混合动力客车电动液压助力转向系统的匹配设计与研究.pdf

轻 型汽 车技 术2 0 1 5 1 ／ 2 技 术纵横 4 9 混合动力客车 电动液压助力转向系统的匹配设计与研究 徐劲 朱晓 南京依维柯汽车有限公司 摘要 通过对一款混合动力客车 电动液压助力转向系统 E HP S 的开发研 究 ， 介绍 了液压泵的工作流量和电机 的额定功率的计算 匹配方法， 并详 细分析 了 系统的控制策略 ， 即对不同的行驶状况调 节转向助力的方法， 提供更好 的驾驶舒 适性和稳定性 ， 并达到节能的 目的。 最后通过样车的操纵稳定性试验 ， 验证 了这种 开发 方 法是 正确 可行 的 。 关键词 电动液压助力转 向系统 E H P S 匹配计算控制策略 1 刖 吾 近年来 ，以纯 电动和混合动力为主的新能源 汽车技术已经成为各国汽车企业在汽车领域研发 的重点 ，能否掌握新能源汽车的关键技术决定了 各 国汽车企业能否在未来市场的竞争 中占有主导 地位。 新能源汽车的关键技术包括驱动电机 、 动力 电池和 电控系统 的大“ 三电”，以及 电动转向系 统 、 电动制动系统和电动空调系统 的小 “ 三 电”。 目前 ，电动转向系统在新能源汽车中应用最广泛 的是 电动助力转向系统 E P S 和电动液压助力转 向系统 E H P S 两类。E P S系统发展比较成熟 ， 在 传统汽车领域也被广泛应用 ，但是受助力电机功 率的限制 ， 系统输 出的转向力矩较小 ， 所 以在中小 型轿车及微型客车上应用较多。而 E H P S系统 因 为对传统的液压助力系统改动较小 ，系统输 出的 转向力矩较大， 且可靠性更好 ， 所 以在新能源客车 及一些大型乘用车上被广泛应用 。 为了满足旅行房车、 抢救指挥车、 冷藏运输车 等专用车辆需要长期使用稳定的 、大容量的电源 的需求，我们开发了一款适合专用车辆改装的混 合动力客车和二类底盘产品。此车型在低速行驶 和启停时采用纯电动驱动模式 ，高速稳定行驶时 采用发动机驱动模式 ，充分利用发动机的经济工 况 ， 达到节能减排的 目的， 其配置的动力电池除可 以提供纯电动模式行驶所需的能量外 ，还能为车 内外的用电设备提供充足稳定的电源 ，且在电量 不足时可 由发动机或外接电源对电池进行充 电。 表 1 是新开发车型的整车基本参数。 表 1整车基本参数 主要参数项 具体值 全长／ 全宽／ 全高 mm 5 9 9 0 x 2 O o o x 2 7 4 0 轴距 mm 3 3 1 O 前悬／ 后悬 mm l 0 o o ／ l 6 8 0 前轮距／ 后轮距 m m l 6 9 5 ／ 1 5 4 0 整备 质量 k g 3 3 o o 最大设计总质量 5 O 0 0 空载轴荷分配 前／ 后 k g 1 5 8 0 ／ l 7 2 0 满 载轴荷分配 前／ 后 k g l 6 2 0 ， 2 6 6 0 最大乘员数 人 1 7 5 0 技 术 纵横 轻 型汽 车技 术2 0 1 5 1 ／ 2 因为新车型的总质量和前轴负荷较大 ，需要 较大的转向力矩 ，并且考虑在基础车型的液压助 力转向系统上做尽可能小的改动 ，所 以在设计转 向系统 时选择采用电动液压助力转 向系统 E H P S 。 2 系统主要部件 的选型与 匹配 电动液压助力转向系统 E H P S 的基本组成 如图 1 所示 ， 与传统液压助力转向系统相 比， 增加 了车速传感器 、 转角传感器 、 转矩传感器 、 控制器 E C U 、 无刷 电机驱动的液压泵等。包括转向器 在 内的其他部件都是沿用的基础车型原件 ，所 以 新系统需要针对转向器 的规格和整车需要 的转向 力矩， 匹配合适的电动液压泵， 即确定液压泵的工 作流量和电机的额定功率。 訇 岖 画 I 臣画奎 攫施 搋 图 1 电动液压助力转向系统 E HP S 原理图 2 ． 1 计 算液压 泵 的工作流 量 新车型采用 的齿轮齿条式转向器 ，主要参数 如表 2 。 表 2齿轮 齿 条 式 转 向器 参 数 项 目 参数 活塞环体半径 h i m 2 5 ． 7 7 5 齿条半径f mm 1 1 4 小齿轮节圆半径 m m 9 齿轮齿条传动比 4 7 - 2 7 内泄漏流量 L ／ mi n 1 0 ． 8 转向器油缸的工作面积 m m2 计算如式 1 。 S S 1 一 S 2 1 T R 一 1 T r 2 1 1 其中， s 是活塞环体面积 m m2 ， R是活塞环体 半径 m m ； s 是齿条 面积 mm 2 ， r 是 齿条半 径 mm 。 转向器油缸内活塞环体移动的速度 f mm ／ s 计 算如式 2 。 v , n s t 2 其 中， n 是方 向盘的最大转速 ， 取 1 ． 2 5 r ／ s ， t 是 齿条螺距 ， 即齿轮齿条传动 比。 转向器工作时的理论流量 L ／ mi n 计算如式 3 。 Q o 3 1 0 转向器工作时的实际流量 L ／ m i n 计算如式 4 。 Q 1 ． 5 Q 0 Q 2 4 其 中 ， Q 是 动力转 向器允许 的内泄漏 流量 L ／ m i n 。 将表 2中的参数代人计算 ，得转向器工作时 的实际流量为 8 ． 6 1 L ／ m i n ， 转向泵的工作流量要略 大于此值。 综上可得出，液压泵的工作流量必须满足 ≥ 8 ． 6 1 L ／ ra i n ， 初选液压泵的工作流量 Q 9 L ／ mi n 。 2 ． 2计算驱 动液压 泵的 电机 的额定功 率 转 向系统的相关参数如表 3 。 表 2转 向系统相关参数 一 个轮胎上 的满载垂赢负荷 N 8 5 7 5 轮胎气 K P a 1 4 ．3 x 1 0 5 转向拉杆与转 向节连接点到主销中心线的力臂长度 I l1 0 ． 1 4 6 7 液压泵的总效率 8 O ％ 汽车在停车时原地转 向所受 的转 向阻力最 大 ， 故最大转向阻力矩 N m 计算如式 5 。 厂 K1 ／ 7 - 5 寺 V 其中， G 是一个轮胎上的垂直负荷 N ； p 是轮 胎气压 P a ； 是轮胎和路面问的滑动摩擦系数 ， 一 般取 0 ． 7 。 此公式为经验公式 ， 取安全系数 K 2 。 齿条上的最大作用力 N 计算如式 6 。 轻 型 汽车技 术2 0 1 5 1 ／ 2 技 术纵横5 1 年 6 其 中， ￡ 是转 向拉杆与转向节连接点到主销 中 心线 的力臂长度 m 。 液压泵的最高工作压力 MP a 计算如式 7 。 7 其中， s是式 1 所得到的转向器油缸的工作 面积 mO 。 电机的驱动功率f k 计算如式 8 。 8 其中， 是液压泵的工作流量 ， 即 9 L ／ mi n ， 是液压泵的总效率 将表 2 、 3中的参数以及前面计算得到的数据 代入计算 ， 得电机的实际驱动功率为 0 ． 9 8 k W。 同 时还 可 以根 据 液压 泵 的最 大工 作 流 量 L ／ mi n 与公称排量 L ／ r 计算泵的最大工作转速 ， 如式 9 。 n ～ 9 q 其中， q为液压泵的公称排量 L ／ O 。 则电机的额 定转速必须满足≥n ～ 综合以上计算结果 ， 选择合适 的电动液压泵 ， 参数如表 4所示。 表 4电动 液 压 泵参 数 油泵参数 公称排量 mU r 1 5 ．7 额定转速 d m 3 2 0 0 额定压力 MP a 7 ． 0 控制流量 Umi n 9 ． O 直流无刷永磁电机参数 电压 V 3 3 6 ／ 3 8 4 额定功率 K W 1 ． 1 频率 Hz 5 0 效率 ≥9 2 ％ 接线方式 3 线联接 绝缘等级 H 防护等级 I P 4 4 转速 d m i n 1 0 o o 3系统控制 的策略分析 在 E P H S系统 中，转向操作和负载条件一定 时， 转向助力与电机转速成正 比关系， 因此对转 向 助力 的调节 ， 关键在于对电机转速 的调节 。 在车辆驾驶的实际过程中， 当车速较慢时， 转 向阻力较大 ， 我们需要更大的转 向助力 ， 这样转向 时就不会感到方向盘沉重 ， 以提高驾驶的舒适性 ； 当车速较快时， 转 向阻力较小 ， 我们需要较小的转 向助力，这样在高速行驶过程中我们就能保持车 辆的直线行驶 ， 以提高驾驶的稳定性 。 当我们在驾驶过程中遇到需要 紧急避让时 ， 通常会猛打方向盘 ，这时方 向盘转动的角速度增 加 ，此时需要更大的转向助力才能使车辆迅速转 向； 当我们转向变慢或停止时， 这时方 向盘转动的 角速度减小 ， 此时不需要很大的转向助力 ， 这样我 们才能感觉到转向助力的均匀连续。以上可以总 结为转向助力需要有 良好的跟随陛。 由上面的分析可知 ， E P HS系统控制策略的核 心是如何根据车速和方向盘转动的角速度来调节 电机转速。 3 ． 1 根据 车速调 节 电机转速 车速 v与电机转速 n的关系如下 当车速 v 较高时 ， 电机转速 n应当较低 ， 转 向助力较小 ； 当 车速 v 较低时， 电机转速 n 应当较高， 转向助力较 大。一个车速 v应当有一个唯一的电机转速 n对 应 。根据以上分析 ， 车速 v 与电机转速 n的关系曲 线如图 2所示 V 1 v 2 V 图 2关 系 曲线 图 5 2 技术纵横 轻型汽车技术2 0 1 5 1 ／ 2 公式表达如式 1 0 1 0 其中n 一为电机的最高转速， n 为电机的最 低转速 ， 对于不同类型的车辆 ， 它们的取值也是不 同的。 fl y 是车速的单调减函数 ， 可以设计成线性或 者非线性 ， 图中描述为非线性。在车速的低速段 ， 转 向摩擦阻力较大， 电机转速较高且近似不变 ， 转 向时提供 的转向助力较大 ，随着汽车车速越过低 速段， 电机转速开始降低， 使泵的流量减小， 相应 地在转 向时提供的转向助力就减小 ，当车速达 到 某一高速值时 ， 电机转速达到最低 ， 此时提供的助 力较小。 此算法的目的是在汽车车速较低时， 满足 转向轻便 ， 随着车速的不断提高， 转向助力越小， 防止了高速时转向盘 “ 发飘” 的现象， 增强了高速 行驶的 “ 路感”。 3 _ 2根据方 向盘转 动的 角速度调 节 电机转 速 方向盘转动角速度 ∞ 与电机转速 n的关 系 如下 当方 向盘转动角速度 ∞较大时 ， 电机转速 n应当较大， 转 向助力较大 ； 当方向盘转动角速度 ∞较小时， 电机转速 n应当较小 ， 转向助力较小 。 根据 以上分析 ， 方向盘转动角速度 ∞ 与电机转速 n的关系曲线如图 3所示 n nmax ／ ．．．．．．．．．__／ I 1 ∞2 【 图 3关 系 曲线 图 公式表达如式 1 1 I n 0 ≤∞ 8 8 8 8 不足转向度U ， 。 ／ m ／ s 3 0 ． 4 0 ． 4 0 0 ． 4 O ． 3 2 车身侧倾度K 。 ， 。 ／ m ／ s 1 ． 5 0 1 ． 3 4 l _ 5 3 1 ． 3 9 表 6转 向 回正 试 验 结 果 试 验结果 试验测 量参数 左转 右 转 对 比车 新车型 对 比车型 新车型 回 正时间t ， s 3 ． 3 O 2 ． 7 7 3 ． 0 3 2 ． 4 7 初始侧 向加速度 m ／ s 3 ． 8 6 4 ． 2 4 4 ． 2 8 4 ． 2 1 初始横摆角速度 r l I， 。 ／ s 2 6 ． 9 9 2 7 ． 3 5 2 8 ． 9 8 2 7 ． 9 2 残 留横摆角速度 r ， 。 ／ s 2 ． 0 3 2 ． 5 4 0 ． 2 2 0 ． 8 5 横 摆角速度总方 差E r ， S O ． 5 3 0 ． 5 3 O ． 5 3 0 ． 6 7 表 7转 向 轻便 性 试 验 结 果 试验结果 参 数 指 标 对比车型 新车型 方向盘最大转角 f 左 4 5 0 ． 0 4 4 9 ． 9 0 m a x ． 。 l 右 5 2 0 ． 0 5 2 0 ． 7 方向盘最大操舵力F m a x ， N 3 4 ． 3 2 7 ． 6 方 向盘 最大力矩 №a x ， N ． m 7 ． 2 5 ． 2 方向盘平均操舵力 s w ， N l 3 ． 3 9 ． 0 方 向糯 平均 力矩 M s w ． N ． m 2． 8 1 ． 9 下转第 5 6页 5 6 轻型汽车技术2 0 1 5 1 ／ 2 响 V 2 V系统 的应用。当该系统普遍应用 了， 如果 发生 了碰撞 ， 那么责任方是谁 。因为 V 2 V系统的 一 部分信息来 自于其他车辆 ，所以必须弄清楚是 其它车辆给予了错误 的信息 ，还是接收方在处理 信息时发生错误 ，或者是驾乘者没有 回应这个信 息 ； 是由于车载传感器的问题导致 的错误 ， 还是 系 统结构导致的错误。 如果这些都无法确定 ， 那么法 律责任也就得不到明确 。 场 锯 出 希 2 不 2 不 上接第 5 3页 通过表 5 、 表 6 、 表 7中的数据可知 ， 新车型的 操纵稳定性与匹配传统液压助力转向系统的对比 车型基本一致 ， 转向轻便性甚至还优于对 比车型， 完全符合设计要求 。 5 结论 5 ． 1 电动液压助力转 向系统 E H P S 适合于需要 较大转向力矩的车型，对传统的液压助力转 向系 统改动较小。 5 ． 2 针对转 向器的规格和整车需要的转 向力矩 ， 计算确定液压泵 的工作流量和电机 的额定 功率 ， 为选型匹配提供理论依据。 5 - 3 本研究项 目的电动液压助力转 向系统 E H P S 采用全新 的控制策略 ， 能够对不 同的行驶状 况调节转向助力，提供更好的驾驶舒适性和稳定 性 。 5 ．4 通过对样车的操纵稳定性试验 ，本研究项 目 的电动液压助力转向系统 E H P S 完全符合设计 要求 。 参考 文献 1 王霄锋． 汽车底盘设计． 清华大学出版 社 ． 2 0 1 0 2 成大先． 机械设计手册 第五版 第 5卷． 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 8 3许 阳坡 ．电动 液 压 助 力转 向 E HP S 系统 控制算法研究及实现． 天津大学。 2 0 0 6 4 陈 勇， 何 仁 ．电动 液 压 助 力 转 向 系统 仿 真 及试验研 究． 液压 与动 力 ． 2 0 0 9 5 GB／ T 6 3 2 3 2 0 1 4 ． 汽 车操 纵 稳 定性 试 验 方 法