电控液压动力转向系统的设计

电控液压动力转向系统的设计

0油压缸液压动力转向系统的提出传统的倾斜液压缩差主要存在两个不足。首先，在工作中，由于无法适应驾驶员的辅助功能，因此很难协调汽车叶片的便利性和路感之间的矛盾。其次，无论汽车是反向的，只要汽车运行，动力泵将一直运行，燃料将浪费，整个车辆的油耗和经济性将降低。为此,本文提出了一种油压反馈控制式的电控液压动力转向(ElectronicallyControlledHydraulicPowerSteering,简称ECHPS)系统,该系统是在传统液压动力转向系统的动力转向器中引入了油压反力室,并在发动机与动力转向泵之间增加电磁离合器,再配备电子控制器获得。该系统实施简便,能根据车速控制助力大小,且在不需助力时液压系统不工作,降低了能量的消耗,具有较高的实用价值。1转向助力作用如图1所示为ECHPS系统的组成及工作原理图,其主要由转向操纵机构、转向传动机构、动力转向器总成、车速传感器、转矩传感器、ECU、动力转向泵、电磁离合器、数字阀、油罐及油管等组成。ECHPS系统的助力动源是动力转向泵,它由一个定量泵加集成在泵体内的流量控制阀和安全阀组成,可保证在发动机转速变化时其输出流量固定不变,且在转向阻力矩过大时能起过载保护作用。动力转向器中扭杆的上端通过圆柱销与转向输入轴及转阀阀芯相连,下端通过圆柱销与转向螺杆和转阀阀体相连。转向时,转向盘上的转矩通过扭杆传递给转向螺杆及转阀,当转矩增大,扭杆发生扭转变形,转阀阀芯和阀体之间将发生相对转动,阀芯和阀体之间油道的通、断关系和工作油液的流动方向将发生改变,由动力转向泵供给的压力油进入助力油缸,实现转向助力作用。系统中的ECU能根据转向盘转矩信号来控制电磁离合器工作,当不需助力时,电磁离合器处于分离状态,动力转向泵不工作;当需要助力时,电磁离合器闭合,ECU再根据车速传感器传来的信号控制数字阀,使油压反力室的油压随车速的变化而改变,进而使驾驶员转动转向盘时所需克服的阻力矩发生变化,转阀阀芯和阀体之间相对位置关系也发生相应变化,进入助力油缸油液的压力也相应变化。实现低速行驶时,提供大助力,保证转向轻便;高速行驶时,提供小助力,保证驾驶员获得较强的路感。2动力转向器工作原理EPHS系统的助力大小正比于助力油缸的压力,因此,研究其助力特性可转化为研究助力油缸压力与转向盘转矩及车速之间的关系。转阀式动力转向器的工作压力、流量和转阀阀芯与阀体间相对转角有以下关系:p=32μQπNW2(A2−πRφ180)2(1)p=32μQπΝW2(A2-πRφ180)2(1)式中:p为工作油压(MPa);μ为液压油粘度(Pa·s);Q为流过转阀的总流量(m3/s);N为阀槽数;W2为孔口轴向长度(m);A2为预开间隙宽度(m);R为转阀阀芯半径(m);φ为转阀阀芯与阀体间相对转角(即扭杆的扭转角度)(°)。动力转向器中扭杆受转向盘转矩作用引起扭转变形,其扭转角度可用转向盘转矩表示,因此,式(1)可演化为:p=32μQπNW2(A2−32RlMdπd4G)2(2)p=32μQπΝW2(A2-32RlΜdπd4G)2(2)式中:Md为作用在转向盘上的转矩(N·m);l为扭杆上两定位销间距离(m);d为扭杆直径(m);G为材料的弹性模量(Pa)。当车速较高时,ECU控制数字阀打开,部分油液进入油压反力室,油压通过柱塞作用在转阀阀芯上形成转向阻力矩,此时系统的工作压力为:p=32μQπNW2(A2−32Rl(Md−p4A4L)πd4G)2(3)p=32μQπΝW2(A2-32Rl(Μd-p4A4L)πd4G)2(3)式中:p4为反力室油压(Pa),A4为柱塞作用面积(m2),L为柱塞的作用力臂(m)。由式(3)可知,随着驾驶员作用在转向盘上的转矩增大,动力转向器的助力也将增大;而作用在油压反力室的油压增大,则动力转向器的助力将减小。3epv系统控制器的设计3.1数字阀组成分析ECHPS系统的控制器是一个微机控制小系统,它通过处理分析车速传感器的采样信号后向外输出PWM信号来控制数字阀,以达到控制助力大小的目的;另外,根据转矩传感器的采样信号输出开关信号,控制电磁离合器离合。控制器组成框图如图2所示。其核心ECU为8位单片机,选用Philips公司生产的80C552作为主芯片,具有64kB片内RAM,10位A/D输入,8位的I/O口,比较/捕获定时器,PWM输出,接口资源丰富,抗干扰能力强。3.2转速驱动控制方案设计控制器的软件设计采用汇编语言编程,程序需要完成输入信号的采集(启动A/D转换)、数据处理、输出转向信号。具体控制过程是:软件运行,设定时间间隔对汽车的转向盘转矩和车速信号进行采样,当转向盘转矩在-2～2N·m范围时,电磁离合器分离,动力转向泵停止工作。否则,电磁离合器闭合,ECU再根据不同的车速信号,控制数字阀向油压反力室提供不同压力,进而控制动力转向器提供不同的助力转矩。其主程序流程如图3所示。由于控制器需要根据车速信号来控制输出PWM占空比以控制数字阀的流量,根据参考文献所利用的通用汽车公司实验数据,再结合本设计原型的试验,考虑车速感应系数对转向助力转矩的影响关系,得出PWM占空比与车速传感器输出电压之间的对应关系:程序运行时,A/D转换的启动和信号采集采用的是查询方式,通过软件延时的方法分别对2个通道的模拟信号对应的通道轮流采样一次,并把转换结果存入内部RAM。通过判断转向盘转矩传感器输入信号决定是否需要提供助力转矩。当需要提供助力转向时,根据车速传感器的信号通过式(4)进行计算获得PWM占空比值,输出控制数字阀工作,以获得不同的助力转矩。4助力转向泵不工作借助液压动力转向试验台对本系统进行了助力特性试验,在转向盘转矩较小时电磁离合器处于分离状态,动力转向泵不工作,系统不起助力作用;当转向盘转矩较