基于流量控制的液压式EPS系统原理分析.pdf

汽 电 子 汽 丈 用 技 术 AU T0 M0 BI I | E AP PLI E D TE C HN O【 ． O GV 2 0l 6 年 第3 期 2O l6 N0．3 1 0 ． 1 6 6 3 8 ／ j ． c n k i ． 1 6 7 1 7 9 8 8 ． 2 0 1 6 ． 0 3 ． 0 3 4 基于流量控制的液压式 E P S系统原理分析 刘成，胡慧 安徽工贸职业技术学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 7 摘 要汽车助力转向系统是汽车的关键部件，汽车的安全性和舒适性均由其直接体现，其性能的好坏直接影响人 们对汽车好坏的评价，人们对汽车的操控性、舒适性和安全性的要求越来越高。文章介绍了两种流量控制式的液压 动力转向系统的结构，并详细分析了其工作原理，最后进行对比。 关键字E P S；流量控制；旁通流量式；电动泵式 ；原理分析 中图分类号U 4 6 3 ． 4 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 6 0 3 1 0 0 一 O 3 Pr i nc i pl e a na l y s i s o f hy dr a ul i c EPS s y s t e m ba s e d o n flo w c o nt r o l Li u Ch e n g ， Hu Hui An h u i I n d u s t r y T r a d e V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ， A n h u i H u a i n a n 2 3 2 0 0 7 Ab s t r a c t Au t o mo b i l e p o we r s t e e r i n g s y s t e m i s t h e k e y c o mp o n e n t s o f a v e h i c l e ， v e h i c l e s a f e t y a n d c o mf o r t a r e t h e d i r e c t e mb o d i me n t ， t h e q u a l i t y o f i t s pe r f o r man c e d i r e c t l y a ffe c t p e o p l e ’ S e v a l u a t i o n o n the q u a l i t y o f c a r s ， p e o p l e o n t h e c a r h a n d l i n g ， c o mf o r t a b l e a n d s a f e t y r e q u i r e me n t s b e c o me h i g h e r a n d h i g h e r ． T h i s p a p e r i n tr o d u c e s t h e s t r u c t u r e o f t wo k i n d s o f fl o w c o n tro l l e d h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g s y s t e m， and ana l y z e s i t s wo r k i n g p r i n c i p l e i n d e t a i l ． K e y wo r d s EPS ； Fl o w c o n t r o l ； By p a s s fl o w ； El e c t r i c p u mp； P r i n c i p l e a n a l y s i s C L C N O． U4 6 3 ． 4 Do c u me n t Co d e A Ar t i c l e I D l 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 6 O 3 - 1 0 0 0 3 引言 动力转向系统是汽车的关键部件，属于主动安全范畴， 能够有效衰减路面对前轮产生的冲击，因此被越来越多的汽 车都使用了动力转向系。液压助力转向系统的工作，是发动 机通过皮带驱动油泵运转，发动机转速不同，转向油泵输出 的液压油的流量将发生变化，转向助力液压油在油泵的作用 下加压，通过转向控制阀进入转向动力缸的一个工作腔，然 而另外一个腔则回油，此时动力缸左右腔便有压力差，进而 产生了一定的助力。然而这种传统的动力转向系统却存在一 些缺陷，若设计时考虑到适应汽车在低速行驶状态下转动转 向盘的操纵力，选择了一个较大的固定的助力放大倍数，那 么在车辆处于高速行驶状态时，这个助力放大倍数便显得很 大，驾驶员操纵方向盘的操纵力便显得太小，这样将影响驾 作者简介 刘成，硕士， 就职于安徽工贸职业技术学院， 研究方向 汽车电子控制技术 。 驶员控制车辆的方向，降低了路感。若设计时考虑到适应汽 车在高速行驶状态下转动转向盘的操纵力，选择了一个较小 的固定的助力放大倍数，那么在车辆泊车、以较低车速行驶 时，这个助力放大倍数将显得很小，驾驶员操纵方向盘便会 感到很费力 转向沉重。基于以上问题，保证驾驶员在不 同车速下操纵转向盘所施加的力均达到一个最适宜的值，必 须引入电子控制系统，即出现了电子控制动力转向系统。随 行驶条件变化，这种助力转向系统可适时调整转向助力放大 倍数，因而非常适用于轿车上。 1 、电子控 制动力转 向系统分类 电子控制动 力转 向系统即 E P S E | e c tr o n i c C o n t r o l P o w e r S t e e r i n g ，根据产生助力作用的动力源的不同，基本上包括 了以下两种类型即带液压系统的电控液压式动力转向系统 以下简称为液压式 E P S 和不带液压系统而通过电动机直 接驱动油泵运转的电动式动力转向系统 以下简称 电动式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 1 汽车实用技术 2 0 1 6 年第 3 期 E P S 。液压式 E P S根据其控制方式不同，人为的划分为三 种类型流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式。电动 式 E P S因为省去了液压系统，结构较为简单紧凑；另外，因 为电动机直接控制，响应性更好，所以在小型车特别是轿车 上得到了广泛的应用。液压式 E P S因为能提供较大的动力， 所 以除 了在小型上应用外 ，大型车上也多采用 。本文 以流量 控制式的液压动力转向系统为例，介绍其结构，并分析其工 作原理。 2 、流量控制的液压式 E P S系统原理分析 流量控制式 E P S是根据车速传感信号， 控制向动力转向 装置提供的压力油 ，从而改变油液流量，适时控制 汽车转向 力的大小。其中控制流量的方法有两种其一是通过旁通流 量阀对油泵输出流量进行分流，进而控制进入转向转向控制 阀的液流量；其二是直接改变油泵的输出流量。下面分别介 绍了两种形式的流量控制式液压助力转向系统，并分析其原 理 。 2 ， 1旁通流量式 旁通流量式液压动力转向系统是在普通液压动力系统基 础上增加了转向盘转速传感器、车速传感器、流量控制阀、 电磁阀及电控单元等，如图 l 所示为旁通流量控制式液压动 力转向系统的结构和原理示意图。其中，在油泵与转向器之 间设计有 一条 由旁通流量控制 阀组成 的旁通管路 。 E C U根据 车速传感器、转向盘转速传感器的信号，根据需要向流量控 制阀发出指令，进而来控制旁通流量，不断调整通往转向控 制阀的供油量，从而改变助力输出的大小。若进入转向控制 阀的油量下降，动力转 向控 制阀的灵敏度将减 弱，这时助力 效果较小 ，驾驶员施加在方 向盘 上的力便增大 。 旁通流量控制式 E P S 系统中旁通流量控制阀起到非常重 要的作用，其结构示意图如图 2所示。在控制阀阀体内装有 两个 阀，即主滑阀和稳压阀 。其 中主滑阀右端连接 电磁 阀的 柱塞，主滑阀移动量随着电磁线圈通电电流大小的变化而变 化，即主滑阀与电磁阀的推力成正比移动，进而改变主滑阀 左端量孔的流通截面积。在控制阀的最右端有～颗调调节螺 钉，主要作用是调节旁通流量的大小。同时在进油口的位置 装有稳压阀，其基本功用是保持量孔 C前后压力差恒定，进 而使 旁通流量与流量主孔 的流通截面积成正 比。当汽车转 向 负荷 变化 时，量孔 前后 压差异常，在 稳压 阀弹簧弹 力和右侧 油压 的作 用下 ，稳 压阀的阀芯移 动。若此 时压 力差 高于 设定 值，稳压阀的阀芯便向左滑动，进而导致节流孔 A的流通截 面积变小，进入阀内的助力油量变少，前后压力差下降；若 此时压力差低于设定值，稳压阀的阀芯便向右滑动，进而导 致节流孔 A的流通截面积增大，进 入阀内的助力 油量增加 ， 前后压力差上升。由于量孔 C前后压力差的恒定，从而保证 了旁通流量 的大小唯一只与主滑 阀控制的流量主孔 的流通截 面积有关。 二 』 图 1 流量控制式电子控制动力转向系统 A一 节流孔B 一内部油道C一 量 孔 图 2 旁通流量控制 阀 基 于上述原理 的旁通流量控制式 E H P S系统只是在传统 的液压动 力转 向功 能上 另外增加 了流量控制功 能，因此相对 于传 统 HP S系统 来说 ，结构上 改变不是很 困难 。然而 ，它也 有一定的弊端，当液压系统油压下降低到一个极限值时，若 紧急避险需要快速 转向时， 便会 出现液压油压力不足的情况 ， 因而其响应也比较滞后， 因此其推广应用具有一定的局限性。 2 ． 2 电动泵式 电动泵式 E P S是在传统液压系统的基础上进行了改进， 它不再利用发动机驱动油泵运转，取而代之，利用了直流电 动机来直接驱动油泵运转。 E C U通过控制电机的转速实现助 力大小的变化， 由于油泵是 电动机带动其旋转，那么 电机转 速越高 ，转 向油泵的流量和压 力便越大 ，液压动力转 向系统 产生的助力就越大 。汽车在行驶时 ，大多数处于直线行驶状 态 。然而处于直线行驶工况时 ，实际上根本不需要助力系统 工作 ，而上述旁通流量控制的液压助力转 向系统 中的油泵 由 于 与发动机通过皮带相连 ，因此一旦发动机运转 ，转 向油泉 就一直在发动机皮带的带动下运转，对外不断输出液压能， 必然消耗发动机的能量，增加发动机的附加燃油消耗，同时 由于发动机要带动转向油泵运转，液压管路出现振动噪声、 响应滞后。如果油泵的转速能随车速和转向盘转速的变化而 改变，而且汽车不转 向时油泵不工作或 以较低转速运 转，这 样不仅能获得随车速 而变 化的路感 ，而 且能一定程度 上减 少 由动力转向系统造成的附加燃油消耗。基于此，唯有通过电 动机来驱动油泵。 此时，由E C U根据传感器采集车速和转向 盘转速信号，发出指令，控制电机转速，从而改变流入液压 助力转向系统的油液流量，调整了操纵力。综上我们可以看 到，这种液压助力转向系统中，由于将电动机和油泵制成一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 3期 刘成 等基于流量控制的液压式 E P S系统原理分析 1 0 2 体 称为电动泵，所以我们将这种动力转向系统叫做电动 泵式液压助力转向系统。 仪表 ／ 转问盘转速传瞎器～f转向盘转逋信号 储 油 罐 限难 闻 油 聚 电 控单 _元 壳体， 电动 机 向掇 警灯 芷动 机管 理尊 元 图 3 电动泵式液压助 力转 向系统示意 图 图 3为一种典型的电动泵式 E H P S系统示意图，例如东 风雪铁龙凯旋轿车即采用了此种转向系统。在转向齿轮上安 装有转向盘转速传感器。如图中所示驱动油泵的电机、产生 液压的油泵、转向油罐及电控单元制成一体，构成电动泵总 成，结构紧凑。系统通过 C A N 总线从电子车速表 位于仪 表板 中获 得车速信号 ，从发动机管理单元 获得 发动机转速 信号，通过安装在转向齿轮上的转向盘转速传感器获得转向 盘转速信号。安装在电动泵中的转向电控单元，根据上述信 号对汽车的行驶状态进行判断，对电机的转速进行控制，使 油泵输出与当前行驶状态相适应的工作流量。油泵是一个不 依赖于发动机的电动泵，即使发动机熄火不运转，也不会动 力转向系统的工作产生影响。由于其转速是可变的，可随车 速 的不断改变来调节 ，低速工况时电动泵的转速 能达到 3 5 0 0 r ／ mi n 左 右 ，当处于 高速 工况 时便会下 降至 大约 7 5 0 r ／ mi n 。考虑到高速行驶中偶遇前方障碍物这种情况的出现， 驾驶员会突然转动转向盘进行紧急避让。为此，该系统设有 动力转向紧急模式。 电控单元 E C U通过安装在转向柱上的角 速度传感器，来判断驾驶员打转向盘的速度，从而来适时控 制转向助力大小。在猛打转向盘时，电动泵会迅速将转速提 高到 5 0 0 0 ff mi n左右，助力瞬间增大到极限值，从而保证驾 驶员可以顺利完成避险操作，有效避免或者减少了事故的发 生，对于传统 的液压助 力转 向系统是不可 能实现 的，唯有这 种不依赖于发动机转速变化的电动泵式 E P S系统可做到。 采用电动泵式液压动力系统，不仅能够获得随车速而变 化的路感，而且能大大减少转向助力系统的功率消耗，其功 率消耗仅为普通 HP S系统 的 2 0 ％左右 。 3 、结束语 通过对上述两种流量控制式 液压助力转 向系统 的原理进 行分析，比较可得，电动泵式液压助力转向系统综合运用了 机、电、液一体技术，克服了单纯的传统液压助力转向的缺 点，同时又融合了电动助力转向系统所拥有的优势。E H P S 系统采用直流电机来驱动油泵运转，脱离了发动机，从而使 助力的大小与发动机转速无直接关系，按照转向的需要适时 调整电机转速，进而改变助力的大小，另外，考虑到液压驱 动系统拥有能量密度大的特点，电动泵式液压助力转向系统 因为液压系统 的存在可有效减少路面 的冲击 ，优化 了转 向平 顺性，使得驾驶员操作转向更加舒适。 参考文献 【 1 】朱忠 明． 电动液压助 力转 向系 统分析与控 制器设计 [ D] ． 江苏大学 硕士学位论文，2 0 1 0 ． [ 2 】王维冬 ． 电动液压 助力转 向系 统控制器 的开发与设计 【 D】 ． 江苏大 学硕士学位论文， 2 0 0 9 ． 【 3 ]陈 阵． 电动 液压助 力转 向系 统 E I -I P S 应用 及发展 [ J ] ． 科技 创新与 应用， 2 0 1 4 0 4 2 8 9 2 9 0 ． [ 4 】陈利娜． 基于转向特 性的汽车电子控制动力转 向系统[ J 】 ．汽车 工程 师， 2 0 1 0年 1 2期． 【 5 ]黄安华． 浅谈汽车的转向系统【 J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 1 0年 1 期． 篓窟信号 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m