电动液压助力转向系统能耗分析与仿真.pdf

第 5期 2 0 1 4年 5月 机械 设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 8 9 电动液压助力转向系统能耗分析与仿真 李九灵 ， 吴德旭 ， 冯维 1 ． 湖北工业大学 机械工程学院， 湖北 武汉4 3 0 0 6 8 ； 2 ． 神龙汽车有限公司技术中心， 湖北 武汉4 3 0 0 5 6 摘要 汽车节能已成为汽车技术发展的主题，而传统的发动机驱动助力转向系统已呈逐渐被取代趋势。首先基于 MA T L A B＆S i m u l i n k建立了汽车电动液压助力转向系统 E HP s 的机械、 液压模型进行仿真， 并通过试验数据对其加以 验证。在此基础上， 研究了各主要参数在不同路况下的能耗变化规律， 进而找到了对 E HP S能耗起最大影响的关键参数。 通过对关键参数敏感性的研究， 提出了降低 E H P S能耗的潜在方向， 有利于进一步挖掘 E H P S在较大轴荷乘用车、 轻型商 用车以及重型商用车领域仍有较大的应用潜质。 关键词 电动液压助力转向 E H P S ； 仿真模型； 能量消耗 中图分类号 T H1 6 ； T H1 3 7 ； U 4 6 3 ．4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 5 0 l 8 9 0 3 Th e E n e r g y An a l y s i s a n d Si mu l a t i o n o f El e c t r o Hy d r a u l i c P o we r S t e e r i n g E HP S S y s t e m L I J i u l i n g ，WU De X U 2 ．F EN G We i 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Hu b e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ，C h i n a ； 2 ． D o n g f e n g P e u g e o t C i t r o e n A u t o m o b i l e C o ． ， L t d ． ， Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 5 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A u t o mo b i l e e n e r g y s a v i n g h a s b e c o m e t h e d e v e l o p m e n t t h e m e o ft h e a u t o mo t w e t e c h n o l o gy； h o w e v e r ， t h e t r a d i t i o n a l e n g i n e - d r i v e n p o w e r s t e e r i n g s y s t e m h as s h o w n a t r e n d ofg r adu al l y b e i n g r e p l a c e d ． F i r s t l y ，i t e s t a b l i s h e s a n d s i mu l a t e s t h e m e c h ani c al and h y d r a u l ic m o d e l of a u t o m o t i v e e l e c t r o y d r a u l i c p o w e r s t e e r i n g s y s t e m E HP S b a s e d o n MA T L A B S i m u l i n k ， a n dt h e m o del C an b e v ali d at e d b yt e s t d atc a O nt h is b asis， t h e e n e r g y c o n s u m p t i o n v a r i at i o nofma i n p ara me t e r s is s t u d i e d i n d iff e r e n t r o ad c o n d i t i o n s t o fi n d o u t t h e k e y p ara m e t e r s w h ic h a l e t h e gre at e s t i m p act f o r t h e e n e r gy c o n s u m p t i o n of E H P S ． T h r o u g h t h e r e s e ar c h of k e y p ara m e t e r s e n s i t i v i t y ， i t p r e s e n t h e p o t e n t i al d i r e c t i o n t o r e d u c e e n e r g y c o nsu m p t i o n of E H P S ， i t is c o n d u c i v e t O f u r t h e r e x c avat e E H P Si nt h e l arg e r p ass e n g e r c a r s ， l i g h t c o m me r c i al v e h i c l e s a n d h e a v y c o m m e r c i al v e h i c l e ，an d E HP S s t i l l h as l arg e a p p l i c ati o np o t e n t i a 1 ． Ke y Wo r d s E l e c t r o - Hy d r a u l i c P o w e r S t e e r i n g E HP S ； S i mu l a t i o n Mo d e l ； E n e r g y C o n s u mp ti o n 1引言 近年来， 汽车节能成为汽车技术发展的主题。 对于转向系统而 言， 传统的发动机驱动助力转向系统已呈逐渐被取代趋势 】。 首先是 电动液压助力转向系统 E H P S ， 其液压泵独立于发动机， 通过电机 驱动。 因为泵的转速不受发动机转速影响， 可以明显降低系统能耗， 并且保持了液压转向系统的基本属性 ， 如转向轻便陛、 良好的路感 等。然后是电动助力转向系统 E P S ， 直接通过电机为转向系统提 供助力。E P S将使系统能耗进一步降低， 但是受电池技术发展的 限制， E H P S以及 E P S目前仅在中型或小型乘用车上应用。 为获取更好的路感、 降低成本、 降低燃油消耗 ， 目前 E P S系 统已有较多的研究及应用。特别是当高电压供电系统普及， 并且 技术进步能够实现高集成度 、 低惯量、 高输出扭矩电机的应用时， E P S系统将会越来越普及。然而， HP S以及 E H P S系统还会有较 大范围的应用 。E H P S系统仍然有很大的降低能耗空间， 特别 是对于轴荷较大车辆 。依据实际应用中E H P S系统的 2 种模式 建立了仿真模型。 在转向需求较低时， 系统处于一种节能模式； 在 高转向需求时， 系统能够以慢速或快速切换到动力模式。这个模 型可以用来研究不同道路条件下 如高速公路、 城市道路以及乡 村公路等 的 E H P S 系统的能量流， 并确定系统主要性能参数对 能量消耗的敏感程度。 2仿真模型 E HP S示意图， 如图 1 所示。E C U依据实际转向力需求以及 车速信号向电机提供适当的脉冲调制电压。电机驱动真空泵 ， 为 转阀提供液压油。 转阀通过为助力缸提供压差来产生转向助力。 压 差通过扭杆转角以及方向盘力矩来控制。为实现模块化的仿真模 型， 系统被分为了机械系统、 液压系统、 电控单元以及控制器， 如图 1 中虚线部分。 仿真模型通过M A T L A B ＆S i m u l i n k ⑩建立 ， 如图 2所示。 主要输入参数为 方向盘转角 、 齿条力 、 以及电压 。 这些参数通过从实车测量数据提取。转向扭矩、 齿条位移、 压力、 流量以及电流作为输出。 来稿 日期 2 0 1 3 1 0 0 7 基金项 目 武汉市青年科技晨光计划 2 O 1 2 7 1 0 3 1 3 8 6 作者简介 李九灵， 1 9 7 9 一 ， 女， 湖北宣恩人， 讲师， 博士在读， 主要研究方向 机械设计及理论 l 9 0 李九灵等 电动液压助力转向系统能耗分析与仿真 第5 期 方向盘转角 图 1电控助力转向泵组成 Fi g ． 1 Th e Co mp o s i t i o n o f El e c t r o n i c a l l y Co n t r o l l e d Po we r S t e e r i n g P u mp 图2仿真模型 Fi g ． 2 S i mu l a t i o n Mo d e l 2 ． 1单自由度系统机械模型 在 3 0 H z 频率范围内，转向机械系统可作为二自由度系统。 一 个 自由度是方向盘、 管柱的转角， 另一个是齿条位移， 二者之间 通过扭杆柔性连接。转角需求作为输入参数可固定这个 自由度。 剩下的单自由度系统进一步简化来适应系统在 2 H z 的降低能耗 的表现。 这样齿条位移 S 即为系统自由度， 方向盘转角 是输人 参数。模型中系统整体刚度 由扭杆刚度 以及与之相连的 ／ 1 1 ＼ 一 l 管 柱 刚 度 K c 决 定 。 K 玄】 1 齿条力是转向拉杆力 、 液压力 、 齿条滑移力 以及齿 轮力 的合力。忽略齿轮的转动惯量， 依据牛顿第二定律， 关于 齿条运动有 m 2 2 _ 2液压模型 图 3液压转 向系统原理 图 Fi g ． 3 Th e S c h e ma t i c Di a g r a m o f Hy d r a u l i c S t e e r i n g S y s t e m 液压系统模型基于如下假设建立 忽略液体压缩系数及惯 量； 转阀人 口、 出口特性一致 ； 阀回路中流量均匀分配； 泵内泄漏 与系统压力呈比例关系；泵和电机扭矩损失在电机模型中考虑； 进油口、 回油口压力损失统一考虑。 在桥形模型中， 转阀包含 4个 可变节流孔， 当施加转向扭矩时， 扭杆产生变形， 转阀会形成转角 差， 转阀中2个阀口会开启， 另外两个阀口会关闭。 在实际的阀中 有多个阀口。 每个阀口实际上包含 4 个并列的阀口， 如图 3 所示。 这些因素在模型中均会加以考虑。 2 ． 3电机 直流有刷电机通过个二级机电系统进行模拟。电源电压在 E H P S系统连接点上测量， 一些参数从试验测量中提取。对于不能 直接测量得到的参数， 通过结合实车测量数据采用优化算法得到。 2 ． 4控制器 系统控制器控制直流电机的脉宽调制电压。模型包含两种 基本操作模式， 节能模式、 动力模式， 以及二者之间的转换。当转 向需求较低时， 系统处于节能模式 P M W8 0 ％ o系统中设置了 两种可能的程序来切换至动力模式。首先， 如果当前转向需求电 流梯度超过了限值，控制器会迅速将脉宽电压增加值最大值； 如 果当前电流梯度未超过限值， 仅超过了某一个值时， 控制器会使 用较平缓的曲线切换至动力模式；当电流梯度降至规定值时， 系 统切回至节能模式。 3模型验证 在各个单元模型建立初期已进行了验证。整体仿真模型的 稳态性能通过测试数据来校准。 模型的动态特性验证通过实车试 验数据验证。基于上述转角输入条件下电流的测量值以及模拟 值， 如图 4 所示。 二 二 艏I ●●●- ⋯一 ● ● ● l i I ．．__ l ‘ S ； 一 ‘ ． ； 时 I可 t s 图4输入电流一 测量值膜 拟值 城市道路 Fi g ． 4 I n p u t Cu r r e n t _ Me a s u r e d Va l u e ／ An a l o g Va l u e i n C i t y R o a d s 4能量流分析 动力转向系统的主要作用是为了在保持路感的前提下保证 驾驶员转向的舒适性。对于液压或电液助力转向系统来说， 能量 浪费不可避免。 因为能量始终输入至系统， 但是系统的转向能量 输出经常是 0 当没有转向动作时 或者是负值 当车轮 自动回 正时 。在静态时助力系统的运行没有产生机械运动 ， 它们产生 的能量被恒流的液压系统所吸收。这里将对这部分能量损耗进 行研究。在 E H P S系统中， 输入能量 按下式计算 f 幽 ‘ 3 ． E H P S系统中， 电控单元 E C U 控制了电机， 并且输出脉宽调 制电压 及电流 。所I2 E C U的能量输出为 4 E C U的损耗反映了由电阻 决定的电机电流以及电压。 电控单元的功率输出 ～ 表现为扭矩及角速度输出。 其损 失主要为铁耗， 主要包括持续扭矩以及与速度决定的扭矩。次要 No ． 5 Ma v ． 2 0 1 4 机 械 设 计 与制 造 1 9 1 损失为铜耗 阻抗 、 电刷电阻 以及摩擦力。除压力相关的 摩擦外 ， 泵和电机摩擦力在电控单元中综合考虑。 在液压模块中， 主要的能量传递是泵将机械能转换为助力液的动能 ， 可通过 流量乘以压力来计算。这样， 电控模块能量损耗与泵输出的功率 之间的差值即为泵损失功率 。 第二个能量损耗是转阀处的压 降产生的损失 。 最终的液压能量输出 表现为液压在 助力缸上产生的力以及齿条移动速度， 这也是机械系统的输入能 量。 在机械模块中， 第二个能量输入通过驾驶员输入， 其大小为转 向扭矩乘以方向盘角速度 ， 输出功率 等于拉杆受力乘以齿 条移动速度， 机械损失主要由系统摩擦力产生。 2 0 1 5 1 0 ， 、5 0 督 一5 1 O 一 1 5 2 0 ⋯i 匿 一 ⋯ I 一一 机械 J 8 ． _ r ’ I T’ ⋯ Ir ●● -● -⋯ __● 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 O 时间 t s 图5 E H P S 系统能量流 城市道路、 加速 Fi g ．5 Th e En e r g y F l o w o f EHP S S y s t e m i n C i t y R o a d s ，A c c e l e r a t i o n 系统瞬时能量流分析， 如图5 所示。 能量需求 F F I E R O D， 如图 5所示。 由转角输人以及齿条力决定。 从图 5中可以看出， 虽然瞬时 功率需求峰值达 I O O W， 平均输出功率需求低于 0 ． 5 W。 另外， 机械损 失 P M- l o s s 将会提高这个功率需求。主要的助力通过液压系统提 供， 驾驶员的输入作为次级输入， 如图5 所示。 需对转向系统的能量 伟 差 链进一步分析。液压系统输出功率由泵的输出功率提供， 主要 的功率损失出现在转阀处。泵功率由电机提供， 而电机的功率由电 源通过 E C U提供。各模块能量流的平均值基于在规定模式下进行 l O O s 的驾驶数据计算。 在低转向需求工况下， 系统主要处于节能模 式， 系统总功率消耗 I O O W左右。系统中电机和转阀的能量消耗最 大。 液压系统 、 拉杆以及驾驶员的平均消耗能量很小， 这很大程度上 是因为系统z - 4 的正负输出导致的。 实际驾驶过程中的总体能量 消耗主要由节能模式下的消耗决定， 与转向需求无关。 5参数敏感性分析 对参数的分析模拟仍然基于在城市道路 l O O s 的驾驶数据 进行。 模拟过程中， 每一个参数均单独进行了调整， 它们对系统总 能量消耗的影响， 如表 1 所示。 表 1参数调整对功率损耗的影响 城市道路 T a b ． 1 P a r a me t e r A d j u s t me n t t o t h e I mp a c t o f P o w e r L o s s i n Cit y R o a d s 影响功率需求的主要因素是电源电压，但是在实际 E H P S 系统中仅仅通过调整电源电压来节能并不可行， 因为它对系统流 量以及转向特f生 均有影响f 7j 。油温及其对液压油速度的影响对系 统能耗有显著影响。 降低系统能耗的最有效的方法是在转向机处 于中间位置时， 转阀的压降最小化， 这也是项目开发过程中的主 要 目标 。综上， E H P S系统的能量损耗主要由系统在节能模式下 的表现决定。 6结论 首先结合 E HP S特点， 按照不同的功能建立了仿真模型， 仿 真模型非常稳定并且与实车测试数据之间有很高的一致性； 接 着， 运用仿真模型对系统能量流进行了分析； 最后， 通过基于仿真 模型的参数敏感性研究，明确了不同参数对系统能量消耗的影 响。目前 ， E HP S系统在乘用车领域已有较为普遍的应用， 并已呈 现逐步被 E P S系统替代的趋势，但是， E H P S系统的输入功率与 实际前轮转向需求之间的巨大差距显示， E H P S的应用仍然有很 大的潜力 ， 在较大轴荷乘用车、 轻型商用车以及重型商用车领域 仍有较大的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 德国 B O S C H公司． 汽车工程手册[ M] ． 魏春源 译 ． 北京 北京理工大 学出版社 ， 2 0 0 9 ． G e r ma n y B O S C H C o mp a n y ． A u t o m o t i v e E n g i n e e ri n g Ma n u a l [ M J ． We i C h u n y u a n t r a n s l a t i o n ． B e i j i n g B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 苏建宽， 王继磊． 电动液压助力转向系统控制策略及其能耗分析[ J ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 1 2 1 1 2 6 1 2 8 ． S u J i a n- k u a n ， Wa n g j i - 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