和方向盤的轉速來綜合考慮控制電機轉速的大小。

為此，根據前文分析建立一個雙輸入單輸出的控制器。由于模糊控制控制簡便，節約硬件資源[1-2]，因此系統采用模糊控制實現，其建立的模糊控制模型所表達的助力特性曲面如圖2 所示。

圖2 EHPS 助力特性曲面圖

在完成模糊控制器的設計后，在Matlab 軟件中分別對方向盤、齒條、油缸、轉閥、油泵、電機、輪胎和整車建立了子模型，將模糊控制器加入后，建立系統的仿真模型。其中，輸入是車速和方向盤角速度，輸出為方向盤力矩。

3 低速行駛轉向輕便性的試驗仿真

根據GB/T 6323.5—1994《汽車操縱穩定試驗方法轉向輕便性試驗》的要求對車輛低速轉向時的輕便性進行仿真[3-5]。根據其要求，汽車需以10 km/h 的速度按雙紐線行駛。分別對有無EHPS 控制器及電機的兩種情況下仿真，輸出結果為圖3 中所示。

圖3 方向盤轉角和力矩的關系曲線

由此可以看出，有無EHPS 助力時方向盤力矩最大值分別為6.01 N·m 和3.61 N·m，作用效能為6.01/3.61=1.66，能夠滿足助力輕便性的要求。

4 轉向盤中間位置操縱穩定性的試驗仿真

美國德爾福（Delphi）公司針對高速公路行駛的操縱穩定性制定了“中間位置操縱穩定性試驗”[6]。在建立的模型中進行仿真后，仿真結果記錄在表1 中。

0.1g處的方向盤力矩表示的是方向盤力的大小。由表1 可以看出，所仿真的系統，有無EHPS 的力矩大小差距不大。這說明，其在高速時提供較小助力，以保證轉向的穩定。

0g和0.1g處的方向盤力矩梯度，表示了車輛在直線行駛時和駛離直線行駛位置時的“路感”。從表1 中可以看出，有EHPS 后，0g和0.1g處的方向盤力矩梯度仍保持在1.07 N·m/g和17.5 N·m/g，說明即使有助力的情況下，其路感亦沒有明顯下降。

再對比美國緊湊車型的相關數據，由于采用了對助力特性的控制，在高速時仿真數據的方向盤力矩比帶有動力轉向的實際車型的力矩要大，提高了“路感”。

表1 方向盤中間位置操縱穩定性試驗仿真結果對比

5 結語

對于汽車的轉向系統而言，高速時的操縱穩定性和低速時的輕便性都十分重要，采用模糊控制的電動液壓助力轉向系統（EHPS）通過合理的設計可以較好地兼顧這兩點。而在具體應用中，可根據不同國家或地區的駕駛習慣、路況和車型等適當調整模糊控制規則。