（机械电子工程专业论文）汽车转向助力系统的节能研究.pdf

五味埋i 。人学坝i 学位论义 摘要 传统的- t f 童jr 式转向助力系统， 4 fr ! t f l 身n 1i 。1 1 n ：洲 ，笠成能；i ： 剧 j 率较低。小文在详细分析传统t 位儿j 转助j 系统的j 驯：1 ，参 与7 i 关的研歹：和资料，对现有的几科- 转向助力系统的节能方袈f 1 = 丁逐 的分析，并进行了节能效果的比较。这几种转l i j 助j 系统包 、：变b 泉 l 1 位玎式转向助力系统、电动中位丌式转向助力系统、机械巾f 节闭，转 川助力系统和电动中位闭式转向助力系统。通过分析和比较，指 也动 转向助力系统将是转向助力系统节能的主要发展方向。采f 刊m a t l a b 60 作为仿真平台，利用其中的s i m u t i n k 工具箱作为仿真j 其，州稀 水磁 尼刷直流电动机进行了仿真。在此基础上，建了电动中位丌利电动 中位闭式两种电动转向助力系统的仿真模型。利用仿真模型研究了两种 电动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，电动中位丌式转向助力系 统的综合性能优于电动中位闭式转向助力系统，应是传统一半1 位转向助力 系统节能的首选方案。 关键词：转向助力系统中位开式中位闭式仿真节能 太原j 坐i i 凡学f l ! ；| i + 学竹论殳 a b s t r a c t a st h el i m i to fi t s o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h e c o n v e n t i o n a l c e n t e r - o p e n e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a d ai o w e re n e r g y u t i l i z i n g r a t e i nt h i s p a p e r , b a s e do na n a l y z i n gt h ec o n v e n t i o n a l c e n t e r - o p e n e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi nd e t a i l ，r e f e r r i n gt o r e l a t i o n a ls t u d ya n dd a t a ，t h ep r e s e n ts e v e r a le n e r g ys a v i n gs c h e m e so 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 mw e r es t u d i e do n eb yo n ea 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 y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mw e r ec e n t e r - o p e n e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m w i t h v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ，c e n t e r - o p e n e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e mw i t he l e c t r o m o t o r ( 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 ) ，m e c h a n i c a l c e n t e r - c l o s e d 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 ， c e n t e r - c l o s e d 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 gs y s t e m t h r o u g ha n a l ) z i n ga n d c o m p a r i n g ，i tc a nb ep r o v e dt h a tt 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 s y s t e mw i l lb ed e v e l o p e dm a i n l yi nt h ef u t u r e i nt h ee n v i r o n m e n to f m a t l a b 6 0 ，u s i n gt h es i m u l i n kb l o c k s e t ，t h ep e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s s d i r e c tc u r r e n te l e c t r o m o t o rw a ss i m u l a t e d b a s e do nt h i s ，t h em o d e l so f t h et w ok i n d so f 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 gs y s t e m ，t h e c e n t e r - o p e n e de 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 gs y s t e ma n dt h e c e n t e r - c l o s e de 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 gs y s t e m ，w e r eb u i l t u s i n g t h em o d e l s ，i tw a ss t u d i e da n dc o m p a r e dt h a tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca n d r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft w ok i n d so fe 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 s y s t e m o nt h eb a s i so fr e s u l t so fs i m u l a t i o n ，i ti sp o i n t e dt h a t ，i nt h e c o n d i t i o no fp r e s e n tt e c h n o l o g y , t h ec e n t e r - o p e n e d e l e c t r o h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sb e t t e rt h a nt h ec e n t e r - c l o s e de l e c t r o h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e ma n di ts h o u l db et h ef i r s ts c h e m ef o rt h ee n e r g y s a v i n go ft h ec o n v e n t i o n a lc e n t e r - o p e n e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rs t e e r i n gs y s t e m c e n t e r - o p e n e d c e n t e r - c l o s e d s i m u l a t ee n e r g ys a v i n g 太臆挫i ：人学坝i 。学位论上 第一章概论 1 1转向系统的发展历史及其原理简介 1 1 1 普通转向系统的发展历史及其原理简介 为使汽车或行走式工程机械按一定方向( 直线或曲线j 行驶i m 殴嚣 的一套由驾驶员操纵的机构，称为转向机构。普通的转向机构山转向操 纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。 最初的转向系统是机械式的，美国在1 8 7 6 年就有了第一个机械动力 转向专利，主要应用于重型汽车上。一般机械式转向系统由两部分组 成，一部分是转向器，它包括方向盘、转向轴和转向传动副：另一- 翻：分 是转向传动装置，它包括转向垂臂、转向纵拉杆、转向节臂和转向梯形。 圈l l 所示是一典型的机械式转向系统1 2 l ： i 方向盘2 转同轴3 蜗杆4 齿南5 转向垂臂6 转向纵拉杆7 转向节臀8 土销 9 、1 2 转向梯彤臂1 0 转向横拉杆1 i 前轴( 粱11 3 - 转向节 图l l 汽车转向系示意图 其工作过程如下：驾驶员向左或向右转动方向盘1 时通过转h 轴 2 和蜗杆3 、齿扇4 传动副使转向垂臂工绕其轴线摆动再经转向纵拉 太胤理t 人学倾i j 学位论立 朴6 和转向节臂7 使矗转向轮绕j 三销8 向走或向右偏转，h 时义迎过 0 向梯形9 、1 2 和转向横拉杆1 0 使右转向肖1 3 和右转向轮绕其卜销f 1 ：m 方向偏转，汽车向z r 二或向右行驶。 随着汽车运输的发展以及工程机械的，一泛应用，方面对驾驶机动 性提出了更高的要求，另一方面重型载重汽车及工程机械的出现使转向 阻力大大增加，同时为了减轻驾驶员的劳动强度，也要求转向系的操作 尽量轻便、灵敏。这时般的机械式转向系统已经不能满足需要了，洲 而便出现了所谓的“动力转向”一利用发动机或其它动力源作为偏转转 向轮的主要( 有时甚至是全部) 力源，来实现转向。首先得到，1 泛应用 的转向助力机构是液压式的，国外在三十年代末、四十年代初开始研制 液压转向助力系统，从五十年代开始，液压转向助力系统就在汽车和汽 车起重机上获得了成功的应用，随后发展的是全液压转向助力系统，八 十年代中后期又出现了电子控制的液压转向助力系统。 一个液压式转向助力系统可以看作是在一般机械式转向系统的基 础上，增加了一套由转向油泵( 通常含流速控制阀和溢流阀) 、控制阀、 动力缸、油箱和管路组成的液压助力系统而组成的。图l 一2 所示是一 典型的液压转向助力系统。 图1 2 典型液压转向助力系统示意图 系统的基本工作原理是发动机动力经皮带和皮带轮传给转向助力 油泵，利用油泵产生的油压，根据方向盘的转动，通过控制阀不断改变 输出油压的大小和油缸的运动方向，以实现对转向器的助力作用。 最初的液压转向助力系统提供的转向助力是恒定的，随着人们对车 辆性能要求的进一步提高，出现了新型的变助力液压转向助力系统。这 种新型转向助力系统的助力随车速和转向盘转动速度自动改变，助力大 小是由安装在转向泵上的助力转向控制阀开度决定的，而阀的开度则由 太撩理t 人毕葶! i 哗位论义 i 乜子装置来控制，其原理如图1 3 所示： 动力转 i lj l 嚣薹陋 悻 向控制 。转向l l 荔基羹转述也 阔泉 图1 3变助力的液压转向系统控制原理图 在液压转向助力系统发展的同时，工程师们对电动力转向系统( e p s l 也进行了研究。这一研究从二十世纪5 0 年代就开始了但出于在电力 电子方面的技术发展尚不能满足需要，因而直到八十年代中期之前，电 动力转向系统仍停留在实验阶段，且在性能与价格方面都无法与液压动 力系统相比。但是随后的情况有了大的变化，大量新的电子技术的应用 使电动力转向系统终于走到了汽车工业的舞台上。1 9 8 8 年2 月，闩本 铃木的c e r v o 生产了的第一辆带电动力转向系统的轿车，之后闩本的 大发公司的m i r a 型、铃木公司的a l t o 型微型轿车都开始采用电动 力转向系统。 进入二十世纪九十年代，电动力转向系统更成为各大公司研发的主 要对象。1 9 9 8 年北京第五届国际汽车展会上，德国z f 公司、英国卢卡 斯一伟利达公司和美国德尔福公司等外国公司，展出了多种电子控制电 动力转向系统1 3 i 。这些转向系统都具有1 ) 轻质量和低的能耗2 ) 安装 容易且不须维护保养3 ) 高水平的转向功能和精度的优点，另外z f 公 司的z f s e r v o l e c n u c 转向系统，可在转向机构中采取不同的安装 型式，可适用于各种车辆，如小型车、中型车、大型车和商用车。卢卡 斯一伟利达公司展出的电控动力转向系统，只需将转向系统与一台手提 电脑连接，即可对转向特性进行设定。德尔福公司的m a g n a s t e e r 磁力辅助转向是世界上最灵活、多用途的可变作用力的动力转向系统。 虽然目前由于性价比及功能稳定性等方面的原因，电动力转向系统还无 法取代液压动力转向系统，但其众多的优越性使其成为了汽车动力转向 的必然方向。 一种电子控制电动力转向系统如图i 一4 所示1 4 l 。 输入轴与行星齿轮系统中的主齿轮相连，环齿轮由电动机经蜗杆驱 动，这样使行星齿轮系统能够旋转且使输入轴与输出轴同步，输出转矩 是通过齿轮传动比来增大的。电动机的助力是通过如下过程实现的。首 先传感器测量转向盘旋转方向及旋转角度，并将信息通过检测电路传递 给微处理器，微处理器依据该传感器提供的信息，计算出所需的助力大 太原理t 人学娥1 学位论文 小，然后将控制信号通过控制电路发送到电动机。驱动电机按需要带动 转向机构进行转动。 杼重轮 图1 4 电子控制助力转向系统示意图 1 1 2 四轮转向系统的发展历史及其原理简介 对普通的汽车而言，转向机构是通过控制两个前轮来实现汽车的转 向。而与此同时，另一种汽车转向方式，四轮转向的研究也一直在进行 着。提到四轮转向( 4w s ) ，我们就必须先来讨论一下车辆转向方式， 通常的汽车，其转向系统在设计时依据的是阿克曼理论，它要求汽车在 转向过程中，各个车轮都绕一个瞬时转向中心作纯滚动的圆周运动。但 实际上，当汽车要转向时，仅前轮转向，车身动态转向角就要加大，后 轮必然在车身转向惯性力作用下有侧偏现象；车速愈高，侧偏现象愈严 重，致使汽车转向在高速时不能满足实际使用的要求i3 1 i 。如劳海特理论 太原理l ：人! 誓嘲i 学位论义 在阿克曼理论的基础上指h 在醣轮转向的 司时主动地控制后轮也适 当地转向( 一般不超过5 。) 可使汽车转向在高速时有良好的r ：能。l i 此，随着汽车性能的不断提高，车速加快，四轮转向系统计：越来越多地 应用于汽车转向，如奥迪c o u p es 2 、门产( n i s s a n ) p r a i r i ep r os l x 4 4 等。 四轮转向通常有两种形式，种是同向转向，即汽车转向时，后轮 的偏转方向与自i 轮相同，车身发生动念偏转的倾向减少，提高了汽硇i 高 速行驶时的稳定性：另一一种为逆向转向，即汽车转向时，后轮的偏转方 向与前轮相反，可减小汽车的转弯半径有利于汽车的调头转向，也有 缩短轴距的效果。 四轮转向系统的控制方式及工作原理各异，如有的以同相转向方式 为主；有的则同时可控制同相转向和逆向转向方式；有的可以在必要时 变为前轮转向的普通转向系统。四轮转向系统的按其结构形式可分为血 种：1 ) 机械式4 w s 。前后轮均有独立的转向机构，二者以中间轴连接。 前后轮转向角是由方向盘控制的，与车速无关；2 ) 电控机械式4 w s 。 系统可根据车速控制转向，比机械式4 w s 韵控制更精确、更安全可靠； 3 ) 液控液压式4 w s 。系统是在高效主动控制悬架的基础上发展起来的， 可根据车速和路面阻力来控制后轮的转向角：4 ) 电控液压式4 w s 。陔 系统可实现同向转向，也可实现逆向转向，并在前后轮同位转向时，采 用了滞后控制技术，提高了转向的灵敏性和目标行驶路线的跟踪性能。 5 ) 电控电动式4 w s 。系统根据车速和方向盘操作状态通过计算机控制 以改变后轮转向角的特性，可较好地实现驾驶员所期待的转弯效果。 自从四轮转向系统1 9 8 7 年首次得到应用以来，汽车的操纵稳定性 大为提高。但由于系统本身结构复杂、体积大，对整车的空间布置和重 量都很不利，同时在力图保持车身横偏角为零时，因现实环境因素复杂， 并不能较好她实现。所以四轮转向系统应用范围有限，不过目前世界各 大汽车公司正在针对上述问题进行研发与改进，相信在未来四轮转向系 统会得到广泛的应用。 1 2 转向系统研究现状 从一般的意义上来讲，汽车动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 ) 转向动力机构。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到结构进行了深入的研究。 由英国的k e v i nb h u m p h r e y 在1 9 9 8 年对欧洲的转向柱技术进行 太坂理t 人学颤i 。学位论业 介绍的一。篇文章中我们可以看到，近几年来，欧洲载货1 二嗣l 客午1 1 转 向杜的暖计已由固定转向盘位置向倾斜度可调整的伸缩式转向擞转变 忙l 。为了适应转向柱的变化欧洲汽车制作商通过对驾驶员驾驶爿惯的 人类工程学的研究，推导出转向柱性能参数。文中介绍了欧洲汽车制造 商与零部件供应商在产品设计方面的关系，目前转向柱的设计情况：央 紧力情况；加紧力的应用；气体放松加紧力以及转向柱设计的系统研究。 由于转向柱在汽车碰撞时易对驾驶员造成伤害，所以一个良好的汽车转 向系统除了能保证转向性能外，还应该能使驾驶者在汽车损坏时免受伤 害。这一功能主要是通过汽车碰撞时重新分配传到方向盘e 的载荷而实 现的忡i 。此外，有一些研究者还丌发了装有安全充气挚的方向盘，来保 护驾驶者叽 1 9 9 8 年同济大学的周俊龙对动力转向器机液伺服控制系统的瞬念 响应进行了分析，并结合响应曲线给出了不同参变量下的具体响应数 据，从而找出了影响系统响应性能的重要参数，指出转向器系统要获得 满意的瞬态响应曲线，阻尼比最好在0 3 0 7 之间哺i 。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动态优化设计进行了分析。他 们从动态输出响应失真最小的要求出发，将基于最优理论的i t s e 准则 用于液压动力转向器的动态设计，探讨了该系统主要设计参数最优设计 的变化规律，为液压动力转向器的设计提供了有益的依据1 2 训。2 0 0 0 年 华中理工大学牟向东、唐新莲和湖北汽车工业学院的陶建民通过分析东 风轻型货车在装有不同速比转向器的多种工况条件下的实验结果，研究 了汽车转向器变速比特性对操纵轻便性的影响1 9 1 。 1 9 9 7 年兰凤崇等人对前置组合式转向梯形机构的运动模型及其的 优化问题进行了研究l l 。他们从分析运动入手，建立了优化数学模型及 算法，开发了优化设计软件系统，并给出了设计分析实例。所建立的运 动模型及优化设计方法可以实现前置组合式转向梯形机构的最佳参数 确定、多方案对比及可以对现有产品的评价和改进设计。1 9 9 9 年u n a m 的c h i c u r e l e 提出了一种能够扩大前轮转向机构转向范围的概念，将一 种经过优化的放大器置于转向机构和车轮之间，给出了这种机构符合的 条件，并将其与传统转向机构进行了比较i l l i 。 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| i ”。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，从而有效地降低动力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，这种新型动力泵比传统的动 力泵在非转向工况下节能3 0 ，而且这种泵在传统动力转向泵的基础 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r 本 太绦璎m 太学坝i ：学位论义 t o y o d am a c h i n ew o r k s 公司的3 ( o s h i h a r ul n a g u m a 等人研发了种川j _ i 乜液动力转向系统的节能技术i l “。这技术用r 中位闭式转阳系统，迎 过。个有着特殊结构的压力检测装置和。个电控单元控制泉的动力, t a 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，“。q - 的少 量流量从液压元件的划隙中泄漏掉。1 9 9 9 季学武和清华人学的陈垒儿 对动力转向系统的发展与节能问题进行了讨论m i 。通过分析j l l 4 撒 艘的 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f j j _ 一u 与 结论。1 ) 中位开式动力转向系统有较大的寄生损失，节能的主要措施 是增加系统油压和改变油泵驱动型式：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。 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。1 9 9 8 年吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验室 的郭孔辉，轧浩系统地评述了车辆四轮转向系统的原理及其控制方法的 发展，在此基础上指出四轮转向系统的研究必须以闭环综合评价为出发 点，并与其它主动安全技术相结合才能真正达到实用阶段| 1 4 i 。1 9 9 9 年 吉林工业大学的宗长富等人建立了人车一路闭环模型，计算了双移线 及蛇行道路输入时1 4 种车辆方案的理论综合评价指标，并根据驾驶员 的主观评价对其进行了相关检验。利用他们提出的理论预测评价模型和 综合评价指标，可对汽车结构设计参数和控制参数进行优化，改善汽车 的操纵性能，提高汽车的主动安全性【l5 1 。2 0 0 0 年美国加朴i 大学戴维斯 分校的姜博春( 音译) 和k a m o p p ，d e a n 利用仿真技术来考察汽车的载 荷条件是如何影响动力转向系统及整车的动力学特性，所用汽车模型是 由一个动力转向系统模型和一个非线性轮胎模型构成的i ”i 。 1 9 9 5 年美国俄亥俄州立大学的陈全强( 音译) 与h a s t i n g s 。m a r d ic 用实验的方法证明了一种使用于汽车动力转向系统液压传输管路的传 递矩阵，该矩阵主要用于预测动力转向系统的结构性振动| 1 7 i 。1 9 9 7 年 通用汽车( 中高档汽车公司) 的f e r r i e s ，g a r yr 和a r b a n a s ，r l a r r y 从液 压动力转向系统在低速时的一个小的振动现象入手，建立数学模型，分 析了汽车液压和结构在动力学上的相互作用，给出了一些改进措施f i 。 1 9 9 9 年美国芝加哥r a w h i d e a n s k f 公司的a l e x a n d e r l b e r d i c h e v s k y 对 汽车噪声源进行了研究，通过实验指出转向系统中齿轮密封的振动是最 常见的噪声源。对两种用于齿轮、齿条密封的弹性材料的噪声与温度、 压力和轴速的关系进行了测试。针对发生振动的密封及其他橡皎摩擦元 件提出了新的标准，给出了一些预防措施 1 w 。 1 9 9 6 年华中理工大学电力工程系的张国强提出利用m a t l a b 对电 走蟓理1 人学顺i 。学位论上 动汽车作汁算机模拟的方法，其中充分利用了m a t l a b 及jl 分支 s i m u l i n k 软件特有的人机对话方式，根掘i _ b 电动汽车各部件定义的 功能框，通过菜单式的选择方式，使模拟过程具有很强的口t 规察性和适 应性，目避免了传统计算机模拟的繁复编程过程，大大减少了i 亿 此模拟方法可推广到各种动态系统，为电动汽车的设计与研制提供j 参 考1 2 0 | 。1 9 9 7 英国赫特福德大学的a k b a n ，m b 等人讨论了运用d s p 处删 器对电动汽车的控制算法、e p a s 算法及扭矩计算进行处理的题1 2 i 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两i f i j ， 并在许多问题 二有了较好的解决方案和技术。但是，对于汽车动力$ 0 向 系统节能的问题，电动力转向转动惯量和控制算法的问题、四轮转向t 动安全性的问题及人车系统性能评价等问题仍然需要进步深入研究 1 1 5 11 2 2 11 2 3 1 。 1 3 论文的研究内容及研究的意义 1 3 1 论文的研究内容的选择 从上一节的综述中我们可以看到，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。对于电动力转向系统，由于它的结构和工作原理， 它的应用更多的是考虑到未来的电动汽车的使用，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一个更接近实际情况 的模型。而较之这两个问题，转向系统的节能问题具有更加直接现实的 意义，特别是对于我国。在未来的十几年里，我们将迎来汽车消费的 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小 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。 1 3 2 论文研究的主要内容 ( 1 ) 对现有普通液压转向助力系统进行能耗分析： ( 2 ) 对现有液压转向助力系统节能方案进行分析和对比 ( 3 ) 对电动中位玎式液压转向助力系统进行仿真分析： a 蟓耻f ：人学蟛! f j 学位论史 ( 4 ) 埘电动中位闭式液j k 转问助j 系统进行仿真分析 ( 5 ) 利用仿真结果进行讨论并得出结论。 3 论文研究的意义 在世界能源结构中，大部分是化石能源， 酋位的是煤炭、其次址l l 油和天然气。根据国际通行的预测，石油将在4 0 年内桔竭，天然气将仃 6 0 年内用光，煤炭也只能用2 2 0 年，在人类利用能源的历史长河中，石油、 煤炭、天然气等常规能源的供应毕竟是短暂的一瞬间，所以、人们必须节 约使用这些有限的常规能源 在我国能源形势更不容乐观。我国人口占世界的l 5 ，而能源资源 相对匮乏。我国已探明的煤炭储量占世界储量的1 1 、原油与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约7 5 亿台，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、酸性雨、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 “。其中许多方面都与燃用矿物燃料的汽车有直接关系。 美国运输部门排出的c o ：量占整个美国排出总量的3 2 ，占世界排出 总量的7 。而整个运输部门排出的c o ：中，轿车和卡车占7 3 ，达 2 5 亿吨( 从碳素计算) 。德国c oz 的排出总量占世界排出总量的3 5 ， 而其中交通部门的排量就占国内排出总量的1 7 。可见控制汽车的c o ， 排出量对改善整个地球的环境具有非常重要的意义。目前，我国轿车保 有量约为6 4 8 万辆，同时，轿车在我国的需求量正以每年1 0 左右的 速度递增。而据有关资料显示口，目前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+ 直在进行着。但在以往的工作 中，研究人员主要关注的是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 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。 目前因内外采用的多为中位丌式转向助力系统。但是经过分析研究厅j 上i e , 1 5 4 。人学颂i j 学位蹙义 i ，无论是国外的还是国产( 仿造外国) 的转向助力系统都存存较人的 能量损失，整个转向系统要消耗原动机约3 的能源，但真萨转向_ f j + e 的能量j l 占其中的4 0 不到，而另外6 0 j r - g ；的能毓彳i 仅白自浪赞摊 了，而日会增加液压系统的发热量，降低使用寿命，j - 4 。f ：噪声和增加j 气排放。 通常情况下，每升汽油燃烧放出c 0 2 约为2 2 3 k g ( 山参考资剁1 2 州 的有关数据推算出) 。在城市工况下，按照年行驶罩h 12 0 0 0 0 公甲训， 我们不难计算出如采用传统的中位丌式转向助力系统，在使用寿命内 转向系统工作所消耗的汽油将产生约2 3 4 8 k g 的c 0 2 ；如果我们能将现 有的中位丌式转向助力系统换为比较节能的转向助力系统，假设节能 5 0 ，全国仅采用转向助力系统的轿车一年就可以少排放c 0 2 约1 5 万 吨。 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。 a 蜘堙下人学顺卜学位论义 第二章汽车转向助力系统节能方案 2 1现有汽车转向助力系统能耗分析 日j d 在使j _ j 的汽：转向助力系统中，绝大部分都魁传统的一i 丌式液压转向助力系统，它的优点是结构简单、液压泵寿命长，转阳丁 感好； 2 1 1 传统中位玎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 一l 中所示。 l 内燃机 2 液压泵 3 液压缸 4 车轮 5 转向控制阀 6 流量调博阀 7 浠流阀 图2 1 传统中位开式转向助力系统示意图 此类转向助力系统的最久特点是采用中位开式转向控制阀。：。j 刀 太原理丁人学坝l j 学位论土 向盘处于不转向的中叫位置时，由于与转向相：柑连的转阀阀芯外劂周i ： 槽脊的宽度小于阀套内例周上槽的宽度，来自转向液压泵的液压汕经过 槽和槽脊之间的间隙r 预玎旧) 、阀。占卜的径| 】j 孔流叫油箱。1 疗向黜 向右转动时，转阀阀芯随转向柱发生偏移，使得液t i 油从转向液爪缶i n 勺 庄腔流入，同时右腔与油箱相通，排出多余的油液：转向油缸的活震以： 压力油的作用f ，推动车轮向右偏转，实现汽午转向。”j 方向髓向 + 转 动时，过程与右转恰好相反。 2 1 2 传统中位开式转向助力系统的工作特性 传统中位开式转向助力系统的工作特性主要出液压泵提供的工作 液压油决定，而液压油的流量特性由流量控制阀决定，所以这罩就对泵 的流量控制原理做一下深入的讨论。图2 2 所示为泵的流量控制原理 图： 流量节流闷 定量泵 图2 2液压泵流量控制原理图 尼孔 寂庄闷 液压泵流量控制的工作过程是，在流量节流阀两端，由于节流作 用始终作用一个随流量通过而产生的压力降。这一压力降又通过通路作 用在流量调节阀阀芯两端，与弹簧力平衡。当系统液压泵流量增大时， 作用在流量调节阀上的压力增大，阀的开度增大；当系统液压泵流量减 小时，作用在流量调节阀上的压力减小，阀的丌度减小，从而使供给系 统的流量基本恒定。但由于液动力的影响，在通过流量调节阀的流量增 多时，供给系统的流量会略有增加。 太臆理1 人学f l i ll ：学位论殳 2 1 2 1 建立流量控制的方程组 泉嗍流量公j 圹2 b z ( r 2_r 2 ) 一蒜s 吲哪 吵j ) 卸荷流量公式 厅一 qr = c c 2 4 心卜j 亏匕一r ) 幢2 工作流量公式 厅一 q 。2 c q + a o j 孟匕一只) 屹一3 流量平衡公式 q 。= q 。一q o ( 2 4 ) 卸荷节流口面积公式 4 ，( 。) ：霉丝篓! ( 2 吲 1 2 4 d x x 2 卸荷阀阀心力平衡方程 ( 只一只) t + e ，一k x = 0 ( 2 6 ) 卸荷阀阀- i s , 所受的稳态液动力 e ，= 2 c j c a ( x ) z x p c o s ( 2 7 ) 2 1 2 2 建立各方程对应的仿真模块 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具包，对上述方程组进行求解， 从中找出液压泵输出的工作流量与发动机转速之间的关系。首先建立各 方程对应的子系统，并对其中的参数赋值。 ( 1 ) 泵的流量方程。根据方程，运用s i m u l i n k 中的模块作出相应的模 块系统，然后利用“打包”命令将其作成泵流量仿真子系统，并埘参数 赋值。结果如图2 3 、图2 4 所示： 太原挫t 凡学 哦1 j 学位论卫 图2 3 液压泵流量公式模块连线图 图2 4液压泵流量公式模块封装示意图 运用同样的方法，作出各方程对应的仿真子系统。如图2 5 、图2 太棘理t j 、学坝i ：学位论上 - - 6 、幽2 7 、图2 8 。 ( 2 ) 卸荷流量方程 此模块内包含了卸荷节流1 面l 5 公式。 图2 5 卸荷流量方程模块封装示意图 ( 3 ) 工作流量方程 l 一- c r a ，w m “t ，“ a 。t t n 。南。i s u b s y l t e m 2 s 讪s ”t e n “矗) 。s u b s y s t e m 2 ” 1 = 00 0 0 0 0 7 2 8 3 p 0 = 铷0 0 r o u ：l b 明 c q - 07 2 图2 6工作流量方程模块封装示意图 ( 4 ) 卸荷阀阀芯所受的稳态液动力方程 图2 7 稳态液动力方程模块封装示意图 s u b s 扫t e m 3 ( 5 ) 卸荷阀闷芯力平衡方程 太蟓理t 人学坝l 学位论文 一“m 。 s u b s 啡m 4 s 曲s y s t e mh k ) ”s u b s y s t e m 4 。 o o ：00 0 0 1 5 3 9 4 x o = o0 1 1 4 k = 3 0 0 0 p o = 5 0 0 0 0 0 0 图2 8阀芯力平衡方程模块封装示意图 2 1 2 3 利用s i m u l i n k 提供的解算模块a l g e b r a i cc o n s t r a i n t 束对方程组求 解，该模块采用叠代的方式对包含一个未知量的方程进行运算。由于方 程组中包含有两个未知量x 和p 。，因此在求解时需要两个解算模块。 在方程之间的解算关系如图2 9 所示。 图2 9 流量控制方程组在m a t l a b 中的解算框图 根据方程之间的解算框图，连接流量控制方程组各仿真模块。结果 如图2 一1 0 、图2 1 l 所示： 6 太原理t 大学颂i 学位论殳 图2 1 0系统流量特性模块图 图2 一ll 流量控制阀组方程模块连线图 2 1 2 _ 3 仿真计算及结果分析 运行上述仿真模型，可以得到液压泵的转速和系统工作流量的关 系如图2 1 2 所示。从图上可以看出，当液压泵的转速低于8 0 0 r m i n 时，系统的工作流量随转速快速上升，此时汽车多处于低速运行状态 需要较大的助力：当液压泵的转速高于8 0 0 r m i n 后，随着汽车的速度 的增加，所需转向助力是减小的，因此可以看到系统的工作流量在流量 控制阀的作用下也趋于不变，但由于稳态液动力的影响，输出的流量会 有所增加。 伊予 一 一目e 一 一 群兰笆 吩，j 擎 太腺耻t ，：学坝i 。学位论义 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0z r - a 3 0 液压泵转速( r m i n ) 图2 1 2 液压泵的转速和系统工作流量的关系曲线 2 1 3 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。转向系统通过 带传动使发动机与液压泵相连，此时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 ，：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一旁通 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里都是高于待速 的，从而造成了能量损失。 ( 2 ) 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 行驶时转向( 车速低于1 5 k m h ) ；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。 ( 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( 把车从停车场丌出驶入车道) 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。图2 一1 3 所示的齿条位移和时阳j 关系曲线就完全说明了这一 9 8 7 6 5 4 7 2 0 一c毛1一蝴蠖晕舞帕 太臆耻】从学坝i j 学位论卫 特a 俨6 时问( s e c ) 图2 1 3 齿条位移和时间关系曲线 在这一曲线中，纵轴所示的齿条位移与驾驶员搡纵方向盘的转向 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 行驶时间的约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系统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钱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 ) 采用变量泵替代定量泵，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 孙如o均加 太原理丁人学坝i ：q - - 位论义 角等信号，经过e p u 处理柬控制电动机转速，使液门! 泉的输川州 转向系统的工况匹配。 ( 3 ) 改变转向系统的工作原理，采用中位闭式转向系统，通过籍能 器来提供 ：作液压油。在中位闭式系统中，又分为山发动机驱动和 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”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 1 4 是采用变量泵的中位丌式转向助 力系统的示意图。 l 调节活塞 2 内燃机 3 液压缸 4 车轮 5 转向控制阀 6 变量叶片泵 7 平衡弹簧 8 溢流阀 图2 一1 4 变量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，活塞在左侧压力作 用下，推动变量泵定子向右移动，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 0 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态下的流量，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 。当转向系统处十工作状念 太蟓理t 人学坝i 学位论文 时，山于泵输出的流量随转向系统的i ：作h i 力而变化，1