某電控液壓助力轉(zhuǎn)向器的助力特性研究

楊翔宇，王杰，蘇道齊

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

某電控液壓助力轉(zhuǎn)向器的助力特性研究

楊翔宇，王杰，蘇道齊

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)具有隨速可變的助力特性。在深入了解某型號EHPS助力轉(zhuǎn)向器基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)上，對其工作原理進行詳細(xì)分析;同時，建立了該EHPS的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了該助力轉(zhuǎn)向器的助力與轉(zhuǎn)閥的設(shè)計參數(shù)之間的理論公式;通過仿真計算，得出其理論助力特性曲線，為新的助力轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計和匹配提供了依據(jù)。

電控液壓助力轉(zhuǎn)向器;轉(zhuǎn)閥;仿真;助力特性

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車動態(tài)性能的重要系統(tǒng)，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配分析是汽車研發(fā)中的一個重要課題［1］。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)提供的助力不能隨車速調(diào)節(jié)，無法兼顧助力需求較大的原地工況和助力需求較小的行駛工況，往往造成“原地沉重，高速發(fā)飄”的助力手感，從而影響了助力轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性和舒適性。為解決這一難題，要求助力能隨著車速的變化而改變，即具有可變的助力特性，采用電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)可以實現(xiàn)此要求。

國內(nèi)對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究起步較晚。清華大學(xué)和天津大學(xué)曾研究過電動泵式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析了其控制策略和控制方法［2］。郭曉林、季學(xué)武等對EHPS系統(tǒng)的等效通流面積進行了深入研究，針對不同轉(zhuǎn)閥閥口的形狀，研究了轉(zhuǎn)閥節(jié)流面積與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，并對其靜態(tài)和動態(tài)特性進行了分析［3－5］。國內(nèi)一些廠家也對EHPS系統(tǒng)進行了研究，但成熟的技術(shù)產(chǎn)品很少。由于國外對EHPS的關(guān)鍵技術(shù)進行保密，故涉及文獻很少。

本文在深入了解某型號EHPS助力轉(zhuǎn)向器基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)上，從油路流通的角度描述并分析助力轉(zhuǎn)向器的工作原理;同時根據(jù)建立的模型，計算了理論上的助力特性。

1.EHPS系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 EHPS的優(yōu)勢及組成

實現(xiàn)液壓助力隨速可變的功能有3種方法:①改變流入轉(zhuǎn)閥的流量;②改變扭力桿的剛度;③改變轉(zhuǎn)閥的通流面積。因此，EHPS系統(tǒng)可分為流量控制式、反力控制式和閥特性控制式等多種形式［6－7］。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)采用電機提供助力，通過ECU控制，助力大小容易根據(jù)車速大小調(diào)節(jié)，目前應(yīng)用也越來越廣泛。但EPS系統(tǒng)由于電機功率的限制，只適合在整備質(zhì)量2噸以下的乘用車上應(yīng)用，對于前軸重量更大的車型則無能為力。同樣，電子泵式EHPS也存在類似的功率問題。

該EHPS助力轉(zhuǎn)向器最大的優(yōu)勢在于助力大，由發(fā)動機提供驅(qū)動力，且助力手感隨車速可變。通過對助力特性的精確設(shè)計，為駕駛者提供不同的手感反饋，凸顯車型駕控特性，給操控者帶來更多的駕駛樂趣。

該系統(tǒng)是由機械轉(zhuǎn)向裝置、液壓助力裝置和電液控制裝置3個子系統(tǒng)組成的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其基本組成如圖1所示。機械轉(zhuǎn)向裝置包括方向盤、轉(zhuǎn)向柱、扭桿、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向架和車輪懸架等;液壓助力裝置包括液壓缸、由發(fā)動機驅(qū)動的恒流液壓泵、儲油罐和轉(zhuǎn)閥;電液控制裝置包括電子速率計(車速信號也可由ABS系統(tǒng)直接導(dǎo)入控制單源)、電液轉(zhuǎn)換器和旁通閥。

圖1 EHPS系統(tǒng)的組成

由于系統(tǒng)采用了由發(fā)動機驅(qū)動的恒流液壓泵，保持了機械液壓助力系統(tǒng)的高負(fù)載能力和高可靠性等優(yōu)勢，尤其適合對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)載能力要求較高且需要精準(zhǔn)操控性的車型。

1.2 EHPS的工作原理

當(dāng)汽車低速行駛時，電液轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，液壓油只通過轉(zhuǎn)閥流通，這時系統(tǒng)的工作狀態(tài)與傳統(tǒng)的液壓助力系統(tǒng)一樣;隨著車速的提高，ECU控制電液轉(zhuǎn)換器逐漸開啟，此時液壓旁路逐漸打開，流入轉(zhuǎn)閥的流量減小，流入液壓旁路的流量增大，從而改變油缸兩端的壓力，相應(yīng)的助力也隨之改變;當(dāng)車速超過預(yù)定值時，液壓旁路完全打開，液壓油經(jīng)旁路流回儲油罐，轉(zhuǎn)閥中沒有液壓油流動，油缸兩端壓力平衡，不提供助力。此時，相當(dāng)于一個純機械式轉(zhuǎn)向器，保證了駕駛員有良好的路感。該EHPS原理框圖如圖2所示。

圖2 EHPS系統(tǒng)的工作原理

圖2中 Qt代表液壓泵的供油量;QC代表流入轉(zhuǎn)閥的油量;Qe代表流入旁通油路的油量。通過電液轉(zhuǎn)換器控制QC與Qe的比例關(guān)系，進而提供合適的助力。

2 EHPS助力轉(zhuǎn)向器模型的建立

為了形象地表示該EHPS助力轉(zhuǎn)向器的助力特性，將建立主要部件的模型。

2.1 扭力桿模型的建立

扭力桿是轉(zhuǎn)閥中不可或缺的彈性元件，在轉(zhuǎn)閥回正中起關(guān)鍵作用，其材料大多為40Cr。扭力桿的上端通過銷孔與輸入軸相連，下端通過銷孔與小齒輪相連。扭力桿結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 扭力桿結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)實心圓截面扭桿的扭矩計算公式，可得在扭矩作用下扭力桿的彈性變形公式為

式(2)中:M為扭力桿受到的扭矩(N·M);d為扭力桿的有效直徑(mm);l為扭力桿的有效長度(mm);G為扭力桿的剪切彈性模量，與材料性能有關(guān)，一般取80 GPa;φ為扭力桿的相對轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)化為角度表示。

扭力桿的剛度特性可以通過調(diào)整其幾何參數(shù)和材料進行改動，從而調(diào)整系統(tǒng)的助力特性和方向盤上的手力特性。

2.2 轉(zhuǎn)閥模型的建立

轉(zhuǎn)閥是決定整個轉(zhuǎn)向器性能的關(guān)鍵部件，控制著液壓油的流動方向。簡化后的轉(zhuǎn)閥工作原理如圖4所示。圖中:5為扭力桿，6為閥套。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時，扭力桿無轉(zhuǎn)動，流入閥口1和閥口4的液壓油流量相同，此時液壓缸兩端無壓力差，液壓系統(tǒng)不工作。

當(dāng)轉(zhuǎn)動方向盤時，以逆時針轉(zhuǎn)動為例，轉(zhuǎn)向器輸入軸帶動閥芯6轉(zhuǎn)動，閥芯6帶動與之相連的扭力桿5的頂端轉(zhuǎn)動，扭力桿5再帶動小齒輪轉(zhuǎn)動。由于小齒輪通過齒條及轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，而轉(zhuǎn)向節(jié)受到輪胎與地面的摩擦力，使得閥套7不能轉(zhuǎn)動。因此，扭力桿兩端就在轉(zhuǎn)向力矩作用下形成了一個扭轉(zhuǎn)角，使得閥芯6與閥套7之間也有一個相對轉(zhuǎn)角。這樣，流入閥口1中的流量增加，流入閥口4中的流量減小，從而在轉(zhuǎn)閥內(nèi)形成壓力變化，導(dǎo)致液壓缸兩端的壓力變化，助力形成。

圖4 轉(zhuǎn)閥工作原理圖

2.3 轉(zhuǎn)閥閥口模型的建立

助力轉(zhuǎn)向器的閥口大致分3種:簡單刃口閥、加工長坡口的轉(zhuǎn)閥和加工短切口的轉(zhuǎn)閥［8－9］。該轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)閥閥口是簡單刃口閥，其剖面如圖5所示。

圖5 閥口的剖面圖

R代表閥芯半徑，Amax代表預(yù)開間隙完全關(guān)閉的角度，a代表預(yù)開間隙寬度，b代表孔口瞬間寬度，w代表孔口軸向長度，則等效通流面積A可由式(3)求得。

3 轉(zhuǎn)閥中壓力變化公式的推導(dǎo)

在圖4中，4個可變的閥口相當(dāng)于4個可變的液阻，整個轉(zhuǎn)閥相當(dāng)于3個并聯(lián)的3位4通通道。該原理圖可以進一步等效為惠更斯橋路［10］，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)閥的等效液壓回路

圖6中:Qc為流入轉(zhuǎn)閥的流量;Q1～Q4為流入各閥口的流量;QL為流入負(fù)載的流量;Pa、Pb為負(fù)載兩端的壓力。

推導(dǎo)過程中，假設(shè)液壓油是不可壓縮的，且在流動過程中不計內(nèi)泄露和沿途壓力損失。根據(jù)橋路的壓力平衡可得:

根據(jù)橋路的流量平衡可得:

則橋臂的流量－壓力方程是:

Ai( 1，2，3，4)表示各橋臂的節(jié)流面積，而節(jié)流面積又隨閥芯轉(zhuǎn)角φ變化而變化。因轉(zhuǎn)閥是對稱結(jié)構(gòu)，故:

由式(2)～(15)可得:

流經(jīng)轉(zhuǎn)閥各閥口油液的流量與壓力差的關(guān)系可以按照薄壁小孔流量的計算公式進行計算［11］，即

式(20)中:Δp為閥口兩側(cè)的壓力差;Cd為流量系數(shù);ρ為液壓油密度。

由式(18)～(20)可得:

在靜態(tài)條件下，液壓缸中的活塞不移動，故QL的初始值為0。可得該轉(zhuǎn)向器的靜態(tài)助力計算公式為

4 EHPS助力轉(zhuǎn)向器的仿真及結(jié)果分析

4.1 各參數(shù)的選取

系統(tǒng)額定壓力為14 MPa，模型的初始參數(shù)如下:Qt=16 L/min，ρ=900 kg/m3，Cd=0.6，w=20 mm，a=5 mm，R=11 mm，l=70 mm，d=4.6 mm。

4.2 仿真及結(jié)果分析

聯(lián)合式(1)、(2)、(3)、(26)，在Matlab中進行仿真。仿真過程中，假設(shè)電液轉(zhuǎn)換器的開度逐漸增大，計算旁通流量Qe(L/min)取值分別為0、4、8、12時扭矩與油壓壓力的關(guān)系，其仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 扭矩與油壓壓力的關(guān)系

從圖7可以看出:在相同扭矩下，隨著車速的增大，Qe取值隨之增大，助力系統(tǒng)提供的液壓壓力逐漸降低;在相同的液壓壓力下，隨著車速增大，轉(zhuǎn)動方向盤所需要的方向盤轉(zhuǎn)矩也逐漸增大。這符合低速大助力、高速小助力的趨勢，滿足了汽車的操作穩(wěn)定性。

在圖7中，曲線有明顯的尖端。由于液流的慣性等因素，實際關(guān)系曲線為理論曲線的近似切線。另外，由于仿真模型采用了簡單刃口閥，曲線的上升趨勢比較陡，如果采用加工長坡口的閥口模型，其上升趨勢會比較平緩。對于該助力轉(zhuǎn)向器，將在接下來的臺架實驗中進一步詳細(xì)研究。

5.結(jié)束語

本文通過建立某型號EHPS助力轉(zhuǎn)向器的數(shù)學(xué)模型，從理論上驗證了該助力轉(zhuǎn)向器可以提供比較理想的助力特性，為下一步臺架試驗提供了理論指導(dǎo)，也為大功率助力轉(zhuǎn)向器的開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Assistance Characteristics of Electronic Hydraulic Power Steering

YANG Xiang－yu，WANG Jie，SU Dao－qi

(School of Vehicle Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Electronic hydraulic power steering system(EHPS)has an alterable assistance characteristic which is adapted to vehicle speed.Based on the analysis of the structure and design parameters of an EHPS system，the working principle was elaborated.Then themathematicalmodel was built，and the theoretical formulas between the power steering assistand the design parameterswere derived.The theoretical curves of assistance characteristics can be obtained by computer simulation，which lays the foundation for the design and choice of new power steering system.

electronic hydraulic power steering;rotary valve;simulation;assistance characteristics

U463.4

A

1674－8425(2014)01－0012－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.003

2013－09－21

重慶市科技攻關(guān)計劃資助項目(CSTC.2009AB6021);重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(YCX2012201)

楊翔宇(1953—)，男，重慶人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事車輛傳動技術(shù)及應(yīng)用研究。

楊翔宇，王杰，蘇道齊.某電控液壓助力轉(zhuǎn)向器的助力特性研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014 (1):12－16.

format:YANG Xiang－yu，WANG Jie，SU Dao－qi.Assistance Characteristics of Electronic Hydraulic Power Steering［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):12－16.