电动液压助力转向系统设计方法.pdf
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1、2006 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期-207-12 34车速信号 发动机转速信号ECU齿轮泵角速度信号 电动液压助力转向系统设计方法 耿国庆，苗立东，李 强（江苏大学 江苏省汽车工程重点实验室，江苏 镇江 212013）摘 要：为了提高汽车助力转向系统的性能，减少系统能耗，介绍了一种采用电动泵的新型液压助力转向系统的结构与工作原理，并对其功能进行了分析。在此基础上，结合转向系统的功能要求，应用汽车设计和液压传动理论，提出了电动液压助力转向系统及其与整车匹配的设计方法。对某轿车转向系统按此方法进行设计计算，并与国外同类产品进行对比，证明了此种匹配设计方法的正确性和有效性。关键词：
2、汽车工程；电动液压助力转向；理论研究；结构与原理 中图分类号:469.72 文献标识码:文章编号：1003188X(2006)06020704 0 引言 当今汽车技术的发展趋势是节能、安全和环保。近年来，随着助力转向系统在车辆上的广泛应用,如何提高助力转向系统的工作性能、减少系统的能耗已成为人们日益关注的问题。目前，国内外正在研制的电子控制助力转向系统主要有两大类，即电动助力转向系统EPS（Electric Power Steering）和电子控制液压助力转向系统EHPS（Electro-hyd raulic Power Steering，包括电磁阀控制式和电动泵控制式）1。对于前者，国内科研
3、机构和一些高校正在这方面做探索性的研究工作，在台架上基本实现了电动转向的助力功能，但在一些关键的技术方面未有突破性进展，如在转向控制方面没有解决转向盘的摆振、转向的快速响应以及回正和阻尼控制等2。尽管它是动力转向器未来的发展趋势，但是没有充分利用现有液压动力转向系统技术，而且会丧失习惯的液力感觉和转向路感。目前，国内还没有具备成熟技术的产品投向市场，还需要大力研究。而电控液压助力转向系统作为中间产品起着承前启后的作用，能提高转向助力系统的工作性能、降低系统的能耗，而且可以提供较大的转向助力，滞后时间短，可吸收来自路面的冲击。在充分利用现有的，成熟的液压动力转向和控制技术的基础上，开发电动液压助
4、力转向系统具有较好的市场前景。1 EHPS 系统结构与功能 采用电动泵式的 EHPS 系统一般由电气装置和机械装置两部分组成，如图 1 所示。电气部分由车速传感器、转角传感器和电子控制单元 ECU 组成；机械装置包括齿轮齿条转向器（包括转子阀和助力缸）、控制阀及管路、电动泵。而比较先进电动泵把齿轮泵（或叶片泵）、ECU、低惯量、高功率的直流电机和油罐集成在一起，构成集成的电动泵，使得整个总成结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强。1.转角传感器 2.动力转向传动装置 3.储液罐 4.限压阀 图 1 EHPS 系统结构简图 Fig.1 EHPS system structure sketc
5、h EHPS 的工作原理如图 2 所示。汽车直线行驶时，方向盘不转动，泵以很低的速度运转，大部分工作油经过转向阀流回油罐，少部分经液控阀直接流回油罐；当驾驶员开始转动方向盘时，电子控制单元根据检测到的转角、车速以及电动机的反馈信号等，判断汽车的转向状态，向驱动单元发出控制指令，使电动机产生相应的转速以驱动泵，进而输出相应收稿日期：2005-11-27 基金项目：江苏省六大人才高峰项目（E-2002-012）作者简介：耿国庆（1979-），男，江苏扬中人，助教，在职硕士研究生，（E-mail）。2006 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期-208-1 2 7 6 5 4 3 流量和压力的
6、高压油（瞬时流量从 ECU 中储存的流量通用特性场中读取，如图 3 所示）。压力油经转阀进入齿条上的液压缸，推动活塞以产生适当的助力，协助驾驶员进行转向操纵，从而获得理想的转向效果。因为助力特性曲线可以通过软件来调节，所以该系统可以适合多种车型。在电子控制单元中，还有安全保护措施和故障诊断功能。当电动机电流过大或温度过高时，系统将会限制或者切断电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障(如蓄电池电压过低、转角传感器失效等)时，系统仍然可以依靠机械转向系统进行转向操纵，同时显示并存储其故障代码3。1.动力缸 2.转阀 3.ECU 4.电机 5.液压泵 6.液控阀 7.限压阀 图 2 EHPS
7、系统的原理图 Fig.2 EHPS system principle figure 图 3 体积流量的通用特性场 Fig.3 Cubage flux current characteristic field EHPS 系统有如下特点：一是节能，高速时最多能节约 85%的能源（相对于传统的由发动机驱动泵的系统），实际行驶过程中能节约燃油 0.2L/100km；二是结构紧凑，主要部件(电动机、油泵和电子控制单元)均可以组合在一起，具有良好的模块化设计，所以整体外形尺寸比传统液压助力转向系统要小，质量要轻，这就为整车布置带来了方便；三是根据车型的不同和转向工况的不同，提供不同的助力，有舒适的转向路感
8、。2 EHPS 系统的设计方法 在研究电动液压助力转向系统功能的基础上，对该系统的设计方法做了探讨。汽车的最大转向力矩发生在汽车原地转向时，助力转向必须满足此时转向轻便性的要求。汽车原地转向阻力矩wT4（Nm）为 PGT31w3=(1)式中 1G前轴载荷（N）；轮胎和路面的摩擦因数，一般取=0.7；P轮胎气压(MPa)。此公式是经验公式。为安全起见，取安全系数为 1.52。此时，转向盘所需转矩hT（Nm）为 +=0whiTT (2)式中 0i转向系角传动比，一般情况下，轻型车0i为 1523；+转向系正效率，对齿轮齿条式转向器，一般为 70%85%。根据推荐值，转向盘操纵力不应大于 3050N
9、,在 10N 以下则转向很轻便4。因此，驾驶员作用在转向盘上的转矩0hT（Nm）为 2h0h0hDFT=(3)式中 0hF作用在转向盘上的力（N）；hD转向盘直径（m）。所以，最大助力转矩maxaT（Nm）为 0hhmaxaTTT=0h0wTiT+(4)由此可以得到齿条上的最大作用力F（N）为=FmaxaT/gr (5)式中 gr小齿轮半径（m）。根据液压泵的压力标准系列，初步选定需要的最高工作压力maxP（MPa），并计算出助力缸活塞实际作用面积为 S=max/PF (6)(422dDS=(7)转向角速度 体 积 流 量 行驶速度 2006 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期-209
10、-式中 D助力缸的内径(mm)；d活塞杆的直径(mm)。由式(7)得到助力缸内径和活塞杆直径的初步值。根据现有的助力缸内径和活塞杆直径常用系列值来，进一步确定合适内径和直径。在确定了转向器的相关参数后，下面根据这些参数设计出符合要求的电动泵的相关参数。对于油泵，一般要求当油泵输出最大流量时，要能够满足求方向盘转速不低于 1r/s，轿车最大取1.5r/s。近年来，国内普遍采用 1.25r/s 计算。则活塞速度为 2/25.121dv=(8)式中 1d小齿轮直径（mm）。转向器所需的流量一般由动力缸活塞的有效作用面积和最大转向速度决定。它可以近似为动力缸容积随时间变化的函数加上传动装置及转向器内的
11、泄流量2Q(泄流量一般取 0.9L/min)。理论流量等于活塞速度乘以有效作用面积，即0Q=v60S610 (9)则泵实际需要提供的最大流量1Q(L/min)为4 1Q=（1.52）0Q+2Q (10)然后，对泵的结构、泵腔的尺寸进行优化设计，使之符合常用的排量系列中的值。在此基础上，确定泵的最高转速maxn（r/min），则泵的最高转速可由最大流量和排量得出 qQn/1max=(11)通过对以上参数的计算，可以得到所需要的液 压功率yP（W）为 max1yPQP=(12)泵的输入扭矩iT（Nm）为 mmaxi2=qPT (13)式中 m泵与电机之间的机械效率，一般取（0.91）5 因为电动机
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