闭式电控液压助力转向直线型助力特性的设计.pdf

2 0 1 2 年 第 3 4 卷 第 3 期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 2 V o 1 ． 3 4 N o ． 3 2 01 2 0 51 闭式 电控液压助力转向直线型助力特性 的设计 术 ， 王若平 ， 李千 ， 高翔 江苏大学汽车与交通工程学院， 镇江2 1 2 0 1 3 【 摘要] 文中概述了汽车闭式电控液压助力转向系统的结构和工作原理。根据汽车电控液压助力转向系统 对助力特性的要求， 设计出直线型助力特性曲线示意图。清晰分析了车速、 理想转向盘转矩和助力转矩的关系， 拟 合出车速感应曲线。该曲线表明， 所设计的直线型助力特性能很好地协调转向轻便性和路感之间的矛盾。 关键词 汽车 ； 助力转向； 电液控制 De s i g n o f t h e L i n e a r As s i s t a n c e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Cl o s e - - t y p e El e c t r o - - h y d r a u l i c P o we r S t e e r i n g W a n g Ru o p i n g ． L i Qi a n＆ Ga o X i a n g S c h o o l ofA u t o m o b i l e a n d E n g i n e e r i n g， fi a n g s u U n i v e r s it y ，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 [ A b s t r a c t ] I n t h is p a p e r ， t h e s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p ri n c i p l e o f c l o s e - t y p e e le c t r o - h y d r a u l ic p o w e r s t e e ri n g E H P S s y s t e m a r e p r e s e n t e d ．B a s e d o n t h e r e q u i r e m e n t s o f v e h i c l e E H P S o n p o w e r a s s i s t a n c e ， t h e s k e t c h e s o f l i n e a r a s s i s t a n c e c h a r a c t e ris t i c c u r v e are d e s i g n e d ．T h e r e l a t i o n s o f v e h i c l e s p e e d，i d e a l s t e e r i n g t o r q u e a n d a s s i s t a n c e t o r q u e are c l e arl y a n a l y z e d a n d t h e s p e e d s e n s i n g c u r v e i s w e l l f i t t e d ．T h e c u rve i n d i c a t e s t h a t t h e l i n e ar a s s i s t a n c e c h ara c t e r i s t i c s d e s i g n e d c a n we l l c o o r d i n a t e t h e c o n t r a d i c t i o n s b e t w e e n o p e r a t i n g h a n d i n e s s a n d r o a d f e e l i n s t e e ri n g ． Ke ywo r ds v e hi c l e；p o we r s t e e r i n g；e l e c t r o- h yd r a u l i c c o nt r o l 前言 转 向助力特性 曲线是助力随着车速和转向手力 或转向角大小的变化而变化的， 它是决定转向轻便 性、 转向路感和操纵稳定性的首要条件。合理的转 向助力特性 曲线不仅可保持汽车低速行驶时转 向轻 便 、 灵活 ， 而且能使汽车在 中高速行驶时保持一定的 路感和操纵稳定性。在转 向器控制器设计前须先确 定转向助力特性曲线 ， 以便在 此基础上对 系统性 能 进行综合设计 。因此如何确定助力特性曲线成为电 控液压助力转向系统研究 的关键。 目前普遍认 同的助力特性 曲线有直线型、 折线 型和曲线型3种⋯， 本文中根据闭式电控液压助力 转 向系统 e l e c t r o - h y d r a u l i c p o w e r s t e e ri n g ，E HP S 对 助力特性的要求 ， 设计出直线型助力特性曲线。 1 闭式 E H P S系统的工作原理 闭式 E HP S系统_ 2 组 成如 图 1所示 。系统工 作 时 ， E C U根 据检测 到 的车速和所 需 的转 向盘转 矩信号， 计算出合适的油压阈值。若确定启动液压 泵 1 3 ， 则在 电动机 1 4的驱动 下 ， 液压泵 1 3将高压 油液从储油罐 1 1中输送 到蓄能器 8中， 通过高压 油路进入保压 阀 6， 配合转 向操作。当蓄能器 6内 的油压低于油压 阈值下 限时 ， 电动机 1 4驱动液压 泵给蓄能器补充高压油液， 使蓄能器 8的气囊缩 小， 油压增大； 当油压超过油压阈值上限时， 电动机 停止工作。 闭式 E H P S 系统与现在汽车普遍使用的开式电 控助力转 向系统有很大区别 ， 即在非转 向工况下 ， 电 磁阀 1 0 是关闭的， 油缸与系统的其它部分被电磁阀 江苏大学自然科学创新预研基金 0 4 X C 0 3 资助。 原稿收到日期为2 0 1 1年4月 1 2日， 修改稿收到日期为2 0 1 1年5月 1 7日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 3期 1 一车轮2 一液压缸3 一齿轮齿条式转向器4 一转向盘 5 转矩传感器6 保压阀 卜 止回阀8 一蓄能器 9 一油压传感器1 O 一电磁阀1 l 储油罐1 2 一溢流阀 1 3 一液压泵1 4 一电机1 5 E c u 1 6 一车速传感器 图1 闭式 E H P S系统组成 l 0隔开； 系统中带有蓄能装置， 工作时油缸的压力 油由蓄能装置提供。转 向助力系统可通过压力控制 器来控制电动机的启停 ， 从而彻底杜绝在非工作状 态下转向系统的能量损失 。 控制器控制原理如图 2所示。E C U根据接收的 转向盘转矩信号和汽车行驶车速信号， 通过助力特 性的控制算法计算出所需的助力转矩， 根据电机转 速与转矩的关系， 进而确定电机的目标转速； 通过速 度和电流的双闭环系统的 P I D调速控制调节电机转 速 ， 使系统具有良好的稳态和动态性能 J 。 图 2 控制器控制原理图 2 闭式 E H P S系统直线型曲线特性 2 ． 1 E I 系统对助力特性的要求 助力特性对助力转 向系统的性能 ， 包括转 向轻 便性 、 转向灵敏性、 转向回正性和转 向路感等有非常 重要 的影响。在传统的液压助力转 向系统 中， 助力 特性主要由转阀的结构决定， 调整非常困难， 并且设 计完成后助力特性就确定了， 不 能随车速 的变化而 变化。而 E H P S系统的助力特性 曲线是 电控液压助 力转向系统 的控制 目标 ， 可 以设计成车速感应 型曲 线 ， 能方便地进行调节 。针对 E H P S系统 的特点 ， 对 助力特性曲线提出以下要求 1 当转向盘输入转矩小于某一特定值 通常 设为 1 N m左右 时， 助力转矩为零 ， 电控液压助力 转向系统不起作用 ； 2 在低速行驶 时， 转 向盘的输入转矩一般在 较大的区域， 为保证转向轻便性和降低驾驶员的劳 动强度 ， 助力效果要明显 ； 在转向盘输入转矩达到驾 驶员体力极限的区域时， 应尽可能发挥较大的助力 效果， 以保证驾驶员能可靠操纵汽车转向； 3 在中高速行驶时， 转向盘的输入转矩一般 在较小的区域， 助力转矩应较小， 以使汽车保持较好 的转向路感 ； 4 助力转矩增加到一定值时应保持 恒定 ， 以 使驾驶员可以明显感觉到路面反力的增加 ， 保证安 全驾驶 ； 5 助力转矩应小于转 向阻力矩 ， 否则将 出现 “ 打手” 现象； 各区段过渡应平滑， 以避免转向盘力 出现跳跃 。 将上述要求量化 ， 即可得 到理想 的助力特性 曲 线。但理想的助力特性曲线很难实现， 在设计中只 能尽量满足要求。 2 ． 2 E H P S系统助力曲线类型 E HP S系统的助力特性具有多种 曲线形式 ， 图 3 一 图5为 3种典型 的 E H P S助力特性 曲线 ， 曲线分 为 3个区 ， 0 为无助力 区， 。 ≤T d 为 助力变化区， ≥ 为助力恒定区。 1 直线型助力特性 图3为典型直线型助力特性， 它的特点是在助 力变化 区助力与转向盘转矩成线性关系。该助力特 性曲线可用函数表示为 r0， 0≤ Ta { K 一 ， ≤ 1 L ， ≥ 式中 为系统 的目标助力转矩 ； K为助力特性曲线 T a m “ 0 图3 直线型助力特性曲线图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王若平 ， 等 闭式电控液压助力转向直线型助力特性的设计 2 5 7 的梯度； 为转向盘输入转矩； 为系统开始助力 时的转向盘输入转矩 ； 为系统达到最大助力 时 的转 向盘输入转矩 ； 为系统的最大助力转矩 。 2 折线型助力特性 图4为典型 的折线型助力特性 ， 它 的特点是在 助力变化区助力与转向盘转矩呈分段线性关系。该 助力特性曲线可用函数表示为 0 ，0 ≤ Lo K 一 ， ≤ 。 。 一 一 ， ≤ ， ≥ 2 式中 。 、 分别为助力特性曲线的斜率； 为斜率 变化时的转向盘输入转矩。 o l 图4 折线型助力特性曲线 3 曲线型助力特性 图 5为曲线 型助力特性 ， 它的特点是在助力变 化区助力与转 向盘转矩呈非线性关系。该助力特性 曲线可用以下函数表示为 ，0， 0≤ 式 中 为转向盘输入转矩的函数。 图5 曲线型助力特性曲线 比较上述3种助力特性曲线， 直线型助力特性 最简单 ， 控制系统设计方便， 且在实际中调整容易， 曲线型助力特性复杂， 调整不方便， 折线型助力特性 介于两者之间。从设计 、 调整和使用 的角度出发 ， 直 线型助力特性最容易满足实际应用中的要求 。 2 ． 3 直线型助力特性曲线的设计方法 首先确定各车速下的理想转向盘转矩， 然后与 未装配 E H P S系统 时各车速 下 的转 向盘 阻力 矩 比 较， 从而确定各车速下的助力大小， 并进行转换得到 助力大小与转 向盘转矩之间的关 系曲线 ， 即助力特 性曲线。转向阻力矩 与理想转 向盘转矩 相减 后 ， 可得到各车速下 助力转矩与转向盘转矩 的关系 曲线 ， 即 一 4 助力特性曲线有 3个基 本的特征参数 ， 包括开 始提供助力时的转向盘输人转矩 、 提供最大助力 时的转向盘输入转矩 和助力特性曲线的梯度 。表 1 为 T e r i o s 汽车的技术参数 ， 根据表 1 确定这 3个特征参数。 表 1 T e r i o s 汽车的技术参数 质心距前 后 轴距离／ m m 1 2 6 6 1 1 5 8 质心高度／ m m 5 0 o 转向传动 比 1 7 转 向系正效率 O ． 8 轮胎气压／ k P a 1 8 O 总质量／ k g 1 2 6 5 轴 I E tn l 2 4 2 5 前轴载荷／ k g 6 7 0 0 转 向盘半径／ mm 3 6 0 轮胎半径／ I I l r T l 3 1 5 1 的确定 与驾驶员主观感觉有关 ， 事先可 以根据设计 者和驾驶员对转向轻便性和路感的要求， 并通过试 验确定 ， 参考有关资料 ， 初步取 1 ． O N m。 2 的确定 研究表明_ 5 j ， 当有助力转 向时， 驾驶员作用在转 向盘上 的切 向力应在 2 0～ 5 0 N之 间， 由于文 中研究 对象为轿车 ， 因此驾驶 员作用在转 向盘上的最大切 向力可 以取小一些 ， 以获得更 为轻便 的驾驶感。设 定驾驶员作用在转向盘上的最大切向力为 3 5 N， 则 有助力转向时， 驾驶员的最大转向盘转矩为 1 m “ F 一 5 式 中 F 为驾驶员作用在转向盘上 的最大切向力 ；‘ D为转向盘直径。 代人数据 F 3 5 N， 转向盘直径 D 0 ． 3 6 m， 计 算得 6 ． 3 N m， 取整后 6 N m。 3 零车速时助力特性曲线梯度 的确定 汽车转向行驶时驾驶员转动转向盘所需克服的 阻力包括转向前轮绕主销转动的阻力、 车轮稳定阻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 2年 第 3 4卷 第 3 期 力、 轮胎变形阻力和转 向系中的内摩擦阻力等 。 影响转向阻力的因素有转向轴的负荷、 路面阻力和 轮胎气压等。汽车在沥青或者混凝土路面上原地转 向的最大阻力矩为 6 式 中 为原地转 向的最大 阻力矩 ； 为轮胎和路 面间的滑动摩擦因数， 一般取 0 ． 7 ； G 为前轴负荷； p 为轮胎气压 。 当无转向助力时， 驾驶员需要提供的最大转向 盘转矩为 7 一 8 m a x 、 ， 叼 式中 为驾 驶员需要提供 的最大转 向盘转矩 ； 为转向系总传动比； ’7 为转向器正效率。 则系统提供 的最大助力转矩为 一 一 8 电控液压助力转向系统的最大助力 比 为 9 根据表 1 所示 T e fi o s 汽车参数计算结果如下 2 2． 2 3 N m ； 1 6． 23 N ‘m ； 3 ． 2 5。 4 定车速时助力特性曲线梯度 K的确定 助力矩除以转 向盘转矩与助力开始起作用的转 向盘转矩 之差 ， 即可得到各车速下的助力增益 ． 1 0 一 一 首先确定不同车速时的转向阻力矩和理想转向 盘转矩， 根据文献[ 7 ] 可知 T e fi o s 车在0 ． 3 g侧向加 速度下不同车速时的转向阻力矩和理想转向盘转矩 如表 2所示 。 表 2 T e r i o s 车在 0 ． 3 g侧 向加速度的 转向阻力矩和理想转 向盘转矩 车速／ k in／ h 2 0 4 0 6 0 8 0 1 o o 转 向阻力矩／ N m 1 0 ． 2 9 ． 8 9 ． 4 5 8 ． 9 8 ． 2 5 理想转 向盘转矩／ N m 3 ． 9 4 ． 5 4 ． 9 5 ． 5 6 根据式 2 一 式 1 O 和表 2可以得到对应车速 下的助力特性曲线的斜率值， 如表 3 所示。 表 3 各车速下助力特性 曲线的斜率值 g ／ k in ／ h I 2 0 l 4 0 6 0 l 8 0 l 1 0 0 助 力 斜 率 I 2 ． 1 7 l 1 ． 5 1 1 ． 1 7 1 0 ． 7 6 1 0 ． 4 5 已知车速为零时的助力斜率为 3 ． 2 5 ， 综合表 3 的结果 ， 得 到车速从 01 0 0 k m ／ h的对应斜率 。将 离散的斜率值拟合成车速的函数， 拟合曲线如图 6 所示， 拟合函数为 K v 13 ． 2 4 3 70 ． 0 6 5 7 5 v 0 ． 0 0 6 6 9 7 v 一 3 ． 2 0 6 0 2 1 0一t ， 3 - 5 3 2 5 2 1 ． 5 1 O 5 0 ～ ＼ ＼ 。＼ ＼ ＼ 、 、 ＼ 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 v ／ k m 图6 斜率一 车速函数的拟合曲线 根据斜率一 车速拟合函数可以确定任意车速的 助力曲线梯度， 进而计算出该车速下需要提供的助 力转矩， 当车速减小时， 助力曲线梯度增加， 此时提 供的助力转矩增加， 以保证低速行驶时驾驶员的转 向轻便性； 当车速增加时， 助力曲线梯度减小， 而且 变化的速率逐渐减小， 此时提供的助力转矩减小， 以 保证高速行驶时的路感和操纵稳定性。 根据表 2数据 ， 利用 Ma t l a b软件 ， 绘制出助力转 矩与理想转 向盘转矩的关系图， 如图7所示 。 图7 助力转矩与理想盘转矩的关系图 由图可见 当转向盘的输入转矩小于某一特定 值 通常设为 1 N I n左右 时 ， 助力转矩为零 ， 电控 液压助力转 向系统不起作用 ； 当转 向盘转矩超过这 一 特定值， 助力转矩随着转向盘转矩的增加而增加； 当转 向盘转矩增 加到 6 N - m后 ， 助力转矩 不再增 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 硼． 辱 睾 R每 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 V o 1 ． 3 4 N o ． 3 王若平， 等 闭式电控液压助力转向直线型助力特性的设计 2 5 9 加， 以保证汽车的操纵稳定性和行驶安全性。 根据斜率一 车速的拟合函数曲线和助力转矩与 理想转向盘转矩的关系， 利用 M a t l a b软件绘制出车 速 、 助力转矩 和转 向盘转 矩 的三维关 系 图， 如 图 8 所示 。 百 辩 盘 图8 直线型助力特性曲线的三维图 由图可以确定不同车速和转向盘转矩的助力转 矩， 助力特性曲线按照控制器执行运算时的方式 ， 根 据车速和转向手力两个参数运算可以得到助力控制 信号， 再把该信号传递给电动机， 进而确定电动机转 速， 确定系统的供油量。 3 结论 结合汽车电控液压助力转 向系统对助力特性的 要求， 设计出直线型助力特性曲线， 该特性曲线很好 地拟合出车速感应曲线 ， 随着车速的增加 ， 助力减小， 助力特 陛曲线的斜率减小。直线型助力特性 曲线能 够较好地协调转向轻便性和路感之间的矛盾， 为汽车 电控液压助力转向控制器的设计提供了有益的参考。 参考文献 左波． 电动助力转向系统助力特性研究 [ D] ． 武汉 武汉理工大 学， 2 0 0 9 ． 孔 昭 松．汽 车 电动 液 压 助 力 转 向 系 统 、 控 制 方 法 中 国， 2 0 1 0 1 0 2 2 6 2 3 3 ． 5 [ P ] ． 2 0 1 0 0 6 ． 赵万里． 电控液压助力转向系统的节能分析与建模分析[ D ] ． 镇江 江苏大学 ， 2 0 0 7 ． 赵金海． 汽车电控液压助力转向系统建模与仿真[ D ] ． 长春 吉 林大学 ， 2 0 0 8 ． 胡春花 ． 电动助力转 向系统 中折线 型助力特性 的设计 [ J ] ． 制 造业 自动化， 2 0 0 8 1 2 ． 王望予 ． 汽 车设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 岳伯陶． 电动助力转向系统助力特性和控制算法研究[ D ] ． 长 春 吉林大学 ， 2 0 0 5 ． 上接第 2 6 5页 [ 2 ] S i m o nD， A h m a p i a nM． V e h i c l e E v a l u a t i o n o f t h e P e rf o r m a n c e o f Ma g n e t o t h e o l o g i c al D a m p e r s f o r H e a v y T r u c k S u s p e n s i o n s [ J ] ． A S ME， 2 0 0 1 ， 1 2 3 7 3 6 5 3 6 6 ． [ 3 ] C h o i S B ， L e e H S ．C o n t r o l a n d R e s p o n s e C h a r a c t e ri s t i c s of a Ma g n e t o - 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