液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝朝陽（齊魯理工學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

1.1 管柱助力式

管柱助力電機(jī)安裝于轉(zhuǎn)向管柱上,助力和駕駛員操縱力矩一同經(jīng)過中間轉(zhuǎn)向軸作用于轉(zhuǎn)向小齒輪。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)、ECU、減速機(jī)構(gòu)都安裝于駕駛艙內(nèi),電機(jī)、ECU的工作環(huán)境較好,方便發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置。缺點(diǎn)是所有助力都通過轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向小齒輪和齒條,轉(zhuǎn)向管柱部件受力較大,因而助力大小受到限制;同時(shí)由于其電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)安裝于駕駛艙內(nèi),更容易引起駕駛室內(nèi)噪聲。因而這種結(jié)構(gòu)的EPS主要適用于車重較輕、發(fā)動(dòng)機(jī)艙較小且對(duì)噪聲要求相對(duì)不高的微型轎車。

1.2 小齒輪助力式

小齒輪式EPS助力電機(jī)和蝸輪蝸桿減速器布置在轉(zhuǎn)向小齒輪附近。這種結(jié)構(gòu)的EPS,助力不需要管柱部件傳遞,因而電機(jī)可以提供更大的助力。小齒輪式EPS可以應(yīng)用到需要助力較大,而布置相對(duì)方便的中級(jí)轎車上。

2 液壓助力主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1工作模式

（1）液壓助力轉(zhuǎn)向模式

主動(dòng)液壓缸兩端油路被封閉，活塞桿 2與主動(dòng)液壓缸缸筒 3和 6之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)剛性的連桿。方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向位移和力矩經(jīng)小齒輪驅(qū)動(dòng)助力齒條活塞桿（即主動(dòng)液壓缸缸筒 3和 6）及活塞桿 2移動(dòng)，并通過轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。同時(shí)，轉(zhuǎn)向扭桿轉(zhuǎn)動(dòng)的打開轉(zhuǎn)向閥，對(duì)進(jìn)入助力液壓缸兩腔中的壓油壓力和流量進(jìn)行控制，并為齒條助力活塞 3和 6提供助力；轉(zhuǎn)向扭桿在駕駛員轉(zhuǎn)向手力和轉(zhuǎn)向助力負(fù)反饋的共同作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而形成一個(gè)剛性的負(fù)反饋，以力圖消除轉(zhuǎn)閥所引起的閥口變化，并恢復(fù)轉(zhuǎn)閥閥芯相對(duì)于閥體的中位狀態(tài)，其變形量即是閥口的開度角位移。

根據(jù)不同的車速和轉(zhuǎn)向角速度調(diào)節(jié)電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)隨行駛工況感應(yīng)的助力轉(zhuǎn)向特性。此模式與電動(dòng)式機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理相同。

轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向器的齒輪齒條間具有兩個(gè)力矩的相互作用：轉(zhuǎn)向阻力矩Tz和液壓助力矩Ta，在它們的共同作用下，決定了轉(zhuǎn)閥角位移和反饋控制。有三種情形：

（a）助力工況：當(dāng)Tz＞Ta時(shí)，轉(zhuǎn)向扭桿不斷產(chǎn)生變形量，由此，轉(zhuǎn)閥閥芯跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，

從而不斷地為轉(zhuǎn)向提供助力的壓油。

（b）保持助力：當(dāng)Tz=Ta時(shí)，轉(zhuǎn)向扭桿停止變形，但不回位，閥體隨動(dòng)減小了通油間隙，系統(tǒng)維持一定的油壓和車輪轉(zhuǎn)角，此時(shí)，車輛進(jìn)行等半徑彎道行駛。

（c）停止助力：當(dāng)Tz＜Ta時(shí)，扭桿回位或因前輪懸空，扭桿不變形，此時(shí)，轉(zhuǎn)閥關(guān)閉油路，沒有液壓油進(jìn)入，系統(tǒng)不提供轉(zhuǎn)向助力。

（2）液壓主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向模式方向盤無轉(zhuǎn)向輸入時(shí)，轉(zhuǎn)閥閥芯處于開式中位，主動(dòng)轉(zhuǎn)向缸筒3及齒條活塞 6與轉(zhuǎn)向器殼體之間無相對(duì)位移，中央控制單元（ECU）根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制策略決策出主動(dòng)轉(zhuǎn)向疊加角指令，并將指令送至伺服閥控制器中，通過安裝在活塞桿 2上的位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)活塞桿的位置，并形成負(fù)反饋，其偏差信號(hào)作為電液伺服比例閥閥芯位移的控制輸入，轉(zhuǎn)向控制器采用控制策略決策出伺服閥控制電流，從而使伺服閥進(jìn)行開度，壓力油經(jīng)主動(dòng)活塞桿 2的空心油路進(jìn)入到主動(dòng)液壓缸某一側(cè)的工作腔中，推動(dòng)活塞桿 2向一側(cè)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形架帶動(dòng)車輪進(jìn)行主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)指令位移的準(zhǔn)確跟蹤控制。此模式用于汽車受到外界干擾、危險(xiǎn)工況或駕駛員轉(zhuǎn)向不到位時(shí)，利用AFS的直接轉(zhuǎn)向干預(yù)功能對(duì)車輛進(jìn)行操縱穩(wěn)定性的主動(dòng)控制。

3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

3.1總體方案

（1）機(jī)械式轉(zhuǎn)向模式：指從方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、伸縮液壓缸轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)到轉(zhuǎn)向前輪的機(jī)械機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；

（2）電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向模式：基于電動(dòng)泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的可變液壓源隨車輛行駛工況感應(yīng)式的機(jī)液伺服助力轉(zhuǎn)向模式；

（3）液壓伺服主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向模式：即不依賴于駕駛員轉(zhuǎn)向操縱的主動(dòng)轉(zhuǎn)向。

根據(jù)液壓控制理論，中位正開口轉(zhuǎn)閥是一種比較理想的線性液壓控制元件，在正開口區(qū)域內(nèi)時(shí)，負(fù)載流量同時(shí)受兩個(gè)節(jié)流口的控制，并且是差動(dòng)變化的，因此，可以有效提高零位的流量增益并改善系統(tǒng)的壓力—流量曲線的線性度。而在正開口區(qū)域以外，由于同一時(shí)刻只有兩個(gè)節(jié)流口起控制作用，其壓力—流量特性和中位零開口伺服閥是相同的。

新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角位移和力矩的準(zhǔn)確與可靠傳遞，而且需要方便地對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，因此，在保證系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和控制精度的前提下，其液壓控制系統(tǒng)還應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，成本低。借鑒傳統(tǒng)的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，采用雙獨(dú)立油路的液壓控制系統(tǒng)，并通過電機(jī)泵為各自的子系統(tǒng)提供可變的液壓源，系統(tǒng)總體方案.

3.2性能參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：傳動(dòng)比i、轉(zhuǎn)向器輸出最大扭矩T、最大液壓力 p，工作流量q、轉(zhuǎn)向臂行程等。本節(jié)將基于原地轉(zhuǎn)向阻力矩模型，對(duì)新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要性能參數(shù)進(jìn)匹配設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件進(jìn)行選型。

3.2.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩

原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr采用汽車?yán)碚撏扑]的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算

式中：Gz——前軸載荷（N）， Gz=42271N，其中， m 為客車整車質(zhì)量，l為前后軸距離，b為質(zhì)心到后軸的距離。

f——車輪接地滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取 f=0.7；

Pt——胎壓，大客車的輪胎有兩種：尼龍輪胎，胎壓一般為pt=8.3×105Pa；鋼絲輪胎的胎壓則為pt=9.0×105Pa；

為了充分發(fā)揮轉(zhuǎn)向器的效率，并保證液壓系統(tǒng)處于良好的工作工況，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大輸出扭矩T應(yīng)滿足：T≥Mr，通常取 T=2784 N.m。

3.2.2 參數(shù)計(jì)算與元件選型

（1）新型液壓助力主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大輸出扭矩折算到方向盤上的等效阻力矩Thz與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比i有關(guān)：

式中，η+為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正效率，取 0.80；i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總的角傳動(dòng)比，取i=20.48。

考慮到車載液壓系統(tǒng)的可靠性與安全性，根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，選取系統(tǒng)的額定工作壓力為ps=130×105Pa，根據(jù)液壓控制系統(tǒng)，為保證 AFS伺服系統(tǒng)工作在最大效率點(diǎn)，其負(fù)載壓降可取為：

AFS液壓缸要能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，則根據(jù)作用在方向盤上的等效力矩可計(jì)算出主動(dòng)液壓缸活塞的有效工作面積Ap1：

主動(dòng)活塞桿中間制有空心油路，主動(dòng)液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿外徑尺寸取為 58/28mm，則實(shí)際主動(dòng)液壓缸的有效工作面積為2025mm2。

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，原地轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要能提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，以保證駕駛員轉(zhuǎn)向操縱輕便舒適。普通駕駛員作用在方向盤上的最大手力一般在 20～50N之間，當(dāng)手力在 20N左右時(shí)感覺轉(zhuǎn)向比較輕便，大客車的方向盤直徑為 480mm，因此，原地轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員作用在方向盤上比較合適的手力矩約為 4.8N.m，折算出手力約為 20N。這也是德國 ZF公司推薦的車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員偏好的手力矩。液壓助力系統(tǒng)需要提供的最大助力矩為Tmax=165.2（N.m），則助力液壓缸活塞的有效工作面積Ap2為：

取助力液壓缸內(nèi)徑/活塞桿外徑為85/68mm，則實(shí)際的助力活塞有效作用面積為2041mm2。

（2）液壓控制閥

活塞有效作用面積及最大工作速度決定了轉(zhuǎn)向液壓缸所需要的工作流量。對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度十分重要。一方面，在車輛緊急避讓、超車換道過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)能力，另一方面，過快的前輪轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致車輛狀態(tài)響應(yīng)過于激烈。而且，駕駛員任何輕微的動(dòng)作經(jīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比放大后，都能很輕松克服高速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力，從而使行駛方向不斷發(fā)生改變，駕駛員就必須持續(xù)地對(duì)行駛方向進(jìn)行修正，感覺到難以握住方向盤。根據(jù)人體工學(xué)原理，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的速度一般在 1～2r/s之間，設(shè)計(jì)時(shí)方向盤轉(zhuǎn)速可取 1.5r/s。

①電液伺服比例閥

電液伺服比例閥不僅克服了傳統(tǒng)伺服閥對(duì)油液污染敏感和高昂價(jià)格等缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)、性能、可靠性和價(jià)格上具有很大的優(yōu)勢(shì)，而且高頻響、高精度、滯環(huán)、無零位死區(qū)，其價(jià)格只有伺服閥的1/5～1/8，能滿足一般系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和控制精度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，為液壓轉(zhuǎn)向伺服控制系統(tǒng)提供了一種低成本和高可靠性的解決方案。

根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)速度和作用面積，主動(dòng)液壓缸的負(fù)載流量qL1為

取qL1=114.5L/min

②轉(zhuǎn)閥

根據(jù)3.1節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，助力系統(tǒng)采用中位開式轉(zhuǎn)閥，其負(fù)載流量為：

轉(zhuǎn)閥的額定流量為 30L/min。

（3）電機(jī)和油泵選型

取負(fù)載流量qL的 1.1～1.3倍作為液壓系統(tǒng)的供油流量qs，qs=18 L/min。電機(jī)泵的功率可根據(jù)系統(tǒng)液壓功率計(jì)算，系統(tǒng)的液壓功率Ny由最大供油流量和泵的出口壓力計(jì)算，則 AFS系統(tǒng)的液壓功率為：

為了保證油泵具有一定的壓力儲(chǔ)備，油泵出口的額定壓力一般要比最大工作壓力大25～60%，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為nmax=3000（r/min），則油泵的排量Dm1為：

電機(jī)輸出的扭矩Ti1為：

機(jī)電泵的功率為 0.15-3.0k W，額定轉(zhuǎn)速 3000 r/min。

（4）蓄能器

變傳動(dòng)比控制時(shí)，蓄能器作為輔助動(dòng)力源，其容量為：

式中， V0——所需蓄能器的容積（m3）

Vx——蓄能器的工作容積（m3），sA為活塞行程， kA為液壓缸損失系數(shù)，取 1.2kA=， tA為主動(dòng)液壓缸一個(gè)循環(huán)的動(dòng)作時(shí)間。

P0——系統(tǒng)最低壓力（Pa）；

P1——系統(tǒng)最高壓力（Pa）；

P2——充氣壓力（Pa），按1 0 20.9 p＞p＞0.25 p充氣；

n——指數(shù)，等溫時(shí) n=1，絕熱時(shí)取 n=1.4。

根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取的蓄能器型號(hào)為 NXQ 1-L0.4/20-H，其公稱容積為 0.4L，額定工作壓力 20Mpa，皮囊式蓄能器。

4 液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究

4.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作模式與車輛的行駛工況和方向盤操縱密切相關(guān)。助力轉(zhuǎn)向控制的是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性，PMSM泵轉(zhuǎn)速控制是實(shí)現(xiàn)隨工況感應(yīng)助力特性關(guān)鍵技術(shù)，電機(jī)泵的速度指令是綜合了車速和方向盤轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)的決策結(jié)果。

AFS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角指令有兩種：一是車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向過程中，根據(jù)ECU中存儲(chǔ)的變傳動(dòng)比曲線，進(jìn)行變傳動(dòng)控制，主要用于改善車輛的操縱穩(wěn)定性；二是當(dāng)車輛處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，AFS進(jìn)行直接轉(zhuǎn)向干預(yù)，對(duì)車輛進(jìn)行操縱穩(wěn)定性控制。因此，AFS控制系統(tǒng)的介入與退出、控制的疊加轉(zhuǎn)角都是以車輛操縱穩(wěn)定性控制為目標(biāo)的，即來自車輛上層的ECU穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。

新型液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)采用分層思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法思路清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。決策層為車輛ECU中的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)；下層為轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制器，用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、主動(dòng)活塞桿位移進(jìn)行跟蹤控制及驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過伺服控制器需對(duì)ECU發(fā)送的三個(gè)指令任務(wù)進(jìn)行控制：

（1）助力系統(tǒng)的電機(jī)泵速度伺服控制；

（2）主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機(jī)泵速度伺服控制；

（3）主動(dòng)活塞桿的位移跟蹤控制。伺服閥控制器根據(jù)控制器發(fā)送的主動(dòng)活塞桿位移指令

x*p1，將x*p1與安裝在雙伸縮缸上的移傳感器檢測(cè)信號(hào)xp1進(jìn)行比較，其偏差作為轉(zhuǎn)向控制器的輸入量，利用相應(yīng)的控制算法決策決策出電液伺服比例閥的閥芯位移xv，通過伺服比例閥放大器輸出控制電流，并使伺服比例閥動(dòng)作，從而對(duì)進(jìn)行主動(dòng)液壓缸的壓油進(jìn)行節(jié)流控制，推動(dòng)主動(dòng)活塞桿向一側(cè)位移，最終通過轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，直到實(shí)際位移與目標(biāo)位移一致，形成主動(dòng)轉(zhuǎn)向電液位置伺服的閉環(huán)跟蹤控制。

新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有完整的機(jī)械連接，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、伺服比例閥故障等控制系統(tǒng)故障時(shí)，其機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然可以保證基本的人工轉(zhuǎn)向功能，確保了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)控制系統(tǒng)位移誤差超出一定數(shù)值時(shí)，可通過相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)以提示駕駛員停車檢查和維修，提高了系統(tǒng)的安全性。

4.2 控制目標(biāo)

新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要完成兩個(gè)任務(wù)：（1）電機(jī)泵速度控制，利用可變流量液壓源實(shí)現(xiàn)對(duì)期望助力轉(zhuǎn)向特性曲線的跟蹤控制，因此，永磁同步電機(jī)速度控制策略研究是保證轉(zhuǎn)向“路感”，提高車輛在不同行駛工況下的舒適性和操縱穩(wěn)定性的主要研究?jī)?nèi)容。（2）主動(dòng)轉(zhuǎn)向活塞桿位移跟蹤控制，活塞桿位移的控制精度、響應(yīng)特性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等不僅影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，而且直接關(guān)系到客車的操縱穩(wěn)定性和行駛的安全性。

因此，其控制目標(biāo)主要有：

（1）快速響應(yīng)能力：助力油泵電機(jī)應(yīng)能快速跟蹤期望的轉(zhuǎn)速曲線，才能較好地實(shí)現(xiàn)隨速感應(yīng)的助力特性，使低速轉(zhuǎn)向舒適和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，并具有清晰的轉(zhuǎn)向“路感”；主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)滿足車輛操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，系統(tǒng)的響應(yīng)速度需與車輛的行駛工況以及駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱相適應(yīng)，從而確保AFS系統(tǒng)控制的靈敏度和穩(wěn)定性；

（2）較高的控制精度：高速行駛時(shí)，微小的前輪轉(zhuǎn)角都會(huì)產(chǎn)生較大的車輛狀態(tài)響應(yīng)，因此，AFS系統(tǒng)的控制精度對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性影響較大。

（3）較好的魯棒性：客車的行駛工況復(fù)雜，且受多種因素的影響，系統(tǒng)存在各種不確定性，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)參數(shù)變化、外界干擾以及控制器本身的誤差的自適應(yīng)性能，以提高系統(tǒng)的魯棒性。