电动客车电动液压助力转向系统的匹配设计获奖科研报告

电动客车电动液压助力转向系统的匹配设计获奖科研报告摘要：随着电动汽车的发展，电动液压助力转向系统以其穩定性好、舒适性高等特点，成为目前电动汽车设计中必不可少的关键零部件。纯电动城市客车的液压助力转向系统主要由转向油罐、电动转向油泵、转向管路、转向器组成。电动转向油泵将转向驱动源电能转化为转向助力缸工作的液压能。

关键词：电动客车：电动液压助力转向系统;设计

目前，市场上营运的纯电动客车主要采用液压动力转向器，安装独立的电动助力转向油泵，整车电池提供直流高压电，经逆变器逆变为三相交流电、驱动电动助力转向油泵电机、电机再驱动助力转向油泵为液压动力转向器提供油压实现转向助力。整车从启动电源开关起，电动助力转向油泵一直消耗整车电池电量，而且噪声大，从而大幅度增加了整车制造成本，同时也增加了整车自重，消耗整车电池电量，影响整车续驶里程。

一、慨述

电动液压助力转向系统是以发动机为动力，带动转向油泵工作产生油压，从而助力转向达到转向轻便的效果。油泵的流量大小跟发动机转速相关联。车速越高，发动机转速越快，油泵的流量就会越大，相应产生的助力也就越大，这就导致车辆高速行驶时，出现转向操控发飘的现象，路感不好，转向的操控舒适性较差。另外，由于转向系统的助力特性是一定的，若要满足客车在高速行驶时仍具有较好的操控手感，那么停车或低速时就无法获得足够助力。在这两方面选择助力大小面临两难境地。另一方面，为了保证管路一直保持油压，不论是否需要转向助力，油泵时刻都处在工作状态，当高速行驶时，油泵的转速升高，产生的大部分液压油未做功即回流入泵，造成大量的能量浪费，所以耗能较大。电动液压助力转向系统是以电动机代替发动机，带动转向油泵工作，同时增加电控单元对电动机进行单独控制。电控单元采集整车中影响转向因数的信号进行综合控制，通过控制电机转速来控制转向油泵的流量。在车辆停车或低速行驶时，控制电机转速升高，电机转速越高，转向油泵的流量越大，相应产生的助力也就越大;在车辆高速行驶时，控制电机转速降低，相应产生的助力也就下降。所以通过控制电机转速可以实现助力的调节。因此，电动液压助力转向系统克服了液压助力转向系统助力无法调节的缺点。

二、转向泵参数匹配计算

某8m纯电动城市客车有关参数如下：车轮滚动半径407.476mm，前轴荷4800kg，轮胎与地面的摩擦系数0.7，轮胎充气压力0.85MPa。在电动液压助力转向泵的参数匹配设计中，主要包括转向器的输出扭矩设计、转向泵压力、流量以及转向泵电机功率的匹配计算。

1、轮胎原地转向阻力矩。汽车在原地时，转向器所受到的转向阻力是最大的，而转向器转向阻力矩主要受转向器的负荷、轮胎气压和路面阻力等因素的影响。针对纯电动城市客车的行驶路况，汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩MR可采用下列计算[3]：

2、转向器输出扭矩。转向器把来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当的变换，再输出给转向拉杆机构使车轮转向。由于车轮转向的过程中存在机械损耗，取转向器系统的效率η=0.93，此时转向器最大输出扭矩M=MR/η。带入相关数据算出M=2776N·m。根据实际可选转向器，其M为2800N·m。

3、转向系统压力。机械式转向器按照结构形式的不同，可分为齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中循环球式转向器正、逆袭率都很高，因其操纵轻便、寿命长、工作稳定可靠而得到广泛应用。转向器液压系统压力与转向器最大输出扭矩、活塞有效受力面积、扇形齿分度圆半径有关。计算循环球转向器输出最大扭矩时的转向液压系统压力P的公式如下：

三、电动液压助力转向系统的控制原理

EPS是利用电动机产生的动力协助驾驶员转向。当汽车转向时，安装在转向盘处的扭矩传感器会“感觉”到转向盘的力矩和拟转动的方向，这些信号会通过数据线发送给ECU控制单元，ECU会根据传动力矩、拟转的方向以及车速、电流反馈等数据，进行分析判断，然后根据设定的参数向电动机控制器发出动作指令，电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生相应数值的转向助力。在系统中，转向操作和负载条件一定时，转向助力与电机转速成正比关系，因此对转向助力的调节，关键在于对电机转速的调节。在车辆驾驶的实际过程中，当车速较慢时，转向阻力较大，我们需要更大的转向助力，这样转向时就不会感到方向盘沉重，以提高驾驶的舒适性;当车速较快时，转向阻力较小，我们需要较小的转向助力，这样在高速行驶过程中我们就能保持车辆的直线行驶，以提高驾驶的稳定性。当我们在驾驶过程中遇到需要紧急避让时，通常会猛打方向盘，这时方向盘转动的角速度增加，此时需要更大的转向助力才能使车辆迅速转向;当我们转向变慢或停止时，这时方向盘转动的角速度减小，此时不需要很大的转向助力，这样我们才能感觉到转向助力的均匀连续，分析可知，系统控制策略的核心是如何根据车速和方向盘转动的角速度来调节电机转速。

比如根据车型选择的油泵流量大小为16L/min，永磁无刷电动机额定功率3kW，额定转速1430r/min。在方向盘转速为零的情况下，助力电机转速随车速变化形成的曲线是电动液压转向系统在无载荷的状态下的性能特性曲线。图所示为空载状态下助力电机转速随车速变化曲线。

从曲线中可以看出，在车速较低或为零时，车轮与地面的静摩擦较大，转向盘所需的力比较大，此时助力电机转速高，转向油泵提供较大的助力油流量，为转向时提供较大的转向助力;在车速较高时，车轮与地面间主要摩擦为动摩擦，摩擦力较小，转向盘较轻，此时助力电机转速降低，油泵流量随之下降，提供较小的转向助力。电动液压助力转向系统的助力特性，降低了能耗，提高了整车经济性。

四、适合大中型客车使用的EPS

目前EPS主要有两种：一种是齿轮齿条式，是在传统的轿车齿轮齿条转向系统中增加助力电机，从而达到转向助力目的;另一种是转向柱式，该结构将助力电机布置在转向传动柱管上，由电机驱动柱管上的蜗轮蜗杆做功，以达到助力的目的。结合日常大中型客车产品开发工作的实际情况，我们提出一种集成式电动助力转向器方案。该方案的基本思路是，将助力电机直接集成在目前大中型客车普遍使用的转向器上，由该转向器协调完成减速及助力的双重功能，比之齿轮齿条式和转向柱式EPS合成的电动助力转向方案结构更紧凑，布置更方便，更容易实现大扭矩助力，而且也符合目前大中型客车转向系统的实际情况。此外，由于目前大中型客车转向器普遍为循环球或球面涡杆滚轮式转向器，在此基础上开发合成电动助力转向器，通用化程度高，投资较少，技术上也不存在很大难度，容易形成批量生产。一旦该方案在大中型客车上得到应用，也会迅速在中重型货车上得到推广，因此，其市场潜力十分巨大。

EPS随着电控技术的发展，智能驾驶技术最终会在客车上得到广泛应用，EPS也会同客车发动机管理系统、电控制动系统、自动维护系