石振，張瑞垚，王冰，吳晗，邵震，周淑文

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

節(jié)能式電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

石振，張瑞垚，王冰，吳晗，邵震，周淑文

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

本文針對(duì)商用車及大型客車的傳統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向助力存在能耗大、路感差等缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套使用高壓蓄能器進(jìn)行能量?jī)?chǔ)蓄，使用電磁離合器進(jìn)行液壓泵通斷的控制，可有效降低傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗與液壓油的資源浪費(fèi)，有效提高系統(tǒng)的可靠性。本文對(duì)大型卡車的 EHPS 系統(tǒng)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、分析，為產(chǎn)品的推廣使用提供理論依據(jù)。本文通過靜態(tài)性能的計(jì)算確定液壓泵的額定功率、蓄能器的額定壓強(qiáng)、電磁離合器的額定轉(zhuǎn)矩。本文選用活塞式蓄能器、聯(lián)軸型摩擦式電磁離合器、X型中位機(jī)能三位四通換向閥等關(guān)鍵部件，并根據(jù)系統(tǒng)性能要求確定其參數(shù)。建立了系統(tǒng)耗能高低與液壓系統(tǒng)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

大型卡車；蓄能器；電磁閥；電磁離合器；電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1 概述

1.1 課題背景與意義

車輛作為最常見的交通工具，對(duì)節(jié)能的要求日益增加，作為車輛重要組成部分，車輛轉(zhuǎn)向助力裝置必然會(huì)向更輕便、更節(jié)能、更安全的方向發(fā)展。

然而，現(xiàn)在的車輛大部分都是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，尚未出現(xiàn)更好的解決車輛轉(zhuǎn)向問題的技術(shù)。該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)相對(duì)空白，而就國(guó)外而言，雖然已經(jīng)有產(chǎn)品的推出，但技術(shù)并不成熟，其產(chǎn)品并未形成一定的市場(chǎng)規(guī)模。

本系統(tǒng)采用最新的節(jié)能型電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，能充分節(jié)約車輛在轉(zhuǎn)向過程消耗的能源，而不妨害其正常功能的完成。節(jié)能型電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在可預(yù)見的將來,將會(huì)在車輛如大重型卡車中有廣泛的應(yīng)用。

1.2 各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

（1） 傳 統(tǒng) 的 液 壓 助 力 轉(zhuǎn) 向（HPS,Hydraulic Power Steering）系統(tǒng)。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵工作,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，增加油泵的壓力和流量。它利用轉(zhuǎn)向時(shí)兩缸的壓力差實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向，但隨著車速的升高，壓力差也會(huì)更高的。而液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為解決該問題，使用控制閥控制進(jìn)入油缸的流速,使流速不隨泵的轉(zhuǎn)速改變而改變,解決發(fā)飄的部分問題。

但其還存在以下問題：①?zèng)]有真正實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié),路感、操作舒適性均較差。②在汽車行駛的整個(gè)過程中，油泵一直在工作，在大多數(shù)不需要助力的情況下多余的壓力油全部流回油箱，造成了不必要的能量的浪費(fèi)。

（2） 電 動(dòng) 助 力 轉(zhuǎn) 向 (EPS,Electronic Power Steering )系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由一臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)給液壓泵提供動(dòng)力,用扭矩傳感器測(cè)出施加在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩,根據(jù)特定的行駛狀態(tài)向電機(jī)輸入一適當(dāng)?shù)碾娏鳟a(chǎn)生符合工況需要的力。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力時(shí)雖然節(jié)省了許多能量，但仍有不足之處：①有刷直流電機(jī)命較短；需要經(jīng)常更換電機(jī)。②使用范圍較窄，只適用于小型轎車。③電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然提高了路感，操作的舒適性也有了較大的改善，但是轉(zhuǎn)向系的剛度卻被大大削弱，降低了轉(zhuǎn)向時(shí)的可靠性，造成危險(xiǎn)。④裝置存在眾多不確定因素。

（3）電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向時(shí)，EHPS系統(tǒng)的電控單元根據(jù)車速、方向盤的轉(zhuǎn)速等信號(hào)，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使助力油缸內(nèi)的壓力發(fā)生改變，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向助力大小的目的。

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比存在很多優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)不再以發(fā)動(dòng)機(jī)作為液壓泵的動(dòng)力源，而是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵進(jìn)行工作。這就是該系統(tǒng)存在以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①由于液壓油的流量可控，使得轉(zhuǎn)向力能被人為控制，轉(zhuǎn)向輕便性增加。②在不轉(zhuǎn)向時(shí)液壓油的流量幾乎為零，節(jié)省了許多能量。③在汽車高速行駛時(shí)，減少液壓油的流量，不僅節(jié)省了能量，還解決了高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定性的問題，進(jìn)而提高了駕駛的舒適性。

所存在的問題是：①電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制是由蓄電池完成的，而蓄電池本身的特性決定了續(xù)航里程較短，而且電動(dòng)機(jī)的壽命相對(duì)較短。②在汽車運(yùn)行過程中，電動(dòng)系統(tǒng)所需液壓泵始終在工作，造成能量的浪費(fèi)。③盡管節(jié)省了能耗，但是液壓油依舊在行駛中不斷循環(huán)，且循環(huán)次數(shù)大大增加，需要經(jīng)常更換液壓油，進(jìn)而造成能源的浪費(fèi)。④系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

2 裝置原理與創(chuàng)新

2.1 節(jié)能型電控液壓助力轉(zhuǎn)向裝置原理

本裝置采用電控液壓助力轉(zhuǎn)向高效節(jié)能系統(tǒng)（圖1），由電磁離合器 4、扭矩傳感器 14、微控制器16、輪速傳感器 17、壓力傳感器 19、活塞式蓄能器18、轉(zhuǎn)向控制閥等組成。

（1）汽車直線行駛時(shí)，二位二通換向閥 20、三位四通換向閥 10處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī) 1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向液壓泵6旋轉(zhuǎn)，輸入的壓力油全部存入活塞式蓄能器 18，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，溢流閥 9 打開，轉(zhuǎn)向液壓泵6卸荷，同時(shí)電磁離合器4斷開，從而避免了油泵空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量損失與浪費(fèi)。

（2）當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，①車速較低時(shí)，電磁離合器4接合，轉(zhuǎn)向液壓泵6工作，二位二通換向閥 20、三位四通換向閥 10 接通，油液通過換向閥進(jìn)入轉(zhuǎn)向控制缸 11，同時(shí)活塞式蓄能器 18 釋放一部分壓力油，使得轉(zhuǎn)向時(shí)兩缸壓力差基本恒定。②隨著車速不斷升高，助力需求也逐漸降低，但轉(zhuǎn)向液壓泵6通過與發(fā)動(dòng)機(jī)1相連，轉(zhuǎn)速加快，造成了能量浪費(fèi)，活塞式蓄能器18的使用，可以將此時(shí)的壓力油存入備用。當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，通過微控制器16的控制信號(hào)，操作電磁離合器 4使得轉(zhuǎn)向液壓泵6和發(fā)動(dòng)機(jī)1脫離連接，從而避免了能量浪費(fèi)。

（3）在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止或者怠速狀態(tài)時(shí)，事先儲(chǔ)存在活塞式蓄能器18的壓力油仍然可以為轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力。綜上，該裝置改變了單純依靠加大油泵流量來滿足轉(zhuǎn)向器需求的方式，解決了低速轉(zhuǎn)向沉重，高速轉(zhuǎn)向發(fā)飄的問題，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的助力轉(zhuǎn)向功能（圖1）。

2.2 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

（1）節(jié)能：①蓄能器：本裝置通過蓄能器可以在不需要助力的情況下將浪費(fèi)的能量收集起來，等到需要使用的時(shí)候再釋放出來。②電磁離合器：本裝置增加了電磁離合器，控制液壓泵的通斷，從而只需要在需要助力時(shí)供能源，并且減小液壓油的循環(huán)次數(shù)，經(jīng)計(jì)算該裝置可以節(jié)約2%能源。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、制造成本低：本裝置主要結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)向回路，而ECU 控制單元僅由單片機(jī)構(gòu)成，占據(jù)空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分部件均可采用市售標(biāo)準(zhǔn)件，制造成本低，通用性強(qiáng)。

（3）穩(wěn)定且高效靈敏：通過節(jié)流閥與轉(zhuǎn)向閥的配合使得液壓缸兩腔轉(zhuǎn)向壓力維持基本恒定，使得低速轉(zhuǎn)向高效，高速轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。可根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供不同的轉(zhuǎn)向力。

3 節(jié)能型電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配計(jì)算

圖1 工作原理

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，汽車在半徑為 12m 的彎道以10km/h 車速轉(zhuǎn)彎時(shí)，當(dāng)沒有助力系統(tǒng)時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于 245N，當(dāng)有助力系統(tǒng)單系統(tǒng)失效時(shí)其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于 588N。所以靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向無助力時(shí)方向盤手里是否滿足要求，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否合理的重要指標(biāo)之一，計(jì)算過程如下。

3.1 靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩

汽車所受的最大轉(zhuǎn)向阻力矩為汽車的滿載時(shí)的原地轉(zhuǎn)向阻力矩（混凝土或者瀝青路面）。由半經(jīng)驗(yàn)公式：

由于根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩比實(shí)際的要小，所以實(shí)際的靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩要乘以 1.5～2 的安全系數(shù)，為安全起見取安全系數(shù)為 1.8，則：

3.2 靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向無助力時(shí)方向盤手力的計(jì)算

根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)可得靜態(tài)原地轉(zhuǎn)向阻力矩通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作用在方向盤上，最后作用在駕駛員的手上，可以通過分級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行計(jì)算：

分別將上公式逐步迭代計(jì)算可得轉(zhuǎn)向器的上述參數(shù)。

3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選型計(jì)算

3.3.1 轉(zhuǎn)向器額定輸出力的計(jì)算

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的主要參數(shù)（如齒條行程、線角傳動(dòng)比）已知；油缸的工作壓力與車的型號(hào)有關(guān)，可根據(jù)卡車的型號(hào)確定額定工作壓力P的大??；額定輸出力計(jì)算方法：

3.3.2 其他參數(shù)

（1）動(dòng)力缸的形狀設(shè)計(jì)

動(dòng)力缸的形狀尺寸的計(jì)算如下：

式中：S——工作面積； D——內(nèi)徑，mm； D——活塞桿直徑，mm；B——活塞厚，mm；——?jiǎng)恿Ω组L(zhǎng)度。

動(dòng)力缸內(nèi)部的長(zhǎng)度，必須大于活塞的運(yùn)動(dòng)行程，即活塞到極限位置時(shí)，還應(yīng)與缸蓋之間有大約 10mm 左右的間隙。另外很出極限位置時(shí)，活塞與缸蓋之間還應(yīng)留有一段長(zhǎng)度 ，其作用在于改善桿的導(dǎo)向，一半為 ，這里取=0.6D。

（2）動(dòng)力缸流量的計(jì)算公式

式中：v——活塞速度 ； A——活塞面積。

式中：Q2——內(nèi)泄漏量 ；η2——內(nèi)泄漏量所占試驗(yàn)流量的比例。

3.4 液壓泵的基本參數(shù)計(jì)算

液壓泵的基本參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、排量、實(shí)際流量，最大工作壓力，因液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連所以液壓泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速有卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)決定。液壓泵的實(shí)際流量必須滿足下式：

這里取Q0——理論流量

式中，Q01——油泵最小流量；q0——油泵排量；n0——發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速。

4 部件選型計(jì)算與分析

4.1 換向閥的選型

在本裝置中，考慮到汽車在實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)不需要進(jìn)行卸荷，但要盡量減小液壓沖擊，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，避免不必要的浪費(fèi)，所以選擇X型中位機(jī)能三位四通換向閥。

4.2 液壓蓄能器的選型

活塞式蓄能器能夠克服瞬間失效，使用壽命長(zhǎng)，安全性高，且在大功率液壓系統(tǒng)、壓力較大的情況下也能夠正常運(yùn)行。因此，汽車的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)宜裝活塞式蓄能器。

4.3 電磁離合器的選型

從傳遞力矩的方式來看，要求電磁離合器可以在高速旋轉(zhuǎn)中吸合或分離，又因?yàn)殡姶烹x合器與電機(jī)及液壓泵均是通過皮帶輪連接的，因此本裝置選用聯(lián)軸型摩擦式電磁離合器。

摩擦式電磁離合器扭矩的計(jì)算：

由上述分析可得發(fā)動(dòng)機(jī)功率 P，轉(zhuǎn)速 n發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)可以確定，因此有：

所以，可依據(jù)上式算出的扭矩選擇電磁離合器的型號(hào)。

5 裝置評(píng)價(jià)模型建立

5.1 液壓系統(tǒng)能量消耗的數(shù)學(xué)模型的建立

5.1.1 模型假設(shè)

本裝置中由于驅(qū)動(dòng)液壓泵工作的動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，所以最終液壓系統(tǒng)耗能的大小的計(jì)算應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作所消耗的能量，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作除了驅(qū)動(dòng)液壓泵工作外，絕大部分用于驅(qū)動(dòng)行駛系統(tǒng)的工作，所以要單獨(dú)計(jì)算驅(qū)動(dòng)液壓泵工作所消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)的能量比較困難，此處進(jìn)行轉(zhuǎn)換，假設(shè)用電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作的效果與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的效果相同，所以發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的能量即為等效替代的電動(dòng)機(jī)消耗的能量。

5.1.2 模型求解

電機(jī)的輸入電壓

式中，E——供電電壓；EM——輸入電壓；I——電流； RC——供電電壓到電機(jī)之間的電阻；T——輸出扭矩； K2——轉(zhuǎn)矩系數(shù)； N——轉(zhuǎn)速；RM——電 樞電阻； K1——轉(zhuǎn) 速系數(shù)； L——繞 組電感； JM——慣性系數(shù)；TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；P——輸出功率。

因此可以通過上述建立的模型進(jìn)行液壓系統(tǒng)能量消耗的計(jì)算。

5.2 液壓系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

5.2.1 模型假設(shè)

（1）本裝置的液壓系統(tǒng)的研究目的與意義非常明確，就是提高能源的利用效率，節(jié)約資源，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，雖然提高轉(zhuǎn)向操作的穩(wěn)定性與舒適性也是本裝置的目的，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算的需要，本文中只考慮該系統(tǒng)的能源節(jié)約比。

（2）本裝置由于在設(shè)計(jì)中是通過控制液壓泵工作的時(shí)間（蓄能器的壓力值低于限定值時(shí)，液壓泵才工作，而蓄能器的壓力值高于限定值時(shí)，液壓泵停止工作，由蓄能器供能）來達(dá)到節(jié)能的目的，在本裝置中由于離合器采用了電磁離合器，所以其消耗的能量可以忽略不計(jì)。所以可以通過工作周期進(jìn)行能源節(jié)約率的計(jì)算。

5.2.2 模型建立

在汽車行駛過程中一般在中高速狀態(tài)下行駛，而汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)恰好在中高速行駛狀態(tài)下所需的助力較小，所以其所需要的能源基本可以認(rèn)為是從蓄能器中得到的。但當(dāng)汽車在低速狀態(tài)下行駛時(shí)，所需要的助力較大，這時(shí)離合器接合，液壓泵應(yīng)該正常工作，一方面提供助力轉(zhuǎn)向所需要的能量，另一方面，給蓄能器供能，使其蓄能。

但在普通的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓泵一直處在工作狀態(tài)，即始終在消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量。我們?cè)O(shè)普通液壓助力轉(zhuǎn)向汽車的液壓泵在一定路段下的工作時(shí)間為T，根據(jù)前邊的假設(shè)和敘述（汽車在大部分條件下處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）知道，節(jié)能型EHPS 裝置的液壓泵通過相同的路段，其液壓泵工作時(shí)間約為 1/5T，所以基本確立它的節(jié)能效率為80% 左右。

5.2.3 模型檢驗(yàn)

由于本裝置屬于全新的正在研究的裝置，所以無法通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)上述模型中建立的節(jié)能效率與其真實(shí)的節(jié)能效率是否相符合，所以本部分以與其理論效果相同的裝置（正如我們?cè)谀Ｐ鸵恢幸噪妱?dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，本部分也以電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)代替節(jié)能型 EHPS 系統(tǒng)的節(jié)能效率）的性能來近似檢驗(yàn)。

[1]王軍，陳勇，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理的試驗(yàn)研究 [J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010,(15):146～148.

[2]許陽(yáng)坡 . 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向（EHPS）系統(tǒng)控制算法研究及實(shí)現(xiàn) [D]. 天津大學(xué)，2006.

[3]朱海 . 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向匹配分析及性能評(píng)價(jià)研究 [D]. 吉林大學(xué)，2004.

[4]王杰 . 電控液壓助力轉(zhuǎn)向器（EHPS）的助力特性研究 [D]. 重慶理工大學(xué)，2014.

[5]劉宇辰，東永啟，辛梓旗，成瑤，周淑文 . 機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向節(jié)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 [J]. 中國(guó)機(jī)械，2015,0(20):191～193.

[6]江 浩 斌， 龔 曉 慶， 等 . 旁 通 流 量 式 ECHPS 系 統(tǒng) 功 率 流模 型 與 節(jié) 能 特 性 [J]. 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)（ 自 然 科 學(xué) 版 ），2016,37(4):373～380+393.

[7]宋健，呂連杰，等 . 商用車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理樣機(jī)搭建及臺(tái)架試驗(yàn) [D]. 清華大學(xué)，2014.

[8]宋健，呂連杰，等 . 蓄能式商用車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 )，2014,(9):1209～1214.

[9]鄭生文 .某車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配計(jì)算 [J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2015,(2):79～83.

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