（车辆工程专业论文）电动助力转向系统节能技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着能源危机的日益严峻，以及汽车燃油消耗法规的日益严厉，汽车上的所 有总成、零部件都应该向着节能环保的方向发展。电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，e p s ) 作为典型的节能环保产品，因此受到越来越多的汽 车制造商的青睐。但是e p s 本身还存在着节能潜力，本研究从e p s 的工作过程 出发，挖掘e p s 的节能潜力，进一步降低e p s 的能耗。 首先，在比较各类动力转向系统能量消耗的基础上，定性分析了e p s 在能 耗方面的优势，论证其具有广泛的市场前景。接着根据e p s 具体的工作过程， 分析系统中各主要部分一电动机、控制器和离合器的电压、电流波形，推导出 它们各自的能耗表达式。 e p s 的工作情况具有很强的随机性，为了分析不同工况下e p s 的能耗情况， 建立了e p s 的动力学模型，并提出控制策略。在此基础上利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件建立了e p s 的仿真模型。然后，结合上述的能耗公式，建立了e p s 的 能耗模型。利用此模型，分析了影响e p s 各部分能耗的主要因素，提出了基于 节能考虑的电动机选型原则，电动机脉宽调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 频率选择原则和离合器p w m 控制策略；同时，分析了三种典型转向工况下e p s 各部分能耗的比重，指出每种工况下e p s 主要的耗能部分，并由此确定节能方 案的主要方向。 最后，从两方面建立了节能效果评价指标，并对所提出的节能方案进行了台 架试验，论证了所建立的模型的正确性，和所提出的节能方案的有效性；同时估 算了典型路况下e p s 的平均能耗和节能效果，进一步论证节能方案的可行性和 有效性。 关键词：电动助力转向，能耗，节能，离合器，脉宽调制，仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i sa n dr i g o r o u sf u e lc o n s u m p t i o nr u l e s o fp a s s e n g e rc a r s ，a l lo ft h ea s s e m b l i e sa n dc o m p o n e n t ss h o u l db ed e s i g n e dt om e e t t h ed e m a n do fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a c c o r d i n g 、i t l lt h e s e r e q u i r e m e n t s ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) ，t h e r e f o r e ，b e c o m e sv e r y a t t r a c t i v ei nt h em a n u f a c t u r e ro fa u t o m o t i v ev e h i c l e s h o w e v e r , e p sa l s oh a sa c o n s i d e r a b l ep o t e n t i a lo ft h er e d u c t i o no ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o n b a s e do nt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fe p s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nf i n d i n go u tt h ep o t e n t i a lo fe n e r g y s a v i n ga n d f u r t h e rr e d u c i n gt h ee n e r g yw a s t e f i r s t l y , c o m p a r e d 嘶md i f f e r e mp o w e rs t e e r i n gs y s t e m s ，e p sh a sag r e a t a d v a n t a g ei nt h ee n e r g ye x p e n d i t u r e ，s ot h a tt h e r ei sar e a d ym a r k e tf o re p s t h e n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cw o r k i n gp r o c e s s ，t h ev o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so fm a i n p a r t so fe p s ，s u c ha sm o t o r , c o n t r o l l e ra n di n d u c t i o nc l u t c h , a r ea n a l y z e d a n dt h e n t h ee x p r e s s i o n so fe n e r g yd i s s i p a t i o no f e a c hp a r ta r eo b t a i n e d s e c o n d l y , i no r d e rt oa n a l y z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fv a r i o u sw o r k i n gm o d e s o fe p s ，t h ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi si n t r o d u c e d t h e n s i m u l a t i o nm o d e lo fe p si sb u i l tt h r o u g hm a t l a b s i m u l i n k ，as i m u l a t i o ns o f t w a r e 谢t l l p o w e r f u lf u n c t i o n c o n s e q u e n t l y , c o m b i n e d 、 ，i t l l t h e p r e v i o u s m a t h e m a t i c s e x p r e s s i o n s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ne n e r g yc o n s u m p t i o ni sc o n s t r u c t e d a n dt h e n t h ep r i m a r yf a c t o r sw h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo ne n e r g yd i s s i p a t i o na r ed i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo fm o t o rs e l e c t i o na n df r e q u e n c ys e l e c t i o no fm o t o r - p w m c o n t r o la r e p r o p o s e da n dt h es t r a t e g yo fc l u t c h - p w m - c o n t r o li sa l s op r o v i d e do nt h eb a s i so f e n e r g ys a v i n g a tt h es a m et i m e ，t h ee n e r g ye x p e n d i t u r ep r o p o r t i o no fe a c hp a r ti s d i s c u s s e du n d e rt h et h r e ed i f f e r e n tt y p i c a ls t e e r i n gm o d e s ，a n dt h em a i nm e t h o d st o d e c r e a s et h ee n e r g yw a s t ea r ea d v a n c e d f i n a l l y , e v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa l ep r e s e n t e da n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u to nt h et e s tb e n c h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t r u c t e dm o d e li sc o r r e c t a n dt h ei n t r o d u c e ds t r a t e g i e so fe n e r g ys a v i n ga r ee f f e c t i v e f u r t h e r m o r e ，t h em e a n e n e r g ye x p e n d i t u r ea n dt h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n go ft y p i c a lr o a dc o n d i t i o na l e e s t i m a t e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yo ft h es t r a t e g i e sa r ef u r t h e rv a l i d a t e d k e yw o r d s - e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ，e n e r g y , e n e r g ys a v i n g ，c l u t c h ，p w m ， s i m u l a t i o n , m a t l a b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密日 本学位论文属于 ，在3 年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：稼皂团i j肯导教师签名：号互二 以1 5 年s 其西b j 弘必年r 只碣日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 歹锄r 刚 州弋聃岱。 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车动力转向系统的概述 第1 章绪论 汽车的转向性能是汽车的主要性能之一，它直接影响到汽车的操纵稳定性， 对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶 员的工作条件起着重要的作用。转向轻便性和转向灵敏性是对转向系的基本要 求，如果在转向负荷较大的汽车上采用机械转向系，则很难协调轻便性和灵敏性 二者之间的矛盾，采用变传动比的转向器只能部分地缓和二者之间的矛盾，并不 能从根本上解决问题，所以必须采用动力转向系统；高级轿车为了提高操纵轻便 性和保证高速行驶的安全性，也大多安装动力转向系统n 1 。按照传统的汽车设计 观点n 1 ，当转向轴质量超过2 5 t 时就可以采用动力转向，但是随着汽车行驶速度 的提高以及驾驶员对工作环境要求的提高，为了进一步减轻劳动强度，改善工作 条件，助力转向系统已经成为不少车型的基本配置；在一些发达国家，轿车早已 进入家庭，并且出现越来越多的女性驾驶员，她们对转向轻便性有更高的要求乜】。 为了满足以上的要求，现在发达国家的汽车上普遍安装了动力转向系统，几乎把 它作为一种标准装备，甚至发动机排量只有7 0 0m l 8 0 0m l 的微型车也是如此d 】。 我国国家标准g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件规定“机动车转向桥轴 载质量大于40 0 0k g 时，必须采用转向助力装置。装有转向助力装置的车辆，当 转向助力器失效后，仍应具有用转向盘控制车辆的能力 。 2 0 世纪5 0 年代，d e l p h is a g i a w 首次将液压助力转向系统推向市场n m l 。到 目前为止，液压动力转向系统已成为应用最为广泛的动力转向系统。但传统的液 压助力转向系统增加了液压油泵、液压缸、油管和一些辅助装置，在汽车行驶时 需要消耗一定的能量，而且其助力特性不能随车速的变化而自由调节，无法兼顾 汽车低速时的转向轻便性和高速时良好的转向路感。因此，国外的一些汽车零部 件生产厂家陆续研制出了些助力特性可以随着车速变化而改变的转向系统 ( s p e e ds e n s i t i v ev a r i a b l ea s s i s t a n c ep o w e rs t e e r i n gs y s t e m ) ，以满足汽车良好的 转向特性。最初的变助力特性是靠调节转向油泵的输出流量来实现的，就是所谓 的泵流量调节型( p u m pf l o wm o d u l a t e d ) 。后来，又采用电动机根据车速来驱动 江苏大学硕士学位论文 转向油泵，或者由电子装置根据车速来控制转向油泵内流量控制阀节流口的开 度，来控制溢流流量，从而达到控制转向油泵输出流量的目的；进一步的发展是 所谓的阀特性调整型( v a l v em o d u l a t e d ) ，它采用一个反作用柱塞，或者根据车 速来调节阀的参数。转向控制阀既具有正开口的阀口，又具有负开口的阀口，或 者两种阀口并联1 。这些新发展的转向系统的某些性能要优于传统的液压助力转 向系统，但它们仍然无法克服液压动力转向系统在安装、密封性、操纵灵敏性、 能量消耗、磨损与噪声等方面固有的缺陷。 电子技术和电气技术的应用造就了新一代的转向系统电动助力转向系 统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称为e p s ) ，e p s 属于另一种形式的动力转向系统， 它不需要使用汽车发动机的动力，而以汽车上蓄电池作为其电源，根据作用在转 向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制装置使电动机产生相应大小和方向 的辅助力来驱动转向机构，使汽车的转向轮偏转。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首 次在其c e r v o 车上装备e p s 幢3 ，随后还用在了其a l t o 车上。在此之后，许多公司 开始研究电动助力转向技术。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公 司，美国的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出 各自的e p s 。比如：大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则 在其m i n i c a 车上装备了e p s ；本田汽车公司的a c c o r d 轿车目前已经选装e p s ， s 2 0 0 0 轿车的动力转向也倾向于选择e p s ；d e l p h i 公司已经为大众的p o l o 、欧宝 的31 8 i 以及菲亚持的p u n t o 开发出e p s 。从出现到现在，e p s 经过了二十多年的 发展，其技术日趋完善。应用范围已经从最初的微型轿车向更高级的轿车和商用 客车方向发展，如本田的a c c o r d 和菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装e p s ， 本田甚至还在其a c u r an s x 赛车上装备了e p s 。e p s 的助力型式也从低速范围 助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。早期的 e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时e p s 将停止工作。新一代的e p s 则 不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。目前 取得实际应用的电控动力转向系统无一例外地把传统的机械转向系统作为后备， 一旦助力转向系统出现故障，驾驶员可以使用手动转向把车开到修理站口1 。 当前，国际上又掀起开发下一代电动转向器的热潮，这就是全电动转向系统 ( s t e e r i n g b y w i r e ，或者“线控转向 ) 陋1 ，即取消转向盘与转向轮之间的机械 2 江苏大学硕士学位论文 连接，用电能实现全动力转向。全电动转向系统现在还处于研制之中，虽然已经 有样车在欧洲展出嘲，但还没有达到民用化。现行标准出于可靠性和安全性的考 虑，不允许采用全动力转向系统，比如我国强制性国家标准g b l 7 6 7 5 1 9 9 9 汽 车转向系基本要求规定“不得装用全动力转向系统 ，“转向系统中的液压、气 压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶的能力”，欧洲 也有类似的标准口1 。这些对全电动转向系统的发展提出了严格的技术标准，使其 在很长一段时期内还不能市场化。 总之，由于动力转向系统具有操纵轻便、灵活，可选择的转向器结构形式较 多等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在国内外汽车上得到普遍应用。 1 2 电动助力转向系统的特点与现状 电动助力转向系统是在原有的机械转向系统的基础上，主要根据车速传感 器和转矩传感器检测的信号，由电子控制单元( e c u ) 计算所需要的助力大小， 并通过驱动电路控制电动机，使电动机产生相应大小和方向的辅助力，协助驾驶 员进行转向操纵，获得理想转向特性的伺服系统。该系统主要由机械转向装置、 转矩传感器、车速传感器、助力电动机、减速机构、电子控制单元( e c u ) 等构 成，如图1 1 所示。 图1 1 电动助力转向系统 e p s 的基本工作原理如下：汽车转向时，电子控制单元根据检测到的转向盘 转矩、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，使驱动单元上h 桥式场效应晶体管按一定的占空比导通，驱动电动机 产生相应方向的助力转矩，协同驾驶员进行转向操纵。在电子控制单元中还有安 全保护措旎和故障诊断功能，当电动机电流过大或温度过高，系统将会切断或者 限制电动机的电流，避免故障的发生；当系统发生故障，如蓄电池电压过低、转 江苏大学硕士学位论文 矩传感器失效等，这时系统可以自动断开离合器，驾驶员仍然可以依靠机械转向 系统进行转向操纵，同时系统将显示故障并存储故障代码。 e p s 的结构和布置形式多样，目前应用的e p s 按照动力传动方案可以分为 转向轴驱动( c o l u m nd r i v e ) ，小齿轮驱动( p i n i o nd r i v e ) 和齿条驱动( r a c k d r i v e ) 三种形式( 如图1 2 ) 。下面具体分析三种形式的e p s 在结构、空间布置 和使用场合上的不同以及它们各自的特点。 转向轴驱动式e p s 如图1 2 a 所示，其电动机固定在转向柱上，并通过减速机 构与转向轴相连，直接驱动转向轴实现转向助力。该方案的助力输入将经过转向 器传递，因此要求电动机的最大输出力矩相对d , i 电动机和e c u 通常布置在驾驶 室内，工作环境较好，无需特殊的防水和散热措施，对密封要求低，正因为这样， 这种结构的转向系统要比其他形式节约成本，批量生产也成为可能。目前转向轴 驱动方式的e p s 的应用越来越广泛。当然，它也存在不足之处，其安装位置离驾 驶员近，对电动机的噪声要求高，且其力矩波动容易直接传到转向盘上，这就需要 转向轴安装形式的e c u 具有特殊的结构，以减少振动。 小齿轮驱动式e p s 如图1 2 b 所示，其转向助力机构安装在转向器小齿轮处， 直接驱动小齿轮提供助力，其结构和转向轴驱动方式相同但安装位置不同。该方 案的助力输入也要经过转向器传递，因此要求电动机的最大输出力矩也相对小；电 动机安装在发动机空间的最下面，靠近发动机的排气管，这就需要在防水和隔热 方面提出较高的要求。另外，大多数小齿轮驱动方式的e c u 放在驾驶室内部，需 要较长的线束，这样会引起噪声，而且会增加装配的步骤，这样，就出现了e c u 安装在发动机罩下或同变速箱成为一体，面临着恶劣的工作环境，就需要额外的 隔热处理。与转向轴驱动相比，可以提供较大的转向力，适用于中型车，但在助 力控制特性方面增加了难度。 齿条驱动式e p s 如图1 2 c 、d 所示，其电动机和减速机构与齿条相连，直 接驱动齿条以提供助力。齿条驱动的e p s 有两种结构，一种结构如图2 2 c 所示， 具有双小齿轮，驾驶员输出的转矩通过- d , 齿轮输入，电动机输出的转矩则经减 速机构和另- d , 齿轮直接作用在齿条轴上，使得它适合应用在中型车和大型车 上。另一种则具有共轴结构，如图1 2 d 所示，齿条轴从电动机电枢的中间通过。 该方案的助力输入点在齿条上，要求电动机的最大输出力矩相对大；电动机工作 4 江苏大学硕士学位论文 环境差，对密封要求高；安装位置离驾驶员较远，对电动机的噪声要求相对较小， 且其力矩波动不易传到转向盘上。与前两种形式的e p s 相比，齿条驱动的e p s 可以提供更大的转向力，适用于前轴负荷较大的大型车，但是它需要对原有的转 向传动机构作较大的改动。 a ) 转向轴驱动方式 b ) 小齿轮驱动方式 c ) 齿条驱动方式( 双小齿轮) d ) 齿条驱动方式( 空心电机) 图1 2e p s 动力传动方案 5 江苏大学硕士学位论文 本课题组开发的e p s 主要应用在微型轿车和轻型汽车上，前轴负荷相对较 小因此设计时采用转向轴驱动方式，如图13 所示为本课题丌发的e p s 样品， 本文将围绕这种形式的e p s 系统进行研究和分析。 图13 本谋趣组开笈的e p s 与传统的液压动力转向相比，e p s 具有一系列的优点：竹能环保、对寒冷气 候的适应性好、增强了转向随动性、改善了回正特性、提高了操纵稳定性、易丁 调整助力特性、易于包装和装配、易于维护与保养”“。 正是由丁这一系列的优点，国外e p s 的研究已经体现出实际的应用价值，在 世界汽5 - | p j k 中，e p sj r 以9 到1 0 的增长速度发展，增长量选1 3 0 万1 5 0 万套，至2 0 0 5 年，该产品的产量将由目前的1 5 0 万套增长到8 0 0 万套。按此速 度发展，e p s 将很快占领轿车市场，并向微型车、轻型车和中型车扩展。但于 对懵在市场的 呆护，国外各研究开发e p s 的公司很少公开发表自己的具体研究内 容和关键技术。 随着2 0 0 0 年昌河= | l - i 星厢式车安装进口电动助力转向器，我目汽车转向器 历史上掀开了新的一页”。1 9 9 9 年，机械工业局汽车司未来十年叶 国汽车工 业产品与技术发展报告中，就己将电动助力转向列为我国汽车t 业私 极jr 展研 究的产品与技术项目。“十五”期刊的国家8 6 3 电动汽车重大科技0 巧! 己将电动 助力转向列为予项日作为电动汽车优先发展的零部件产品。很多科研结构( 如清 华大学、江苏大学、古林大学等) 和零部件厂商开始在这方面作探索性的研究工 作。目前尚未有成熟的技术产品投向市场。e p s 的优点以及它不断扩大的市场吸 引了国内越柬越多的专家、学者以及有关企业的荚注针对e p s 的研究也将成 为目内汽车技术发展的个新热点。 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的目的和意义 节能、环保和安全是世界汽车技术发展的三大主题n 引。如果说早期采用e p s 的首要目的是为了解决安装空间受限制问题的话，现在节能可以说是安装e p s 的首要因素，这在国外表现的尤为突出。“可持续发展 的概念在上世纪8 0 年 代电动助力转向进入市场的时候还没有提出，而今天，随着全球变暖、能源枯竭 等环境问题的日益凸显，“可持续发展 的概念早已经深入人心。汽车的能量消 耗在国民经济中占有相当大的比重，它在消耗能量的同时也产生了废气，污染环 境，同时会导致全球变暖，因此现在世界各国政府对汽车的能量消耗也相当重视。 而2 0 0 3 年我国车用燃油消耗达到7 0 0 0 万吨，相当于全年石油消费量的1 3 。预 计到2 0 2 0 石油需求量将达到4 亿吨，而我国石油产量只有1 6 亿吨到1 7 亿吨左 右。与此同时，到去年年底我国汽车保有量达到2 4 0 0 万辆，单车燃油消耗比发 达国家高2 0 3 0 1 。“节油 成为中国一个重要的、亟待解决的问题。在这 个严峻的形式下，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2 0 0 4 年1 0 月2 8 日，联合发布了中国汽车行业首个油耗强制性国家标准乘用车 燃料消耗量限值，这将促使各汽车生产厂商将竭尽所能降低汽车燃油消耗。因 此，各大汽车公司也把开发节能型汽车作为一项战略性任务，以形成自己的新卖 点。所以，在汽车节能方面的任何研究都具有积极意义。 以前，由于液压助力转向消耗能量不大，没有引起人们的重视，而现在的情 况却大不相同了。关于电动助力转向与液压助力转向系统在节能方面的比较已经 有很多了，比如根据k o y o 公司的研究，轿车装用e p s 系统比装用液压动力转 向系统燃油消耗可减少3 5 n 5 1 。各研究定量的结果不一样，但是节能效果的 定性结论都是一致的，即e p s 系统在节能方面的优点是显著的。然而，很少有 文献对e p s 系统的能耗在理论上进行深入的分析。据我们研究发现，e p s 实际 上并不是真正的“按需型”转向系统，其本身仍然存在节能的潜力。 从另一方面讲，随着电子技术在汽车上的广泛应用 1 6 - - 1 8 jj , 对于汽车电子系统 设计师来说，在4 2 v 电气标准未正式出台以前，所面临的最大挑战是在相同的 电池电源条件下，找到新的方法来优化汽车电子设备的功能而不增加功耗，保证 汽车电子设备功能的不断增加n 钉嘲。 因此，有必要对e p s 的能耗进行理论上探讨与研究，充分挖掘e p s 的节能 7 江苏大学硕士学位论文 潜力，以期能为国内开发和研制具有自主知识产权且性能优良的e p s 提供理论帮 助和技术支持。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文在比较各类动力转向能量消耗的基础上，先定性分析e p s 在能耗方 面的优势，然后从e p s 的工作过程出发，分析e p s 能耗的主要途径，找出影响 e p s 能耗的主要因素，并从理论上针对e p s 各部分能耗情况进行定量分析，探 讨降低系统能耗的方法，最后从仿真和试验的角度对所提出的方法进行验证。具 体内容如下： 1 ) 根据e p s 的工作过程，分析e p s 中电动机、控制电路大功率晶体管和电 磁离合器的电压、电流波形，从理论上推导各部分的能耗表达式。 2 ) 建立e p s 系统的动态模型，提出控制策略，并建立e p s 的动态仿真模型。 3 ) 结合动态仿真模型与各部分的能耗表达式，建立e p s 的能耗模型。利用 此模型，分析影响各部分能耗的主要因素，找到降低能耗的具体方法。 4 ) 通过能耗模型仿真，分析节能方案的有效性，并探讨方案的可行性。 5 ) 建立e p s 节能效果的评价指标。 6 ) e p s 系统的能耗试验方法研究。试验内容包括：提出几种典型的测试e p s 能耗的工况和一种典型的路况，测试本课题组研制的e p s 系统在采用节能方案前 后的节能效果。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章动力转向系统的能耗对比 2 1 动力转向系统的分类 目前市场上的动力转向系统可分为三类：传统的液压助力转向系统( h p s ) ， 电子控制液压助力转向系统( 因为形式众多，本文仅列举具有代表性的几种) 和 电动助力转向系统( e p s ) 。下面将具体分析各类动力转向系统的能耗途径，探讨 它们对整车燃油经济性的影响，指出e p s 的节能优势。 2 2 传统液压动力转向系统的能耗 动力转向系统广泛应用于各类汽车上，而这其中，液压助力转向( h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 系统应用最广扭，占主导地位的，而且技术发展相当成 熟。 图2 1 典型的转阀式齿轮齿条式动力转向器结构图 l 一转向油罐2 一转向泵3 一压力与流量限制阀4 一进油管5 一回油管6 一扭杆7 一阀芯8 一阀套9 一阀 壳1 0 - - 活塞缸1 1 一转向器壳1 2 - - 齿条1 3 一小齿轮1 4 - - 横拉杆 传统的液压助力转向系统如图2 1 ，转向器的输入轴通常与转阀的阀芯7 做成一体，转阀的阀套8 通过销与小齿轮1 3 固定在一起，转阀的扭杆6 在两端 分别与阀芯7 和小齿轮1 3 相连接。转向时，转向盘通过转向轴带动阀芯7 转动， 阀芯7 再通过扭杆带动小齿轮1 3 转动，小齿轮1 3 一方面带动齿条1 2 移动，提 供机械转向：另一方面又通过销带动阀套8 转动，使扭杆6 产生扭转变形，从而 9 江苏大学硕士学位论文 打开转子阀，使转向油泵输出的高压油进入活塞缸的左腔( 或右腔) ，推动活塞 ( 齿条) 移动，提供助力转向。具体工作原理可以参看文献 2 2 。 传统的液压助力转向系统通常为常流式液压助力转向系统( 有很多英文资料 称之为开心式系统( o p e nc e n t e r ) ，在国内外仍然被广泛应用。在这种转向系统 中，一般由发动机驱动一个固定排量的泵，且二者的传动比几乎不变。为了保证 汽车原地转向以及低速转向的轻便性，油泵的排量通常根据发动机的怠速转速确 定1 。常流式液压助力转向系统效率非常低，这是因为：( 1 ) 即无论是否进行转 向，常流式液压助力转向系统都有液压油流动，而汽车8 0 以上的时间处于不转 向的直线行驶状态，从而造成很大的寄生损失；( 2 ) 发动机以固定的传动比来驱 动转向油泵，而转向油泵的排量又是固定的，所以需要流量控制阀来控制流量， 对于轿车来说，发动机转速最高可以达到每分钟五六千转以上，而怠速转速一般 不超过每分钟一千转。若以发动机怠速转速来确定油泵的供油量，则当发动机以 中等转速运转时，比如2 5 0 0 r p m ，这时油泵输出的液压油大部分经过流量控制阀 溢流掉，从而造成很大的功率损失。另外，系统中流量控制阀的阀口也会造成一 定的能量消耗。文献 3 对此做过试验研究，研究对象是a 、b 两辆轿车，其中车 辆a 为大型的后轮驱动的家庭轿车，整车质量为1 5 0 0 k g ；车辆b 为中小型的前 轮驱动的家庭轿车，整车质量为l l o o k g 。对两辆汽车进行路试( 多工况，且包 括一些极限工况，如移线操作和泊车) ，研究结果表明传统的液压助力转向系统 总的效率约为0 0 3 。一般液压助力转向系统引起的燃油消耗约占整车燃油消耗 的3 5 1 2 1 2 3 1 。以液压动力转向的动力损失换算为车辆的燃油消耗增加3 时 的情况来算，各部分动力损失情况如图2 2 倥。 0 2 0 3 o 5 n 5 动力转向的纯作功渭耗的 缒量 液压泵传动效率引起的能蚝 由于控制阀的翱余流量引 甸的能量损失 传动带与滑轮效率引起的 能量损失 由于系统质量引起的能量 损失 液压泵的翔余输出流量引 起的损失 图2 2 液压动力转向器增加3 燃油消耗的构成 l o 江苏大学硕士学住论文 23 电控液压助力转向系统的能耗 传统的液压助力转向系统的效率很低，而且助力特性与汽车的实际要求不一 致，所咀后来又开发的动力转向系统都结合了先进的电子控制技术，以提高系统 的性能，降低系统的能耗，这就是电控液压助力转向系统。按照原理的不同，电 控液压助力转向系统又可分为电子控制液压助力转向系统( e l e c t r o n i c c o n t r o l l e d p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，e c p s ) 和电动液压助力转向系统( e l e c t r o - l t y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g ，e h p s ) 。 根据控制方式不同，电子控制液压助力转向系统又可分为流量控制式、反力 控制式和阎灵敏度可变控制式“”。其中每一控制方式都具有一般动力转向装置的 功能。文献 2 6 中介绍的一种e h p s 系统( 如图23 ) 就是阀灵敏度可变控制式 的，它使用了一个比例电磁阀，根据车速、方向盘转角及角速度等信号来控制比 例电磁阀的开度，从而实现可变助力。 蠡鲰 叠一+ 器 。； * * 函：瑟y - 一簖象一 幽2 3 电控液压助力转向系统 这些电控液艇助力转向系统都是在传统的液压动力转向系统的基础上增设 电子控制装置而构成的。加上电子控制装置主要是为了获得良好的助力特性，阻 协调转向系统“轻”与“灵”的矛盾。但是它们在能耗方面还没有多大的改进， 因为还是由发动机驱动的系统一直处于运转状态。 随着伺服电机技术的发展，出现了直接出电动机驱动的e h p s 系统，如d a n a 开发的e h p s 系统，k o y o 开发的h e p s 系统( 如图24 ) 和v i s t e o n 开发的 e h p a s 系统( 以后统称e h p s 系统) “”“1 。e h p s 在原有的液压动力转向系统 江苏太学硕士学位论文 的基础上，主要根据车速传感器和转角传感器检测的信号，由电予控制单元( e c u ) 计算所需要的助力大小，并通过驱动电路控制电动机，使电动机带动液压泵输出 相应流量的液压油，协助驾驶员进行转向操纵获得理想的转向特性的伺服系统。 e h p s 是一种新型的液压动力转向系统，采用电子技术控制电机的转速，不 转向时油泵低速或停止运转，在转向时正常工作，从而可以有效地节约能量。文 献 2 8 中介绍的一种e h p s 系统，相对于常规的液压助力转向系统可降低8 7 的能耗。文献【3 通过对不同动力转向系统的能耗比较得出：e h p s 系统可以有 效地降低能量消耗。 泵苎戒 剐2 4k o y o 的h e p s 结构图 另外在转子阀方面的一些技术改进也为汽车的燃油经济性做出一定的贡 献。目前大多数轿车采用转阀式液压助力转向系统，它是利用转阀中的扭杆变形 来检测方向盘转角信号的。而转阀又分为中位开式转子阀( 如图25 ) 和中位闭 式转子阀( 如图2 6 ) 。采用中位开式转向控制阀时，当转向盘处于不转向的叶 间位置时，自转向油泵的液压油经预开间隙、阀芯上的径向孔流回储油罐，因此 是一种“常流”系统。中位闭式转向控制阀，当转向盘处于不转向的中间位置时 进油口与出游口不相通。此类动力转向系统大多采用电动机驱动转向油泵( 通常 电动机和油泵制成一体，成为电动泉，液压油路中装有蓄能器。当蓄能器中的压 力低于某一值( 1 0 1 i m p a ) 时电动机启动，向蓄能器供油：当蓄能器中的压 力达到另外一个较高值( 1 2 1 3 m p a ) 时，电动机关闭，停止供油。因此这类系 江苏大学硕士学位论文 统为“常压”式。因为电动机不需要一直转动。只需要在转向或者蓄能器压力不 够时工作，所以有利于节能。 图2 5 中位开式转子阉 图2 6 中恃闭式转子阀 常用的动力转向系统的能耗占整车能耗的百分比如下图27 “1 。从图中可 以看出，在液压动力转向系统中，采用电动液压驱动和闭式转子阀都能有效的降 低系统能耗。 一 芷 斌 龊 圉27 转向系统占整车的能耗比 24 电动助力转向系统的能耗 e p s 符合“节能环保”的绿色潮流，从1 9 8 8 年应用至今，得到迅速的发展与 推广。从其工作原理来讲，e p s 与传统的液压助力转向系统相比，其经济性有很 大的改善。文献 2 9 介绍了l u c a s 的e p s 它采用4 0 0 w 的无刷电动机和行星 江苏大学硕士学位论文 齿轮减速器，在城市行驶时平均消耗2a 电流，也就是其消耗功率约2 4 w 。因为 市区行驶常常对应比较多的转向动作，所以在非市区行驶时所消耗的功率应该小 于2 4 w ，综合下来，其平均消耗功率也应该小于2 4 w 。文献 3 0 说d e l p h i 的e p s 不转向时平均消耗0 5 a ，转向时平均消耗1 - 2 a ，所以其平均消耗的功率也应该 小于2 4 w 。文献 儿 中介绍，t r w 的e p s 的能量消耗仅仅是传统液压助力转向系 统的1 2 2 0 。根据文献 6 ，欧洲一家大制造商进行的试验表明，一辆分别 装有d e l p h i 生产的e , s t e e r 和装备机械转向系统的汽车，燃料经济性油耗基本 上没有差别。根据文献 3 1 的介绍，在底盘测功机上对装备了富士重工的e p s 的汽车进行了燃油经济性的测试，结果表明：e p s 在运行和不运行两种情况下汽 车的燃料经济性没有明显得变化，转向系统大约消耗2 a 电流，使得发动机输出 转矩增加很小，其增加量对燃料经济性不产生明显得影响，仅在测量误差范围之 内：而对于液压助力转向系统，在转向油泵运行和不运行两种情况下测量，液压 助力转向系统使燃料消耗量增加3 - - 4 。根据文献 2 ，与传统的液压系统相 比，在不转向情况下，装有e p s 的车辆燃油消耗降低2 5 ；在使用转向情况下， 降低了5 5 。文献 2 2 引用d a n a 某主管领导的话讲到：“传统的液压助力转向 系统由于带有一直运转的油泵，所以常常消耗5 马力的功率 。而且称d a n a 的 e p s 可以使得燃料经济性增加5 。文献 3 2 介绍了日本h o n d a 在9 0 年代初开发 的齿条助力式e p s ，并对其燃料经济性进行了测试，测试内容包括：在规定工况 下的燃料消耗量( e p s 安装在排量为2 5 l 的前置前驱轿车上) 和实际行驶过程 中的燃料消耗量( e p s 安装在排量为1 6 l 的前置前驱轿车上) 。在l a 一4 工况下， 与传统的液压助力转向系统比较，装备e p s 的轿车可以提高0 5 0 m p g ，约2 5 0 ； 在h i g hw a y 工况下，装备e p s 的车子可以提高0 7 1 m p g ，约2 5 2 。在测量实际 行驶过程中的燃料消耗量的时候，由同一驾驶员分别驾驶采用e p s 和采用传统液 压助力转向系统的同一型号轿车，测试时间为半年，行驶路线主要在郊区，也包 括一些市区路段、公路以及山区路段，测试结果表明：在平均车速约为4 0 k m h 的情况下，装备e p s 的车子可以提高1 6 m p g ，约5 5 。根据文献 3 3 ，e p s 系 统与传统的常压式系统相比，在各种情况下均可节能8 0 - - - 9 0 。图2 8 为各种 转向系统的平均功率消耗啊1 。 1 4 江苏大学硕士学位论文 25 本章小结 图2 8 为各种转向系统的平均功率消耗 以上各文献提供的数据相差较大，不过他们的结论在性质上是样的：就是 采用e p s 可以减小燃料消耗量。但是这些文献所提供的数据并没有阐明其具体工 作方式以及测试条件，各数据的可比性较差。下文将具体的分析e p s 内部的能耗 组成，推导各部分能耗的数学表达式并建立符合实际的测试工况，从理论上计 算出e p s 的平均功耗，为评价系统在能耗方面的优劣以及提出可行的节能方案提 供理论依据。 江苏大学硕士学位论文 第3 章e p s 系统能耗分析 e p s 为典型的直流伺服系统，它应用了p w m 控制技术控制直流伺服电动机， 其控制方式简单，性能优良，为典型的机电一体化产品。下面将根据e p s 工作 方式，分析系统各主要部分的电压、电流波形，推导它们的能耗表达式。 3 1e p s 系统p w m 控制方案 目前，用大功率晶体管p w m 控制的永磁式伺服电动机驱动装置，是高精度 伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式，称之为p w m 驱动装置，这种装置能实 现宽范围的速度和位置控制，较常规的驱动方式( 交磁电机扩大机驱动、晶体管 线性放大驱动、电液驱动、晶闸管驱动) 具有无可比拟的优点。随着大功率晶体 管的容量和开关速度的不断提高，p w m 驱动装置一跃而成为现代伺服驱动系统 的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视口耵。 3 1 1p w m 控制系统概述 p w m 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电 源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要来改变一个周期内“接通”与 “断开”时间的长短，即通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比 来改 变平均电压的大小，从而控制电动机的转速或转矩。 + i _ is u c l ) 门 图3 1p w m 控制示意图图3 2p w m 控制电压波形 p w m 控制的示意图如图3 1 所示，可控场效应晶体管( m o s f e t ) 以一定 的时间间隔重复地接通和断开。当m o s f e t 导通时，供电电源以通过m o s f e t 施加到电动机两端，电源向电动机提