郝少紅 劉學(xué)卿 郝宏剛

1.山東五征集團(tuán)有限公司 山東省日照市 276800 2.吉林大學(xué)青島汽車研究院 山東省青島市 266043 3.林德液壓（中國） 山東省濰坊市 261000

1 引言

純電動商用車取消傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，采用電池電機(jī)驅(qū)動形式，其中還融入了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)有關(guān)組件包括電動轉(zhuǎn)向泵以及該設(shè)備的控制器、定向機(jī)等，傳統(tǒng)的液壓部件被淘汰。這其中，純電動商用車參數(shù)匹配關(guān)鍵技術(shù)中電動轉(zhuǎn)向泵總成參數(shù)匹配十分關(guān)鍵。因此，所設(shè)計的過程中應(yīng)注意電動增壓泵的匹配，以滿足需求。

2 純電動商用車電動助力轉(zhuǎn)向泵的綜合概述

2.1 運(yùn)行原理

純電動商用車電動助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 電動助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)行原理為：汽車啟動后控制信號通過車輛控制器傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向控制器。轉(zhuǎn)向控制器的作用是驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動轉(zhuǎn)向泵的供油工作。開始轉(zhuǎn)方向盤時，電動轉(zhuǎn)向泵工作形成高壓油，轉(zhuǎn)換后不斷注入轉(zhuǎn)向缸，驅(qū)動舵機(jī)逐漸完成相應(yīng)的運(yùn)動，活塞的往復(fù)直線運(yùn)動促進(jìn)操舵桿和輪子依照相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向，這是整個電動液壓動力來實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的原則。在能量轉(zhuǎn)換過程中，純電動商用車內(nèi)的電能先轉(zhuǎn)換成電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成液壓油壓的動能，最后再由動能轉(zhuǎn)換成車輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。

2.2 具體分類

（1）齒輪式，這類結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 齒輪式電動助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)示意圖

動力轉(zhuǎn)向電機(jī)與采用增強(qiáng)型扭轉(zhuǎn)動力控制的傳動機(jī)構(gòu)采用減速器的驅(qū)動齒輪與采用驅(qū)動動力小齒輪以連接形式達(dá)成了交互驅(qū)動目的。因為大型客艙無需安裝動力驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)，因此駕駛員可通過大功率轉(zhuǎn)向電機(jī)以及動力驅(qū)動而獲得適當(dāng)功率的轉(zhuǎn)向電機(jī)扭矩，同時無需擔(dān)心這種操作會引發(fā)電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈震動以及噪音。一般此類設(shè)計多用于中型車，可保證車輛獲得足夠的動力。

（2）轉(zhuǎn)向式，電機(jī)、減速器直接與純電動商用車駕駛員轉(zhuǎn)向柱直接并聯(lián)連接，驅(qū)動電機(jī)可安裝在純電動商用車駕駛員轉(zhuǎn)向柱上任意合適的旋轉(zhuǎn)角度位置，在一般電動機(jī)中提供一種驅(qū)動蝸輪和一種作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的蝸桿，也可以用來為驅(qū)動電動機(jī)當(dāng)純電動商用車減速時和當(dāng)純電動商用車剎車時工作。由于自動工作使用方便，環(huán)境好，電機(jī)的最大固定輸出齒輪驅(qū)動力和最大扭矩相對較小，是一種常見的動力輔助齒輪驅(qū)動機(jī)械形式。由于各驅(qū)動部件相對獨(dú)立，便于自動操作和維護(hù)。但在設(shè)計中還必須保證其本身自動化和靈活性。然而，有些純電動商用車電機(jī)由于固定輸出最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的大小和波動，容易直接自動傳遞到整個純電動商用車方向盤的輸出。如果整個齒輪電機(jī)的正常驅(qū)動位置接近整個電機(jī)的驅(qū)動器的正常驅(qū)動位置，同時必須考慮對整個齒輪電機(jī)的最大輸出機(jī)械噪聲進(jìn)行有效的自動抑制。

2.3 發(fā)展趨勢

EPS初期主要設(shè)計為微型或小型商用車，但隨著EPS 在大中型車輛上的廣泛應(yīng)用，對純電動商用車轉(zhuǎn)向動力的技術(shù)要求也越來越高。因此，要增加發(fā)電機(jī)的驅(qū)動功率，也要增加動力電機(jī)的驅(qū)動直徑。但對于技術(shù)要求較高的微型EPS，特別是小型EPS，電機(jī)的尺寸和輔助安裝點的位置就比較困難。因此，在未來需要在減小電機(jī)體積前提下要不斷提升電機(jī)功率，這是未來電機(jī)技術(shù)關(guān)鍵點。

電機(jī)和齒輪箱直接或機(jī)架式舵機(jī)在一起，但整體外觀仍大，所以在進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)設(shè)計時也需要充分考慮如何合理安排。此外，在電機(jī)選型方面，目前EPS 電機(jī)多為直流永磁無磁電磁發(fā)動機(jī)或永磁無刷直流電動機(jī)，而直流無磁無刷永磁電機(jī)將成為未來電機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

3 純電動商用車電動助力轉(zhuǎn)向泵的作用價值

3.1 結(jié)構(gòu)簡單

動力傳動系統(tǒng)需要十分貼合動力傳動模塊，保證動力傳動的科學(xué)性。但因為不同企業(yè)在設(shè)計上有所差異，需要操作人員進(jìn)行不同的動力傳動系統(tǒng)的測試、加工等，這其中還要考慮成本因素。正因為如此設(shè)計人員總會有自己較為獨(dú)特的設(shè)計方案去保證系統(tǒng)的可操作性。其中簡易板材易于在生產(chǎn)線上進(jìn)行加工和裝配。但其他一些相對于傳統(tǒng)的液壓動力系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向器驅(qū)動控制組合系統(tǒng)而言，電動動力系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向器控制傳輸?shù)谋靡话悴皇潜?、油管，而只是安裝在液壓發(fā)動機(jī)的兩個驅(qū)動皮帶輪上，使相關(guān)人員在設(shè)計動力傳動系統(tǒng)時有更多的選擇空間，傳動系統(tǒng)的兩齒輪轉(zhuǎn)向控制組合空間傳動模塊的一體化設(shè)計方案，需結(jié)合不同助力齒輪的各自屬性形成組合模塊設(shè)計方案，也可以將二者分離單獨(dú)設(shè)計。所以由此可見發(fā)動機(jī)內(nèi)部空間的利用需要認(rèn)真分析研究，才能達(dá)成高效率利用目的。

3.2 加強(qiáng)性能

在電動助力高速轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)中，電機(jī)直接與助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，使傳動能量集中于驅(qū)動輪高速轉(zhuǎn)向之上，以往出現(xiàn)的高速行車軸向反轉(zhuǎn)、方向盤和前輪的擺陣也會因為設(shè)計者融入車輪慣性驅(qū)動減震器而得到有效控制。所以，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得了強(qiáng)大的車輪抗軸向擾動的抑制能力。高速轉(zhuǎn)向液壓助力傳動系統(tǒng)主要是通過驅(qū)動電機(jī)來形成旋轉(zhuǎn)扭矩，故而消除了前輪滯回傳遞效應(yīng)，也代表著車輪和電動方向盤的配合能力顯著提升。

3.3 提高效益

液壓式動力轉(zhuǎn)向油泵是基于舵機(jī)傳動系統(tǒng)在操作過程中需要液壓發(fā)動機(jī)直接供油來驅(qū)動的一種新型液壓輪式動力轉(zhuǎn)向油泵，它利用整個液壓動力油泵的能量在不斷的旋轉(zhuǎn)流動中，浪費(fèi)部分由轉(zhuǎn)向傳動油形成的動力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的融入，有效地摒棄了傳統(tǒng)的油系統(tǒng)EPS，在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作中，車輛只需要靠液壓發(fā)電機(jī)自動提供動力就可以使用車輛，作為傳動能量的一部分，是根據(jù)車輛對自動動力的要求所需要的供油和節(jié)能型轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)。純電動商用車配備電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大型專用車輛和其他車輛配備電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的充分利用電力燃料的大型特種車輛燃料消耗的能量相比，其影響分析根據(jù)實驗結(jié)果表明，沒有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行油耗需求大，配備電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)燃油的專用車對其他燃油的綜合利用能耗同比降低2.5 個百分點，電動助力轉(zhuǎn)向若是發(fā)揮作用，會導(dǎo)致燃油能耗提升，提升比例為5.5 個百分點。

4 純電動商用車電動助力轉(zhuǎn)型泵的選型匹配要點

4.1 確定流量

電動助力轉(zhuǎn)向泵和燃油的流量循環(huán)應(yīng)確保助力轉(zhuǎn)向泵能夠比較功率相對較弱的高速轉(zhuǎn)向，以功率較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)到自動轉(zhuǎn)向裝置用于柴油車，無動力高速轉(zhuǎn)向則讓柴油車獲得較大的動力轉(zhuǎn)向扭矩，增加操作阻力。因為純電動柴油轉(zhuǎn)儲車特殊性，需要在設(shè)計時在電動助力轉(zhuǎn)向泵燃料流量循環(huán)當(dāng)中融入QT 機(jī)理論，操作上可分為兩種方式：其一是動力轉(zhuǎn)向裝置的理論流量，其二是必須將理論動力轉(zhuǎn)向油缸流量的Q 缸融入進(jìn)來。

4.2 確定壓力

為了達(dá)成電動轉(zhuǎn)向泵所需要的最大壓力，要提前對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大壓力及雙轉(zhuǎn)向軸負(fù)載展開測量。如果發(fā)現(xiàn)前者滿足后者要求，將轉(zhuǎn)向泵壓力調(diào)到方向機(jī)所需最大壓力水平。如果不匹配，說明定向機(jī)型號較小，需要重新匹配。因為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大壓力為18.5mpa，故而可將這一參數(shù)來衡量轉(zhuǎn)向泵壓力，保證二者持平即可。

4.3 確定原則

第一，方向機(jī)安全閥壓力需要大于轉(zhuǎn)向泵壓力限值。若是出現(xiàn)了油壓高問題，操作上是以先卸方向機(jī)安全閥后卸轉(zhuǎn)向泵為準(zhǔn)；第二，要確保轉(zhuǎn)向泵控制流量處在16ml-251ml 之間。

4.4 確定控制策略

動力控制是將動力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過減速機(jī)構(gòu)施加到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，以減小方向盤的轉(zhuǎn)向力。為了幫助駕駛員順利轉(zhuǎn)向，需要制定功率控制策略。該策略是以轉(zhuǎn)向功率特性曲線為依據(jù)，來決定動力電機(jī)功率大小。

5 純電動商用車電動助力轉(zhuǎn)型泵的選型匹配設(shè)計

5.1 控制器設(shè)計

轉(zhuǎn)向控制器的主要功能是將純電動商用車的電壓轉(zhuǎn)換為電動機(jī)的工作電壓，并且可以接受所有控制器的控制信號，變頻參數(shù)需要參考詳細(xì)的模型來完成校準(zhǔn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向控制器采集的勵磁電流幅值小于2.5a 時，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到800r/min。當(dāng)采集到的電流矢量幅值大于等于2.5a 時，轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)速將達(dá)到1200r/min。當(dāng)采集到的電流矢量幅值小于1.5A 時，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速為800/min，響應(yīng)時間小于20ms。有必要根據(jù)車輛的實際轉(zhuǎn)向性能對轉(zhuǎn)向電機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其工作效率達(dá)到最高。轉(zhuǎn)向電機(jī)根據(jù)不同的車輛性能參數(shù)需要不同的功率，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的輸出，這些參數(shù)主要由轉(zhuǎn)向控制器實現(xiàn)控制。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

EPS 純電動商用車轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是在原有車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計開發(fā)的，為了保證當(dāng)前純電動商用車安裝布局方向的改變量最小，轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)的硬點保持不變。由于集成電子功率控制模塊的應(yīng)用增加電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管柱支撐組件的空間占用率，故而必須要對支撐部件進(jìn)行重新設(shè)計。同時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配的重量增加，所以需要重新安裝和設(shè)計的下部安裝，和結(jié)構(gòu)剛性需求的儀器平臺。綜合分析，考慮到目前車輛的通用性變化和有關(guān)機(jī)械部件都在不斷集成化，在整體安裝以及布局方面要將系統(tǒng)管柱支撐總成的原來四點固定安裝模式予以沿用。為了避免管柱支撐總成和車輛部件碰撞，需要管柱轉(zhuǎn)向塌陷直徑和行程長度不應(yīng)超過50mm。和原車型比較來看，融入EPS 電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動軸的車輛形成的轉(zhuǎn)向力矩明顯要大，故而需增加軸的相位收縮直徑，可從22.5mm調(diào)到24mm。因為沒有改變硬點，故而相位軸偏離角可保持在或小于30mm，最大值可根據(jù)設(shè)計條件確定，有助于將轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩軸的波動強(qiáng)度控制在+5%左右的范圍內(nèi)。

5.3 軟件設(shè)計

以9S12BDM 軟件調(diào)試器作為具體的軟件功能調(diào)試主體，該調(diào)試器調(diào)試核心是JB16 單片機(jī)，屬于最新型微控設(shè)備。其上有USBDM接口，和USCODEWarrior 接口連接后，能夠展開線上軟件調(diào)試。BDM 可獨(dú)立為每個目標(biāo)板供電。其可以模擬調(diào)試MC9S12 系列單片機(jī)，支持高達(dá)25MHZ 的晶體頻率。EPS系統(tǒng)軟件運(yùn)行前，需要對系統(tǒng)展開初始化以及自檢操作，采集外部轉(zhuǎn)矩、角度以及連接速度傳感器后，才能更好地發(fā)揮出EPS 系統(tǒng)功能，并進(jìn)入相應(yīng)的子程序。

根據(jù)車輛當(dāng)前的轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)角變化率和速度信號，確定車輛進(jìn)入功率模塊理想功率特性曲線，計算出功率電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的目標(biāo)電流。需要通過修正目標(biāo)電流來保證補(bǔ)償控制機(jī)制發(fā)揮作用，具體操作當(dāng)中主要是對實際電流展開監(jiān)控以及修正，然后跟蹤該修正后的電流有效控制功率輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)矩有效控制，需要明確單片機(jī)輸出PWM 波形的占空比在0.05-0.95 區(qū)間。

5.4 硬件設(shè)計

（1）處理器設(shè)計時要考慮到數(shù)據(jù)處理數(shù)量多寡、EPS 控制器所在位置、單片機(jī)尺寸，并最終要形成盡可能小的模塊，故而需要盡可能保證外圍電路簡潔而且穩(wěn)定，也能夠保證模塊運(yùn)行速度較快。因此建議EPS MCU選用飛思卡爾的16 位MC9S12DG128 芯片。（2）傳感器設(shè)計，要融入脈沖式速度傳感器，來監(jiān)測車軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，每圈周圍八個ECU的每個軸的速度輸入脈沖電壓數(shù)字信號，每輛車速度脈沖信號可以直接從一個速度傳感器的信號通過速度純電動商用車儀表盤速度脈沖信號顯示，顯示形式一般為轉(zhuǎn)速脈沖電壓數(shù)字信號，當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)速大于目前速度，傳感器會形成較為明顯的電源脈沖電壓。因為外部屏蔽層和傳輸線緊貼，需要融入RC 濾波以及限幅電路，這樣可以有效提高設(shè)備計速速度。

5.5 參數(shù)設(shè)計

EPS 系統(tǒng)調(diào)試主要考慮到動力參數(shù)，必須以轉(zhuǎn)向性為第一要求。因為上文涉及到的電源模塊來自于傳統(tǒng)汽油車，故而現(xiàn)有車型的功率特性曲線必須要進(jìn)一步優(yōu)化。功率特性曲線的橫軸是方向盤的扭矩，而控制功率電流輸出成為了縱軸。形成的曲線圖說明了扭矩輸入功率和速度的關(guān)系。彎道速度從上到下逐步增大，范圍為0 ～120km /h。總共選擇8 條曲線。為了改善停車和低速行駛時手動控制力大的現(xiàn)象，要提升斜率（停車狀態(tài)與低速曲線構(gòu)成），讓電機(jī)功率得到提升；中高速轉(zhuǎn)向時，易發(fā)生轉(zhuǎn)向力減弱問題，需要降低中高速曲線坡度，同時減少電機(jī)功率，提升高速行駛手動控制力度；提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，需調(diào)整曲線橫坐標(biāo)起點，讓中心感獲得增強(qiáng)；為了改善轉(zhuǎn)向性，需要調(diào)整不同速度曲線間隔，從而讓車輛驅(qū)動力可以均勻增加。

6 結(jié)語

總而言之，電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在純電動商用車節(jié)能、環(huán)保、機(jī)動性等方面具有突出的性能優(yōu)勢，具有很強(qiáng)的實用性?，F(xiàn)階段世界范圍內(nèi)有關(guān)于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究體現(xiàn)出了一定的市場價值。我國是汽車大國，對此更需要進(jìn)一步提高研究水平。