江浩斌, 朱萬青, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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重型車輛旁通流量式ECHPS助力特性設(shè)計與臺架試驗

江浩斌, 朱萬青, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

介紹了采用電液比例閥控制旁通流量的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)的原理和助力特性設(shè)計要求，提出了ECHPS拋物線型理想助力特性曲線設(shè)計方法。在MATLAB/Simulink中建立了基于整車三自由度動力學模型和電液比例閥控制模塊的ECHPS系統(tǒng)仿真模型，通過仿真得到了近似于拋物線型的ECHPS助力特性曲線。最后對某大客車ECHPS系統(tǒng)進行臺架試驗，得到的ECHPS助力特性試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明所提出的ECHPS助力特性曲線設(shè)計方法及其仿真模型是正確有效的；采用電液比例閥控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以實現(xiàn)重型車輛低速轉(zhuǎn)向時的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性要求。

車輛工程；可變助力；電控液壓助力轉(zhuǎn)向；電液比例閥

0 引 言

目前重型車輛普遍采用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering, HPS)，其轉(zhuǎn)向助力特性的設(shè)計主要以滿足原地轉(zhuǎn)向或低速轉(zhuǎn)向時的輕便性要求為主，但車輛高速行駛時駕駛員的“路感”較差，故HPS難以兼顧重型車輛低速轉(zhuǎn)向時的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性要求。導致這一問題的主要原因在于傳統(tǒng)HPS的油泵供油量恒定不變，當車速變化時HPS轉(zhuǎn)向助力不能隨之變化[1-2]。

為了解決重型車輛HPS轉(zhuǎn)向操縱“輕”與“靈”的矛盾，近年來，國內(nèi)外諸多學者對電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering, ECHPS)進行了大量研究。郭曉林等[3]研究了旁通流量式ECHPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對可變助力特性的影響規(guī)律，確定了轉(zhuǎn)閥參數(shù)的基本設(shè)計原則；R. Marcus等[4]通過理論分析、數(shù)值仿真等方法提出了基于駕駛員路感的可變助力轉(zhuǎn)向特性設(shè)計方法；劉亞輝等[5]通過理論分析和試驗研究了旁通流量控制式ECHPS系統(tǒng)前置穩(wěn)壓閥對助力特性的影響。

筆者主要研究基于電液比例閥控制旁通流量的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)助力特性設(shè)計與驗證，介紹了ECHPS助力特性曲線的設(shè)計要求和3個特征參數(shù)的確定過程，以某大客車為對象，設(shè)計了ECHPS的理想拋物線型助力特性曲線，運用MATLAB/Simulink建立了基于整車的ECHPS仿真模型，通過仿真得到近似于拋物線型的助力特性曲線，最后搭建電液比例閥控制旁通流量的ECHPS試驗臺架并進行助力特性測試，以驗證助力特性仿真結(jié)果及其設(shè)計方法的有效性。

1 ECHPS系統(tǒng)原理

電液比例閥控制旁通流量的ECHPS系統(tǒng)原理如圖1。該系統(tǒng)主要由車速傳感器、電液比例閥、整體式動力轉(zhuǎn)向控制閥、液壓泵和電子控制單元(ECU)等組成。

圖1 旁通流量式ECHPS系統(tǒng)原理

電液比例閥旁通支路并聯(lián)在轉(zhuǎn)閥進、出油道兩端，ECU根據(jù)車速傳感器提供的車速信號控制電液比例閥輸入電流的大小，使電液比例閥的閥芯位移隨著電流的變化而變化，從而改變旁通支路的流量和進入轉(zhuǎn)閥的流量，改變了助力油缸兩端的壓差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力隨車速而變化。車速較低時，比例閥線圈上的電流較低，電液比例閥的閥芯位移較小，旁通流量也少，轉(zhuǎn)向助力較大；隨著車速提高，比例閥線圈上的電流增大，電液比例閥的閥芯位移增大，旁通流量增大，轉(zhuǎn)向助力就減小。

2 ECHPS助力特性設(shè)計

2.1 ECHPS助力特性曲線的設(shè)計要求

電液比例閥控制旁通流量的ECHPS采用的轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)HPS相同，由于轉(zhuǎn)閥的特性曲線決定了HPS助力特性曲線的基本形狀，所以ECHPS的助力特性曲線也具有HPS助力特性曲線的基本特點，即曲線平滑、手感較好等。由于ECHPS助力特性受車速、駕駛員手力、轉(zhuǎn)向盤角速度等因素影響，在不同車速下應(yīng)有不同的助力特性曲線，因此，電液比例閥控制旁通流量的ECHPS的助力特性曲線應(yīng)是一系列具有不同助力增益的非線性曲線，每條曲線應(yīng)滿足手力過渡平滑等要求。

2.2 拋物線型理想助力特性曲線的設(shè)計方法

針對ECHPS助力特性的設(shè)計要求，筆者設(shè)計了拋物線型理想助力特性曲線[6]，其數(shù)學模型為：

(1)

式中：Pa為系統(tǒng)產(chǎn)生的助力油壓，MPa；Td為轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；Td,max為系統(tǒng)達到最大助力時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；Pa,max為系統(tǒng)的最大助力油壓，MPa；K為助力特性曲線的增益。

根據(jù)式(1)可知，Td,max,Pa,max,K是助力特性曲線的3個基本特征參數(shù)。由于原地轉(zhuǎn)向工況的特殊性，下面以0km/h工況(原地轉(zhuǎn)向)為例，設(shè)計這3個基本特征參數(shù)。

1)Td,max的確定

Td,max是根據(jù)駕駛員在轉(zhuǎn)向操縱時作用在轉(zhuǎn)向盤上的最大偏好手力而選取的，一般認為其是與車速無關(guān)的固定值[6]，取為6N·m。

2)Pa,max的確定

車輛在原地轉(zhuǎn)向時阻力矩最大，一般采用半經(jīng)驗公式來計算[7]，原地轉(zhuǎn)向時的阻力矩Tp為：

(2)

式中：Tp為轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面間的摩擦系數(shù)，一般取0.91；G為前輪載荷，N；P為輪胎胎壓，Pa。

筆者所研究的大客車前軸荷載為60 000N，胎壓為0.8MPa，根據(jù)式(2)可得Tp=4 984.28N·m。

當ECHPS系統(tǒng)不提供助力時，由駕駛員提供的轉(zhuǎn)向盤操縱力矩經(jīng)過傳動機構(gòu)放大后，以克服轉(zhuǎn)向阻力矩，則有：

(3)

式中：Ts為系統(tǒng)無助力時轉(zhuǎn)向盤的輸入力矩，N·m；i為角傳動比，筆者研究的大客車轉(zhuǎn)向器為22；η+為轉(zhuǎn)向器正效率，一般為65%～85%，這里取80%。經(jīng)計算，Ts=283.19 N·m。

當ECHPS系統(tǒng)提供助力時，助力矩Ta應(yīng)為：

Ta=Ts-Td,max

(4)

式中：Ta為ECHPS提供的轉(zhuǎn)向助力矩，N·m。

將Td,max=6 N·m代入式(4)算得轉(zhuǎn)向助力矩Ta=278.69 N·m。

ECHPS系統(tǒng)采用循環(huán)球式的轉(zhuǎn)向助力器，轉(zhuǎn)向助力由轉(zhuǎn)向螺母內(nèi)部的高低壓腔的油壓壓差獲得，助力油壓與轉(zhuǎn)向助力矩的關(guān)系為：

(5)

式中：ΔP為液壓助力缸高、低壓腔的壓力差，即助力油壓Pa，MPa；A為轉(zhuǎn)向螺桿-螺母的有效作用面積，m2；S為轉(zhuǎn)向螺桿的導程，m。

筆者所研究的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器有效作用面積A=5.024×10-3m2，轉(zhuǎn)向螺桿的導程S=0.031m。經(jīng)計算，得到ΔP=Pa=11.54MPa，此時助力油壓即為原地轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)提供的最大助力油壓?？紤]到液壓泵內(nèi)溢流閥的臨界壓力及安全系數(shù)，取Pa,max=14MPa。

3)K的確定

助力特性曲線增益K的計算公式為：

(6)

將上文算得的Pa,max與Td,max代入式(6)，即可算得原地轉(zhuǎn)向時的助力特性曲線增益K=0.388 9。

4)一定車速下K的確定

為保證其他車速下所設(shè)計的助力特性更接近理想的助力特性，增益K應(yīng)在考慮不同車速下駕駛員的偏好理想力矩TLX的基礎(chǔ)上進行設(shè)計，式(4)與式(6)中的Td,max此時應(yīng)為TLX，替換后，根據(jù)式(3)～式(6)推導出一定車速下的助力特性曲線增益K為：

(7)

式中：TLX為理想的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，N·m。

由式(7)可知，要算得一定車速下助力特性曲線增益K，首先需確定該車速下的轉(zhuǎn)向阻力矩Tp與理想的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩TLX。

為了獲得一定車速下的轉(zhuǎn)向阻力矩Tp，筆者基于某大客車的技術(shù)參數(shù)，在Simulink中建立了三自由度整車動力學模型以及轉(zhuǎn)向阻力矩模型，其中三自由度整車動力學模型以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，該模型具有橫向、側(cè)傾及橫擺3個方向的自由度，計算模型如圖2。通過仿真得到一定車速時理想轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩輸入下的轉(zhuǎn)向阻力矩Tp，并參照相關(guān)資料確定了不同車速下駕駛員偏好的轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩[8]，由式(7)計算出不同車速下的助力特性曲線增益值K，最終結(jié)果如表1。

圖2 轉(zhuǎn)向阻力矩計算模型

表1 典型車速下的助力特性曲線增益K

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件得到助力油壓與方向盤轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，即為ECHPS的理想拋物線型助力特性曲線，如圖3。

圖3 ECHPS拋物線型理想助力特性曲線

3 ECHPS助力特性仿真與分析

3.1 基于整車的ECHPS仿真模型

在MATLAB/Simulink中建立基于整車的ECHPS系統(tǒng)動力學模型，如圖4。該模型主要包括轉(zhuǎn)向機械部件子模型、液壓部件子模型、三自由度整車模型、轉(zhuǎn)向阻力矩模型以及控制模型，其中輪胎模型采用只考慮了側(cè)滑工況的簡單模型[9]；液壓部件模型中的電液比例閥控制模塊輸入信號為方向盤轉(zhuǎn)矩Td與車速V，采用模糊PID控制策略，輸出信號為進入轉(zhuǎn)閥的流量Qs。運用上述模型即可對該系統(tǒng)的動力學性能進行仿真分析。

圖4 基于整車的ECHPS仿真模型

3.2 仿真與分析

1)設(shè)定直線行駛0.5 s后，方向盤轉(zhuǎn)矩信號以斜率為6 N·m/s的斜坡轉(zhuǎn)矩輸入，達到6 N·m后轉(zhuǎn)矩保持不變，以車速40，60，80 km/h分別進行仿真，仿真時間為5 s，得到各車速下助力油壓的時間歷程，如圖5。

圖5 不同車速下的助力油壓響應(yīng)曲線

由圖5可知：在同樣的方向盤轉(zhuǎn)矩輸入下，隨著車速的增大，助力油壓逐漸減小，說明隨著車速增大ECHPS提供的轉(zhuǎn)向助力減??；各車速下的助力油壓值和圖3中對應(yīng)的助力油壓值基本吻合；在低速轉(zhuǎn)向時油壓增長速率較快，高速轉(zhuǎn)向時油壓增長速率較慢，符合低速時應(yīng)保證轉(zhuǎn)向輕便性、高速時應(yīng)滿足“路感”的要求。

2)設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)矩信號為以頻率為0.1 Hz正弦信號輸入，且不同車速下信號幅值不同。以車速0，20，40，60，80 km/h分別進行仿真，仿真時間為10 s，得到不同車速下助力油壓與方向盤轉(zhuǎn)矩的曲線，即ECHPS的助力特性，如圖6。由圖6可知，各車速下的助力特性曲線與圖3基本一致。在同一車速下，助力油壓隨著方向盤轉(zhuǎn)矩的增大而增大；低速時轉(zhuǎn)向助力油壓增速較快，高速時轉(zhuǎn)向助力油壓增速較慢；在同一方向盤轉(zhuǎn)矩輸入下，低速時助力油壓大，而高速時助力油壓小。顯然，基于整車模型仿真得到的ECHPS助力特性滿足了低速轉(zhuǎn)向時的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時路感的要求。圖6中各曲線出現(xiàn)滯環(huán)的主要原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部存在阻尼，且車速越低，阻尼作用越大，滯環(huán)越明顯。

圖6 方向盤轉(zhuǎn)矩與助力油壓關(guān)系曲線

4 臺架試驗與結(jié)果分析

筆者研究的電液比例閥控制旁通流量的ECHPS是在某大客車HPS基礎(chǔ)上開發(fā)的。在循環(huán)球式HPS性能試驗臺基礎(chǔ)上，增加電液比例閥旁通支路、ECU、信號發(fā)生器、24 V直流穩(wěn)壓電源等裝置，搭建了ECHPS試驗臺，如圖7。轉(zhuǎn)向器輸入端與試驗臺的轉(zhuǎn)向軸連接，轉(zhuǎn)向器輸出端固定在直線行駛位置，比例閥線圈和控制器采用的穩(wěn)壓電源供電，信號發(fā)生器用于模擬車速信號，控制器接收信號發(fā)生器模擬的車速信號，控制器根據(jù)接收到的車速信號給電液比例閥輸入一定的控制電流。電流為PWM信號，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比及周期給電液比例閥施加一個合適的電壓輸入，使閥芯一直處于振顫狀態(tài)，以防止閥芯卡死，并保證電液比例閥的響應(yīng)敏捷性。根據(jù)所設(shè)計的助力特性求出各車速下旁通支路的流量，然后根據(jù)電液比例閥輸入電流與流量的關(guān)系確定不同車速下的輸入電流，試驗時通過改變控制電流實現(xiàn)電液比例閥閥芯位移隨車速變化而變化。

圖7 ECHPS試驗臺

試驗臺主泵的流量為18 L/min，設(shè)定不同的車速工況，分別從兩個方向轉(zhuǎn)動輸入軸使轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)矩達到一定的設(shè)定值，同時記錄輸入軸的轉(zhuǎn)矩與工作油壓之間的關(guān)系曲線，即得到ECHPS系統(tǒng)的助力特性曲線。圖8是試驗測得的0，20，40，60，80 km/h 五種典型車速下的助力特性曲線。由圖8可知：各車速下試驗測得的最大助力油壓與圖3和圖6中對應(yīng)的最大油壓的偏差都在10%以內(nèi)；當方向盤輸入轉(zhuǎn)矩為0時，各車速下的助力油壓不為0，這是液壓系統(tǒng)本身存在的基本背壓。與圖6中仿真結(jié)果相比較，試驗曲線的滯環(huán)較大，這說明試驗臺系統(tǒng)內(nèi)部存在較大的摩擦阻尼和液壓阻尼，阻尼隨著助力油壓的減小而減小，這是由于隨著車速增大，所需的助力油壓減小，電液比例閥的開度增大，閥口的節(jié)流阻尼減小。

圖8 ECHPS助力特性曲線試驗結(jié)果

比較圖8與圖6可見，ECHPS助力特性的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好；為方便設(shè)計，筆者在設(shè)計拋物線型理想助力特性曲線時將各車速下方向盤的最大輸入轉(zhuǎn)矩都設(shè)定為6 N·m，而在仿真與臺架試驗時設(shè)定方向盤最大輸入轉(zhuǎn)矩隨車速的增加而增大，主要是為了驗證隨著車速升高時該助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對駕駛員路感的改善程度。圖8中各車速工況的助力特性曲線均較為平滑、隨車速的變化較明顯、左右對稱性較好，說明采用電液比例閥控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以實現(xiàn)重型車輛低速轉(zhuǎn)向時的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性要求。

5 結(jié) 論

1)針對比例閥控制旁通流量的ECHPS系統(tǒng)的助力特點，提出了ECHPS拋物線型理想助力特性曲線的設(shè)計方法和曲線中三個主要參數(shù)的確定過程。

2)以某大客車為對象，建立了基于整車的旁通流量式ECHPS仿真模型，仿真得到的助力特性曲線與所設(shè)計的助力特性基本一致。

3)搭建了ECHPS試驗臺架，試驗測得的助力特性與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了筆者設(shè)計的旁通流量式ECHPS助力特性及其仿真模型的有效性，為中重型車輛ECHPS系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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Design and Test of Assist Characteristics of the Bypass Flow Type ECHPSSystem for Heavy-Duty Vehicles

Jiang Haobin, Zhu Wanqing, Geng Guoqing

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

The principle and the design requirements for assist characteristic of the bypass proportional valve type ECHPS were presented. A design method for parabolic ideal assist characteristic curve for a bus based on the ECHPS was proposed. Based on MATLAB/Simulink, the three degrees of freedom vehicle steering dynamic model and the ECHPS simulation model with hydraulic control module consisting of the electro-hydraulic proportional valve were established. The assist characteristic curve of ECHPS which was approximated to parabola was obtained by simulation. Eventually, the bench test of a certain bus ECHPS was carried out. The test result of the assist characteristic curve of ECHPS is well-matched with the simulation one, which validates that the proposed design method and simulation model of the ideal parabolic assist characteristic curve are right and effective; and the bypass proportional valve type ECHPS has excellent assist characteristic, which can satisfy both the low-speed steering portability and the high-speed handling stability of heavy-duty vehicles.

vehicle engineering; variable assist characteristics; electronically controlled hydraulic power steering (ECHPS); electro-hydraulic proportional valve

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.32

2014-02-07；

2014-06-01

國家自然科學基金項目(51275211)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(11KJA580001)

江浩斌(1969—)，男，江蘇啟東人，教授，博士生導師，主要從事車輛底盤系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計和研究。E-mail：jianghb@ujs.edu.cn。。

U260.356

A

1674-0696(2015)06-171-05