重型車輛旁通流量式ECHPS助力特性設計與臺架試驗

江浩斌, 朱萬青, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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重型車輛旁通流量式ECHPS助力特性設計與臺架試驗

江浩斌, 朱萬青, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

介紹了采用電液比例閥控制旁通流量的電控液壓助力轉向系統(ECHPS)的原理和助力特性設計要求，提出了ECHPS拋物線型理想助力特性曲線設計方法。在MATLAB/Simulink中建立了基于整車三自由度動力學模型和電液比例閥控制模塊的ECHPS系統仿真模型，通過仿真得到了近似于拋物線型的ECHPS助力特性曲線。最后對某大客車ECHPS系統進行臺架試驗，得到的ECHPS助力特性試驗結果與仿真結果吻合良好，表明所提出的ECHPS助力特性曲線設計方法及其仿真模型是正確有效的；采用電液比例閥控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以實現重型車輛低速轉向時的輕便性和高速轉向時的操縱穩定性要求。

車輛工程；可變助力；電控液壓助力轉向；電液比例閥

0 引 言

目前重型車輛普遍采用液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering, HPS)，其轉向助力特性的設計主要以滿足原地轉向或低速轉向時的輕便性要求為主，但車輛高速行駛時駕駛員的“路感”較差，故HPS難以兼顧重型車輛低速轉向時的輕便性和高速轉向時的操縱穩定性要求。導致這一問題的主要原因在于傳統HPS的油泵供油量恒定不變，當車速變化時HPS轉向助力不能隨之變化[1-2]。

為了解決重型車輛HPS轉向操縱“輕”與“靈”的矛盾，近年來，國內外諸多學者對電控液壓助力轉向系統(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering, ECHPS)進行了大量研究。郭曉林等[3]研究了旁通流量式ECHPS系統轉閥的主要結構參數對可變助力特性的影響規律，確定了轉閥參數的基本設計原則；R. Marcus等[4]通過理論分析、數值仿真等方法提出了基于駕駛員路感的可變助力轉向特性設計方法；劉亞輝等[5]通過理論分析和試驗研究了旁通流量控制式ECHPS系統前置穩壓閥對助力特性的影響。

筆者主要研究基于電液比例閥控制旁通流量的電控液壓助力轉向系統(ECHPS)助力特性設計與驗證，介紹了ECHPS助力特性曲線的設計要求和3個特征參數的確定過程，以某大客車為對象，設計了ECHPS的理想拋物線型助力特性曲線，運用MATLAB/Simulink建立了基于整車的ECHPS仿真模型，通過仿真得到近似于拋物線型的助力特性曲線，最后搭建電液比例閥控制旁通流量的ECHPS試驗臺架并進行助力特性測試，以驗證助力特性仿真結果及其設計方法的有效性。

1 ECHPS系統原理

電液比例閥控制旁通流量的ECHPS系統原理如圖1。該系統主要由車速傳感器、電液比例閥、整體式動力轉向控制閥、液壓泵和電子控制單元(ECU)等組成。

圖1 旁通流量式ECHPS系統原理

電液比例閥旁通支路并聯在轉閥進、出油道兩端，ECU根據車速傳感器提供的車速信號控制電液比例閥輸入電流的大小，使電液比例閥的閥芯位移隨著電流的變化而變化，從而改變旁通支路的流量和進入轉閥的流量，改變了助力油缸兩端的壓差，實現轉向助力隨車速而變化。車速較低時，比例閥線圈上的電流較低，電液比例閥的閥芯位移較小，旁通流量也少，轉向助力較大；隨著車速提高，比例閥線圈上的電流增大，電液比例閥的閥芯位移增大，旁通流量增大，轉向助力就減小。

2 ECHPS助力特性設計

2.1 ECHPS助力特性曲線的設計要求

電液比例閥控制旁通流量的ECHPS采用的轉閥結構與傳統HPS相同，由于轉閥的特性曲線決定了HPS助力特性曲線的基本形狀，所以ECHPS的助力特性曲線也具有HPS助力特性曲線的基本特點，即曲線平滑、手感較好等。由于ECHPS助力特性受車速、駕駛員手力、轉向盤角速度等因素影響，在不同車速下應有不同的助力特性曲線，因此，電液比例閥控制旁通流量的ECHPS的助力特性曲線應是一系列具有不同助力增益的非線性曲線，每條曲線應滿足手力過渡平滑等要求。

2.2 拋物線型理想助力特性曲線的設計方法

針對ECHPS助力特性的設計要求，筆者設計了拋物線型理想助力特性曲線[6]，其數學模型為：

(1)

式中：Pa為系統產生的助力油壓，MPa；Td為轉向盤輸入轉矩，N·m；Td,max為系統達到最大助力時所對應的轉向盤輸入轉矩，N·m；Pa,max為系統的最大助力油壓，MPa；K為助力特性曲線的增益。

根據式(1)可知，Td,max,Pa,max,K是助力特性曲線的3個基本特征參數。由于原地轉向工況的特殊性，下面以0km/h工況(原地轉向)為例，設計這3個基本特征參數。

1)Td,max的確定

Td,max是根據駕駛員在轉向操縱時作用在轉向盤上的最大偏好手力而選取的，一般認為其是與車速無關的固定值[6]，取為6N·m。

2)Pa,max的確定

車輛在原地轉向時阻力矩最大，一般采用半經驗公式來計算[7]，原地轉向時的阻力矩Tp為：

(2)

式中：Tp為轉向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面間的摩擦系數，一般取0.91；G為前輪載荷，N；P為輪胎胎壓，Pa。

筆者所研究的大客車前軸荷載為60 000N，胎壓為0.8MPa，根據式(2)可得Tp=4 984.28N·m。

當ECHPS系統不提供助力時，由駕駛員提供的轉向盤操縱力矩經過傳動機構放大后，以克服轉向阻力矩，則有：

(3)

式中：Ts為系統無助力時轉向盤的輸入力矩，N·m；i為角傳動比，筆者研究的大客車轉向器為22；η+為轉向器正效率，一般為65%～85%，這里取80%。經計算，Ts=283.19 N·m。

當ECHPS系統提供助力時，助力矩Ta應為：

Ta=Ts-Td,max

(4)

式中：Ta為ECHPS提供的轉向助力矩，N·m。

將Td,max=6 N·m代入式(4)算得轉向助力矩Ta=278.69 N·m。

ECHPS系統采用循環球式的轉向助力器，轉向助力由轉向螺母內部的高低壓腔的油壓壓差獲得，助力油壓與轉向助力矩的關系為：

(5)

式中：ΔP為液壓助力缸高、低壓腔的壓力差，即助力油壓Pa，MPa；A為轉向螺桿-螺母的有效作用面積，m2；S為轉向螺桿的導程，m。

筆者所研究的循環球轉向器有效作用面積A=5.024×10-3m2，轉向螺桿的導程S=0.031m。經計算，得到ΔP=Pa=11.54MPa，此時助力油壓即為原地轉向時系統提供的最大助力油壓。考慮到液壓泵內溢流閥的臨界壓力及安全系數，取Pa,max=14MPa。

3)K的確定

助力特性曲線增益K的計算公式為：

(6)

將上文算得的Pa,max與Td,max代入式(6)，即可算得原地轉向時的助力特性曲線增益K=0.388 9。

4)一定車速下K的確定

為保證其他車速下所設計的助力特性更接近理想的助力特性，增益K應在考慮不同車速下駕駛員的偏好理想力矩TLX的基礎上進行設計，式(4)與式(6)中的Td,max此時應為TLX，替換后，根據式(3)～式(6)推導出一定車速下的助力特性曲線增益K為：

(7)

式中：TLX為理想的轉向盤轉矩，N·m。

由式(7)可知，要算得一定車速下助力特性曲線增益K，首先需確定該車速下的轉向阻力矩Tp與理想的轉向盤轉矩TLX。

為了獲得一定車速下的轉向阻力矩Tp，筆者基于某大客車的技術參數，在Simulink中建立了三自由度整車動力學模型以及轉向阻力矩模型，其中三自由度整車動力學模型以前輪轉角作為輸入，該模型具有橫向、側傾及橫擺3個方向的自由度，計算模型如圖2。通過仿真得到一定車速時理想轉向盤轉矩輸入下的轉向阻力矩Tp，并參照相關資料確定了不同車速下駕駛員偏好的轉向盤操縱轉矩[8]，由式(7)計算出不同車速下的助力特性曲線增益值K，最終結果如表1。

圖2 轉向阻力矩計算模型

表1 典型車速下的助力特性曲線增益K

根據表1的數據，利用MATLAB軟件得到助力油壓與方向盤轉矩的關系，即為ECHPS的理想拋物線型助力特性曲線，如圖3。

圖3 ECHPS拋物線型理想助力特性曲線

3 ECHPS助力特性仿真與分析

3.1 基于整車的ECHPS仿真模型

在MATLAB/Simulink中建立基于整車的ECHPS系統動力學模型，如圖4。該模型主要包括轉向機械部件子模型、液壓部件子模型、三自由度整車模型、轉向阻力矩模型以及控制模型，其中輪胎模型采用只考慮了側滑工況的簡單模型[9]；液壓部件模型中的電液比例閥控制模塊輸入信號為方向盤轉矩Td與車速V，采用模糊PID控制策略，輸出信號為進入轉閥的流量Qs。運用上述模型即可對該系統的動力學性能進行仿真分析。

圖4 基于整車的ECHPS仿真模型

3.2 仿真與分析

1)設定直線行駛0.5 s后，方向盤轉矩信號以斜率為6 N·m/s的斜坡轉矩輸入，達到6 N·m后轉矩保持不變，以車速40，60，80 km/h分別進行仿真，仿真時間為5 s，得到各車速下助力油壓的時間歷程，如圖5。

圖5 不同車速下的助力油壓響應曲線

由圖5可知：在同樣的方向盤轉矩輸入下，隨著車速的增大，助力油壓逐漸減小，說明隨著車速增大ECHPS提供的轉向助力減小；各車速下的助力油壓值和圖3中對應的助力油壓值基本吻合；在低速轉向時油壓增長速率較快，高速轉向時油壓增長速率較慢，符合低速時應保證轉向輕便性、高速時應滿足“路感”的要求。

2)設定方向盤轉矩信號為以頻率為0.1 Hz正弦信號輸入，且不同車速下信號幅值不同。以車速0，20，40，60，80 km/h分別進行仿真，仿真時間為10 s，得到不同車速下助力油壓與方向盤轉矩的曲線，即ECHPS的助力特性，如圖6。由圖6可知，各車速下的助力特性曲線與圖3基本一致。在同一車速下，助力油壓隨著方向盤轉矩的增大而增大；低速時轉向助力油壓增速較快，高速時轉向助力油壓增速較慢；在同一方向盤轉矩輸入下，低速時助力油壓大，而高速時助力油壓小。顯然，基于整車模型仿真得到的ECHPS助力特性滿足了低速轉向時的輕便性和高速轉向時路感的要求。圖6中各曲線出現滯環的主要原因是轉向系統內部存在阻尼，且車速越低，阻尼作用越大，滯環越明顯。

圖6 方向盤轉矩與助力油壓關系曲線

4 臺架試驗與結果分析

筆者研究的電液比例閥控制旁通流量的ECHPS是在某大客車HPS基礎上開發的。在循環球式HPS性能試驗臺基礎上，增加電液比例閥旁通支路、ECU、信號發生器、24 V直流穩壓電源等裝置，搭建了ECHPS試驗臺，如圖7。轉向器輸入端與試驗臺的轉向軸連接，轉向器輸出端固定在直線行駛位置，比例閥線圈和控制器采用的穩壓電源供電，信號發生器用于模擬車速信號，控制器接收信號發生器模擬的車速信號，控制器根據接收到的車速信號給電液比例閥輸入一定的控制電流。電流為PWM信號，通過調節PWM波的占空比及周期給電液比例閥施加一個合適的電壓輸入，使閥芯一直處于振顫狀態，以防止閥芯卡死，并保證電液比例閥的響應敏捷性。根據所設計的助力特性求出各車速下旁通支路的流量，然后根據電液比例閥輸入電流與流量的關系確定不同車速下的輸入電流，試驗時通過改變控制電流實現電液比例閥閥芯位移隨車速變化而變化。

圖7 ECHPS試驗臺

試驗臺主泵的流量為18 L/min，設定不同的車速工況，分別從兩個方向轉動輸入軸使轉向軸輸入轉矩達到一定的設定值，同時記錄輸入軸的轉矩與工作油壓之間的關系曲線，即得到ECHPS系統的助力特性曲線。圖8是試驗測得的0，20，40，60，80 km/h 五種典型車速下的助力特性曲線。由圖8可知：各車速下試驗測得的最大助力油壓與圖3和圖6中對應的最大油壓的偏差都在10%以內；當方向盤輸入轉矩為0時，各車速下的助力油壓不為0，這是液壓系統本身存在的基本背壓。與圖6中仿真結果相比較，試驗曲線的滯環較大，這說明試驗臺系統內部存在較大的摩擦阻尼和液壓阻尼，阻尼隨著助力油壓的減小而減小，這是由于隨著車速增大，所需的助力油壓減小，電液比例閥的開度增大，閥口的節流阻尼減小。

圖8 ECHPS助力特性曲線試驗結果

比較圖8與圖6可見，ECHPS助力特性的試驗結果與仿真結果吻合良好；為方便設計，筆者在設計拋物線型理想助力特性曲線時將各車速下方向盤的最大輸入轉矩都設定為6 N·m，而在仿真與臺架試驗時設定方向盤最大輸入轉矩隨車速的增加而增大，主要是為了驗證隨著車速升高時該助力轉向系統對駕駛員路感的改善程度。圖8中各車速工況的助力特性曲線均較為平滑、隨車速的變化較明顯、左右對稱性較好，說明采用電液比例閥控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以實現重型車輛低速轉向時的輕便性和高速轉向時的操縱穩定性要求。

5 結 論

1)針對比例閥控制旁通流量的ECHPS系統的助力特點，提出了ECHPS拋物線型理想助力特性曲線的設計方法和曲線中三個主要參數的確定過程。

2)以某大客車為對象，建立了基于整車的旁通流量式ECHPS仿真模型，仿真得到的助力特性曲線與所設計的助力特性基本一致。

3)搭建了ECHPS試驗臺架，試驗測得的助力特性與仿真結果基本吻合，驗證了筆者設計的旁通流量式ECHPS助力特性及其仿真模型的有效性，為中重型車輛ECHPS系統研發與應用提供了理論和技術基礎。

[1] Inaguma Y,Suzuki K,Haga K.An Energy Saving Technique in an Electro-Hydraulic Power Steering (EHPS) System [R].[S.l.]:SAE Technical Paper,1996.

[2] 王毓,張伯俊.汽車轉向系統研究綜述[J].天津職業技術師范大學學報,2012,22(2):43-47. Wang Yu,Zhang Bojun.Overview the study of automotive steering system [J].Journal of Tianjin University of Technology and Education,2012,22(2):43-47.

[3] 郭曉林,季學武,劉亞輝,等.轉閥結構參數對流量控制式ECHPS系統可變助力特性的影響[J].機床與液壓,2008,36(5):31-34. Guo Xiaolin,Ji Xuewu,Liu Yahui,et al.The influences of rotary valve parameters on the alterable assist effort characteristics of the ECHPS system [J].Machine Tool & Hydraulics,2008,36(5):31-34.

[4] Marcus R.Hydraulic Power Steering System Design in Road Vehicles-Analysis,Testing and Enhanced Functionality [D].Sweden:Link?ping University,2007.

[5] 劉亞輝,高峰,季學武.前置穩壓閥對ECHPS助力特性的影響[J].北京航空航天大學學報,2008,34(11):1247-1249. Liu Yahui,Gao Feng,Ji Xuewu.Influence of constant pressure valve on boosting character of by-pass flow type ECHPS [J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2008,34(11):1247-1249.

[6] 王若平,李千,高翔.閉式電控液壓助力轉向直線型助力特性的設計[J].汽車工程,2012,34(3):255-259.

Wang Ruoping,Li Qian,Gao Xiang.Design of the linear assistance characteristics of close-type electro-hydraulic power steering [J].Automotive Engineering,2012,34(3):255-259.

[7] 朱佩,張振宇.電動液壓助力轉向系統的助力特性曲線設計及仿真[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(4):852-855. Zhu Pei,Zhang Zhenyu.Design and simulation of assist characteristic curve of electro-hydraulic power assist steering system [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(4):852-855.

[8] 宗長富,麥莉,王德平,等.基于駕駛模擬器的駕駛員所偏好的方向盤力矩特性研究[J].中國機械工程,2007,18(8):1001-1005. Zong Changfu,Mai Li,Wang Deping,et al.Characteristics of driver’s preferred steering wheel torque based on driving simulator [J].China Mechanical Engineering,2007,18(8):1001-1005．

[9] 崔勝民,余群.汽車輪胎行駛性能與測試[M].北京:機械工業出版社,1995:81-89. Cui Shengmin,Yu Qun.Driving Performance and Testing of Automobile Tires [M].Beijing:China Machine Press,1995:81-89.

Design and Test of Assist Characteristics of the Bypass Flow Type ECHPSSystem for Heavy-Duty Vehicles

Jiang Haobin, Zhu Wanqing, Geng Guoqing

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

The principle and the design requirements for assist characteristic of the bypass proportional valve type ECHPS were presented. A design method for parabolic ideal assist characteristic curve for a bus based on the ECHPS was proposed. Based on MATLAB/Simulink, the three degrees of freedom vehicle steering dynamic model and the ECHPS simulation model with hydraulic control module consisting of the electro-hydraulic proportional valve were established. The assist characteristic curve of ECHPS which was approximated to parabola was obtained by simulation. Eventually, the bench test of a certain bus ECHPS was carried out. The test result of the assist characteristic curve of ECHPS is well-matched with the simulation one, which validates that the proposed design method and simulation model of the ideal parabolic assist characteristic curve are right and effective; and the bypass proportional valve type ECHPS has excellent assist characteristic, which can satisfy both the low-speed steering portability and the high-speed handling stability of heavy-duty vehicles.

vehicle engineering; variable assist characteristics; electronically controlled hydraulic power steering (ECHPS); electro-hydraulic proportional valve

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.32

2014-02-07；

2014-06-01

國家自然科學基金項目(51275211)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(11KJA580001)

江浩斌(1969—)，男，江蘇啟東人，教授，博士生導師，主要從事車輛底盤系統的動態設計和研究。E-mail：jianghb@ujs.edu.cn。。

U260.356

A

1674-0696(2015)06-171-05