孔慶奎

（山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟南，250200）

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計

孔慶奎

（山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟南，250200）

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其轉(zhuǎn)向的輕便型和高速行車時的穩(wěn)定性是一對矛盾，傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實現(xiàn)隨車速變化而作出必要的精確調(diào)節(jié)，因此無法兼顧低速時的加力效果和高速時車輛行駛的穩(wěn)定性，故有必要對傳統(tǒng)的機械液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計以改善其使用性能。

電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；傳感器；控制器

汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能讓駕駛員的操縱更加輕便，轉(zhuǎn)向反應(yīng)更加敏捷，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)性大幅提升，車輛行駛安全性得到提高，因此，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無論是在重型車輛還是各級轎車上都得到廣泛普及。傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其轉(zhuǎn)向能源完全由駕駛員提供，而動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向所依賴的轉(zhuǎn)向能源卻來自于兩個方面，正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量只有一小部分來自駕駛員，或者說，駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱僅僅是一個觸發(fā)/解除觸發(fā)和輔助轉(zhuǎn)向的作用，而大部分轉(zhuǎn)向能量來自于轉(zhuǎn)向加力裝置，歸根結(jié)底是發(fā)動機。即使是在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時，其機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能維持基本功能，只不過此時全部轉(zhuǎn)向能量只能由駕駛員獨立提供。

1 汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

汽車工業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)水平不斷提升，尤其是計算機技術(shù)、電子控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展使得汽車整體性能在最近20年得到大幅提高。人們在駕駛汽車的過程中對安全、輕便、舒適性的要求越來越高，就轉(zhuǎn)向系而言，純粹的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本被棄用，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎成為標準配置，而且技術(shù)成熟可靠，成本低廉。目前，汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括液壓（氣壓）動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

氣壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到動力源及部件尺寸限制的原因使用較少。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因技術(shù)成熟，價格低廉，性能能夠滿足要求不高的駕駛者的要求，因此，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各種類型不同級別汽車上得到廣泛應(yīng)用。但液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有隨車速變化對助力力矩進行調(diào)節(jié)的功能，因此，必須兼顧低速時轉(zhuǎn)向助力的上限和高速時轉(zhuǎn)向助力的下限，折中的結(jié)果必然是低速行車時駕駛員感覺方向較沉重，助力效果不明顯，高速行車時駕駛穩(wěn)定性較差。鑒于此，才有了新一代電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因其成本目前尚處于高位，故僅在少量進口高端車、商務(wù)車上被采用。因此，研究電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍具有一定的現(xiàn)實意義。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）也可以叫EPAS，其結(jié)構(gòu)組成包括一套傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和提供轉(zhuǎn)向輔助力矩的電動機。其最大優(yōu)點是可以隨速控制助力，在低速時提供較大助力，保證輕便轉(zhuǎn)向；在高速時減小助力，提供駕駛員足夠的路感。EPS只在轉(zhuǎn)向時發(fā)揮作用，因此不像液壓轉(zhuǎn)向會一直對發(fā)動機造成額外負擔，從而減小油耗，同時沒有不可回收件，更加綠色，從各方面滿足環(huán)保的

需求。

據(jù)統(tǒng)計，截止到2012年電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)約占全部汽車的35%，但一段時間之內(nèi)，液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍是主流，而且豐田、日產(chǎn)等著名汽車廠商也在不斷推出電子控制的液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可見液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在一定時期內(nèi)仍處于霸主地位。

2 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能分析

在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，提供轉(zhuǎn)向助力的轉(zhuǎn)向加力裝置有常壓式和常流式兩種。

2.1 常壓式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

當轉(zhuǎn)向盤位于中間位置時，轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉，液壓泵由發(fā)動機驅(qū)動，泵出的壓力油因轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉而無法進入轉(zhuǎn)向動力缸，只能進入到蓄能器，當壓力達到規(guī)定值時，液壓泵上的安全閥打開，液壓泵雖然依然運轉(zhuǎn)，但實際上處于內(nèi)循環(huán)工作狀態(tài)，從而維持蓄能器壓力的穩(wěn)定。當駕駛員做出轉(zhuǎn)向動作時，機械轉(zhuǎn)向器通過連接桿件促動轉(zhuǎn)型控制閥打開，開啟的方向取決于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向的方向，此時，蓄能器中的壓力油流入轉(zhuǎn)向動力缸中活塞兩側(cè)工作腔中的其中一個，同時，轉(zhuǎn)向控制閥將另外一側(cè)工作腔與轉(zhuǎn)向油罐接通，一側(cè)壓力油強行推動壓力缸活塞移動，另外一側(cè)工作油液被擠回轉(zhuǎn)向油罐，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力的作用，當轉(zhuǎn)向動作終止時，轉(zhuǎn)向控制閥關(guān)閉，助力消失?？梢姡瑹o論轉(zhuǎn)向盤處于何種位置，無論轉(zhuǎn)向盤處于何種運動狀態(tài)，也不管轉(zhuǎn)向控制閥開啟還是關(guān)閉，整個液壓系統(tǒng)始終保持較高的油壓，這勢必要消耗更多的發(fā)動機功率，并且持續(xù)的系統(tǒng)高壓必然會影響零部件的使用壽命。但是，當發(fā)動機意外熄火時，蓄能器依然能提供一定的轉(zhuǎn)向助力，因此該系統(tǒng)特別適用于轉(zhuǎn)向沉重的重型汽車。

2.2 常流式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

當車輛直行時，轉(zhuǎn)向控制閥開啟，將連接轉(zhuǎn)向液壓泵的管路與連接轉(zhuǎn)向油罐的回油管路接通，無油液流入轉(zhuǎn)向動力缸，故沒有轉(zhuǎn)向助力作用。當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，路面作用在轉(zhuǎn)向輪上的阻力通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳遞到轉(zhuǎn)向器，動力缸活塞和轉(zhuǎn)向齒條暫時都不能運動，所以轉(zhuǎn)向齒輪暫時也不能隨轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動。這樣，由轉(zhuǎn)向軸傳到轉(zhuǎn)向齒輪的轉(zhuǎn)矩只能使轉(zhuǎn)向控制閥的扭桿產(chǎn)生少許扭轉(zhuǎn)變形，使轉(zhuǎn)向軸（即轉(zhuǎn)向控制閥的閥芯）得以相對于轉(zhuǎn)向齒輪（即轉(zhuǎn)向控制閥的閥套）轉(zhuǎn)過不大的角度，從而使轉(zhuǎn)向動力缸活塞一側(cè)工作腔與來自轉(zhuǎn)向液壓泵的高壓油管接通，同時切斷了高壓油路經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥與回油管路的流通路徑，因此，轉(zhuǎn)向液壓泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止；而另外一側(cè)的工作腔則由轉(zhuǎn)向控制閥將其與回油管接通，在液壓油的作用下，幫助轉(zhuǎn)向齒輪迫使轉(zhuǎn)向齒條開始移動，促動轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一個角度。當轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向控制閥扭桿的扭轉(zhuǎn)變形消失，轉(zhuǎn)向控制閥回到中間位置，轉(zhuǎn)向助力作用消失。

無論常壓式還是常流式，都無法提供可變的轉(zhuǎn)向助力，即液壓轉(zhuǎn)向加力裝置都不能隨車速的變化實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。在常流式轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)中雖然有流量控制閥和溢流閥，也只是起到有限的油壓調(diào)節(jié)和限壓的作用，無法實現(xiàn)隨車速變化而作出必要的精確調(diào)節(jié)。因此使用傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧低速時的加力效果和高速時車輛行駛的穩(wěn)定性，故有必要對傳統(tǒng)的機械液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計以改善其使用性能。

3 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)計思路為了減輕汽車駕駛的勞動強度，在低速行車時希望轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)能提供較大的轉(zhuǎn)向助力；但在高速行車時，更應(yīng)充分考慮汽車行駛的穩(wěn)定性，因此，希望轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)適當減小助動力，以增強駕駛員的“手感”和“路感”。為了實現(xiàn)與速度區(qū)間完美匹配的精確可調(diào)的助動力，引入電控單元并配以傳感器、執(zhí)行器來構(gòu)建新型的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以稱為電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECPS)。

3.2 設(shè)計方案

圖 1電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框圖

電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECPS)框圖如圖1所示，ECU負責采集車速傳感器以及轉(zhuǎn)向角速度傳感器的信號，并依據(jù)此信號按照控制程序決定轉(zhuǎn)向加力裝置提供的助動力的大小，轉(zhuǎn)向加力裝置是否啟動仍然由轉(zhuǎn)向控制閥控制，電磁閥跨接在轉(zhuǎn)向液壓泵輸出管路與轉(zhuǎn)向控制閥回油管路之間，若電磁閥完全打開，轉(zhuǎn)向液壓泵泵出的壓力油全部流經(jīng)電磁閥回到轉(zhuǎn)向油罐，系統(tǒng)無助力。若電磁閥完全關(guān)閉，當轉(zhuǎn)向控制閥連通轉(zhuǎn)向動力缸的某一工作腔時，系統(tǒng)提供最大的轉(zhuǎn)向助力。當ECU檢測到車速較高需適當減小轉(zhuǎn)向助動力時，適當開啟電磁閥并保持一個合適的開度，將部分液壓油旁路直接流回轉(zhuǎn)向油罐。

電磁閥控制的是轉(zhuǎn)向液壓泵實際輸出到轉(zhuǎn)向控制閥的液壓油流量，屬于流量控制，當車速較慢時，電磁閥開度可以很小甚至完全關(guān)閉，使轉(zhuǎn)向液壓泵輸出最大量的液壓油，驅(qū)動轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)向助力；當車速較高時，適當開啟電磁閥，使得一部分油液不經(jīng)過轉(zhuǎn)向控制閥直接流回轉(zhuǎn)向油罐，從而減小轉(zhuǎn)向助力。壓力傳感器檢測系統(tǒng)油壓，并將信號反饋給ECU，壓力高低能反映電磁閥開度的大小，當電磁閥開度不足以達到程序設(shè)定的助力效果時， ECU將發(fā)出調(diào)節(jié)指令，進一步增大或減小電磁閥的開度，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

通過軟件程序設(shè)計、標定和調(diào)校，可得到車速區(qū)間內(nèi)不同取值的轉(zhuǎn)向助動力。無論是停車、低速或高速行駛時，它都能提供合適的轉(zhuǎn)向助力，無論是停車場，還是高速行駛，都能夠讓駕駛員獲得良好的操控感覺。溢流閥屬于轉(zhuǎn)向液壓泵的附屬裝置，當系統(tǒng)壓力達到極限值時，自動開啟泄壓，使壓力維持在正常范圍內(nèi)。

電磁閥的開度取決于流經(jīng)電磁閥線圈的平均電流，其控制信號是脈沖信號，脈沖電流信號的占空比由ECU控制，占空比改變平均電流，當平均電流強度產(chǎn)生的電磁力不足以克服電磁閥彈簧預(yù)緊力時，電磁閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，隨著占空比的增大平均電流將逐漸增大，當占空比維持在一個固定值時，電磁閥開度也就懸停在某一開度位置。車速越高，流過電磁閥電磁線圈的電流平均值越大，電磁閥開度越大，旁路液壓油流量越大，助力效果越弱。

[1] 雷瓊紅．汽車電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析J．機械工程師，2009年第9期：53-55

[2] 陳家瑞．汽車構(gòu)造（下）M．第3版．北京：機械工業(yè)出版社，2011:246-281

The Performance Analysis and Optimal Design on Hydraulic Power Steering System

Kong QingKui
（ShanDong College of Electronic Technology,Jinan ShanDong，250200,China）

It is a contradiction between portability and stability in hydraulic power steering system. Traditional hydraulic power steering system can’t make precise adjustment with the change of vehicle speed, so consideration couldn’t be given to both the assist effect in low speed and the stability in high speed, therefore , it is necessary that optimal design on hydraulic power steering system will be done for better performance.

Electronically Controlled Hydraulic Power Steering System;sensor;controller