机械式液压助力转向泵在发动机试验中带载运行的方案研究.pdf

设 计研 究 汽车实用技 术 A U T0 MO B I L E AP PL I ED T EC H NO LO G Y 2 0 1 5 年第8 期 2 O1 5 NO． 8 机械式液压助力转向泵在发动机试验中 带载运行的方案研究 谢 飞飞 ，王善强 ，赵 帅，徐 明 安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 2 3 0 0 2 2 摘 要由于汽车发动机试验台架的硬件及功能限制，在 目前的汽车发动机试验过程中，机械式液压助力转向泵一 直处于空载状态。为使发动机单体试验环境更贴近整车环境， 则需要使机械式液压助力转向泵在发动机试验过程中 能够带载运行，为此需设计一套模拟加载设备来吸收机械式液压助力转向泵输出的功率， 文章重点介绍了该模拟加 载设备的设计原理、设计方案以及应用效果等。经过验证，文章提到的机械式液压助力转向泵模拟加载设备应用效 果 良好 。 关键词 机械式液压助力转 向泵 ；发动机单体试验 ；模拟整车环境 ；模拟加载设备 中图分类号U 4 6 7 ． 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 5 0 8 4 2 0 4 The I n v e s t i g a t i o n o f t he M e c ha n i c a l hy dr a ul i c po we r s t e e r i ng pu mp Runn i ng i n t he Eng i ne Te s t Xi e Fe i i ， Wa n g Sh a n q i a n g ， Zha o S h u a i ， Xu M i n g A n h u i J i a n g h u a i A u t o mo b i l e C o ． ， L t d ． ， A n h u i H e f e i 2 3 0 0 2 2 Ab s t r a c t Li mi t e d b y t h e f u n c t i o n o f Au t o mo t i v e E n g i n e t e s t - Be d T e s t ing S y s t e m， th e me c h a n i c a l h y d r a u l i c p o we r s t e e ri n g p u mp i s n o l o a d o p e r a t i o n a t the p r e s e n t s t a g e o f e n g i n e t e s t ． F o r the p u r p o s e t o ma k e the e n v i r o n me n t o f e n g i n e t e s t mo r e c l o s e t o t h e e n v i r o n me n t o f v e h i c l e ， t h e me c h a n i c a l h y dra u l i c p o we r s t e e r i n g p um p i s r e q u i r e d t o o u t p u t the p o we r and a b s o r b t h e p a r t i a l p o we r o f e n g i n e ． F o r t h i s r e a s o n ， we n e e d t o d e s i g n a s e t o f d y n a mi c l o a d i n g d e v i c e t o a b s o r b t h e p o we r o f the me c h an i c a l h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g p u mp a t t h e e n g i n e t e s t ． T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e d e s i gn p rin c i p l e ， d e s i gn p l a n s and a p p l i c a t i o n e ff e c t ．Wi th the p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ， t h e s e t o f d yn a mi c l o a d i n g d e v i c e me n t i o n e d i n t h i s P aper h a s g o o d a p p l i c a t i o n e ffe c t a n d p r o mi s i n g d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s M e c h a n i c a l h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g p u mp； En g i n e T e s t ； S i m u l a ti o n o f v e h i c l e ； Dy n a m i c l o a d i n g d e v i c e C L C NO． U4 6 7 ． 2 Do e u me n t Co d e A A r t i c l e I D 1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 5 0 8 - 4 2 - 0 4 引言 常规汽、柴油发动机前端轮系涉及的动力附件有发电 机、空调压缩机、真空泵、助力转向泵等，其中，助力转向 泵包含两种类型 机械式液压助力转向泵、电子助力转向泵。 助力转向泵主要通过带动转 向助力系统各组件 内的油压传 作者简介 谢飞飞，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 主要从事发动机试验设备的使用，维护以及设备开发工作。 递，在转向过程中提供一定的辅助转向助力，以减少驾驶人 员的转向操作力，增加车辆的转向舒适性。 本文主要涉及机械式液压助力转向泵在发动机试验过程 中的应用现状、模拟整车转向时带载运行的需求及模拟方案 介绍等内容。通过分析机械式液压助力转向泵在整车转向时 的带载状态，并通过既定的方案在发动机单体试验过程中模 拟该整车带载状态，使得发动机的单体试验环境更贴近实际 整车环境，从而使发动机单体试验过程及试验结果更具真实 性和科学性 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 8 期 谢飞飞 等机械式液压助力转向泵在发动机试验中带载运行的方案研究 4 4 线，3 2 ．行程限位信号线，3 3 ．转向横拉杆。 机械原理介绍 如图2和图3所示， 由低压伺服系统 伺 服电机 伺服驱动器 2 4 V 驱动电源1 3和行星齿轮减速器 1 4来模拟驾驶人员转向动作，通过万向节上的花键驱动转向 轴 以及扭杆 ，由扭杆 变形力引发转 向控 制阀 1 5 内部油腔变 化， 在转向动力缸活塞 1 6两侧形成油压差， 驱动转向轴转动 以及转向横拉杆 3 3向左移动 如图2 ，转向横拉杆 3 3左移 时带动弹簧机构 2 O内的阻力弹簧 2 1 进行拉伸，产生弹簧拉 力 用于模拟整车转向阻力 ，当低压伺服系统 1 3达到设定 角度位置 伺服电机转角由相应传感器测量并反馈至控制单 元 时，伺服电机停止转动， 动力缸活塞 1 6两侧油压差与弹 簧拉力形成平衡，液压助力转向泵输出油压 即输出功率 保持恒定 。其 中弹簧拉力 由转 向横拉杆 3 3与弹簧机构 2 O 之间的拉压力传感器 1 9 测出并保存、 输出至控制单元 3 O中； 为保证伺服电机运动范围不超出弹簧以及电机本身的极限位 置，在转向动力缸 1 7和拉压力传感器 1 9之间的转向横拉杆 3 3上安装有一套行程限位系统 1 8 ，在转向横拉杆 3 3左、右 运动的两端极限位置各布置一个触点， 转向横拉杆 3 3本身有 一 个触点 如图2 ， 当两个触点接触时伺服电机即停止动作。 另外，为保证液 压油内部的气 体在高压下顺 利排 出本模拟系 统，在机械式液压助力转向泵2 4与液压油温控系统 2 2之间 设 置了一个 液压 油壶 2 3 ，该液压 油壶 2 3具备放气和稳压的 功能； 其次，由于机械式液压助力转向泵 2 4的持续功率输出 以及弹簧弹力的作用， 能量转化过程会使液压油温持续上升， 本模拟系统在液压助力转向泵 2 4和转向控制阀 1 5之间的低 压回油管路上配备了一套液压油温控系统 2 2 ， 液压油温控系 统 2 2可实现液压油的温度设定和温度控制功能。 控制原理介绍该机械式液压助力转向泵的整车状态模 拟系统包含一套控制系统，主要包括控制单元以及相应的控 制软件，控制单元通过采集所需的传感器信号并加以处理， 形成相应的控制信号发送至低压伺服系统，实现对液压助力 转 向泵转角 的控制 ，依此来 间接控制弹簧弹力大小 以及助力 泵输出油压大小。控制系统具备以下的功能特点 1 控制系 统具备 自动和手动控制低压伺服系统的功能，主要为伺服电 机的转动、停止功能，控制系统可接受并处理伺服电机转角 信号，并以此转角信号作为伺服电机的控制信号； 2 控制系 统能够接收油压传感器、油温传感器、行程限位传感器、拉 压力传感器、伺服电机等的反馈信号，用于记录动转泵输出 油压、记录并调节油温、限定转向横拉杆极限位置、记录阻 力弹簧弹力、记录伺服系统转角及控制伺服系统动作； 3 控 制系统具备各参数 的报警设 置功 能，如 油压报警 、油温报 警、弹簧弹力报警、伺服电机异常报警、行程开关触电报警 等； 4 控制系统具备自动控制循环编制并运行的功能，以实 现机械式液压助力转向泵的不同时间节点、不同输出功率、 不同运行时间的自动模拟加载控制。 5 控制系统具备各参数 的存储、实时数据及 曲线显示、数据回放、数据导出等功能。 6 控制单元也具备一定的功能扩展功能，如后期与发动机试 验台架的通讯、同步联动等。 2 ． 2 ． 2伺服系统及阻力弹簧选型计算 1 阻力弹簧选型 阻力弹簧作为模拟整车转向阻力的部件， 其选型较简单， 仅需最大弹簧拉力 F ≥最大整车阻力 f m 。但考虑到弹 簧的特性， 最好对弹簧的选型预留一部分余量， 在此选取 F ≥ 1 1 0 ％ f m 。 2 直流伺服系统选型 直流伺服系统的选型主要为伺服电机型号 额定扭矩、 额定转速 、减速机减速比的选型1 减速机的减速比尽量 选大，使得减速机的输 出扭矩和输 出转速尽量减小 。 2 伺服电机主要考虑电机额定扭矩 T 和额定转速 n ，在确定减速机减速比i 比 、减速机转速 n 机 、最大方向 盘转向力 F 方向盘半径 R 之后，电机额定扭矩 T 和额定转速 n 计算过程如下 N 减速机 m ax ≥ N 操纵m a N 减速机m T额定 i 减速比 N 操纵m a x F 方向盘 m a x R 方向盘 T 额 定 F 方 向 盘 m R 方 向 盘 i 减 速 比 n额定n减速机 i 减速比 其 中T 额 为伺服 电机额定扭矩 n 为伺服电机额定转速； Ⅳ 减 一 为减速机最大输 出扭矩 ； N 一为整车转向时驾驶员最大输入扭矩； i 为减速机的减速比； F 方 一为整车静止状态转向时方向盘输入扭矩； R l方 自 为方 向盘半径 。 3 、动转泵输出油压控制方式的计算 动转泵输出油压 P 输 与伺服电机角度a之间的关系计算 如下 F弹簧 F动转泵 F k s s L a R L一一 1 8O F_动 AP A AP P 。 P目 由以上可得 P m m ] ‰ 转 第 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 8期 周从源 等基于 C R U I S E软件 1 ． 6 L油机匹配某轻卡动力总成分析 仿真计算，并将计算结果与转毂试验数值进行比对，分析出 数据出现误差的原因，并提出改进策略。其中仿真结果与测 试结果符合性程度较高，误差控制在设计值≤5 ％范围内， 但 涉及换挡部分指标项存在人 为误 差，需要 后续 对此类问题做 进一步精细化研究和分析，以提高 C R UI S E软件仿真的精确 性 。 参考文献 【 1 ]王锐， 何文洪． 基于 c r u i s e的整车动力性能仿真分析[ J 】 ．车辆与动力 技术，2 0 0 9 0 2 2 4 ． 3 6 ． 【 2 】黄仕 阳， 张金一 ．A VL Cr u i s e仿真在客 车油耗分析 中的应 用【 J 】 ． 客 车技术与研究，2 0 1 3 0 6 2 7 ． 2 9 ． [ 3 ] A VL C r u i s e Us e r ’ S Gu i d e [ R] ． A VL ，2 0 0 3 ． [ 4 ]余志生． 汽车理论【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 1 8 2 3 ． 【 5 】韩 宗 奇 ． 用 滑行 试 验法 测 定汽 车 空气 阻 力系 数研 究[ J ] ． 汽 车技 术， 2 o o 1 o 5 ． f 6 】6 GB ／ T 2 7 8 4 0 2 0 1 1 ，中重型商用车燃料 消耗量测量方法 【 S 】 ． 北京 中 国标准 出版社 ，2 0 1 1 ． 上接第 4 4页 其中 为阻力弹簧弹力； 为动转泵作用于转向 动力缸活塞的力； K为阻力弹簧弹性系数；S为阻力弹簧拉伸量；A为转 向轴承受油压 的面积 L为伺服电机转向a角度时的周长； a为伺服电机转向角 度； R为转向器内转向齿轮半径；△ P 为液压油压力差值； P 辅 m 为动力转向泵输出油压； } 【h 为转向器回油压力； 控制方式由以上计算结果可以看出动转泵输出油压 P 输出与伺服 电机角度 a 之 间为正比关系 ， 这样就可 以用伺服 电 机转向角度作为输入参数，来较精确地控制动转泵的输出油 压值 。 4 、应用效果举例 本文提到的方案应用到某一发动机机型，该机型在整车 上为机械式液压助力转向系统，在同一发动机转速下，输入 不同的伺服电机转角，所测得的助力转向泵输出油压值如下 图 4所示 圈 4 同发 动机转速 下动转泵输出油压 和伺服电机转角的关系 由上图一方面可看出助力转向泵 已经实现油压的输出 即处于带载状态 ， 且输出油压随伺服 电机转向角度的增加 而不断递增，即已实现助力转向泵输出油压大小的控制；另 一 方面可看出该方案的控制方式效果较为良好，助力转向泵 输出油压和伺服电机转角线性较好。 5 、结论 本文针对机械式液压助力转向泵在发动机试验过程中模 拟整车运行状态的试验需求，提出了一套能够满足该需求的 模拟系统，并对模拟系统的设计方案、基本原理以及实施效 果等进行了介绍。 本文提出的模拟系统可以在发动机单体试验过程中较为 准确的控制助力转向泵的输出油压 即输出功率 ， 从而实现 助力转向泵模拟整车带载状态的目标，且采用的伺服系统、 各传感器、各执行器的测量控制精度均较高，使得本模拟系 统具有较高的控制精度；另外，本模拟系统主要的执行单元 仅为一套伺服系统，控制方式简单、精确；最后，本文提到 的模拟 方案是在整车助力转 向系统的硬件基础上加 以丰 富、 改进、新增其它组件的方式来实现 的，故更能准确地模拟 实 际的整车助力转向系统的特点。 参考文献 [ 1 ]陈家瑞 ．汽 车构造 第 3版 [ M】 ． 北 京人 民交通 出版社 ，2 0 0 0 ． [ 2 】2 赵金才， 高翔， 王 若平， 凌 智勇， 王 宣．液压 助力转 向系统的仿 真分 析[ J ] ．客车技术与研究．2 0 0 3 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m