（载运工具运用工程专业论文）液压助力转向系统能耗分析.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 年月日 指导教师签名： 2 , , o t l 年 液压助力转向系统能耗分析 a n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o n f o rh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m 姓名冯泣 2 0 11 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 目前在国际能源、环境问题的影响之下，各种燃油消耗、尾气排 放法规也已实施，因此必须降低车辆的燃油消耗量、减少尾气排放。 影响车辆油耗、尾气排放的因素，不仅仅包括发动机本身。在以往的 研究工作中，研究人员关注的主要是如何提高发动机和传动系统的效 率，而对辅助配件则较少关注。 目前为了驾驶者的操控性和舒适性，几乎所有车辆都已经装备了 助力转向系统，而液压助力转向系统占据了大片市场。然而液压助力 转向系统的能源消耗问题一直以来都倍受关注，因此很有必要对该系 统的能源消耗进行深入的分析研究。 在分析研究液压助力转向系统工作原理及设计的基础上，通过建 立系统的键合图模型，分析系统能量消耗的方向。运用a m e s i m 对液压 助力转向系统进行仿真分析，求出仿真结果。 进行汽车液压助力转向系统实验，获得不同转向工况下的转阀进 口压强，液压缸左、右腔压强，系统回油压强、流量等参数，进而对 比研究系统特性。分析转向泵的无用功，以及液压油流经回油管路、 转阀及液压缸整体的压力损失。概括归纳出原地转向、市区转弯行驶、 巡航行驶、以及怠速( 无转向动作时) 四种典型工况，并计算出典型工 况下液压助力转向系统消耗的功率。计算汽车高速行驶、不进行转向 时，整个液压助力转向系统的能量消耗。 根据实验研究结果，提出减少系统的流量、工作压强的方向，以恒 速驱动转向泵运行的方法，为进一步研究降低液压助力转向系统的能 耗提供理论依据。 关键词：液压助力转向系统，转向工况，能量消耗，a m e s i m ，压力损失 液压助力转向系统能耗分析 a b s t r a c t u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ei n t e r n a t i o n a l e n e r g y 踟1 de n v 油m n e n t a l p r o b l 锄s av a r i e t yo ff u e l c o n s u m p t i o n , e x h a u s te m i s s i o n sr e 刚a t i o 璐 n a v eb e e n i m p l e m e n t e d s oi ti sn e c e s s a r yt od e c r e a s et h ef u e lc o l l s 姗p t i o n a 1 1 de x h a u s te m i s s i o n s t h e r ea r e al o to ff a c t o r sa f f e c t i n gv e t l i c l e f u e l c 8 啪p t l a n de x h a u s te m i s s i o n s ，n o tj u s tt h e e n g i n ei t s e l f i nt h e p r e v l o u ss 叫1 e 8 ，r e s e a r c h e r sa r em a i n l yc o n c e m e da b o u th o w t oi m p m r e t h ee m c i e n c yo ft h ee n g i n ea n d t r a n s m i s s i o n ，w h i l et h e yp a y1 e s s 舭n t i o n t ot h ea u x i l i a r y t 钟d n v e r - sc o n t r o la n dc o m f o r t ，a l m o s ta l lv e h i c l e sh a v e a h e a d yb e e n e q u l p p e dw i t hp o w e r s t e e r i n gs y s t e mn o w ,a n dt h eh y 蛔l i cp o w e r s t e e m 玛s y s t e ma c c o u n t e df o ra l a r g em a r k e t h o w e v e r , 也ee n e r j w c o n s u m p t l o no fh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a s 碱r a c ：t e d g r e a t 舭n t i o n s oi ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z et h es y s t e m se n e r ；yc o n s u m p t i o n i n - d e p t h b a s e d0 nt h er e s e a r c ho fw o r k i n g p r i n c i p l ea n dd e s i g no fh y d r 砌i c p o 、懒s t e e r i n gs y s t e m ，w eb u i l dt h eb o n dg r a p ho ft h e h y d l a u l i cp o w e r s t e e r n l gs y s t e r nt oa n a l y z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n sd n c t i o n 1 1 h e nw e u s ea s i i i lt os i m u l a t ea n da n a l y z e o ft h eh y d r a u l i c p o w e rs t e e 血g s y s t e m ，s ow eg e ts i m u l a t i o nr e s l l l t s 。 w ed ot h eh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m se x p e r i m e 幽，m e a s u r et h e v a 【l v e i n l e tp r e s s a r e ，t h el e f ta n d r i g h tc h a m b e rp r e s s u r eo fc y l i l l d e r ，廿1 e 锄o u 】吐 a n dp r e s s u r eo f s y s t e m sr e t u mo i lu n d e rv a r i o u ss t e e r i n gc o r l d i t i o n s ，a i l d t n e nc o m p a r et h e mt ok n o wt h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s w ea n a l y z ew a s t e d e f l b r to f s t e e r i n gp u m p , a n dt h ep r e s s u r el o s so fo i lr u n n i n g u g h 肋】功 p l p e ，t h ev a l v ea n dh y d r a u l i cc y l i n d e r w es u mu pt h e m o s tf r e q u e n t 唯删h a gc o n d i t i o n s ：p a r k i n g c o n d i t i o n s ，u r b a nd r i v i n ga r o u n dc o m e r s c n n s l n g ，a n di d l i n g ( n os t e e r i n gc o n d i t i o n s ) f o u rt y p i c a l c o n d i t i o n s 缸d m 液压助力转向系统能耗分析 c a l c u l a t et h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mu n d e r t y p i c a lc o n d i t i o n s ，t h e nw o r ko u tt h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m sp o w e r c o n s u m p t i o no ft h e c a rw h i c hi sd r i v i n ga th i g hs p e e d ，a n dn os t e e r i n g a c t i o n b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ep r o p o s et h ew a y so fr e d u c i n g t h es y s t e mf l o wr a t ea n d w o r k i n gp r e s s u r e ，d r i v i n gt h es t e e r i n gp u m p a tt h e c o n s t a n ts p e e d ，i no r d e rt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i st or e s e a r c hr e d u c i n g t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m f u r t h e r k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，s t e e r i n gs i t u a t i o n , p o w e r c o n s u m p t i o n ，a m e s i m ，p r e s s u r ed r o p 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 转向系统功用l 1 2当今助力转向系统发展的需求2 1 2 1 转向系统的安全性2 1 2 2 转向系统的可靠性2 1 2 3 转向感- 3 1 2 4 转向能量3 1 2 5能源效率4 1 2 6 与车辆稳定控制相互作用4 1 2 7 装备空间4 1 3 转向系统研究现状4 1 4 论文的研究内容及研究意义6 1 4 1论文研究内容的选择。6 1 4 2 论文研究的主要内容6 1 4 3 论文研究的意义7 第二章液压助力转向系统工作原理及设计 2 2 2 3 2 4 第三章 8 概j 盎8 2 1 1 转向泵9 2 1 2 液压管路。1 0 2 1 3 转阀1 0 2 1 4 液压缸l o 2 1 5 转向器。1 1 液压助力转向系统的工作原理1 1 2 2 1 转向对汽车操纵性能的影响1 1 2 2 2 液压助力转向系统的静态特性一1 2 液压助力转向系统中液压元件设计。1 3 2 3 1转阀的特性1 4 2 3 - 2 系统液压元件的设计1 7 本章小结。1 8 液压助力转向系统的键合图1 9 3 1 键合图理论简介1 9 v 液压助力转向系统能耗分析 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 第六章 6 1 6 2 v i 转向泵的键合图2 0 3 2 1 转向泵的工作准则2 0 3 2 2 转向泵的建模。2 1 转阀的键合图2 2 液压管路的键合图2 3 液压缸的键合图2 5 液压助力转向系统的键合图2 6 本章小结一2 7 基于a m e s i m 液压助力转向系统仿真2 8 a m e s i m 软件简介2 8 基于a m e s i m 液压助力转向系统建模2 8 4 2 1 液压助力转向系统的建模一3 0 4 2 2 液压助力转向系统中关键元件模型3 1 a m e s i m 仿真结果分析3 3 本章小结3 5 整车转向实验3 6 实验方案3 6 5 1 1 硬件部分3 7 5 1 2软件部分3 8 5 1 3 信号的采集3 8 实验过程3 9 5 2 1汽车的参数3 9 5 2 2 转向实验的确定。4 0 5 2 3转向实验4 0 液压助力转向系统的无用功5 2 本章小结5 4 液压助力转向系统的能量消耗及改进5 5 典型工况下转向泵消耗的功率。5 5 6 1 1 原地转向。5 5 6 1 2 市区转弯行驶5 6 6 1 3 巡航行驶5 7 6 1 4 怠速5 9 6 1 5四种典型工况下转向泵消耗的功率。5 9 液压助力转向系统的能量消耗6 0 江苏大学硕士学位论文 6 3 6 4 第七章 减少液压助力转向系统能量消耗的方法6 1 本章小结6 2 总结与展望 7 1总结6 4 7 2展望。6 5 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文。 6 6 7 0 7 1 v r 1 1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 在国际能源、环境问题的影响之下，各种燃油消耗、尾气排放法规也已实施， 因此必须降低车辆的燃油消耗量、减少尾气排放。影响车辆油耗、尾气排放的因 素，不仅仅包括发动机本身。伴随着汽车行业百年的发展，汽车配件的综合复杂 程度日益增加，它们也影响着汽车的燃油消耗量、尾气排放。图1 1 表示汽车发 动机的功耗去向【1 】【2 】。减少燃油消耗、提高燃油使用效率的首要方法是提高动力传 动系效率和对损耗的能源再利用【3 】。第二种是从空气动力学、滚动阻力、汽车加速、 爬坡阻力以及各种配件的功率来考虑，减少汽车的负载。 i 魄气配件i k r f r 一 - i；i 图1 - 1 发动机功率消耗示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f t h ee n g i n ep o w e rc o n s u m p t i o n 1 1 转向系统功用 汽车行驶拥有6 个自由度【4 】，驾驶员不能够直接控制汽车垂直方向的运动。该 运动由路面输入和汽车水平方位的状态控制。驾驶员主要依靠三个系统操控汽车， 它们分别是动力系统、制动系统和转向系统。 驾驶员仅能够直接控制汽车两个水平方向的运动：1 由动力系统、制动系统 控制汽车纵向运动；2 通过转向系统控制汽车侧向运动。 下文只集中考虑汽车转向系统。驾驶员操控方向盘来控制汽车直线行驶或转 弯。通过转向横拉杆，驾驶员通过转向系统把作用在方向盘上力矩传递给车轮。 液压助力转向系统能耗分析 汽车行驶时，路面、侧向风等对汽车的影响也需通过转向系统反馈传递给驾 驶员，这样驾驶员才能够做出正确的操作。因此，转向系统是汽车最重要的系统 之一。汽车转向系统的作用是保证汽车能按照驾驶员的意志而进行转向行驶。 汽车转向系可以按能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统【5 1 。 机械转向系统就是以驾驶员的体力作为转向能源，系统中所有传力件都是机 械的。转向系统是汽车底盘中的关键系统，转向系统的优劣直接影响驾驶员的操 纵舒适性和行驶安全性。随着社会的发展，纯机械转向系统已经难以满足人们的 驾乘要求。相对而言，机械转向系统用得越来越少，将会被动力转向系统所取代。 动力转向系统兼用驾驶员体力和其他伺服系统力来作为能源。动力转向系统 有两种情况，一种是全动力转向系统；另一种则是助力转向系统。全动力转向系 统由专用机构提供转向动力，但是g b l 7 6 7 5 1 9 9 9 汽车转向系统基本要求规定 “不得装用全动力转向统，“转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失 效后，转向系统仍必须有控制汽车行驶的能力 。因此，我国汽车上都采用助力转 向系统。 助力转向系统能够使驾驶者更舒适地以更小的体力进行汽车转向。在诸如日 本等国家，绝大多数的汽车都已装备上助力转向系统，动力转向系统应满足以下 基本要求【6 】： 1 运动学上应使转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角之间保持一定的比例 关系； 2 在降低转向时所用手力的同时，还应有合适的“路感； 3 工作安全、可靠； 4 工作时尽可能减少噪声和震动； 5 工作灵敏，响应准确、及时。 1 2 当今助力转向系统发展的需求 1 2 1 转向系统的安全性 安全是车辆的最基本要求，转向系统则是安全的焦点。存在两种基本的失误 模式：转向障碍、转向失效。不管是哪一种助力转向系统，都必须避免出现这些 问题。 1 2 2 转向系统的可靠性 2 江苏大学硕士学位论文 对驾驶者来说，转向系统使用的可靠性十分重要。转向系统发生问题会影响 到车辆正常运行，引起驾驶员的不满。 因此，转向系统必须呈现出更高层次的可靠性。 1 2 3 转向感 转向系统是车辆为驾驶员提供行驶反馈信息的重要元件【刀。生产厂商们往往把 这种转向操纵感作为产品的特征。优良转向感的需求是：最小的惰性，摩擦力和 冲击。设计助力转向系统的最基本挑战是：系统的一端能够传递很大的力( 例如 转向横拉杆最大需承载1 4 k n 的力) ，同时系统的另一端仅能够有微小的感觉( 例如 方向盘上的1 n m + - 0 1 n m ) 。 转向感是一个涉及较多领域的话题。可以用量来定义它，但是很难预测最佳 的转向感。因为每位驾驶员定义最佳转向感时，可能都会根据自身关于转向感的 各种期望，具有太大的主观性。通过大量实验获得系统特性的基准点，并用此来 对比不同结构的车辆，以此作为参照进行修正。 方向盘转角和转向力矩之间的关系是衡量转向感觉的因素之一。新型系统必 须在当今系统的曲线范围之内，以获得相同或者更好的性能。 1 2 4 转向能量 转动车轮需要一定的机械能量。因此，驾驶员常常希望获得一些助力矩来减 少驾驶车辆所需的体力。 由于汽车重量、行驶速度和转向状况的不同，转向所需的能量变化范围很大。 表1 1 对比了两种类型车辆的转向能量需求。 表1 1 不同车辆转向能量对比 t a b 1 1t h es t e e r i n gp o w e rf o rv a r i o u sv e h i c l e s 3 液压助力转向系统能耗分析 1 2 5 能源效率 减少燃油消耗是驱动汽车发展的一个主导因素。助力转向系统也消耗了汽车 部分能源。 假设助力转向系统与发动机之间能源转换总效率为5 0 ，助力转向系统则需要 发动机提供大概为1 5 k w 的功率。对于发动机功率为1 0 0 - - 一2 0 0 k w 的汽车来说，它 大概占到发动机能量的0 7 5 - 1 5 。汽车行驶过程中，汽车转向的需求仅占总行 驶时间的一小部分，因此并不需要一直提供这部分能量。然而，如果助力转向系 统并非基于“按需运行 设计的话，那么该助力转向系统浪费的能量十分显著。 根据研究求得，车辆液压助力转向系统平均消耗功率为4 0 0 w ，这将需要消耗燃油 0 4 1 1 0 0 k m 。 因此，必须尽量减小无转向动作需求时的转向系统损耗。 1 2 6 与车辆稳定控制相互作用 传统的车辆稳定控制算法一般使用制动系统作为执行器来提高车辆的稳定 性。制动器为车辆的动态特性提供一个相对较丰h 糙的输入。目前，转向系统也已 整合到汽车稳定控制系统中嗍。这使得稳定干预更灵活，同时缩短了制动距离。尤 其在复杂路面状况下、两侧车轮路面摩擦系数差别较大时，例如一边在冰面上， 另一边在沥青路面上，稳定控制程序显得更重要。 当今，需要转向系统与e s p 或者其他的车辆动态控制系统共同工作。 1 2 7 装备空间 汽车进行设计改进时，汽车的可用空间限制了新技术的使用。一般说来，相 比先前的技术，新的系统技术不能够占用更多的空间【9 】。实际上自从汽车开始集成 更多功能时，汽车的可使用空间已经开始在不断缩小。 很明显，体积小的元件更易安装。从经济性来考虑，系统元件应该可以继续 在以后的车辆中使用。因此，非常有必要让系统元件的体积尽可能的小。 1 3 转向系统研究现状 从一般的意义上来讲，汽车助力转向系统可分为四部分：1 转向操纵机构； 2 转向器；3 转向传动机构；4 助力转向机构。为了获得更好的操纵性能，优 化转向系统的能耗，改善系统工作状态，研究人员对转向系统的各个部分从理论 4 江苏大学硕士学位论文 到结构进行了深入的研究。 1 9 9 5 年日本t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司的h i d e y ak a t o 等人研制了一种节能型 的动力转向泵【1 0 1 。主要通过一个减压阀根据泵的出口压力来控制泵的流量控制阀， 从而有效地降低转向泵在非转向工况下的输出转矩，进而达到节能的目的。实验 结果表明，相比传统的转向泵，这种新型转向泵在非转向工况下节能3 0 ，而且 这种泵在传统转向泵的基础上稍加改动便可实现，有很好的工业应用价值。但该 转向泵的流量特性不理想，没有能够解决转向时根据车速情况提供流量的问题。 1 9 9 6 年同本t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司的y o s h i h a r ui n a g u m a 等人研发了中位闭式 电动液压转向系统的节能技术【1 1 1 。在无转向动作时，该系统电机以低压运行，控 制转向泵以低转速转动，达到节能的目的。 1 9 9 9 季学武和清华大学的陈奎元对动力转向系统的发展与节能问题进行了讨 论【1 2 】。通过分析几种典型的动力转向装置的结构型式，着重对比了它们的能耗情 况，由此得出一些结论。1 中位开式助力转向系统有较大的寄生损失；2 中位 闭式动力转向系统无寄生损失，油泵仅在必要时才工作，能耗小；3 电动助力转 向是真正的“按需型 系统，而且既无寄生损失又无泄漏损失，能耗最小；4 从 节能的角度分析，电动助力转向是动力转向系统发展的趋势。 2 0 0 2 年太原理工大学李一染在详细分析传统中位开式液压转向助力系统的基 础上，参考有关的研究和资料，对现有的几种转向助力系统的节能方案作了逐一 的分析，并进行了节能效果的比较。通过分析和比较，指出电动转向助力系统将 是转向助力系统节能的主要发展方向。采用m a t l a b 作为仿真平台，利用其中的 s i m u l i n k 工具箱作为仿真工具，对稀土永磁无刷直流电动机进行了仿真。在此基础 上，建立了电动中位开式和电动中位闭式两种电动液压转向助力系统的仿真模型。 利用仿真模型研究了两种电动液压转向助力系统在工作中的流量特性和响应特 性，并加以比较。根据仿真研究的结果，指出在目前的技术条件下，电动中位开 式液压转向助力系统的综合性能优于电动中位闭式液压转向助力系统，应是传统 中位液压转向助力系统节能的首选方案【1 3 】。 在对转向系统各部分深入研究的同时，研究人员还对系统整体进行了多方面 的探讨。 综上所述，人们对转向系统的研究涉及到了转向系统的方方面面，并在许多 问题上有了较好的解决方案和技术。但是，对于汽车液压助力转向系统能源消耗 5 液压助力转向系统能耗分析 的问题仍然需要进一步深入研究。 1 4 论文的研究内容及研究意义 1 4 1 论文研究内容的选择 从上述中可以看出，近几年转向系统的研究集中在目前主流的三种助力转向 系统能源消耗的对比、电动转向系统的改进和实用化【1 4 1 1 5 】、人车系统的各种分析 和研究等问题上【1 6 】【1 7 1 。电动力转向系统，根据它的结构和工作原理，其应用更多 的是考虑到混合动力汽车的使用，所以对目前普通的汽车转向系统的改进直接作 用不明显；关于人车系统的分析和研究，它是把过去单纯对转向系统的评价变为 对驾驶者和转向系统共同组成的系统进行评价，从而使汽车转向系统的设计和制 造有了一个更接近实际情况的模型。 与这两个问题相比，液压助力转向系统的能量消耗问题具有更加直接现实的 意义。中国汽车工业协会1 月1 0 日发布数据显示，2 0 1 0 年全年全国汽车产销分别 完成1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，同比增长分别为3 2 4 4 和3 2 3 7 。未来的十 几年里，全国将迎来汽车消费的一个高潮。随之而来，能源消耗的增加以及对环 境的影响必然是一个不容忽视的问题。因此，从分析液压助力转向系统能量消耗 的角度入手，对该系统进行研究。 1 4 2 论文研究的主要内容 1 在分析研究液压助力转向系统工作原理及设计的基础上，建立中位开式液 压转向助力系统的键合图，对该系统进行整体能源消耗方向的分析； 2 运用a m e s i m 对液压转向助力系统的压力损失进行仿真分析； 3 进行实车实验，测量了大量相关数据，并运用这些数据具体分析了转向泵 的无用功、液压油流经转阀及液压缸整体的压力损失； 4 归纳出汽车典型的行驶工况，根据测量的实验数据归纳总结在典型工况下 液压助力转向系统的运行参数； 5 计算出典型工况下的液压助力转向系统消耗的能量，高速行驶、不需转向 时，液压助力转向系统的能量消耗； 6 提出减少液压助力转向系统能量消耗的方向以及实际的改进方法。并概括 了目前汽车助力转向系统的发展需求。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 3 论文研究的意义 生态环境保护是2 1 世纪人类面临的主要问题。2 0 0 9 年1 1 月1 7 日，国际能源署 在北京发布( 2 0 1 0 世界能源展望，指出2 0 0 9 年中国超过美国成为世界第一大能源 消费国，2 0 3 5 年中国能源需求将占全球能源总需求的1 5 1 8 1 。美国能源部预i 贝u 2 0 2 0 年以后全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口【1 9 1 。因此，合理利用资源 和开发研究汽车节能已势在必行。 我国经过3 0 多年的改革开放经济得到高速增长，汽车工业更是飞速发展。中 国汽车市场空前繁荣，2 0 0 9 年夺得了世界第一的市场地位。据统计从2 0 0 6 年到 2 0 0 9 年，我国汽车消耗汽油量从4 8 3 4 万吨增加到7 1 9 4 万吨，在汽油总消耗量的 比例中一直维持在8 0 以上，成为汽油消耗的绝对主力。与此同时，大型车辆柴 油化比例得以提高，车用柴油的消耗量占总柴油消耗量的比例也在逐渐增加，车 用能源的消耗占整个石油消耗量的比例日益增大。 其实，人们一直致力于汽车技术领域的节能研究，但以往的工作研究中，研 究人员主要关注焦点是如何提高发动机和传动系统的效率，减低排放，保护环境， 为此投入大量成本，但对辅助系统如：转向助力系统的能耗等则关注较少。8 0 年 代以来，为了提高汽车行驶的安全性和驾驶的舒适性，国内外生产的大、中、小 型汽车基本都装备了液压助力转向系统，按照液压系统的工作原理，转向系统有 中位开式和中位闭式。目前国内外采用的多为中位开式转向助力系统，经过分析 研究可知，液压助力转向系统，以发动机为动力源。即使没有转向动作时，液压 助力转向系统仍然会消耗着一定的能量，此时这些损失的能量会增加液压系统的 发热量，降低使用寿命，产生噪声。 根据r h c r k o m m c r ，当汽车使用电动助力转向系统，每行驶1 0 0 k m 的距离时， 其燃油消耗最多可以减少0 2 5 升；然而，当汽车行驶1 0 0 k m 距离时，液压助力转 向系统大约消耗0 3 升燃油【2 0 】。尽管这些数据并不能说明普遍的问题，因为液压助 力转向系统的能源消耗很大程度上也取决于汽车的行驶状况和技术状况；但是可 以知道存在减小液压助力转向系统能耗的途径。 综上所述，可以看出液压动力转向系统的能源消耗利用率不高。因此，从节 能的角度而言，有必要对该系统进行分析研究。它对于进一步降低汽车能耗有着 不可忽视的作用。 7 液压助力转向系统能耗分析 第二章液压助力转向系统工作原理及设计 2 1 概述 液压助力转向系统是人们日常生活中最常接触到的液压伺服系统。助力转向 系统第一个专利的诞生要追溯至u 1 8 7 6 年【2 1 1 ，但是直至1 9 5 1 年循环球式助力转向系 统开始才应用在汽车上。目前，循环球式助力转向系统仍广泛应用于需要较大转 向力矩的中大型汽车上。而轿车中最常用的助力转向系统类型是齿轮齿条式。 为了研究液压助力转向系统的能量消耗，首先必须对液压助力转向系统的整 体结构、组成元件、工作原理进行了解分析。 液压助力转向系统由数个子系统组成。这些子系统提供机械和液压功能。图 2 1 为汽车的液压助力转向系统。该系统由方向盘和转向柱、转阀、转向泵、高压 管路和回油管路、齿轮齿条转向器、液压缸组成。 2 9 8 ， 图2 1 液压助力转向系统结构原理图 f i g 2 1s c h e m a t i co f t h ec o n v e n t i o n a lh y d r a m i cs t e e r i i l gs y s t e m 1 路况，2 方向盘力矩，3 转阀，4 高压油管， 5 一发动机，6 转向泵，7 一回油管路，8 - 液压缸，9 一齿轮齿条转向器 液压助力转向系统的动力源是发动机驱动的转向泵，转向泵为液压助力转向 系统提供具有一定压强的液压油。根据驾驶员施加在方向盘上的作用力矩，转阀 打开适当的开口面积，向液压缸提供相应的液压油压强，产生相应方向的活塞推 力，从而实现前轮的转向。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 1转向泵 发动机通过带轮连接直接驱动转向泵。根据发动机转速，转向泵将液压油罐 中的液压油泵向系统进行循环，并提供恒定的液压油流量。图2 2 为叶片泵的示意 图瞄】。 2 3 4 图2 2 叶片泵示意图 f i g 2 2s c h e m a t i co f v a np u m p 1 释压阀，2 液压油罐，3 一叶片，4 - 转子 为了保证发动机怠速运行、原地转向时，液压助力转向系统能够提供足够的 转向助力矩，转向泵就必须提供足够的液压油流量。根据汽车液压转向助力泵 技术条件中的商用车转向器所需流量特性趋势图【2 3 1 ，这表明液压助力转向系统 在转向泵高速转动时实际流量反而略有所下降，如图2 3 所示。选择该设计的原因 是汽车高速行驶时，转向泵相应也会高转速转运。此时减少液压助力转向系统的 流量、系统产生的助力也就减小，从而使得高车速时的转向更加稳定。 糙( r l m i n l 转速( r r a i n ) 图2 3 转向泵输出流量 f i g 2 3t h ep u m po i l sa m o t m t 9 液压助力转向系统能耗分析 2 1 2 液压管路 液压助力转向系统中存在两段传递管路，高压管路和回油管路。高压管路连 接转向泵的输出端到转阀的输入端，回油管路是转阀至液压油罐。管路还包含由 转阀和液压缸间的管路，该段管路需要承受高压，液压管路多采用铝合金管。 2 1 3 转阀 转阀由扭杆、阀芯以及阀套组成，零件如图2 4 所示。 当转动方向盘时，方向盘转矩将会通过转向柱向下传递给转阀的扭杆，方向 盘转矩使扭杆发生扭转，而且转阀扭杆的角度变化与方向盘转矩成线性比例。 转阀的功能是建立液压缸左、右两腔室之间的压强差，以能够在行驶转向时 帮助驾驶员，减少行驶转向时所需的方向盘转矩。当转动方向盘时，扭杆相对于 阀芯的角度变化决定了转阀开口面积及液压油的通过面积，从而决定了液压助力 转向系统提供的助力矩大小。 图2 4 转阀零件图 f i g 2 4t h ec o m p o n e n t so f r o t a r yv a l v e 1 扭杆，2 转向小齿轮，3 阀芯，4 阀套 2 1 4 液压缸 液压缸是双活塞杆缸，活塞杆与齿条制为一体。在转动方向盘的过程中，活 塞除了受到齿条的作用外，还依靠液压缸左、右两腔中液压油的压强差推动它在 液压缸的平衡位置附近往复运动。当左、右腔室产生压强差时推动活塞及齿条运 动，从而带动左右横拉杆，实现汽车的转向。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 5 转向器 目前汽车液压助力转向系统多采用齿轮齿条式和循环球式转向器刚，该实验 汽车液压助力转向系统转向器采用的是是齿轮齿条式转向器。 2 2 液压助力转向系统的工作原理 汽车中液压助力转向系统的主要任务是在低速、原地转向工况时，能够在原 有机械转向的基础上增加额外的转向助力矩，从而降低驾驶员的劳动强度。 2 2 1 转向对汽车操纵性能的影响 液压助力转向系统既要能够提供一定的助力矩，同时又要保证驾驶员有一个 适当的“路感”。由于液压助力转向系统的结构局限性，在进行液压助力转向系统 设计时，只能够在助力矩和“路感 之间进行一个折中选择。 汽车的驾驶过程是个闭环控制系统，驾驶员是“控制器 ，而转向系统是执行 器。转向器把方向盘转矩传递给车轮，从而改变汽车的行驶方向。驾驶员驾驶汽 车的主要参考信息是视觉信息，同时侧向加速度和方向盘反馈力矩为驾驶员提供 转向动作的反馈信息。图2 5 是汽车液压助力转向系统闭环控制示意图，在此循环 中，助力转向系统最邻近驾驶员。汽车可以通过方向盘为驾驶员提供力矩反馈。 恶劣天气侧向风 行 方向 图2 5 助力转向系统闭环控制 f i g 2 5t h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e m sc l o s e dl o o p 在2 0 t 蚬6 0 年代l s e g e l 对反馈力矩进行研究，发现汽车侧向加速度和方向盘 转矩之间的关系对汽车的安全驾驶起了主导作用【2 5 1 。 t h o m a sd g i l l e s p i e ，w i l l i a mm i l l i k e n 和d o u g l a sm i l l i k e n 继续此项工作，研究 液压助力转向系统能耗分析 了车辆动力学、汽车稳定性【2 6 1 【2 刀。当今，汽车制造商都根据这些研究结果来设计 助力转向系统。 方向盘转矩和汽车侧向加速度之间的特定关系，对驾驶员能否尽最大可能获 得实时路面状况起到关键性的作用。汽车侧向加速度和方向盘转矩之间的典型关 系如图2 6 所示。 埭 蜒 捌 定 恹 侧阿加速厦 图2 6 方向盘转矩和汽车侧向加速度关系 f i g 2 6v e i l i c l e sl a t e r a la c c e l e r a t i o n 雒af u n c t i o no fs t e e r i n gw h e e lt o r q u e 由图可见，在汽车侧向加速度比较小时，方向盘力矩急剧升高，从而确保中 心区操纵获得一个相对较好的力矩反馈脚】【2 9 】。一般说来，汽车正常行驶时方向盘 转矩为o 2 n m 【3 0 】。 液压助力转向系统最重要的特性是方向盘转矩与液压助力转向系统提供的助 力矩之间的关系，一般可以用助力特性曲线图表示。助力特性曲线能够说明液压 助力转向系统的静态特性，它主要由转阀的形状结构特性决定。 2 2 2 液压助力转向系统的静态特性 一般说来，静态特性曲线是助力矩和“路感 之间的平衡。液压助力转向系 统本身的结构特点、性能与不同的行驶状况决定了必须进行这种平衡。如图2 7 所 示，液压助力转向系统的转阀进口压强和方向盘转矩之间的静态关系，可以决定 液压助力转向系统的助力特性曲线。该图表示了高速行驶、市区行驶、原地转向 三种不同驾驶模式下的助力特性。 由此图发现，方向盘转矩比较小的时候，液压助力转向系统的转阀进口压强、 江苏大学硕士学位论文 助力矩保持最小；它预示此时为小增益，保证了良好的“路感”。当转向阻力矩更 大时，驾驶员必须对方向盘施加更大的转向力矩，液压助力转向系统的转阀进口 压强几乎按指数模式增加，此时反馈给驾驶员的“路感 变弱。 方向盘转矩t s w n m 图2 7 不同行驶状况下液压助力转向系统的助力特性曲线 f i g 2 7b o o s tc u r v ew i t hd i f f e r e n td r i v i n gc o n d i t i o n 根据助力特性曲线的形状可以看出，随着方向盘转矩的大小改变，方向盘转 矩和液压助力转向系统提供的助力矩之间的关系也发生变化。 2 3 液压助力转向系统中液压元件设计 目前汽车上配置的助力转向系统主要是液压式和电动式。电动助力转向系统 近几年开始在汽车上使用，但由于受其提供的转向助力矩大小限制，主要使用在 中小型轿车上【3 1 1 。相对液压助力转向系统，电动液压助力转向系统的成本增加【3 2 】。 因此，液压助力转向系统仍占据主要市场。 不同汽车的液压助力转向系统布局设计基本相同。如图2 8 所示，转阀是转向 系统的控制单元，连接方向盘和转向齿条之间的动力传递。液压助力转向系统中 转阀的转角变化引起液压缸左、右腔之间的压强差值变化，从而为转向齿条添加 适当的助力。液压助力转向系统根据方向盘转矩产生相应的助力矩。对驾驶员来 说，感觉到通过转向齿条传递到方向盘上的路面冲击非常重要，即通常所说的“路 感 ，这也是液压系统与机械并联连接的原因之一。 1 3 液压助力转向系统能耗分析 幼力转巍犟 雾兰 刊转阪叫浚腹缓缝h 液j 心tk 叫转l 训酶盯 一 丫宵嗣铉i “lo 。 + 靠绷龆 疗跚缘力磁 带耱转绝 图2 8 汽车闭环控制系统 f i g 2 8t h ep o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sp a r to