電動液壓助力轉向系統匹配設計與研究

柳強 張奇奇 高龍 周磊

摘要：為了提升汽車轉向系統操縱性能，降低整車油耗，本文基于輕型客車對電動液壓助力轉向系統（EHPS）進行了設計計算，其中包括對電液泵工作流量和電機額定功率的匹配計算，并分析了系統參數之間的標定控制策略。最后通過對樣車的操縱穩定性試驗和油耗測試，驗證了該匹配設計方法的正確性和有效性。

關鍵詞：電動液壓助力轉向系統；匹配設計；油耗測試

Abstract：In order to improve the performance of automobile power steering system and reduce the energy consumption of this system，the article design and calculate an Electro-Hydraulic Power Steering System（EHPS）based on van，including flow calculation of motor-pump and power calculation of motor，and analyses of its function and control strategy of parameters. The last，according to the test result of manipulate stability and oil consumption，proves that matching design is correct and effective.

Key words：Electro-hydraulic Power Steering System，Matching Design，Oil Consumption Test

近些年隨著汽車行業發展的突飛猛進，國家針對汽車排放、油耗等限制標準也在逐步的提高，綠色環保、經濟節能等設計理念已經開始融入到汽車的研發過程中，越來越多的節油技術開始量產應用。電動助力轉向系統（EPS）和電動液壓助力轉向系統（EHPS）相對于傳統液壓轉向系統（HPS）不僅有較好的操縱性能，另外具有較好的燃油經濟性。根據相關測試表明，EPS可節油約5%，EHPS可實現節油約3%[1-3]。但目前由于前軸載荷和助力電機功率的限制，EPS多應用于小型家用轎車領域，針對客車、輕卡等車型匹配EPS存在較大的困難，而采用EHPS能夠滿足輸出較大的轉向扭矩，其中特別包括電動客車和電動輕卡。

電動液壓助力轉向系統（EHPS）是在液壓助力轉向系統基礎上發展起來的，其特點是將原來由發動機驅動的液壓泵改由電機驅動，并且增加了車速傳感器、轉向角速度傳感器以及轉向控制單元等電控裝置。由于電機的轉速可調，可以即時關閉，與液壓助力轉向系統相比，它不僅節省了發動機的燃油消耗，提高了經濟性，并且可以解決低速轉向沉重和高速“發飄”問題，改善了駕駛舒適性，同時保證了穩定性和安全性[4]。本文基于江淮汽車某輕型客車進行了EHPS的匹配開發，并測試對比了樣車在NEDC工況下的油耗值，車輛的相關參數如表1所示。

1 EHPS的組成

EHPS系統由電氣裝置和機械裝置兩部分組成，如圖1所示。電氣部分由車速傳感器、轉角傳感器和電子控制單元ECU組成；機械裝置包括齒輪齒條轉向器（包括轉子閥和助力缸）、控制閥及管路、電液泵。而比較先進電液泵把齒輪泵（或葉片泵）、ECU、低慣量、高功率的直流電機和儲油罐集成在一起，構成集成的電液泵，使得整個總成結構緊湊，質量變得更輕，安裝的柔性也大大增強[5]。

本文中的輕客車為齒輪齒條式電動液壓助力轉向系統，其主要由電液泵，齒輪齒條式轉向器、轉向管柱、方向盤、及儲油罐和管路等零部件組成。

2 電液泵的選型設計

電液泵結構主要包括無刷直流電機、液壓泵及控制單元等零部件，其設計匹配參數主要包括液壓泵的流量、排量和最大工作壓力，以及電機的電流及功率。

2.1 電液泵工作流量計算

該轉向系統為齒輪齒條式助力轉向，其相關參數如表2。

3 系統標定控制策略

EHPS通過CAN通訊與整車匹配，電液泵的輸入信號有發動機點火信號、車速信號和轉角信號。為保證轉向系統有著較好的操控手感，要求車輛在低速的時候轉向手力輕便，高速時手力沉穩。而在緊急避讓時需要快打方向盤，這時候方向盤轉角速度增加此時需要較大的轉向助力。

在不同的轉向工況下，需要相應的轉向助力，其中車速的變化、方向盤轉角速度的變化均為不同轉向工況的體現方式，因而電液泵的控制策略核心就是調整電機轉速，輸出所需的轉向助力。

3.1 車速與電機轉速關系

為保證轉向在低速輕便、高速沉穩的舒適性，電機的轉速n一般隨著車速v的增加而逐漸呈非線性降低。當車速v較低時，電機轉速n應當較高，這是由于低速時整車的轉向阻力偏大，轉向系統需要較大的轉向助力。高速時轉向阻力小，通過降低電機轉速減小轉向助力可以讓車輛轉向更加沉穩，關系曲線圖如圖2所示。確定車速與電機轉速關系目的是在汽車車速較低時滿足轉向輕便，隨著車速的不斷提高轉向助力越小，防止了高速時轉向盤“發飄”的現象，增強了高速行駛的“路感”[7]。

3.2 轉角速度與電機轉速關系

轉角速度ω在較低區間段時，電機轉速n保持為恒轉速，轉角速度ω越小，即方向盤打動的越慢，所需的助力相應較??；當ω=0時，轉向系統不要助力，但是電機的最小轉速nmin應該能滿足轉向系統流量供應。為了更好的提升助力跟隨性及提供相應的轉向助力，電機轉速n隨轉角速度ω的增加而增加；當轉角速度ω>ω2的時，電機轉速n增加到最大轉速nmax，并保持不變。關系曲線圖如圖3所示。

3.3 系統標定MAP圖

在對整車轉向系統的標定調試過程中，依據電機轉速n與車速v和轉角速度ω關系進行多次的試驗和主觀評價，不僅要求車輛在低速時手力輕便，而且中高速時轉向沉穩。經過多輪次不同路況、載荷等條件下的調試標定，車輛的部分標定參數如表5所示。

根據表5中電機轉速n與車速v、轉角速度ω的相應數值可以繪制出三者的關系曲面MAP圖。在車輛的實際行駛過程中，電液泵控制器是不斷采集轉向盤轉速和車速傳感器等信號，并通過程序計算后輸出相應的電機轉速，從而達到實時調節轉向助力，使車輛具有良好的轉向助力特性和轉向路感。

4 整車操穩性能及油耗測試

通過對電液泵裝車前、后的不同狀態對車輛的操控穩定性及轉向輕便性按相應的標準進行了試驗。試驗數據如表6、表7所示，結果表明：電液轉向各項指標均達標且不低于原車，且電液轉向左右轉向力一致性更好，轉向力波動更小。

在對整車更換電液泵的前、后狀態分別對車輛進行了油耗測試，測試方法為NEDC循環試驗工況，測試結果如表8所示。原狀態的車輛油耗測試為百公里9.5L，更換電液轉向后的油耗為百公里9.2L，節油效果約為3%。

5 結論

通過在樣車上的搭載，EHPS相對傳統的液壓助力轉向系統變動較小，其設計匹配的重點在于電機選型及電機轉速與車速和轉角速度的標定。根據樣車的操穩性能試驗及油耗測試表明：EHPS不僅能夠有效解決低速轉向沉重和高速“發飄”問題，提供良好的駕駛舒適性，更對整車的燃油經濟性有著較好的貢獻，實車測試在NEDC工況下可節油約3%。

參考文獻：

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[2] 吳凱. 汽車電動助力轉向系統及發展[J]. 汽車工程師，2012，（3）：15-17.

[3] 苗立東，何 仁，徐建平，等. 汽車電動轉向技術發展綜述[J]. 長安大學學報，2004，24（1）：79-83.

[4] 王維冬. 電動液壓助力轉向系統控制器的開發與設計[D]. 鎮江：江蘇大學出版社，2009.

[5] 耿國慶，苗立東，李 強. 電動液壓助力轉向系統設計方法[J]. 農機化研究，2006，（6）：207-210.

[6] 王霄峰. 汽車底盤設計[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[7] 徐勁，朱曉. 混合動力客車電動液壓助力轉向系統的匹配設計與研究[J]. 輕型汽車技術，2015，（2）：49-56.

[8] 安部正人. 車輛操縱動力學[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

作者簡介：

柳強（1989-），男，底盤設計主管，工學碩士，主要從事底盤轉向系統設計。