液压转向系统跟随性能应用研究.pdf

设 计 ． 计算 ． 研 究 ． 液压转 向系统跟随性能应用研究 逯建辉 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心 【 摘要 】 从理论角度阐述了液压转向系统的跟随性， 通过多方面的测试数据， 解释了其在乘用车上的系统表现。 从 对液压转向系统操控性优化调节角度 出发 ， 调整转 向泵排量 、 限压 阀等 ， 改善其转向系统跟随性 ． 以实现在低速和 高速 时轻便 、 可靠 的转 向系统操控性 能。通过对某款车 型转 向系统的优化实例 。 说 明了该研究 的可行性 。 主题词 转 向泵转 向系统跟随性操纵性能优化调节 中图分类号 U 4 6 3 ． 4 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 2 0 8 0 0 3 7 0 3 Appl i c a t i o n Re s e a r c h o n Fo l l o wi ng Be ha v i o r o f Hy dr a ul i c S t e e r i n g S y s t e m L u J i a n h u i S A I C Mo t o r P a s s e n g e r V e h i c l e C o ． ， L t d T e c h C e n t e r 【 Ab s t r a c t ] T h e f o l l o w i n g b e h a v i o r o f h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m i s e l a b o r a t e d i n t h e p a p e r a n d i t s p e r f o r m a n c e o n p a s s e n g e r e a r s i s e x p l a i n e d w i t h v a ri o u s t e s t d a t a ． T o o p t i m i z e h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m h a n d l i n g ， a d j u s t s t e e ri n g p u m p d i s p l a c e me n t ，p r e s s u r e l i mi t i n g v a l v e ， e t c ． ，i mp r o v e f o l l o w i n g b e h a v i o r o f t h e s t e e ri n g s y s t e m， S O t h a t t o a c h i e v e e a s e a n d r e l i a b l e h a n d l i n g p e rf o rm a n c e o f t h e s t e e ri n g s y s t e m i n h i g h a n d l o w s p e e d ． T h e e a s e o f o p t i mi z a t i o n o f a p a s s e n g e r c a r s t e e rin g s y s t e m v e ri fi e s f e a s i b i l i t y o f t h i s s t u d y ． Ke y wo r d s S t e e r i n g p u mp ，Fo l l o wi n g b e h a v i o r o f s t e e r i n g s y s t e m，h a n d l i n g p e r f o r ma n c e ， Opt i mi z a t i o n t u ni ng 1 液压转 向系统跟 随性 能分析 传统液压助力转 向系统 H P S ． H y d r a u l i c P c ， w e t S t e e r i n g S y s t e m 发 展 已近 一个 世 纪 ． 被 广 泛 应 用 于 各级乘用车 ， 其匹配精确度很高 。在 A、 B级乘用车 的 H P S配置 上 ． 经 济性 最好 的是齿 轮 齿条 式 机 械液 压转 向器 ． 其匹配叶片式转向泵以提供转向助力源 H P S有很好的路面信息反馈及路感 ． 操控精确 ． 其助 力能量 由液 压阀调节 ， 性价 比高 ． 从 而使其 普及率 最高i t 】 。但 H P S不足之处是液压转 向泵需要 占用一 定 比例 的发动 机功 率 转 向泵 在 怠 速 或 低 速 时 需 要 有 较 大 的 助力 输 出 ． 即需 要 输 出较 多 高压 转 向 油 ． 以减 轻 转 向 盘操 纵力度 。 若此 时转 向泵输出充足的高压转 向油 ． 能 够推动转 向器的齿条活塞快速移动 ．也能使转 向 盘达 到要求 的转向速度 若 此时转 向泵输 出的高 压转 向油不充 足 ． 转 向盘操纵力度会变大 当转 向 盘 转 速 达 到 一 定 程 度 时 ．转 向 器 的 齿 条 活 塞 移 动 2 0 1 2 年第 8期 相 应 较 快 ．转 向器 钢 筒 内 的 液压 油来 不 及 跟进 填 充 ． 反 而形 成 倒 拖 液 压 阻 力 。 阻 止 齿 条 移 动 ， 转 向 盘转速也被动降低 此时 ． 驾驶员会感觉转 向盘转 向力 骤 增 ． 转 向盘 沉 重 ． 该 种 情 况称 为转 向 系统 跟 随 性 较 差 【 l J 图 1测 试 结 果 表 明 某 款 欧 系 乘 用 车 怠 速 工 况 下 转 向跟 随 性 较 差 时 转 向盘 转 速 较 小 ． 为 3 5 0 ～ 4 0 0 o ／ s ． 图 2测试结果表 明此 时的转 向 盘力矩 为 4 ． 4 N． m 2 O 1 5 1 0 5 委 。 一 5 1 0 1 5 - 2 0 8 o o 40 O 0 4 00 8 0 0 转 向盘速度／ 。 S 图 1 某款欧系乘用车怠速工况下转向跟随性较差时 的 转 向 盘速 度 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设 计 ． 计算 ． 研究 ． 6 口4 苣2 。 一2 涨 一d 一6 一， o 0 5 o o 一 3 0 0 1 0 0 1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 转角／ 。 图 2某款欧系乘用 车怠速工况 F 转向跟 随性较差时 的 转 向 盘 操纵 力 矩 转 向泵 在 高 速 时 发 动 机 转 速 2 0 0 0 r ／ mi n以 上 输出流量较大 ． 系统助力也较大。此时驾驶员主 观感觉转向过于灵敏 ．转向操纵舒适性和安全性较 差 ．因此需 要减 小转 向泵输 出流 量 ，以减 小系统 助 力。而同时在车速较高情况下 ．若出现紧急躲避障 碍物状况 ．需要转向盘具有较高转速．实现快速转 向。若使 转 向盘具有 较高 转速 ．需 要转 向泵输 出流 量 足够 大 ． 不 能 出现转 向力骤 增情 况 。 对某款欧系乘用车转向系统进行主观评价 在发 动机怠速状态下 ． 慢慢转动转向盘． 从转向泵位置开始 发出噪声 。 发动机油温上升后转 向泵噪声越加明显 提高发动机转速 ．在 l 2 0 0 l 5 0 0 r ／ ra i n时噪声最 明 显 ． 3 0 0 0 ～ 3 4 0 0 r ／ mi n和 5 0 0 0 r ／ m i n以上 时 ，一 种高 频的尖锐刺耳的噪声替代原来的噪声， 同时明显感觉 到怠速时转 向盘操纵力度加重 ． 转 向操纵 助力有 波动。 图 3 表示该车型转 向泵的叶片输出脉动油压 时产生 “ M0 a n ” 和“ Wh i n e “ 噪声的声压级测试田 转向系统跟 随性差时．转向泵输出的高压转向油压力脉动加剧 ． N V H性能变差 ． 转 向操纵力矩较 大 ， 转 向速度较低 。 图 1 和 图 2的测试结果表明 了此种情况 ∞ 乏 幽 姐 ∞ 出 扭 图 3 某款欧系乘用车 H P S出现” Mo a n “ 或” Wh i n e ” 噪声 的声 压 级 测 试 2液压转 向系统跟 随性能优化 通过前面理论分析及实际系统测试可知．改善 一 3 8 一 转 向系统跟随性能需要调整转向泵在怠速和低速时 的助力性能不足 ．即提高转向泵在怠速时的输 出流 量 某欧系乘用车转向系统配置恒定流量特性转 向 泵 ． 从其调整前实测转速一 流量曲线 图 4中排量为 8 ． 5 mL曲线 1可 以得知 ．在 发 动机转 速 1 5 0 0 r ／ m i n 以下 时 ．转 向泵 的输 出流 量 不 处 于 流 量 阀控 制 区 域[3 1 ． 在发动机转速 1 5 0 0 r ／ m i n以上时 ， 转向泵的输 出流量处于流量阀控制区域 发动机转速 9 9 5 r ／ mi n 时．转 向泵 的实际输 出流量值在 7 ． 3 L ／ m i n左右 ． 发 动机 转速 在 3 0 0 0 r ／ m i n时 ．转 向泵 实 际流 量 在 8 ． 0 I d mi n左右 1 2 1 0 { 8 6 删4 避2 0 O 20 0 0 4l J 0 0 6【 】O U 0 00 1 00 O 0 转速／ r ． m i n - 1 图 4 调整前 、 后转 向泵实际输出流量在怠速 、 低速 和高速 区域的对比 系统测试结果表 明． 发动机转速在 3 0 0 0 r ／ mi n 时转向泵基本满足转 向速度 5 4 0 。 ／ s 4 N m 表 示转 向盘操纵力矩为 4 N m时可 以使转 向盘达到 5 4 0 o ／ s的转向速度 设计要求【 z l 。 而怠速时 7 5 0 r ／ mi n 转 向泵 实 际输 出流 量 在 非流 量 阀控 制 区域 内 ． 未达到输出流量最大值 ． 因此在怠速时转 向泵的输 出流量 远未 达 到 8 ． 0 L ， mi n ． 为避 免转 向泵 的助 力性 能不足． 必须提高此时的实际输 出流量到 8 ． 0 L ／ mi n 以 上 。 依 据理论 上转 向泵 的输 出流量 公式 可 知 ．可 以 通过提高转向泵排量来提高怠速时的输 出流量。若 考虑提高发动机怠速则需要考虑其燃油经济性 若 改变传动 比则需要调整传动轮系及皮带 ． 成本较高 而内部泄流量对一个成熟系列的转向泵产品来说基 本是 固定 不变 的 根 据 目前 Z F公 司 转 向 泵 产 品 的 排 量 系 列 来 计算其在怠速时的输 出流量 ．并假定 内部泄流量 为零 。 a ． 选用 排量 为 9 ． 4mL的转 向泵 发 动 机 转 速 为 7 5 0 r ／ mi n时转 向泵 的流 量 9． 47 5 01 ． 0 0 0 4 7． 05 2 8 2 I dmi n b ． 选用 排量 为 1 1 mL的转 向泵 发 动 机转 速 为 7 5 0 r ／ mi n时转 向泵 的 流量 1 1 ． 0 7 5 01 ． 0 0 0 4 8． 2 53 3 L／ mi n 可知 ． 选用 1 1 m L排量的转 向泵可以满足怠速 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．设 计 ． 计算 研 究 ． 时 的输 出流 量需 要 。依据 该 车型 配置 变速器 各 挡位 的传动 比 表 1 ， 可 以确定该车在低 、 高速工况时对 应 的发 动机 转速 。 ’ 表 1变速器 各挡位传 动比 变 速 器 型 号 S H7 8 Z 5挡 手 动 变 速 器 倒 车 主 减 挡 位 1挡 2挡 3挡 4挡 5挡 挡 位 速 比 传动 比 3 ． 5 8 3 2 ． 1 0 5 1 ． 3 7 9 1 ． O 3 0 ． 8 2 3 ． 3 6 3 3 ． 7 2 2 从车 速公 式 中可 以得 出 ． 发 动机 转速 在 1 5 0 0 r ／ rai n以下 时 ． 车 速 小 于 6 0 k m ／ h ． 定 义 该 转 速 范 围 为 低速区域 ．怠速和低速 区域转向泵的输出流量设定 为 8 ． 0 L ／ mi n ．以避免系统跟 随性差 的工况 出现 ， 保证转 向操控低速时的轻盈 特性 在发动机转 速 为 1 5 0 0 ～ 2 1 0 0 r ／ m i n时 ．车 速 能够 达 到 8 0 k m ／ h以 上 ． 为保 证转 向操 控 的沉 稳特性 ． 降低转 向助力 ， 此时转 向泵输 出流量应逐 渐降低 。发动机转速在 2 1 0 0 r ／ m i n时车速开始进入高速区间 ． 要求转向泵的 输出流量降到最低 ．以保证转向操控高速时的沉稳特 性但为了保证转向系统在高速紧急躲避障碍物时的 转 向速度要求 设 计要 求 为 7 2 0 。 ／ s 5 N m ， 避 免 转 向泵 的输 出流 量 在 流 量 阀控 制 区 域 内 出现 助 力 性能不足工况 ．也需要转 向泵保持 一定的输 出流 量 。设 定该 流量 分 别 为 6 L ／ m i n 、 6 ． 5 L ／ mi n 、 7 L ／ mi n 、 7 ． 5 I J mi n ．通 过反复测 试转 向速度 和转 向力矩 是 否趋 近设计 目标值 ．最终确定转 向泵输 出流量在 7 ． 0 L ／ mi n时可以达到高速 区域转向速度要求 ． 同时 又满 足转 向操 控 高速 时 的沉稳 特性 。 经 过 理 论 计 算 并 考 虑 到 转 向 泵 的 内 部 泄 流 量 ， 确定 调整后 的转 向泵排量为 1 1 m L。为此采用 变 流量转 向泵 ．低速 时平均流 量为 8 ． 5 L ／ mi n， 高 速 时平 均流量为 7 L ／ v a i n 。转 向泵排量 的调整需要 更换 转子 、 定子甚 至中间轴及相关 轴承 ； 转 向泵从 恒 定 流 量输 出到 变流 量 输 出 ． 压 力 流量 控 制 阀结构 要进行调整 。 为此 ． 调整流量控制阀的弹簧预紧力 、 刚度 ． 增 加 滑 阀杆 结 构 ， 并 调 试 滑 阀杆 直 径 的变 化 梯 度 来 改 变 滑 阀 开 口面积 ． 以实 现和 满 足变 流 量输 出特性 的需要 【 4 l 对 调整 前 、 后 转 向泵 实 际输 出流 量 进 行 对 比 图 4 可 知 ， 调 整后 转 向泵 在 怠 速 和低 速 区域 的输 出流 量有 所 提 升 ． 在 高 速 区域 的输 出流量 有 所 降 低 3液压 转 向系统跟 随性 能优 化 后 的转 向操 控性 调整后该款车型的液压转向系统转向盘操纵力 2 0 1 2年第 8期 矩测试 如 图 5所 示 。 调整 前 、 后 转 向速度表 现对 比如 图 6 所 示 。 6 4 i 2 菱o 一2 4 - 6 幽 一7 0 0 5 0 0 3 0 0 1 O 0 1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 0 转角／ 。 图 5 怠速工况下调整后液压转 向系统 的转 向盘操纵力矩 2 0 g 1 6 主 1 2 囊 8 d O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 5 0 060 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 转向速度， 。 1 s _ 图 6怠 速工 况 F调 整 前 、 后 液 压 转 向 系 统 的 转 向速度对 比 从测试 结 果看 。 怠速 工况下 的转 向力 矩为 4 ． 1 N m， 转 向盘转速 为 6 0 0 ～ 6 5 0 o ／ s ， 满 足转 向速度 ≥ 5 4 0 o ／ s 4 N． m的设计要求 ， 且转向系统 N V H特 性得到大幅改善． 转向系统低速轻盈 、 高速沉稳的操 控特 性得 以实 现 若 有更 进一 步需要 ， 还 可 以对 转 向机 阀 曲线 进行 调整 ， 配合 转 向泵输 出流 量 的改 善 ， 对转向操控性进行进一步优化。 4结束语 在 转 向 系 统 中增 加 压 力 开 关 或 压 力 传 感 器 ， 将转 向系统在不同工况下的压力变化信号传递给 发 动 机 的 E C U． 依 据 控 制 策 略来 调 整发 动 机转 速 ， 从而改善转 向泵的输 出流量特性 。 可满足转 向系 统不同工况下的助力需要 或直接使用电动助力 转 向泵 ． 通过改变转 向泵的驱动转速来完成输 出 流量的调整 这些方法在一些 c级乘用车 中也 已 经有成熟应用 ． 其最终 目标是优化转 向系统 的跟 随性 从成本角度考虑 ， 使用流量控制阀的变流 量转向泵 的解决方案 比较适用于经济性要求高的 A、 B级 乘 用 车 。 参 考 文 献 1 MG RES 61 ． 0 2． 51 0 Pu mp S t e e r i ng Ca t c hu p Te s t ． 2 PATAC HP S No i s e I nt r o d uc t i o n ． 3 蔡锋 ． 颜尧 ， 刘旌扬． 车辆 液压动力转 向泵 台架试 验研究． 汽车技术 ． 2 0 1 0 8 4 4 ～ 4 8 ． 4 h t t p ／ ／ www．ne wma k e r ． c o m／ a r t _1 84 29 ． ht m1 ． 责任编辑帘青 修改稿收到 日期为 2 0 1 2年 6月 1日。 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m