（车辆工程专业论文）电控液压助力转向系统的节能分析与建模仿真.pdf

江苏大学硕士擘位论文 摘要 电动液压助力转向系统采用电动机驱动液压助力系统油泵，具有 能够根据汽车行驶工况实现助力程度自动控制、改善转向手感、节约 能量消耗、安装布置方便等优点。在国内外部分汽车上开始使用。 本文在参考有关的研究和资料的基础上，对常见的机械中位开 式、机械中位闭式、电动中位开式和电动中位闭式几种液压助力转向 系统的节能策略进行分析，并进行节能效果的比较。通过分析和比较， 发现电动中位闭式液压助力转向系统具有明显节能的优势。 在分析电动液压助力转向系统结构特性的的基础上，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件分别建立电动中位开式和中位闭式这两种电动 助力转向系统的仿真模型，研究电动液压助力转向系统油泵的控制方 式，并着重研究了中位开式的性能参数对整个系统的影响以及这两种 电动助力转向系统在性能方面的区别。根据仿真研究的结果，得出电 动中位闭式液压助力转向系统在节能方面比好于电动中位开式液压 助力转向系统。 最后，通过台架实验对电动中位闭式的模型进行简单的试验验 证，试验验证了模型的正确性，为电动液压助力转向系统控制器的设 计提供了很好的理论依据。 关键词：电动液压助力转向，中位开式，中位闭式，仿真，节能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( e h p s ) s y s t e mi sd e s i g n e dt o u s eh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gp u m pw h i c h i sf o r c e db ye l e c t r i cm o t o rw i t h a d v a n t a g e o f a t t a i n i n g a u t o m a t i c c o n t r o l l i n g o fa s s i s t a n c e d e g r e e a c c o r d i n gt ot h es t e e r i n go p e r a t i o n ，i m p r o v i n gh a n df e e l i n g ，s a v i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n , i n s t a l l i n ga n da r r a n g i n gc o n v e n i e n t l ya n ds oo n i t h a sb e e nu s e di ns o m ec a r sd o m e s t i ca n da b o a r d r e f e rt or e l a t i o n a ls t u d i e sa n dd a t u m , t h ep r e s e n ts e v e r a le n e r g y s a v i n gs t r a t e g i e so fh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( 1 i p s ) s y s t e mw e r es t u d i e s a n dt h ee n e r g y s a v i n ge f f e c to ft h e mw e r ec o m p a r e d t h e s eh p ss y s t e m s w e r em e c h a n i c a lc e n t e r - o p e n e dh p ss y s t e m , m e c h a n i c a lc e n t e r - c l o s e d h p ss y s t e m , c e n t e r - o p e ne h p ss y s t e m , c e n t e r - c l o s e de h p ss y s t e m t h o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g ，i tc a nb ep r o v e dt h a tt h ee h p ss y s t e m w i l lb ed o m i n a n ta n dd e v e l o p e dm a i n l yi nt h ef u t u r e b a s e do na n a l y z i n gs y s t e m s ，t h et w ok i n d so fe h p ss y s t e m ，t h e c e n t e r - o p e ne h p ss y s t e ma n dt h ec e n t e r - d o s e de h p ss y s t e m ，w e r e c r e a t e di nm a t l a b s i m u l i n k w ee m p h a s i z e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra b o u tt h ec e n t e r - o p e n e de h p ss y s t e mo nt h e w h o l e s y s t e m , t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w o s y s t e m s i nt h e p e r f o r m a n c ew a se i t h e re x p l o r e d a sr e s u l t s o ft h es i m u l a t i o n , t h e c e n t e r - o p e n e de h p ss y s t e mw a s t h ef i r s ts c h e m ei ne n e r g y s a v i n g a tl a s t ，t h es i m p l ep r o o fw a sd o n et ot h em o d e l so ft h ec e n t e r - o p e n e h p ss y s t e mo nt h eb e n c h t h em o d e lv a l i d i t yw a se x a m i n e di n s i m u l a t i o n a s p e c t t h a tp r o v i d e d v a l u a b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e c o n t r o l l e rd e s i g no ft h ee h p s s y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( e h p s ) ，c e n t e r - o p e n , c e n t e r - c l o s e d ，s i m u l a t i o n ，e n e r g y s a v i n g 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 内容或部分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。 本学位论文属于 学位论文作者签名： h ；芹0 刖 日 i | i 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 勘、龟 指导教师签名： ， 年0 月f ， 汤厕 、一 独创性声明 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。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已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： 多篓 日期：卜司年1 7 月f f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车转向系统的发展 第一章绪论 汽车在行驶过程中，转向系统是其中的重要组成部分之一。转向时驾驶员通 过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮( 转向轮) 相对于汽车纵轴线偏转一 定角度来实现的。在汽车直线行驶的过程中，转向轮也会因受到路面侧向干扰力 的作用而自动偏转，改变行驶方向。此时驾驶员也可以利用这套机构使转向轮朝 相反的方向偏转，使汽车恢复原来的行驶方向。这套用来改变或恢复汽车原有行 驶方向的专设机构，称为汽车转向系。它由转向控制机构、转向传动装置、转向 轮等等。转向性能的好坏直接影响到汽车的转向特性、转向可靠性和驾驶员的操 纵手感等等。转向系按转向能源的不同可分为机械转向系和动力转向系两大类。 机械转向系是依靠驾驶员施加的转向力来实现车轮转向，其中所有的传力部 分都是机械的，主要是由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。动 力转向系一般是在机械转向系的基础上加设一套转向加力装置而形成的，它是借 助于汽车发动机驱动的液体压力或电动机驱动力来是实现转向。在正常情况下， 汽车转向所需的能量只有- - 5 部分由驾驶员提供，而大部分由辅助动力源通过转 向加力装置提供。动力转向系统又分两种形式：一是全动力转向系统，二是助力 转向系统。全动力转向系统由专用机构提供全部转向动力的转向系统：助力转向 是在机械转向系统的基础上加上转向加力装置组成。这样可以保证助力部件部分 失效或全部失效后，转向系统仍然具有控制汽车行驶的能力【l 】【2 1 ；此外还可以提 供路感信息给驾驶员，使得驾驶员可以从转向盘来感知路面的状况，这对高速路 上行驶车辆的安全是相当重要的。 助力转向系统按照转向能源的不同又可分为气压助力转向系、液压助力转向 系和电动助力转向系。气压式助力转向系统工作压力比较低、元件体积大，目前 已经很少使用【2 l 。液压助力转向系统由于其部件尺寸小，工作压力高，助力町靠， 而且能吸收来自路面的冲击，目前在车辆上使用最为广泛。它主要采用液压作为 动力，利用油泵，经过控制阀来调节压力油流的流量，根据汽车的行驶状态，控 制转向系统。在转向过程中，动力转向系统的油压只对转向起辅助作用，也就是 利用油压帮助驾驶员完成转向动作，使之轻便、省力。这种液压助力转向系统在 江苏大学硕士学位论文 汽车行驶时需要消耗一定的能量，增加了液压油泵、液压缸、油管和一些辅助装 置，其助力特性不能随车速的变化而自动调节，无法兼顾汽车低速时的转向轻便 性和高速时的转向路感。对电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 简 称e p s ) 而占，这种转向系统采用控制电动机，通过与之相连的减速机构来实现 助力1 3 l 。这种系统虽然代表了转向系统的发展方向，国内也有不少机构在做相关 的探索，但是在一些关键的技术方面未取得突破性进展，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等，转向装置所产生 的动力还比不上液压助力转向，系统的总体性能还不够稳定。 l 一转向盘；2 4 t t 秆；埔香叠：4 - 通道：5 - 钡f ；滞制脚轴；7 - 旋转用 8 - 小齿轮轴：9 - 左摩；1 0 右宣：1 l 一动力缸； 1 2 - 活塞；1 3 - 齿条；1 4 - , j , 齿轮箱；1 5 转向器；1 6 _ 柱塞；1 7 - 油压反力奄；1 8 - e g 磁阿：1 9 - 油泵；2 0 - 分流阍；2 1 阻尼孔 图1 - 1 电磁阀控制式液压助力转向系统 由于上述e p s 尚处在实验阶段，还没有完全产业化，所以国外的一些零部件 生产厂家陆续在研制一些电子控制液压助力转向系统( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ：简称e h p s ) 。按照动力源提供方式不同可分为：电磁阎控制式、 电动油泵式等。其中电磁阀控制式液压助力转向系统又可分为反力控制式、流量 控制式和阀特性控制式等【4 1 1 5 1 。图1 显示的是电磁阀控制式液压助力转向系统的 结构图f 6 j 。电磁阀控制动力转向系统是根据车速的不同来控制，它们都通过发动 机来带动转向油泵，使用一个电磁旁通阀来调节转向器供应的液压油，从而来控 制转向力的大小。这种控制不仅消耗了发动机的功率，还增加了电磁阀等机构使 得系统结构复杂化。而电动油泵式的动力转向系统不依靠发动机驱动，油泵的动 力是通过电动机来提供，这样节省了发动机的燃油消耗( _ ”。图2 显示的是电动油 泵式液压助力转向系统的结构示意图1 8 l 。随着现代电子控制技术和机电伺服技术 的发展，我们可以对电机实现很好地控制，所以有很好的发展前景【9 1 1 1 0 l 。在节能、 2 江苏大学硕士学位论文 环保意识很强的今天，这种电动液压助力转向系统显示出了其独特的优点：既有 传统液压助力转向的所拥有的液压力路感，又便于控制和节能，所有逐渐被各制 造商看好。如德国的z f 公司、英国的卢卡斯公司、美国的德尔福公司等多家公 司正纷纷瞄准这个发展动向并推出各自的e i - i p s 系统。 1 带向盘；2 转向伺服棚；3 一进油管路；4 出油管赂；5 一限压橱：6 - 电动机； 7 液压泵# 8 - 储油罐 9 - 转向节臂：l o - 液雎动力缸：1 1 一齿轮齿条转向器f1 2 车轮 图l 一2 电动油泵式液压助力转向系统结构示意图 1 2 转向系统节能的研究现状 1 2 1 国外研究状况 国外在研究电动液压助力转向统( e h r s ) f i t ，1 9 9 5 年日本t o y o d am a c h i n e w 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【l ”，根据泵的出 口压力来控制泵的流量控制阀，从而降低动力泵在非转向时的输出转矩，来达到 节能的目的。实验表明，这种动力泵比传统的动力泵在非转向工况下节能3 0 。 但是泵的流量特性不理想，没有能够在转向时根据车速情况提供流量的问题。 1 9 9 6 年日本t o y o d am a c h i n ew o r k 公司的y o s h i h a r ui n a g u m a 等人研发用于电动 液压助力转向的节能技术1 1 2 l 。这种技术用于中位闭式转向系统，通过一种结构 特殊的压力检测装置和一个电控单元，控制泵的电动机在非转向情况下以很低的 速度转动，达到节能的目的，此时产生的少量流体从液压元件的间隙中泄漏掉。 电动液压助力转向系统( 肿s ) 相对于电动助力转向系统( e p s ) 而言，由于控 制技术的日趋成熟，系统可以采用大功率无刷电机来驱动油泵，故而其应用范围 比电动转向的范围要更广泛。 3 江苏大学硕士学位论文 电动液压助力转向系统( e h p s ) 不需要发动机驱动，所以对发动机中置或后 置的中型以上的乘用车来说，即可以提供较大的转向力，又可以满足整车席置的 需要。这一优点在丰田发动机中置的m r s 等车上的转向的得到了应用【1 0 1 。同时， 对于混合动力汽车而占，这种系统又有很好的适用性。国外几家公司将电动液压 转向系统应用于混合动力车，d a n a 公司2 0 0 2 年为通用s i e r r a 和雪佛莱s i l v e r a d o 混合动力皮卡提供电动液压助力转向系统。d a n a 主席j o em a g l i o c h e t t i 自豪的说 到d a n a 是首个在北美4 2 v 电压混合动力皮卡上采用e h p s 模块的厂家【1 3 1 。d a n a 公司认为未来e h p s 将取代传统的液压转向助力系统。该公司预测到2 0 1 0 左右， 欧洲全部小客车的三分之一将采用e h p s 。那时全球每年的e h p s 产量达到1 0 0 0 万套【1 4 1 。日本光洋( k o y o ) 自2 0 0 0 年起已经批量生产了电动泵式的液压动力转 向系统。相比于电动转向，这种转向较容易增加动力，并被认为可能成为液压动 力转向中最节能的一种方式l l ”。在电动液压助力转向系统的开发和生产中，目 前t r w 汽车公司在世界上居于领先地位，也是第一家在欧洲市场提供电动液压 助力转向的公司p 6 。2 0 0 4 年该产品在欧洲市场的年销售额是9 亿美元左右，该 公司预计在2 0 0 7 年的年销售额将达到1 2 亿美元。 1 2 2 国内研究状况 在国内，1 9 9 8 年同济大学的周俊龙对动力转向器的机液伺服控制系统的瞬 态响应进行分析旧；1 9 9 8 年华东交通大学的洪家娣等人对车辆液压动力转向器 的动态优化设计进行分析i 坞l ；1 9 9 9 年季学武和清华大学的陈奎元对动力转向装 置的发展与节能问题进行了讨论，通过对几种典型的动力转向装置的结构形式， 着重对比它们的能耗。由此得出中位开式转向系统通过增加油压和改变油泵的驱 动型式；中位闭式动力转向系统的油泵仅在必要时才工作，能耗小；电动助力转 向能耗最小，它从节能的角度分析来看动力转向系统的发展趋势【伸】。在1 9 9 6 年， 华东理工大学的张国强提出利用m a t l a b 对电动汽车做计算机模拟的方法，利 用其中的s i m u l i n k 模块为电动汽车的设计和研究提供了参考脚i 。 在2 0 0 2 年大众p o l o 轿车上率先采用了国内罕见的速度感应式电动液压助 力转向系统( 由t r w 公司提供) ，掀开了我国汽车动力转向器历史上的新的一 页【2 ”。国内所有经济型轿车中目前只有p o l o ，装配这一电动液压助力转向的车 型。由于它在转向方面的优越性，很受广大客户欢迎。国内引进生产的其他中高 4 江苏失学硕士学位论文 级轿车、经济型轿车都没有采用e h p s 系统。在2 0 0 6 年，我国的汽车产量达到 7 2 8 力辆，轿车产量为3 8 7 力辆左右，其中小排镀轿车增幅达6 0 左右，绝大部 分采用机械转向或液压助力转向。目前在黄山金马投资生产汽车电动助力转向 器，但是核心控制部分均是从国外进口的。随着汽车节能技术的发展，今后大部 分微型车和轿车都将采用电动液压和电动助力转向器。就它们的产量而言，若国 内1 3 的微型车和轿车采用电动液压和电动助力转向器，就将需要大约2 0 0 多万 台电动液压或电动助力转向器。随着时间的推移，对它们的需要量将迅速增加。 因此，电动液压助力转向系统的市场前景将十分广阔。 在国内，目前清华大学为完成8 6 3 燃料电池大客车项目，而开发的第一代电 动转向油泵并已成功地应用于8 6 3 燃料电池大客车项目的数辆试验样车上1 2 2 l ，但 在一些关键技术上还没有突破性进展，在总体性能上还不理想。其他高校和科研 机构进行了一些研究，但没有对此做相关报道。重庆市在2 0 0 4 年8 月开始将e h p s 项目列为重点扶持的汽车零部件产业。 此外还有一些厂家对e h p s 项目处于探索阶段，如浙江恒隆万安泵业有限公 司成立了电机、油泵技术研究所，产品结构将向电磁阀控制的液压助力和由电机 驱动的电动液压助力方向发展，但目| j i 尚未有成熟的技术产品投向市场。e h p s 的优点以及它不断扩大的市场正使得国内的专家学者以及相关企业对e h p s 产 生越来越浓厚的兴趣，并将成为国内汽车技术发展的另一个热点。 从国内的发展状况来看，近几年转向系统的研究比较集中在转向系统节能、 电动力转向系统的改进和实用化、人车系统的各种分析和研究等问题上。对于电 动助力转向系统，由于本身结构和工作原理的关系，我们更多地是考虑到在未来 的电动汽车的应用上，所以对目前普通的汽车转向系统的改进直接作用不明显。 1 3 本课题研究的目的和意义 1 3 1 论文研究的目的 本课题通过对液压助力转向和电动助力转向这两种系统的研究分析与比较， 为开发研制电动液压助力转向提供相关知识和技术储备。在这基础上，对轿车提 出电动液压助力转向的具体的节能方案，进而研制来出适合轿车的电动液压助力 转向系统的样机。 5 江苏大学硕士学位论文 在未来的十几年里，我们将迎来汽车消费的一个高潮，随之而来的对能源消 耗的增加，以及对环境的影响将是一个不容忽视的问题。因此，本文将从降低能 耗的角度入手，对转向系统进行研究。图3 是各种动力转向器的能耗比例【l o i 。 阂 黝_ h f 5e h t s e p s 图l - 3 各种动力转向器的能耗比例 1 3 2 论文研究的意义 在我国，能源形势不容乐观。我国人口占世晃的1 5 ，而能源资源相对匾乏。 我国已探明的煤炭储量占世界储量的1 1 、原油占2 4 ，天然气仅占1 2 ，人 均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油更被国家列为短缺矿产资源的 首位。据估计，汽车用油可能占到目前世界石油消费总量的4 0 ，如果能最大 可能地降低汽车这一“用油大户”的耗油量，无疑将对我国的能源形势产生积极 的影响。 目前世界的汽车保有量突破9 亿辆大关，并且还在迅速增长。它给人类以巨 大的贡献，同时也给环境造成了巨大的危害。地球环境问题包括的范围很广，大 致可分为温暖化、酸性阿、臭氧层破坏、热带林减少、沙漠化、海洋污染、有害 废物的越境移动、野生动植物减少及发展中国家公害9 个方面1 2 3 1 。其中许多方 面都与燃用矿物燃料的汽车有直接关系。国家统计局r 前公布的2 0 0 6 年国民经 济和社会发展统计公报显示：随着轿车进入家庭步伐的不断加快，截至2 0 0 6 年 底，全国私人轿车保有量达到1 1 4 9 万辆，比2 0 0 5 年的8 6 0 6 7 万辆增长3 3 5 。 而据有关资料显示，目i i i 我国城市中空气污染7 0 来自汽车废气的排放。因此， 降低汽车废气的排放，对于改善和提高城市的空气质量也是不容忽视的。 汽车技术领域的节能研究其实是一直在进行着，但在以往的工作中，研究人 员主要关注的足如何降低发动机和传动系统的能耗，甚至为了在每百公里降低零 点几升的油耗而投入大量成本，而对辅助系统如转向助力系统等则关注较少。8 0 6 江苏大学硕士学位论文 年代以来，为了提高行驶的安全性和驾驶的舒适性，国内外生产的大、中、小型 汽车大都应用了液压式转向助力系统，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。但是经过分 析研究可知，无论是国外的还是国产( 仿造外国) 的转向助力系统都存在较大的能 量损失，整个转向系统要消耗原动机约3 的能源，但真正转向消耗的能量只占 其中的4 0 不到，而另外6 0 左右的能量不仅白白浪费掉了，而且会增加液压 系统的发热量，降低使用寿命，产生噪声和增加尾气排放。 综上所述，我们可以看出，对现有转向助力系统进行节能技术的研究是非常 必要和有意义的，它对于进一步降低汽车能耗，减少汽车尾气对环境的影响都有 着不可忽视的作用。 1 4 本课题的主要研究内容 本文在对电动液压助力转向系统进行动态建模和仿真基础上，研究电动液压 助力系统的控制策略、控制方法以及与液压助力转向相比的节能分析，设计样机 并对电动液压助力转向系统进行台架试验验证。具体内容包括： ( 1 ) 对现有中位开式液压助力转向系统进行能耗分析； ( 2 ) 对现有中位闭式液压助力转向系统进行能耗分析； ( 3 ) 对中位开式电动液压助力转向系统进行能耗分析与建模仿真； ( 4 ) 对中位闭式电动液压助力转向系统进行能耗分析与建模仿真； ( 5 ) 对能耗分析与仿真结果进行讨论并得出结论。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章汽车转向助力系统能耗分析 本章主要对液压助力转向系统( 中位开式和中位闭式) 和电控液压助力转 向( 中位开式和中位闭式) 这两种助力转向系统进行能耗分析。 2 1 现有传统液压助力转向系统的能耗分析 目前，在使用的汽车转向助力系统中，绝大部分都是传统的中位开式液压转 向助力系统，它的优点是结构简单、液压泵寿命长，转向手感好。 2 1 1 传统中位开式转向助力系统结构组成和工作原理 传统的中位开式转向助力系统由转向器总成( 包括转向器、转向控制阀、助 力缸) 、转向液压泵、油箱、液压油管及软管等组成，如图2 - 1 所示。转向液压 泵通常由发动机驱动，泵的排量根据发动机在怠速时能使转向助力系统产生足够 的转向速度所需要的供油量来确定。由于泵的流量与发动机的转速成正比，当发 动机转速提高时，多余的油液须经流量控制阀流回油箱。为了减轻重量和体积， 降低成本，转向液压泵大多采用双作用式定量叶片泵。通常，转向液压泵内自带 限压阀和流量控制阀，如图2 - 1 中所示。此类转向助力系统的最大特点是采用中 位开式转向控制阀。转向盘处于不转向的中间位置时，由于与转向柱相连的转阀 阀芯外圆上槽脊的宽度小于阀套内圆周上槽的宽度，来自转向液压泵的液压油经 过槽和槽脊之间的间隙( 预开口) 、阀芯上的径向孔流回油箱。当方向盘向右转动 时，转阀阀芯随转向柱发生偏移，使得液压油从转向液压缸的左腔流入，同时右 腔与油箱相通，排出多余的油液；转向油缸的活塞在压力油的作用下，推动车轮 向右偏转，实现汽车转向。当方向盘向左转动时，过程与右转恰好相反。 8 江苏大学硕士学位论文 盎曩齿轮齿豢式转向毒液压动力缸 售油誓发动机 图2 - 1 传统中位开式转向助力系统 2 1 2 传统中位开式转向助力系统的能耗分析 传统中位开式转向助力系统动力源是汽车的发动机。转向系统的液压油泵通 过传动带与发动机相连，因此，泵的转速与发动机转速成正比。通过研究发现， 发动机驱动的中位开式转向助力系统存在如下三方面的能量损失： ， ( 1 ) 转向液压泵的能量损失w 1 ：出于降低成本的需要，转向液压泵大多采用 双作用定量叶片泵；泵的排量是个定值，因此为了保证在低速时也能提供足够的 流量，通常按发动机最低转速来选用液压泵，而当汽车高速行驶时，这一流量会 成倍的增长，目前采取的措施是附加旁通阀使多余的流量溢流，来保证发动机转 速增大时提供转向的流量不变。由于汽车在行驶过程中，发动机转速在绝大部分 时间罩都是高于怠速的，从面造成了能量损失。 ( 转向机构输出与负载不匹配产生的能量损失w 2 ：当汽车在低速行驶下 转向r 车速低于1 5 k i n h ) 时，由于静摩擦力的影响，需要较大转向力矩，目前的转 向系统正是以此工况来确定系统的输出流量和压力。但当车辆高速行驶时，转向 所需力矩减小，车速超过5 0 k m h 时，仅为低速时的1 8 ，而这时供给转向阀的流 量仍然不变，甚至增大，造成泵出口压力升高，所以存在与车速有关的能量损失。 f 3 ) 与转向器工作特点有关的能量损失w 3 ：统计资料表明，汽车在行驶过 程中有一个重要的特征，就是在行驶当中，转向动作实际是非常少的，除去启动 和停车( 把车从停车场开出驶入车道) 以及在十字路口转向，剩余的时间罩绝大部 分都处于非转向工况，即使这条路线中很少包括直道。 9 江苏大学硕士学位论文 5 0 4 0 孽嚣 ”0 翻- 1 0 - 2 0 - 3 0 图2 - 2 齿条位移和时间的关系曲线 图2 2 所示的齿条位移和时间关系曲线清楚地说明第三种能量损失特性2 4 1 。 在这一曲线中，纵轴所示的齿条位移与驾驶员操纵方向盘的转向角成正比。齿条 位移越大，说明驾驶时方向盘转角越大，所需的转向助力就越大。齿条的位移为 零，说明此时没有转向动作，方向盘处于中位位置。从曲线中我们可以很明显地 看到，转向系统的工作周期只占车辆行驶时问的约2 0 ，即8 0 的时间里转向 系统不做有效操作，而此时系统由于其特点仍在向转向助力阀提供连续的供油， 为了克服系统的背压( 由流量控制阀、转向助力阀及去油、回油管道引起) ，供油 必须保持一定的压力，从而引起较大的能量的损失，这种能量损失也被称为寄生 损失。 从上述的分析中我们可以看出，以上三种能量损失的产生，主要的原因是转 向系统的液压泵无法根据转向的需要来输出压力油。那么，如何使液压泵能按照 转向系统的工作情况提供相应的能量，就成为降低传统中位开式转向助力系统的 能耗的关键所在。 2 2 几种转向助力系统节能方案的原理介绍和能耗分析 目前，针对传统中位开式转向助力系统能量利用率偏低的问题，研究人员提 出了不少解决方案，归纳起来，有以下几种： ( 1 ) 采用变量泵替代定垦泵，通过压力反馈控制变量泵的流量，使其能根据转 向系统的需要来输出压力油。 ( 2 ) 采用伺服电动机作为转向系统的动力源，通过车速、方向盘转角等信号， 经过e c u 处理来控制电动机转速，使液压泵的输出砌转向系统的工况匹配。 l o 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 改变转向系统的工作原理，采用中位闭式转向系统，通过蓄能器来提供工 作液压油。在中位闭式系统中，又分为由发动机驱动和由伺服电动机驱动两种。 下面，我们就对上述系统作详细的说明和分析。 2 。2 1 采用变量泵的中位开式转向助力系统 这种转向系统的组成与传统的中位开式转向助力系统基本相同，主要的区别 在于转向液压泵。图2 - 3 为采用变量泵的中位开式转向助力系统的示意图。 煎曩拉轮齿条置转河嚣霰压动力怔 图2 - 3 变鼍泵中位开式转向助力系统 在工作过程中，当工作压力p 1 升高时，泵的出口压力p 2 还未来得及发生变 化，此时，调节活塞的受力平衡被破坏，活塞在右侧压力作用下，推动变量泵定 子向左移动，压缩弹簧，同时增大了变量泵的偏心距e ，从而增大了泵的流量， 由于泵的流量增大，泵的出口压力p 2 随之上升，直到调节活塞的受力建立新的 平衡为止。 由于采用了变量叶片泵，当转向系统处于非工作状态时，卸荷压力p o 相当 小( 约为0 2 0 5 m p a ) ，作用在调节活塞上是一个较小力，这样，变量泵定子便 由于弹簧力的作用左移，结果使得变量泵的偏心距e 减小，从而大大减小转向系 统在非工作状念下的流量，进而有效地减少了与转向器工作特点有关的能量损失 w 3 。当转向系统处于工作状态时，由于泵输出的流量随转向系统的工作压力而 变化，与传统中位歼式转向系统相比，它的能量损失w l 和w 2 也要小许多。不 过，由于变量泵仍是以发动机作为动力源，因此，无沦是在工作状态下，还是在 工作状态下，动力源转速与系统工况不匹配而造成的损失却无法完全避免。 2 2 2 电动中位开式转向助力系统 电动中位开式转向助力系统组成与传统中位开式转向助力系统基本一致，唯 1 1 江苏大学硕士学位论文 一的区别就在于转向系统的动力源，如图2 - 4 所示。由于采用了伺服电动机作为 转向系统的动力源，当系统处于非工作状态时，通过e c u 控制伺服电动机维持 一个很低的转速，从而将液压泵在非工作状态下的输出降到最小。当系统进入工 作状态时，伺服电动机很快作出响应( 小于0 5 秒) ，并且根据车速调节伺服电动 机的转速，保证转向液压泵输出的流量符合系统工作的需要。 负羹齿轮齿条式转向零疆压动力缸 嚣擅一 羁飘电动机 图2 _ 4 电动中位开式转向助力系统 由于这种转向系统的动力源可以根据系统的工作情况作出相应的调节，所以 在液压泵的选择上，不必像传统的中位开式转向助力系统那样，考虑满足最低车 速的工况，而是可以根据节能的要求，选择一个排量大小适中的液压泵。在非转 向工况下，液压泵维持在很低的转速下，而且泵的排量较之传统中位开式系统的 液压泵要小很多( 约2 3 到3 4 左右) ，这样就能有效地减少非转向工况下的寄生 损失；在低速行驶工况下转向时，转向系统可以通过提高伺服电动机的转速来满 足转向负载较大的工况要求；高速时，随着摩擦力的下降，转向系统又可以通过 调节伺服电动机满足高速稳定性的要求，同时液压泵输出的能量与转向系统工 况相匹配，能量利用率较高。 但是，由于中位开式系统的工作特点，对于在非转向工况损失，电动中位开 式转向助力系统仍无法完全避免。另外，作为动力源的伺服电动机，其电能来自 汽车发动机带动的发电机。由发电机、变压装置、电动机组成的电系统，它的效 率相当的低，约为o 2 2 1 2 4 1 ，这样，就使得电动中位开式系统的整体能疑利用率 大为降低。 2 2 3 中位闭式转向助力系统 中位闭式转向助力系统与中位开式转向助力系统的有很大区别，其主要特点 江苏大学硕士学位论文 是转向控制阀常闭，即在非转向工况下，转向控制阀足关闭的，油缸与系统的其 它部分被转向控制阀隔开；系统中带有蓄能装胃，工作时，油缸的压力油由蓄能 装置提供。根据动力源的不同，中位闭式转向助力系统又分为传统中位闭式和电 动中位闭式。 ( 1 ) 图2 5 所示传统中位闭式助力转向系统。当方向盘处于不转向的中问位 置时，转向阀的进出油1 3 关闭。液压回路中装有蓄能器，当蓄能器中的压力低于 某一值时，为了保持压力平衡，液压泵向蓄能器供油；当蓄能器中的压力达到另 一较高值时，蓄能器基本保持平衡时，液压泵停止向蓄能器供油。由于蓄能器中 总保持一定的工作压力，所以也被称为常压式转向助力系统。这种转向系统液压 泵由发动机直接驱动。 负复齿轮t 皇素式转舟嚣藏匿动力缸话漉 发动桩 图2 - 5 传统中位闭式转向助力系统 对于机械驱动中位闭式转向助力系统，由于采用了蓄能器为转向系统供油， 因此在液压泵的选择上，可以象电动开式转向助力系统那样，选择一个排量大小 适中的液压泵。这样，就町以有效地减少非工作状态下能量损失。当然，由于机 械驱动的闭式系统是由发动机直接驱动，因此在转向系统不工作时，卸荷损失仍 是不可避免的。 江苏大学硕士学位论文 蠹筑 蠼轮齿条式转国墨 藏压动力缸储油薯 图2 - 6 电动机驱动中位闭式转向助力系统 ( 2 ) 图2 - 6 所示电动机驱动中位闭式转向助力系统。当采用电动机驱动时， 情况就有了很大的变化。转向助力系统可以通过压力控制器来控制电动机的启 停。当转向阀的输入和较大输出的压力差很小时，可以停止电动机的工作，从而 彻底杜绝在非工作状态下转向系统的能量损失。这样，在理论上，电动闭式系统 中电动机所做的功都提供给转向系统工作了。但是，由发电机、变压装置、电动 机组成的电系统，效率相当的低，所以从整体上来讲，电动中位闭式转向助力系 统还是存在相当的能量损失。 2 3 汽车转向助力系统节能方案的确定 我们简单的对电控液压助力转向系统的各种能耗进行分析。在待命模式下， 驾驶员不需要助力，所以功率输出在于转向横拉杆，液压功率为零。系统的所有 功率都是无用功。图2 7 表明了系统各部分能量消耗【2 5 1 。主要的能量损失来自于 电机和转向阀。e c u 的能量损失最小。 e c ij 图2 7 系统备部分能量消耗 1 4 江苏大学硕士学位论文 从上文中我们可以看出系统的主要功率损失存在于电机和转向阎。在所有的 传动循环中，与电输入功率相比，转向横拉杆所需的功率最小。然而，系统的功 率损耗主要由待命模式决定。要权衡提高从待命模式转换到助力模式的快速性和 节能需求这两方面的因素，仔细进行系统设计。图2 8 和图2 9 显示了系统的瞬态 能量流1 2 ”。 在低转向需求时，系统主要工作在待命模式。总功率消耗约为i o o w 。在不 同路面状况下功率消耗变化很小。功率主要消耗在电机和转向阀上。平均液压功 率、转向横拉杆功率和驾驶员输入功率很低。 瓣 图2 - 8 城市t 况下e i t p s 系统能量流动图2 - 9 城市工况下e l f p s 系统能量流动( 急速i ：升) 在设计过程中，我们根据泵的输出功率得到液压输出功率，但液压损失主要 来自于转向阀，泵的功率来自于电机( 或发动机) ，而电机( 或发动机) 的功率 由控制装置提供。表1 列出了e h p s 功率流的平均值( 其中单位为w ) 2 5 1 ，但为了 获得更有代表性的观点，计算时采用l o o s 行驶并完成规定操作而获得的数据。 表2 - 1 不同路面状况的平均功率损失 待命状态乡村路面城市路面高速路面 功率需求 9 61 1 91 0 31 2 l e c u9 l1 1 29 71 1 5 电机 4 46 45 46 7 泵 3 34 94 05 1 液压损失 oo 5 90 1 l0 0 2 转向横拉杆功率 0 o 4 3o 0 8o 驾驶员输入功率 o o 1 9o 0 6o 0 l 摩擦 o 0 3 5o 0 90 0 2 2 3 1 几种节能方案的能耗比较 根据目前国内城市汽车使用情况，结合资料中所给出的实验数据例，可以 推算出以下四种转向助力系统每百公里通过原动机消耗的燃料，如图2 1 0 所示。 1 5 江苏大学项士学位论文 从图2 - 1 0 中可以地看出，电动中位闭式转向助力系统百公里所消耗的燃料最少， 仅为传统中位开式转向助力系统能耗的1 3 。从节能的角度，电动中位闭式转 向助力系统是转向助力系统的最佳选择。 点 窨 s 霭 缓 螺 耀 溪 嚣 o 褥 l234 越- 城市工况 口高速公路工况 l - 传统中位开式助力转向2 一电动中位开式助力转向 3 一传统中位闭式助力转向4 电动中位闭式助力转向 图2 一l o 不同助力转向系统百公里油耗 图2 一1 1 是电动中位开式系统和电动中位闭式系统的能耗比较渊。从图中我 们可以清晰地看出电动中位闭式转向助力系统的优势。在低速时，由于此速度下 转向动作较多，所以电动中位闭式系统的能耗为传统中位开式系统能耗的4 0 一6 0 。随着车速的不断升高，转向动作不断减少，并且转向幅度减小，此时， 电动中位闭式系统由于没有中位状态下的寄生损失，所以能耗急剧下降，而同时 中位开式系统却由于引擎转速的提高导致寄生损失进一步增大，这时，电动中位 闭式系统的能耗仅为中位开式系统的1 一1 0 。 图2 - l l 电动中位开式系统和电动中位闭式系统的能耗比的分布图 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 汽车转向助力系统节能方案的选择 随着汽车技术的发展，电动汽车成为汽车未来发展的主流方向之一。因此采 用以电动机为动力源的转向助力系统将是一个不可避免的趋势。电机驱动的液压 转向助力系统不但能够直接应用于未来的电动汽车，同时保持了液压转向助力系 统良好的工作性能。因此，本文对汽车转向助力系统节能方案的选择，将集中在 电动液压助力转向系统上。 在前述的转向系统当中，就节能而言，电动中位闭式转向助力系统是汽车转 向助力系统节能方案的首选。但是，由于汽车转向助力系统在使用过程中首先需 要满足的是转向性能，例如：转向的机动性、可靠性，转向助力的舒适性等。因 此，在汽车转向助力系统节能方案的选择当中，还需对系统的转向性能加以讨论。 在接下来的论文当中，将对上文提到的两种电动转向助力系统进行仿真分析 和比较，以确定出汽车转向助力系统在目前情况下比较好的节能方案。 2 3 3 电动液压助力转向系统的特点 由于电动液压助力转向系统作为向电动转向过渡的中间产品起着承前启后 的作用，集液压式转向和电动式转向的优点于一体。所以它除了节能环保的特点 之外还有以下特点： 1 结构简单，布置容易。因为它的主要部件均可以组合在一起，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，重量要轻，这样 整车布置就很容易； 2 控制结构简单。可以通过控制电动机的电流或电压幅值，就能实现自动控 制； 3 转向盘的转向特性、转向手感和汽车的稳定特性，可以通过软件来进行优 化，所以其功能显然优于传统液压助力转向系统。这种设计优化了转向操纵，提 高了驾驶员的转向舒适性和灵活性，克服了转向“发飘”的感觉，使得驾驶员有 显著的路感，保证在高速下行驶时的稳定性和安全感； 4 能提供可变的助力转向特性。 2 3 4 电动液压助力转向系统主要组成部件的确定 1 电动机的选择 电动液压转向助力系统中一个非常鼋要的部分是电动机，这罩选用小型永磁 3 江苏大学硕士学位论文 无刷直流电动机作为系统的驱动电机。小型永磁无刷直流电动机具有以下几个优 点： ( 1 ) 与普通电动机相比体积小、重量轻； ( 2 ) 散热容易，可靠性高，维护方便； ( 3 ) 响应快、转速不受机械换向限制； ( 4 ) 调速简单，便于控制。 ( 5 ) 无励磁损耗 ( 6 ) 通常状况下，能提供更大的功率，适用车型广泛。 2 液压泵的选择 考虑到减轻重量和体积，降低成本，提高容积效率和机械效率，转向液压泵 采用齿轮泵。 3 蓄能器的选择 选用目前常用的气体加载式蓄能器，考虑到转向助力系统的安放位置及满足 转向需要，选蓄能器总体积为2 5 l 。 2 。4 本章小节 本章介绍了现在流行的四种助力转向系统，它们分别为传统中位开式液压助 力转向系统、传统中位闭式液压助力转向系统、开式电动液压助力转向系统和中 位闭式电控液压助力转向系统。 通过对每一种助力转向系统的能耗进行分析，确定电控液压助力转向系统的 节能特性。通过国外一些机构的研究数据得出本课题电控液压助力转向系统的方 案、特点以及主要参数。 4 江苏大学硕士学位论文 第三章电动液压助力转向系统仿真模型 电动液压助力转向系统是由机械部分、电动油泵和液压管路部分组成，比较 复杂，要建立精确的模型比较困难，本章在建立系统模型时作了一些必要的简化 与假设。建模时，首先将整个电控液压助力转向系统分成若干子系统，分别建立 相应的子模块，然后再组合成整个系统模型1 2 6 1 。 整个电动液压助力转向系统主要由以下几部分组成：转向盘、转向轴、储油 罐、动力缸、直流电动机、油泵、转阀、电控单元、齿轮齿条转向器、转向节臂 以及车轮等组成，如图3 - 1 所示。 图3 - 1 电控液压助力转向简化模型 汽车的操纵稳定性是指汽车按司机指令正确行驶以及在行驶过程中抵御外 界干扰保持正确航向的能力。在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个系