基于轉向模型的重型車輛轉向燃油經濟性分析

王少韓，李錦，李炎亮，劉淼

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

引言

重型車輛為了減少燃料消耗量，致力于改善車輛行駛策略，以及改變整車動力源[1]。其中，在燃油效率方面，關注了助力轉向系統的能耗[2]，因為在同一車輛中，動力轉向裝置的能耗會根據行駛時的轉向程度而變化[3]。

轉向系統可分為三種類型：液壓助力轉向系統（HPS），電動液壓助力轉向系統（EHPS）和電動助力轉向系統（EPS），其中，EPS 在重型車輛中尚不普遍，所以本研究不涉及該轉向系統。當前，對前兩種轉向系統模型燃油經濟性進行的研究中，雖然已有實際的車輛實驗和仿真，但缺乏對重型車輛轉向系統的能耗研究。

本研究中，首先，基于重型車輛數據對HPS 和EHPS 模型進行建模；然后通過TrukSim 和Matlab/Simulink 聯合仿真，對三種行駛周期下，轉向系統的能耗進行仿真；最后分析仿真的HPS 和EHPS 的轉向能耗，及其原因。

1 研究方法

以兩種類型的轉向系統模型為變量，且車輛處于公共變量相同的狀態下，進行建模及仿真。使用了Trucksim和Matlab/Simulink 軟件對三種行駛周期進行聯合仿真，從而分析重型車輛轉向系統的能耗特性。

1.1 轉向系統建模

使用Matlab/Simulink 選擇每個變量來動態設計轉向系統建模，即根據轉向系統的類型分別對泵、齒條齒輪、電動機、電池、交流發電機等進行建模[4]。

液壓助力轉向系統是通過發動機的動力調節液壓腔中的流量和壓力完成轉向助力。因此，該液壓使齒條移動以輔助轉向力，即不需要轉向力時，液壓泵也會有能耗。也就是說所，其受發動機轉速的影響最大，且當轉向時，泵轉矩趨于根據轉向角速度增加。系統建模大致分為泵，立柱和機架桿。如圖1 所示，機油將液壓泵連接到發動機，將牛頓第二定律應用于轉向所需的機械模型，如方程式（1）和（2）所示[5]。

電動液壓助力轉向系統利用發動機的動力驅動交流發電機，將其轉換為電能并將其存儲在電池中。該電能使電動機旋轉以操作與其連接的液壓泵，并如HPS 一樣，利用泵的動力移動齒條以輔助轉向力，EHPS 的建模如圖1 所示。由于EHPS 使用電池和電動機，因此具有液壓泵與發動機轉速無關的優點。因此，其使用了HPS 的泵模型，并對驅動電機，電池和交流發電機進行了建模，并在Matlab/Simulink 中集成。

圖1 液壓助力轉向系統和電子液壓助力轉向系統的機械部分示意圖

1.2 車輛建模

本研究目標車輛是無負載重型貨車，作為應用于的智能消防車方面的相關內容來進行研究，主要規格如下表1 所示。本研究的重型車輛基于軟件TruckSim 建模，其它主要零部件由Matlab/Simulink 替代和連接。

表1 目標車輛的主要參數

2 仿真分析

2.1 仿真方法

恒速實驗仿真，即，車輛恒速直線行駛。由于每種轉向模型均受車速和發動機轉速的影響，因此將行駛速度設置為30、40、50、60、70、80km/h，然后進行仿真。

正弦波實驗仿真，即，在測試轉向性能時，使用正弦波形式的轉向角輪廓與直路結合在一起。對于每個周期，正弦波輪廓與線性輪廓以100、60 和20%的比率組合。可以根據直線道路上轉向角的比率分析每個轉向系統的燃油經濟性。

表2 行駛循環實驗設置

2.2 仿真結果

恒速實驗仿真：隨車速的增加，燃油經濟性下降，HPS和EHPS 的燃油效率呈現出相似的趨勢，且在低速時，EHPS有時比HPS 的燃油經濟性差。在車速為40 km/ h 時，能耗有個轉折，這是由于變速箱的變速級改變而引起的發動機轉速改變，從而導致與其相連的HPS 液壓泵的速度和轉矩增大。因此，隨著泵能耗的增加，可以預期燃油經濟性會趨于減小。如圖2 所示：

圖2 液壓助力轉向系統和電子液壓助力轉向系統不同速度的燃油經濟性

正弦波轉向仿真，兩種轉向系統的燃油經濟性差異取決于駕駛中的轉向頻率。為了對此進行分析，通過調節用于轉向性能測試的正弦波轉向輸入的比例來進行仿真。如圖3 所示，EHPS 的轉向比越高，燃油經濟性越低，在50 km/ h 的速度下，EHPS 和HPS 的燃油消耗量之間的差異逐漸變小小。這是因為在EHPS 模型中，泵是由電動機驅動的，因此隨著轉向部分的增加，電動機對發動機的能量利用率逐漸增加。

圖3 液壓助力轉向系統和電子液壓助力轉向系統在正弦轉向中的燃油經濟性

3 結論

通過這項研究，可以根據HPS 和EHPS 轉向系統來分析燃油經濟性的改進及其趨勢。

1）當在不需要轉向力的直線上以恒定速度行駛時，與HPS 相比，EHPS 的燃油效率在低速下的很難改進，并且隨著車速的提高而提高。換句話說，模擬結果表明，燃油經濟性根據車速而變化，并且EHPS 的燃油效率可能低于HPS。

2）出現上述趨勢的原因是HPS 的特性，其液壓泵所需速度和扭矩是根據發動機轉速確定的；EHPS 的特性是，輔助轉向的電機所需能量受車速的影響。盡管在模型中有所反映，但在HPS 的情況下，發動機和泵通過簡單的齒輪比連接。因此，當發動機轉速增加時，泵的轉速以相同的速率增加。EHPS 從ECU 接收車速和轉向角速度，并控制電動機轉數，這是因為車速越快，輪胎與地面之間的摩擦力影響就越小，并且轉向所需的動力會降低。由于泵不受發動機轉速的影響，因此其結果與HPS 不同。因此，當車輛實際行駛時，燃料經濟性的提高根據平均車速而變化，并且由于發動機速度或車速決定了各個轉向模型的轉向力輔助裝置的能量消耗。

3）正弦波轉向仿真中，可以看出轉向系統的燃油經濟性隨轉向部分的比率而變化，HPS 和EHPS 之間的燃油效率差異隨著轉向段的增加而減少。