電動(dòng)客車(chē)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

趙明輝

摘要：隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其穩(wěn)定性好、舒適性高等特點(diǎn)，成為目前電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)中必不可少的關(guān)鍵零部件。純電動(dòng)城市客車(chē)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向油罐、電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向管路、轉(zhuǎn)向器組成。電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵將轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)源電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向助力缸工作的液壓能。

關(guān)鍵詞;電動(dòng)客車(chē)：電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng);設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上營(yíng)運(yùn)的純電動(dòng)客車(chē)主要采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，安裝獨(dú)立的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵，整車(chē)電池提供直流高壓電，經(jīng)逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?、?qū)動(dòng)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)、電機(jī)再驅(qū)動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器提供油壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。整車(chē)從啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)起，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向油泵一直消耗整車(chē)電池電量，而且噪聲大，從而大幅度增加了整車(chē)制造成本，同時(shí)也增加了整車(chē)自重，消耗整車(chē)電池電量，影響整車(chē)?yán)m(xù)駛里程。

一、慨述

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作產(chǎn)生油壓，從而助力轉(zhuǎn)向達(dá)到轉(zhuǎn)向輕便的效果。油泵的流量大小跟發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)。車(chē)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，油泵的流量就會(huì)越大，相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就越大，這就導(dǎo)致車(chē)輛高速行駛時(shí)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向操控發(fā)飄的現(xiàn)象，路感不好，轉(zhuǎn)向的操控舒適性較差。另外，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性是一定的，若要滿(mǎn)足客車(chē)在高速行駛時(shí)仍具有較好的操控手感，那么停車(chē)或低速時(shí)就無(wú)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(zhuǎn)向助力，油泵時(shí)刻都處在工作狀態(tài)，當(dāng)高速行駛時(shí)，油泵的轉(zhuǎn)速升高，產(chǎn)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(fèi)，所以耗能較大。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作，同時(shí)增加電控單元對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制。電控單元采集整車(chē)中影響轉(zhuǎn)向因數(shù)的信號(hào)進(jìn)行綜合控制，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制轉(zhuǎn)向油泵的流量。在車(chē)輛停車(chē)或低速行駛時(shí)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)向油泵的流量越大，相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就越大;在車(chē)輛高速行駛時(shí)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，相應(yīng)產(chǎn)生的助力也就下降。所以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)助力的調(diào)節(jié)。因此，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)克服了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力無(wú)法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

二、轉(zhuǎn)向泵參數(shù)匹配計(jì)算

某8m 純電動(dòng)城市客車(chē)有關(guān)參數(shù)如下：車(chē)輪滾動(dòng)半徑407.476 mm，前軸荷4 800kg，輪胎與地面的摩擦系數(shù)0.7，輪胎充氣壓力0.85 MPa。在電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)中，主要包括轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向泵壓力、流量以及轉(zhuǎn)向泵電機(jī)功率的匹配計(jì)算。

1、輪胎原地轉(zhuǎn)向阻力矩。汽車(chē)在原地時(shí)，轉(zhuǎn)向器所受到的轉(zhuǎn)向阻力是最大的，而轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向阻力矩主要受轉(zhuǎn)向器的負(fù)荷、輪胎氣壓和路面阻力等因素的影響。針對(duì)純電動(dòng)城市客車(chē)的行駛路況，汽車(chē)在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR可采用下列計(jì)算[3]：

2、轉(zhuǎn)向器輸出扭矩。轉(zhuǎn)向器把來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)使車(chē)輪轉(zhuǎn)向。由于車(chē)輪轉(zhuǎn)向的過(guò)程中存在機(jī)械損耗，取轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的效率η= 0.93，此時(shí)轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩M=MR/η。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)算出M= 2776 N·m。根據(jù)實(shí)際可選轉(zhuǎn)向器，其M為2800 N·m。

3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷(xiāo)式、循環(huán)球曲柄指銷(xiāo)式、蝸桿滾輪式等。其中循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器正、逆襲率都很高，因其操縱輕便、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向器液壓系統(tǒng)壓力與轉(zhuǎn)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(guān)。計(jì)算循環(huán)球轉(zhuǎn)向器輸出最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)壓力P的公式如下：

三、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制原理

EPS是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助駕駛員轉(zhuǎn)向。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)向盤(pán)處的扭矩傳感器會(huì)“感覺(jué)”到轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩和擬轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這些信號(hào)會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)發(fā)送給ECU控制單元，ECU會(huì)根據(jù)傳動(dòng)力矩、擬轉(zhuǎn)的方向以及車(chē)速、電流反饋等數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，然后根據(jù)設(shè)定的參數(shù)向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出動(dòng)作指令，電動(dòng)機(jī)就會(huì)根據(jù)具體的需要輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)值的轉(zhuǎn)向助力。在系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向操作和負(fù)載條件一定時(shí)，轉(zhuǎn)向助力與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，因此對(duì)轉(zhuǎn)向助力的調(diào)節(jié)，關(guān)鍵在于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在車(chē)輛駕駛的實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)車(chē)速較慢時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力較大，我們需要更大的轉(zhuǎn)向助力，這樣轉(zhuǎn)向時(shí)就不會(huì)感到方向盤(pán)沉重，以提高駕駛的舒適性;當(dāng)車(chē)速較快時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力較小，我們需要較小的轉(zhuǎn)向助力，這樣在高速行駛過(guò)程中我們就能保持車(chē)輛的直線(xiàn)行駛，以提高駕駛的穩(wěn)定性。當(dāng)我們?cè)隈{駛過(guò)程中遇到需要緊急避讓時(shí)，通常會(huì)猛打方向盤(pán)，這時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度增加，此時(shí)需要更大的轉(zhuǎn)向助力才能使車(chē)輛迅速轉(zhuǎn)向;當(dāng)我們轉(zhuǎn)向變慢或停止時(shí)，這時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度減小，此時(shí)不需要很大的轉(zhuǎn)向助力，這樣我們才能感覺(jué)到轉(zhuǎn)向助力的均勻連續(xù)，分析可知，系統(tǒng)控制策略的核心是如何根據(jù)車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

比如根據(jù)車(chē)型選擇的油泵流量大小為16 L/min，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)額定功率3kW，額定轉(zhuǎn)速1430r/min。在方向盤(pán)轉(zhuǎn)速為零的情況下，助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化形成的曲線(xiàn)是電動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在無(wú)載荷的狀態(tài)下的性能特性曲線(xiàn)。圖所示為空載狀態(tài)下助力電機(jī)轉(zhuǎn)速隨車(chē)速變化曲線(xiàn)。

從曲線(xiàn)中可以看出，在車(chē)速較低或?yàn)榱銜r(shí)，車(chē)輪與地面的靜摩擦較大，轉(zhuǎn)向盤(pán)所需的力比較大，此時(shí)助力電機(jī)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)向油泵提供較大的助力油流量，為轉(zhuǎn)向時(shí)提供較大的轉(zhuǎn)向助力;在車(chē)速較高時(shí)，車(chē)輪與地面間主要摩擦為動(dòng)摩擦，摩擦力較小，轉(zhuǎn)向盤(pán)較輕，此時(shí)助力電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，油泵流量隨之下降，提供較小的轉(zhuǎn)向助力。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性，降低了能耗，提高了整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

四、適合大中型客車(chē)使用的EPS

目前EPS主要有兩種：一種是齒輪齒條式，是在傳統(tǒng)的轎車(chē)齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加助力電機(jī)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向助力目的;另一種是轉(zhuǎn)向柱式，該結(jié)構(gòu)將助力電機(jī)布置在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)柱管上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱管上的蝸輪蝸桿做功，以達(dá)到助力的目的。結(jié)合日常大中型客車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的實(shí)際情況，我們提出一種集成式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器方案。該方案的基本思路是，將助力電機(jī)直接集成在目前大中型客車(chē)普遍使用的轉(zhuǎn)向器上，由該轉(zhuǎn)向器協(xié)調(diào)完成減速及助力的雙重功能，比之齒輪齒條式和轉(zhuǎn)向柱式EPS合成的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向方案結(jié)構(gòu)更緊湊，布置更方便，更容易實(shí)現(xiàn)大扭矩助力，而且也符合目前大中型客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)際情況。此外，由于目前大中型客車(chē)轉(zhuǎn)向器普遍為循環(huán)球或球面渦桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)合成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器，通用化程度高，投資較少，技術(shù)上也不存在很大難度，容易形成批量生產(chǎn)。一旦該方案在大中型客車(chē)上得到應(yīng)用，也會(huì)迅速在中重型貨車(chē)上得到推廣，因此，其市場(chǎng)潛力十分巨大。

EPS隨著電控技術(shù)的發(fā)展，智能駕駛技術(shù)最終會(huì)在客車(chē)上得到廣泛應(yīng)用，EPS也會(huì)同客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、電控制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)、障礙傳感技術(shù)、車(chē)內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等電控技術(shù)一起成為智能駕駛技術(shù)的一個(gè)組成部分。電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能根據(jù)車(chē)速的變化改變助力大小，具有良好的助力特性，提高了車(chē)輛駕駛員的舒適性和轉(zhuǎn)向靈活性，主要解決了車(chē)輛高速時(shí)操控性不好的問(wèn)題，并且降低了能耗，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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