液壓助力轉向系統設計

謝朝陽（齊魯理工學院，山東 濟南 250200）

1.1 管柱助力式

管柱助力電機安裝于轉向管柱上,助力和駕駛員操縱力矩一同經過中間轉向軸作用于轉向小齒輪。這種結構的最大優點是電機、ECU、減速機構都安裝于駕駛艙內,電機、ECU的工作環境較好,方便發動機艙布置。缺點是所有助力都通過轉向管柱傳遞到轉向小齒輪和齒條,轉向管柱部件受力較大,因而助力大小受到限制;同時由于其電機和蝸輪蝸桿減速機構安裝于駕駛艙內,更容易引起駕駛室內噪聲。因而這種結構的EPS主要適用于車重較輕、發動機艙較小且對噪聲要求相對不高的微型轎車。

1.2 小齒輪助力式

小齒輪式EPS助力電機和蝸輪蝸桿減速器布置在轉向小齒輪附近。這種結構的EPS,助力不需要管柱部件傳遞,因而電機可以提供更大的助力。小齒輪式EPS可以應用到需要助力較大,而布置相對方便的中級轎車上。

2 液壓助力主動轉向系統

2.1工作模式

（1）液壓助力轉向模式

主動液壓缸兩端油路被封閉，活塞桿 2與主動液壓缸缸筒 3和 6之間無相對運動，相當于一個剛性的連桿。方向盤轉動產生的轉向位移和力矩經小齒輪驅動助力齒條活塞桿（即主動液壓缸缸筒 3和 6）及活塞桿 2移動，并通過轉向梯形機構帶動轉向前輪進行轉向。同時，轉向扭桿轉動的打開轉向閥，對進入助力液壓缸兩腔中的壓油壓力和流量進行控制，并為齒條助力活塞 3和 6提供助力；轉向扭桿在駕駛員轉向手力和轉向助力負反饋的共同作用下產生扭轉變形，從而形成一個剛性的負反饋，以力圖消除轉閥所引起的閥口變化，并恢復轉閥閥芯相對于閥體的中位狀態，其變形量即是閥口的開度角位移。

根據不同的車速和轉向角速度調節電機泵的轉速，可實現隨行駛工況感應的助力轉向特性。此模式與電動式機液伺服轉向系統的工作原理相同。

轉向過程中，轉向器的齒輪齒條間具有兩個力矩的相互作用：轉向阻力矩Tz和液壓助力矩Ta，在它們的共同作用下，決定了轉閥角位移和反饋控制。有三種情形：

（a）助力工況：當Tz＞Ta時，轉向扭桿不斷產生變形量，由此，轉閥閥芯跟隨轉動，

從而不斷地為轉向提供助力的壓油。

（b）保持助力：當Tz=Ta時，轉向扭桿停止變形，但不回位，閥體隨動減小了通油間隙，系統維持一定的油壓和車輪轉角，此時，車輛進行等半徑彎道行駛。

（c）停止助力：當Tz＜Ta時，扭桿回位或因前輪懸空，扭桿不變形，此時，轉閥關閉油路，沒有液壓油進入，系統不提供轉向助力。

（2）液壓主動前輪轉向模式方向盤無轉向輸入時，轉閥閥芯處于開式中位，主動轉向缸筒3及齒條活塞 6與轉向器殼體之間無相對位移，中央控制單元（ECU）根據車輛動力學穩定性控制策略決策出主動轉向疊加角指令，并將指令送至伺服閥控制器中，通過安裝在活塞桿 2上的位移傳感器實時檢測活塞桿的位置，并形成負反饋，其偏差信號作為電液伺服比例閥閥芯位移的控制輸入，轉向控制器采用控制策略決策出伺服閥控制電流，從而使伺服閥進行開度，壓力油經主動活塞桿 2的空心油路進入到主動液壓缸某一側的工作腔中，推動活塞桿 2向一側移動，驅動轉向梯形架帶動車輪進行主動前輪轉向，從而實現對指令位移的準確跟蹤控制。此模式用于汽車受到外界干擾、危險工況或駕駛員轉向不到位時，利用AFS的直接轉向干預功能對車輛進行操縱穩定性的主動控制。

3 液壓轉向系統設計與建模

3.1總體方案

（1）機械式轉向模式：指從方向盤、轉向管柱、伸縮液壓缸轉向器和轉向機構到轉向前輪的機械機構的轉向系統；

（2）電動液壓助力轉向模式：基于電動泵轉速調節的可變液壓源隨車輛行駛工況感應式的機液伺服助力轉向模式；

（3）液壓伺服主動前輪轉向模式：即不依賴于駕駛員轉向操縱的主動轉向。

根據液壓控制理論，中位正開口轉閥是一種比較理想的線性液壓控制元件，在正開口區域內時，負載流量同時受兩個節流口的控制，并且是差動變化的，因此，可以有效提高零位的流量增益并改善系統的壓力—流量曲線的線性度。而在正開口區域以外，由于同一時刻只有兩個節流口起控制作用，其壓力—流量特性和中位零開口伺服閥是相同的。

新型液壓轉向系統不僅要實現轉向角位移和力矩的準確與可靠傳遞，而且需要方便地對其進行協調控制，因此，在保證系統工作的可靠性、穩定性、動態性能和控制精度的前提下，其液壓控制系統還應盡可能簡單，成本低。借鑒傳統的電動液壓助力轉向技術，采用雙獨立油路的液壓控制系統，并通過電機泵為各自的子系統提供可變的液壓源，系統總體方案.

3.2性能參數匹配設計

轉向系統的主要參數包括：傳動比i、轉向器輸出最大扭矩T、最大液壓力 p，工作流量q、轉向臂行程等。本節將基于原地轉向阻力矩模型，對新型液壓轉向系統的主要性能參數進匹配設計，并對系統的關鍵元件進行選型。

3.2.1 原地轉向阻力矩

原地轉向阻力矩Mr采用汽車理論推薦的半經驗公式進行估算

式中：Gz——前軸載荷（N）， Gz=42271N，其中， m 為客車整車質量，l為前后軸距離，b為質心到后軸的距離。

f——車輪接地滑動摩擦系數，取 f=0.7；

Pt——胎壓，大客車的輪胎有兩種：尼龍輪胎，胎壓一般為pt=8.3×105Pa；鋼絲輪胎的胎壓則為pt=9.0×105Pa；

為了充分發揮轉向器的效率，并保證液壓系統處于良好的工作工況，轉向系統的最大輸出扭矩T應滿足：T≥Mr，通常取 T=2784 N.m。

3.2.2 參數計算與元件選型

（1）新型液壓助力主動轉向系統

助力轉向系統最大輸出扭矩折算到方向盤上的等效阻力矩Thz與轉向系統的角傳動比i有關：

式中，η+為轉向系統正效率，取 0.80；i為轉向系統總的角傳動比，取i=20.48。

考慮到車載液壓系統的可靠性與安全性，根據液壓系統設計規范，選取系統的額定工作壓力為ps=130×105Pa，根據液壓控制系統，為保證 AFS伺服系統工作在最大效率點，其負載壓降可取為：

AFS液壓缸要能單獨驅動車輪進行轉向，則根據作用在方向盤上的等效力矩可計算出主動液壓缸活塞的有效工作面積Ap1：

主動活塞桿中間制有空心油路，主動液壓缸的內徑和活塞桿外徑尺寸取為 58/28mm，則實際主動液壓缸的有效工作面積為2025mm2。

國家標準規定，原地轉向時，轉向系統要能提供相應的轉向助力，以保證駕駛員轉向操縱輕便舒適。普通駕駛員作用在方向盤上的最大手力一般在 20～50N之間，當手力在 20N左右時感覺轉向比較輕便，大客車的方向盤直徑為 480mm，因此，原地轉向時，駕駛員作用在方向盤上比較合適的手力矩約為 4.8N.m，折算出手力約為 20N。這也是德國 ZF公司推薦的車輛原地轉向時駕駛員偏好的手力矩。液壓助力系統需要提供的最大助力矩為Tmax=165.2（N.m），則助力液壓缸活塞的有效工作面積Ap2為：

取助力液壓缸內徑/活塞桿外徑為85/68mm，則實際的助力活塞有效作用面積為2041mm2。

（2）液壓控制閥

活塞有效作用面積及最大工作速度決定了轉向液壓缸所需要的工作流量。對于動力轉向系統，轉向系統的穩定性和響應速度十分重要。一方面，在車輛緊急避讓、超車換道過程中，轉向系統應具有快速響應能力，另一方面，過快的前輪轉向會導致車輛狀態響應過于激烈。而且，駕駛員任何輕微的動作經轉向系統的傳動比放大后，都能很輕松克服高速行駛時的轉向阻力，從而使行駛方向不斷發生改變，駕駛員就必須持續地對行駛方向進行修正，感覺到難以握住方向盤。根據人體工學原理，駕駛員轉動方向盤的速度一般在 1～2r/s之間，設計時方向盤轉速可取 1.5r/s。

①電液伺服比例閥

電液伺服比例閥不僅克服了傳統伺服閥對油液污染敏感和高昂價格等缺點，在結構、性能、可靠性和價格上具有很大的優勢，而且高頻響、高精度、滯環、無零位死區，其價格只有伺服閥的1/5～1/8，能滿足一般系統的自動化程度和控制精度，簡化了系統的復雜程度，為液壓轉向伺服控制系統提供了一種低成本和高可靠性的解決方案。

根據活塞的運動速度和作用面積，主動液壓缸的負載流量qL1為

取qL1=114.5L/min

②轉閥

根據3.1節的系統設計方案，助力系統采用中位開式轉閥，其負載流量為：

轉閥的額定流量為 30L/min。

（3）電機和油泵選型

取負載流量qL的 1.1～1.3倍作為液壓系統的供油流量qs，qs=18 L/min。電機泵的功率可根據系統液壓功率計算，系統的液壓功率Ny由最大供油流量和泵的出口壓力計算，則 AFS系統的液壓功率為：

為了保證油泵具有一定的壓力儲備，油泵出口的額定壓力一般要比最大工作壓力大25～60%，本文設計的電機最高轉速為nmax=3000（r/min），則油泵的排量Dm1為：

電機輸出的扭矩Ti1為：

機電泵的功率為 0.15-3.0k W，額定轉速 3000 r/min。

（4）蓄能器

變傳動比控制時，蓄能器作為輔助動力源，其容量為：

式中， V0——所需蓄能器的容積（m3）

Vx——蓄能器的工作容積（m3），sA為活塞行程， kA為液壓缸損失系數，取 1.2kA=， tA為主動液壓缸一個循環的動作時間。

P0——系統最低壓力（Pa）；

P1——系統最高壓力（Pa）；

P2——充氣壓力（Pa），按1 0 20.9 p＞p＞0.25 p充氣；

n——指數，等溫時 n=1，絕熱時取 n=1.4。

根據液壓設計手冊，選取的蓄能器型號為 NXQ 1-L0.4/20-H，其公稱容積為 0.4L，額定工作壓力 20Mpa，皮囊式蓄能器。

4 液壓轉向控制系統研究

4.1 控制系統總體結構

新型液壓轉向系統的工作模式與車輛的行駛工況和方向盤操縱密切相關。助力轉向控制的是轉向系統的力傳遞特性，PMSM泵轉速控制是實現隨工況感應助力特性關鍵技術，電機泵的速度指令是綜合了車速和方向盤轉速兩個參數的決策結果。

AFS系統的轉角指令有兩種：一是車輛穩態轉向過程中，根據ECU中存儲的變傳動比曲線，進行變傳動控制，主要用于改善車輛的操縱穩定性；二是當車輛處于臨界危險狀態時，AFS進行直接轉向干預，對車輛進行操縱穩定性控制。因此，AFS控制系統的介入與退出、控制的疊加轉角都是以車輛操縱穩定性控制為目標的，即來自車輛上層的ECU穩定性控制系統。

新型液壓轉向控制系統采用分層思想進行設計，該方法思路清晰，結構簡單，易于實現。決策層為車輛ECU中的動力學穩定性控制系統；下層為轉向執行控制器，用于對電機轉速、主動活塞桿位移進行跟蹤控制及驅動，系統總體結構

通過伺服控制器需對ECU發送的三個指令任務進行控制：

（1）助力系統的電機泵速度伺服控制；

（2）主動轉向系統的電機泵速度伺服控制；

（3）主動活塞桿的位移跟蹤控制。伺服閥控制器根據控制器發送的主動活塞桿位移指令

x*p1，將x*p1與安裝在雙伸縮缸上的移傳感器檢測信號xp1進行比較，其偏差作為轉向控制器的輸入量，利用相應的控制算法決策決策出電液伺服比例閥的閥芯位移xv，通過伺服比例閥放大器輸出控制電流，并使伺服比例閥動作，從而對進行主動液壓缸的壓油進行節流控制，推動主動活塞桿向一側位移，最終通過轉向梯形機構帶動車輪進行轉向，直到實際位移與目標位移一致，形成主動轉向電液位置伺服的閉環跟蹤控制。

新型液壓轉向系統具有完整的機械連接，當系統出現斷電、伺服比例閥故障等控制系統故障時，其機械式轉向系統仍然可以保證基本的人工轉向功能，確保了轉向系統的可靠性。當控制系統位移誤差超出一定數值時，可通過相應的報警信號以提示駕駛員停車檢查和維修，提高了系統的安全性。

4.2 控制目標

新型液壓轉向系統需要完成兩個任務：（1）電機泵速度控制，利用可變流量液壓源實現對期望助力轉向特性曲線的跟蹤控制，因此，永磁同步電機速度控制策略研究是保證轉向“路感”，提高車輛在不同行駛工況下的舒適性和操縱穩定性的主要研究內容。（2）主動轉向活塞桿位移跟蹤控制，活塞桿位移的控制精度、響應特性以及系統的穩定性等不僅影響轉向系統的性能，而且直接關系到客車的操縱穩定性和行駛的安全性。

因此，其控制目標主要有：

（1）快速響應能力：助力油泵電機應能快速跟蹤期望的轉速曲線，才能較好地實現隨速感應的助力特性，使低速轉向舒適和高速轉向穩定，并具有清晰的轉向“路感”；主動轉向系統應滿足車輛操縱穩定性和主動安全控制的動態響應能力，系統的響應速度需與車輛的行駛工況以及駕駛員的轉向操縱相適應，從而確保AFS系統控制的靈敏度和穩定性；

（2）較高的控制精度：高速行駛時，微小的前輪轉角都會產生較大的車輛狀態響應，因此，AFS系統的控制精度對車輛的操縱穩定性影響較大。

（3）較好的魯棒性：客車的行駛工況復雜，且受多種因素的影響，系統存在各種不確定性，轉向控制系統應具有對參數變化、外界干擾以及控制器本身的誤差的自適應性能，以提高系統的魯棒性。