基于轉(zhuǎn)向模型的重型車輛轉(zhuǎn)向燃油經(jīng)濟(jì)性分析

王少韓，李錦，李炎亮，劉淼

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)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(guān)注了助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗[2]，因?yàn)樵谕卉囕v中，動力轉(zhuǎn)向裝置的能耗會根據(jù)行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向程度而變化[3]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為三種類型：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），其中，EPS 在重型車輛中尚不普遍，所以本研究不涉及該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。當(dāng)前，對前兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的研究中，雖然已有實(shí)際的車輛實(shí)驗(yàn)和仿真，但缺乏對重型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗研究。

本研究中，首先，基于重型車輛數(shù)據(jù)對HPS 和EHPS 模型進(jìn)行建模；然后通過TrukSim 和Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真，對三種行駛周期下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗進(jìn)行仿真；最后分析仿真的HPS 和EHPS 的轉(zhuǎn)向能耗，及其原因。

1 研究方法

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

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

使用Matlab/Simulink 選擇每個(gè)變量來動態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模，即根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型分別對泵、齒條齒輪、電動機(jī)、電池、交流發(fā)電機(jī)等進(jìn)行建模[4]。

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

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)的動力驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)，將其轉(zhuǎn)換為電能并將其存儲在電池中。該電能使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向力，EHPS 的建模如圖1 所示。由于EHPS 使用電池和電動機(jī)，因此具有液壓泵與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。因此，其使用了HPS 的泵模型，并對驅(qū)動電機(jī)，電池和交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模，并在Matlab/Simulink 中集成。

圖1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械部分示意圖

1.2 車輛建模

本研究目標(biāo)車輛是無負(fù)載重型貨車，作為應(yīng)用于的智能消防車方面的相關(guān)內(nèi)容來進(jìn)行研究，主要規(guī)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(biāo)車輛的主要參數(shù)

2 仿真分析

2.1 仿真方法

恒速實(shí)驗(yàn)仿真，即，車輛恒速直線行駛。由于每種轉(zhuǎn)向模型均受車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，因此將行駛速度設(shè)置為30、40、50、60、70、80km/h，然后進(jìn)行仿真。

正弦波實(shí)驗(yàn)仿真，即，在測試轉(zhuǎn)向性能時(shí)，使用正弦波形式的轉(zhuǎn)向角輪廓與直路結(jié)合在一起。對于每個(gè)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(jù)直線道路上轉(zhuǎn)向角的比率分析每個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

表2 行駛循環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果

恒速實(shí)驗(yàn)仿真：隨車速的增加，燃油經(jīng)濟(jì)性下降，HPS和EHPS 的燃油效率呈現(xiàn)出相似的趨勢，且在低速時(shí)，EHPS有時(shí)比HPS 的燃油經(jīng)濟(jì)性差。在車速為40 km/ h 時(shí)，能耗有個(gè)轉(zhuǎn)折，這是由于變速箱的變速級改變而引起的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變，從而導(dǎo)致與其相連的HPS 液壓泵的速度和轉(zhuǎn)矩增大。因此，隨著泵能耗的增加，可以預(yù)期燃油經(jīng)濟(jì)性會趨于減小。如圖2 所示：

圖2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同速度的燃油經(jīng)濟(jì)性

正弦波轉(zhuǎn)向仿真，兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性差異取決于駕駛中的轉(zhuǎn)向頻率。為了對此進(jìn)行分析，通過調(diào)節(jié)用于轉(zhuǎn)向性能測試的正弦波轉(zhuǎn)向輸入的比例來進(jìn)行仿真。如圖3 所示，EHPS 的轉(zhuǎn)向比越高，燃油經(jīng)濟(jì)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?yàn)樵贓HPS 模型中，泵是由電動機(jī)驅(qū)動的，因此隨著轉(zhuǎn)向部分的增加，電動機(jī)對發(fā)動機(jī)的能量利用率逐漸增加。

圖3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在正弦轉(zhuǎn)向中的燃油經(jīng)濟(jì)性

3 結(jié)論

通過這項(xiàng)研究，可以根據(jù)HPS 和EHPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來分析燃油經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)及其趨勢。

1）當(dāng)在不需要轉(zhuǎn)向力的直線上以恒定速度行駛時(shí)，與HPS 相比，EHPS 的燃油效率在低速下的很難改進(jìn)，并且隨著車速的提高而提高。換句話說，模擬結(jié)果表明，燃油經(jīng)濟(jì)性根據(jù)車速而變化，并且EHPS 的燃油效率可能低于HPS。

2）出現(xiàn)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(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速確定的；EHPS 的特性是，輔助轉(zhuǎn)向的電機(jī)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(fā)動機(jī)和泵通過簡單的齒輪比連接。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速以相同的速率增加。EHPS 從ECU 接收車速和轉(zhuǎn)向角速度，并控制電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，這是因?yàn)檐囁僭娇欤喬ヅc地面之間的摩擦力影響就越小，并且轉(zhuǎn)向所需的動力會降低。由于泵不受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，因此其結(jié)果與HPS 不同。因此，當(dāng)車輛實(shí)際行駛時(shí)，燃料經(jīng)濟(jì)性的提高根據(jù)平均車速而變化，并且由于發(fā)動機(jī)速度或車速決定了各個(gè)轉(zhuǎn)向模型的轉(zhuǎn)向力輔助裝置的能量消耗。

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