基于流量控制的液壓式EPS系統原理分析

劉成，胡慧

（安徽工貿職業技術學院，安徽 淮南 232007）

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基于流量控制的液壓式EPS系統原理分析

劉成，胡慧

（安徽工貿職業技術學院，安徽 淮南 232007）

摘 要：汽車助力轉向系統是汽車的關鍵部件，汽車的安全性和舒適性均由其直接體現，其性能的好壞直接影響人們對汽車好壞的評價，人們對汽車的操控性、舒適性和安全性的要求越來越高。文章介紹了兩種流量控制式的液壓動力轉向系統的結構，并詳細分析了其工作原理，最后進行對比。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.034

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-100-03

引言

動力轉向系統是汽車的關鍵部件，屬于主動安全范疇，能夠有效衰減路面對前輪產生的沖擊，因此被越來越多的汽車都使用了動力轉向系。液壓助力轉向系統的工作，是發動機通過皮帶驅動油泵運轉，發動機轉速不同，轉向油泵輸出的液壓油的流量將發生變化，轉向助力液壓油在油泵的作用下加壓，通過轉向控制閥進入轉向動力缸的一個工作腔，然而另外一個腔則回油，此時動力缸左右腔便有壓力差，進而產生了一定的助力。然而這種傳統的動力轉向系統卻存在一些缺陷，若設計時考慮到適應汽車在低速行駛狀態下轉動轉向盤的操縱力，選擇了一個較大的固定的助力放大倍數，那么在車輛處于高速行駛狀態時，這個助力放大倍數便顯得很大，駕駛員操縱方向盤的操縱力便顯得太小，這樣將影響駕駛員控制車輛的方向，降低了路感。若設計時考慮到適應汽車在高速行駛狀態下轉動轉向盤的操縱力，選擇了一個較小的固定的助力放大倍數，那么在車輛泊車、以較低車速行駛時，這個助力放大倍數將顯得很小，駕駛員操縱方向盤便會感到很費力（轉向沉重）。基于以上問題，保證駕駛員在不同車速下操縱轉向盤所施加的力均達到一個最適宜的值，必須引入電子控制系統，即出現了電子控制動力轉向系統。隨行駛條件變化，這種助力轉向系統可適時調整轉向助力放大倍數，因而非常適用于轎車上。

1、電子控制動力轉向系統分類

電子控制動力轉向系統即EPS（Electronic Control Power Steering），根據產生助力作用的動力源的不同，基本上包括了以下兩種類型：即帶液壓系統的電控液壓式動力轉向系統（以下簡稱為液壓式EPS）和不帶液壓系統而通過電動機直接驅動油泵運轉的電動式動力轉向系統（以下簡稱電動式EPS）。液壓式EPS根據其控制方式不同，人為的劃分為三種類型：流量控制式、反力控制式和閥靈敏度控制式。電動式EPS因為省去了液壓系統，結構較為簡單緊湊；另外，因為電動機直接控制，響應性更好，所以在小型車特別是轎車上得到了廣泛的應用。液壓式EPS因為能提供較大的動力，所以除了在小型上應用外，大型車上也多采用。本文以流量控制式的液壓動力轉向系統為例，介紹其結構，并分析其工作原理。

2、流量控制的液壓式EPS系統原理分析

流量控制式EPS是根據車速傳感信號，控制向動力轉向裝置提供的壓力油，從而改變油液流量，適時控制汽車轉向力的大小。其中控制流量的方法有兩種：其一是通過旁通流量閥對油泵輸出流量進行分流，進而控制進入轉向轉向控制閥的液流量；其二是直接改變油泵的輸出流量。下面分別介紹了兩種形式的流量控制式液壓助力轉向系統，并分析其原理。

2.1 旁通流量式

旁通流量式液壓動力轉向系統是在普通液壓動力系統基礎上增加了轉向盤轉速傳感器、車速傳感器、流量控制閥、電磁閥及電控單元等，如圖1所示為旁通流量控制式液壓動力轉向系統的結構和原理示意圖。其中，在油泵與轉向器之間設計有一條由旁通流量控制閥組成的旁通管路。ECU根據車速傳感器、轉向盤轉速傳感器的信號，根據需要向流量控制閥發出指令，進而來控制旁通流量，不斷調整通往轉向控制閥的供油量，從而改變助力輸出的大小。若進入轉向控制閥的油量下降，動力轉向控制閥的靈敏度將減弱，這時助力效果較小，駕駛員施加在方向盤上的力便增大。

旁通流量控制式EPS系統中旁通流量控制閥起到非常重要的作用，其結構示意圖如圖2所示。在控制閥閥體內裝有兩個閥，即主滑閥和穩壓閥。其中主滑閥右端連接電磁閥的柱塞，主滑閥移動量隨著電磁線圈通電電流大小的變化而變化，即主滑閥與電磁閥的推力成正比移動，進而改變主滑閥左端量孔的流通截面積。在控制閥的最右端有一顆調調節螺釘，主要作用是調節旁通流量的大小。同時在進油口的位置裝有穩壓閥，其基本功用是保持量孔C前后壓力差恒定，進而使旁通流量與流量主孔的流通截面積成正比。當汽車轉向負荷變化時，量孔前后壓差異常，在穩壓閥彈簧彈力和右側油壓的作用下，穩壓閥的閥芯移動。若此時壓力差高于設定值，穩壓閥的閥芯便向左滑動，進而導致節流孔A的流通截面積變小，進入閥內的助力油量變少，前后壓力差下降；若此時壓力差低于設定值，穩壓閥的閥芯便向右滑動，進而導致節流孔A的流通截面積增大，進入閥內的助力油量增加，前后壓力差上升。由于量孔C前后壓力差的恒定，從而保證了旁通流量的大小唯一只與主滑閥控制的流量主孔的流通截面積有關。

圖1　流量控制式電子控制動力轉向系統

圖2　旁通流量控制閥

基于上述原理的旁通流量控制式EHPS系統只是在傳統的液壓動力轉向功能上另外增加了流量控制功能，因此相對于傳統HPS系統來說，結構上改變不是很困難。然而，它也有一定的弊端，當液壓系統油壓下降低到一個極限值時，若緊急避險需要快速轉向時，便會出現液壓油壓力不足的情況，因而其響應也比較滯后，因此其推廣應用具有一定的局限性。

2.2 電動泵式

電動泵式EPS是在傳統液壓系統的基礎上進行了改進，它不再利用發動機驅動油泵運轉，取而代之，利用了直流電動機來直接驅動油泵運轉。ECU通過控制電機的轉速實現助力大小的變化，由于油泵是電動機帶動其旋轉，那么電機轉速越高，轉向油泵的流量和壓力便越大，液壓動力轉向系統產生的助力就越大。汽車在行駛時，大多數處于直線行駛狀態。然而處于直線行駛工況時，實際上根本不需要助力系統工作，而上述旁通流量控制的液壓助力轉向系統中的油泵由于與發動機通過皮帶相連，因此一旦發動機運轉，轉向油泵就一直在發動機皮帶的帶動下運轉，對外不斷輸出液壓能，必然消耗發動機的能量，增加發動機的附加燃油消耗，同時由于發動機要帶動轉向油泵運轉，液壓管路出現振動噪聲、響應滯后。如果油泵的轉速能隨車速和轉向盤轉速的變化而改變，而且汽車不轉向時油泵不工作或以較低轉速運轉，這樣不僅能獲得隨車速而變化的路感，而且能一定程度上減少由動力轉向系統造成的附加燃油消耗。基于此，唯有通過電動機來驅動油泵。此時，由ECU根據傳感器采集車速和轉向盤轉速信號，發出指令，控制電機轉速，從而改變流入液壓助力轉向系統的油液流量，調整了操縱力。綜上我們可以看到，這種液壓助力轉向系統中，由于將電動機和油泵制成一體（稱為電動泵），所以我們將這種動力轉向系統叫做電動泵式液壓助力轉向系統。

圖3　電動泵式液壓助力轉向系統示意圖

圖3為一種典型的電動泵式EHPS系統示意圖，例如東風雪鐵龍凱旋轎車即采用了此種轉向系統。在轉向齒輪上安裝有轉向盤轉速傳感器。如圖中所示驅動油泵的電機、產生液壓的油泵、轉向油罐及電控單元制成一體，構成電動泵總成，結構緊湊。系統通過CAN總線從電子車速表（位于儀表板中）獲得車速信號，從發動機管理單元獲得發動機轉速信號，通過安裝在轉向齒輪上的轉向盤轉速傳感器獲得轉向盤轉速信號。安裝在電動泵中的轉向電控單元，根據上述信號對汽車的行駛狀態進行判斷，對電機的轉速進行控制，使油泵輸出與當前行駛狀態相適應的工作流量。油泵是一個不依賴于發動機的電動泵，即使發動機熄火不運轉，也不會動力轉向系統的工作產生影響。由于其轉速是可變的，可隨車速的不斷改變來調節，低速工況時電動泵的轉速能達到3500r/min左右，當處于高速工況時便會下降至大約750r/min。考慮到高速行駛中偶遇前方障礙物這種情況的出現，駕駛員會突然轉動轉向盤進行緊急避讓。為此，該系統設有動力轉向緊急模式。電控單元ECU通過安裝在轉向柱上的角速度傳感器，來判斷駕駛員打轉向盤的速度，從而來適時控制轉向助力大小。在猛打轉向盤時，電動泵會迅速將轉速提高到5000r/min左右，助力瞬間增大到極限值，從而保證駕駛員可以順利完成避險操作，有效避免或者減少了事故的發生，對于傳統的液壓助力轉向系統是不可能實現的，唯有這種不依賴于發動機轉速變化的電動泵式EPS系統可做到。

采用電動泵式液壓動力系統，不僅能夠獲得隨車速而變化的路感，而且能大大減少轉向助力系統的功率消耗，其功率消耗僅為普通HPS系統的20%左右。

3、結束語

通過對上述兩種流量控制式液壓助力轉向系統的原理進行分析，比較可得，電動泵式液壓助力轉向系統綜合運用了機、電、液一體技術，克服了單純的傳統液壓助力轉向的缺點，同時又融合了電動助力轉向系統所擁有的優勢。EHPS系統采用直流電機來驅動油泵運轉，脫離了發動機，從而使助力的大小與發動機轉速無直接關系，按照轉向的需要適時調整電機轉速，進而改變助力的大小，另外，考慮到液壓驅動系統擁有能量密度大的特點，電動泵式液壓助力轉向系統因為液壓系統的存在可有效減少路面的沖擊，優化了轉向平順性，使得駕駛員操作轉向更加舒適。

參考文獻

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Principle analysis of hydraulic EPS system based on flow control

Liu Cheng, Hu Hui
( Anhui Industry &Trade Vocational Technical College, Anhui Huainan 232007 )

Abstract:Automobile power steering system is the key components of a vehicle, vehicle safety and comfort are the direct embodiment, the quality of its performance directly affect people's evaluation on the quality of cars, people on the car handling, comfortable and safety requirements become higher and higher.This paper introduces the structure of two kinds of flow controlled hydraulic power steering system, and analyzes its working principle in detail.

Keywords:EPS; Flow control; Bypass flow; Electric pump; Principle analysis

作者簡介：劉成，碩士，就職于安徽工貿職業技術學院，研究方向：汽車電子控制技術。

中圖分類號：U463.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-100-03

關鍵字：EPS；流量控制；旁通流量式；電動泵式；原理分析