純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵選型匹配設(shè)計(jì)探討

郝少紅 劉學(xué)卿 郝宏剛

1.山東五征集團(tuán)有限公司 山東省日照市 276800 2.吉林大學(xué)青島汽車(chē)研究院 山東省青島市 266043 3.林德液壓（中國(guó)） 山東省濰坊市 261000

1 引言

純電動(dòng)商用車(chē)取消傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用電池電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，其中還融入了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)有關(guān)組件包括電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵以及該設(shè)備的控制器、定向機(jī)等，傳統(tǒng)的液壓部件被淘汰。這其中，純電動(dòng)商用車(chē)參數(shù)匹配關(guān)鍵技術(shù)中電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵總成參數(shù)匹配十分關(guān)鍵。因此，所設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)注意電動(dòng)增壓泵的匹配，以滿(mǎn)足需求。

2 純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵的綜合概述

2.1 運(yùn)行原理

純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)行原理為：汽車(chē)啟動(dòng)后控制信號(hào)通過(guò)車(chē)輛控制器傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向控制器。轉(zhuǎn)向控制器的作用是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)向泵的供油工作。開(kāi)始轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵工作形成高壓油，轉(zhuǎn)換后不斷注入轉(zhuǎn)向缸，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)逐漸完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)促進(jìn)操舵桿和輪子依照相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向，這是整個(gè)電動(dòng)液壓動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向的原則。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，純電動(dòng)商用車(chē)內(nèi)的電能先轉(zhuǎn)換成電機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成液壓油壓的動(dòng)能，最后再由動(dòng)能轉(zhuǎn)換成車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。

2.2 具體分類(lèi)

（1）齒輪式，這類(lèi)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力轉(zhuǎn)向電機(jī)與采用增強(qiáng)型扭轉(zhuǎn)動(dòng)力控制的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用減速器的驅(qū)動(dòng)齒輪與采用驅(qū)動(dòng)動(dòng)力小齒輪以連接形式達(dá)成了交互驅(qū)動(dòng)目的。因?yàn)榇笮涂团摕o(wú)需安裝動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)，因此駕駛員可通過(guò)大功率轉(zhuǎn)向電機(jī)以及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)而獲得適當(dāng)功率的轉(zhuǎn)向電機(jī)扭矩，同時(shí)無(wú)需擔(dān)心這種操作會(huì)引發(fā)電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)以及噪音。一般此類(lèi)設(shè)計(jì)多用于中型車(chē)，可保證車(chē)輛獲得足夠的動(dòng)力。

（2）轉(zhuǎn)向式，電機(jī)、減速器直接與純電動(dòng)商用車(chē)駕駛員轉(zhuǎn)向柱直接并聯(lián)連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可安裝在純電動(dòng)商用車(chē)駕駛員轉(zhuǎn)向柱上任意合適的旋轉(zhuǎn)角度位置，在一般電動(dòng)機(jī)中提供一種驅(qū)動(dòng)蝸輪和一種作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸桿，也可以用來(lái)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)當(dāng)純電動(dòng)商用車(chē)減速時(shí)和當(dāng)純電動(dòng)商用車(chē)剎車(chē)時(shí)工作。由于自動(dòng)工作使用方便，環(huán)境好，電機(jī)的最大固定輸出齒輪驅(qū)動(dòng)力和最大扭矩相對(duì)較小，是一種常見(jiàn)的動(dòng)力輔助齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)械形式。由于各驅(qū)動(dòng)部件相對(duì)獨(dú)立，便于自動(dòng)操作和維護(hù)。但在設(shè)計(jì)中還必須保證其本身自動(dòng)化和靈活性。然而，有些純電動(dòng)商用車(chē)電機(jī)由于固定輸出最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小和波動(dòng)，容易直接自動(dòng)傳遞到整個(gè)純電動(dòng)商用車(chē)方向盤(pán)的輸出。如果整個(gè)齒輪電機(jī)的正常驅(qū)動(dòng)位置接近整個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的正常驅(qū)動(dòng)位置，同時(shí)必須考慮對(duì)整個(gè)齒輪電機(jī)的最大輸出機(jī)械噪聲進(jìn)行有效的自動(dòng)抑制。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

EPS初期主要設(shè)計(jì)為微型或小型商用車(chē)，但隨著EPS 在大中型車(chē)輛上的廣泛應(yīng)用，對(duì)純電動(dòng)商用車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)力的技術(shù)要求也越來(lái)越高。因此，要增加發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，也要增加動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)直徑。但對(duì)于技術(shù)要求較高的微型EPS，特別是小型EPS，電機(jī)的尺寸和輔助安裝點(diǎn)的位置就比較困難。因此，在未來(lái)需要在減小電機(jī)體積前提下要不斷提升電機(jī)功率，這是未來(lái)電機(jī)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

電機(jī)和齒輪箱直接或機(jī)架式舵機(jī)在一起，但整體外觀仍大，所以在進(jìn)行整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也需要充分考慮如何合理安排。此外，在電機(jī)選型方面，目前EPS 電機(jī)多為直流永磁無(wú)磁電磁發(fā)動(dòng)機(jī)或永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，而直流無(wú)磁無(wú)刷永磁電機(jī)將成為未來(lái)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。

3 純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵的作用價(jià)值

3.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要十分貼合動(dòng)力傳動(dòng)模塊，保證動(dòng)力傳動(dòng)的科學(xué)性。但因?yàn)椴煌髽I(yè)在設(shè)計(jì)上有所差異，需要操作人員進(jìn)行不同的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試、加工等，這其中還要考慮成本因素。正因?yàn)槿绱嗽O(shè)計(jì)人員總會(huì)有自己較為獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案去保證系統(tǒng)的可操作性。其中簡(jiǎn)易板材易于在生產(chǎn)線上進(jìn)行加工和裝配。但其他一些相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向器驅(qū)動(dòng)控制組合系統(tǒng)而言，電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向器控制傳輸?shù)谋靡话悴皇潜谩⒂凸埽皇前惭b在液壓發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)皮帶輪上，使相關(guān)人員在設(shè)計(jì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)有更多的選擇空間，傳動(dòng)系統(tǒng)的兩齒輪轉(zhuǎn)向控制組合空間傳動(dòng)模塊的一體化設(shè)計(jì)方案，需結(jié)合不同助力齒輪的各自屬性形成組合模塊設(shè)計(jì)方案，也可以將二者分離單獨(dú)設(shè)計(jì)。所以由此可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間的利用需要認(rèn)真分析研究，才能達(dá)成高效率利用目的。

3.2 加強(qiáng)性能

在電動(dòng)助力高速轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)直接與助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，使傳動(dòng)能量集中于驅(qū)動(dòng)輪高速轉(zhuǎn)向之上，以往出現(xiàn)的高速行車(chē)軸向反轉(zhuǎn)、方向盤(pán)和前輪的擺陣也會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)者融入車(chē)輪慣性驅(qū)動(dòng)減震器而得到有效控制。所以，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得了強(qiáng)大的車(chē)輪抗軸向擾動(dòng)的抑制能力。高速轉(zhuǎn)向液壓助力傳動(dòng)系統(tǒng)主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)形成旋轉(zhuǎn)扭矩，故而消除了前輪滯回傳遞效應(yīng)，也代表著車(chē)輪和電動(dòng)方向盤(pán)的配合能力顯著提升。

3.3 提高效益

液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵是基于舵機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在操作過(guò)程中需要液壓發(fā)動(dòng)機(jī)直接供油來(lái)驅(qū)動(dòng)的一種新型液壓輪式動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵，它利用整個(gè)液壓動(dòng)力油泵的能量在不斷的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)中，浪費(fèi)部分由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)油形成的動(dòng)力。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的融入，有效地摒棄了傳統(tǒng)的油系統(tǒng)EPS，在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作中，車(chē)輛只需要靠液壓發(fā)電機(jī)自動(dòng)提供動(dòng)力就可以使用車(chē)輛，作為傳動(dòng)能量的一部分，是根據(jù)車(chē)輛對(duì)自動(dòng)動(dòng)力的要求所需要的供油和節(jié)能型轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)。純電動(dòng)商用車(chē)配備電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大型專(zhuān)用車(chē)輛和其他車(chē)輛配備電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的充分利用電力燃料的大型特種車(chē)輛燃料消耗的能量相比，其影響分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒(méi)有電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行油耗需求大，配備電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)燃油的專(zhuān)用車(chē)對(duì)其他燃油的綜合利用能耗同比降低2.5 個(gè)百分點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向若是發(fā)揮作用，會(huì)導(dǎo)致燃油能耗提升，提升比例為5.5 個(gè)百分點(diǎn)。

4 純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)型泵的選型匹配要點(diǎn)

4.1 確定流量

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵和燃油的流量循環(huán)應(yīng)確保助力轉(zhuǎn)向泵能夠比較功率相對(duì)較弱的高速轉(zhuǎn)向，以功率較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置用于柴油車(chē)，無(wú)動(dòng)力高速轉(zhuǎn)向則讓柴油車(chē)獲得較大的動(dòng)力轉(zhuǎn)向扭矩，增加操作阻力。因?yàn)榧冸妱?dòng)柴油轉(zhuǎn)儲(chǔ)車(chē)特殊性，需要在設(shè)計(jì)時(shí)在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵燃料流量循環(huán)當(dāng)中融入QT 機(jī)理論，操作上可分為兩種方式：其一是動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的理論流量，其二是必須將理論動(dòng)力轉(zhuǎn)向油缸流量的Q 缸融入進(jìn)來(lái)。

4.2 確定壓力

為了達(dá)成電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵所需要的最大壓力，要提前對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大壓力及雙轉(zhuǎn)向軸負(fù)載展開(kāi)測(cè)量。如果發(fā)現(xiàn)前者滿(mǎn)足后者要求，將轉(zhuǎn)向泵壓力調(diào)到方向機(jī)所需最大壓力水平。如果不匹配，說(shuō)明定向機(jī)型號(hào)較小，需要重新匹配。因?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大壓力為18.5mpa，故而可將這一參數(shù)來(lái)衡量轉(zhuǎn)向泵壓力，保證二者持平即可。

4.3 確定原則

第一，方向機(jī)安全閥壓力需要大于轉(zhuǎn)向泵壓力限值。若是出現(xiàn)了油壓高問(wèn)題，操作上是以先卸方向機(jī)安全閥后卸轉(zhuǎn)向泵為準(zhǔn)；第二，要確保轉(zhuǎn)向泵控制流量處在16ml-251ml 之間。

4.4 確定控制策略

動(dòng)力控制是將動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)施加到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，以減小方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力。為了幫助駕駛員順利轉(zhuǎn)向，需要制定功率控制策略。該策略是以轉(zhuǎn)向功率特性曲線為依據(jù)，來(lái)決定動(dòng)力電機(jī)功率大小。

5 純電動(dòng)商用車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)型泵的選型匹配設(shè)計(jì)

5.1 控制器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向控制器的主要功能是將純電動(dòng)商用車(chē)的電壓轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的工作電壓，并且可以接受所有控制器的控制信號(hào)，變頻參數(shù)需要參考詳細(xì)的模型來(lái)完成校準(zhǔn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向控制器采集的勵(lì)磁電流幅值小于2.5a 時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到800r/min。當(dāng)采集到的電流矢量幅值大于等于2.5a 時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)速將達(dá)到1200r/min。當(dāng)采集到的電流矢量幅值小于1.5A 時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速為800/min，響應(yīng)時(shí)間小于20ms。有必要根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際轉(zhuǎn)向性能對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其工作效率達(dá)到最高。轉(zhuǎn)向電機(jī)根據(jù)不同的車(chē)輛性能參數(shù)需要不同的功率，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的輸出，這些參數(shù)主要由轉(zhuǎn)向控制器實(shí)現(xiàn)控制。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EPS 純電動(dòng)商用車(chē)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在原有車(chē)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，為了保證當(dāng)前純電動(dòng)商用車(chē)安裝布局方向的改變量最小，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬點(diǎn)保持不變。由于集成電子功率控制模塊的應(yīng)用增加電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管柱支撐組件的空間占用率，故而必須要對(duì)支撐部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。同時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配的重量增加，所以需要重新安裝和設(shè)計(jì)的下部安裝，和結(jié)構(gòu)剛性需求的儀器平臺(tái)。綜合分析，考慮到目前車(chē)輛的通用性變化和有關(guān)機(jī)械部件都在不斷集成化，在整體安裝以及布局方面要將系統(tǒng)管柱支撐總成的原來(lái)四點(diǎn)固定安裝模式予以沿用。為了避免管柱支撐總成和車(chē)輛部件碰撞，需要管柱轉(zhuǎn)向塌陷直徑和行程長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)50mm。和原車(chē)型比較來(lái)看，融入EPS 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸的車(chē)輛形成的轉(zhuǎn)向力矩明顯要大，故而需增加軸的相位收縮直徑，可從22.5mm調(diào)到24mm。因?yàn)闆](méi)有改變硬點(diǎn)，故而相位軸偏離角可保持在或小于30mm，最大值可根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定，有助于將轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩軸的波動(dòng)強(qiáng)度控制在+5%左右的范圍內(nèi)。

5.3 軟件設(shè)計(jì)

以9S12BDM 軟件調(diào)試器作為具體的軟件功能調(diào)試主體，該調(diào)試器調(diào)試核心是JB16 單片機(jī)，屬于最新型微控設(shè)備。其上有USBDM接口，和USCODEWarrior 接口連接后，能夠展開(kāi)線上軟件調(diào)試。BDM 可獨(dú)立為每個(gè)目標(biāo)板供電。其可以模擬調(diào)試MC9S12 系列單片機(jī)，支持高達(dá)25MHZ 的晶體頻率。EPS系統(tǒng)軟件運(yùn)行前，需要對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)初始化以及自檢操作，采集外部轉(zhuǎn)矩、角度以及連接速度傳感器后，才能更好地發(fā)揮出EPS 系統(tǒng)功能，并進(jìn)入相應(yīng)的子程序。

根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前的轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)角變化率和速度信號(hào)，確定車(chē)輛進(jìn)入功率模塊理想功率特性曲線，計(jì)算出功率電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的目標(biāo)電流。需要通過(guò)修正目標(biāo)電流來(lái)保證補(bǔ)償控制機(jī)制發(fā)揮作用，具體操作當(dāng)中主要是對(duì)實(shí)際電流展開(kāi)監(jiān)控以及修正，然后跟蹤該修正后的電流有效控制功率輸出。電機(jī)轉(zhuǎn)矩有效控制，需要明確單片機(jī)輸出PWM 波形的占空比在0.05-0.95 區(qū)間。

5.4 硬件設(shè)計(jì)

（1）處理器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到數(shù)據(jù)處理數(shù)量多寡、EPS 控制器所在位置、單片機(jī)尺寸，并最終要形成盡可能小的模塊，故而需要盡可能保證外圍電路簡(jiǎn)潔而且穩(wěn)定，也能夠保證模塊運(yùn)行速度較快。因此建議EPS MCU選用飛思卡爾的16 位MC9S12DG128 芯片。（2）傳感器設(shè)計(jì)，要融入脈沖式速度傳感器，來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，每圈周?chē)藗€(gè)ECU的每個(gè)軸的速度輸入脈沖電壓數(shù)字信號(hào)，每輛車(chē)速度脈沖信號(hào)可以直接從一個(gè)速度傳感器的信號(hào)通過(guò)速度純電動(dòng)商用車(chē)儀表盤(pán)速度脈沖信號(hào)顯示，顯示形式一般為轉(zhuǎn)速脈沖電壓數(shù)字信號(hào)，當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)速大于目前速度，傳感器會(huì)形成較為明顯的電源脈沖電壓。因?yàn)橥獠科帘螌雍蛡鬏斁€緊貼，需要融入RC 濾波以及限幅電路，這樣可以有效提高設(shè)備計(jì)速速度。

5.5 參數(shù)設(shè)計(jì)

EPS 系統(tǒng)調(diào)試主要考慮到動(dòng)力參數(shù)，必須以轉(zhuǎn)向性為第一要求。因?yàn)樯衔纳婕暗降碾娫茨K來(lái)自于傳統(tǒng)汽油車(chē)，故而現(xiàn)有車(chē)型的功率特性曲線必須要進(jìn)一步優(yōu)化。功率特性曲線的橫軸是方向盤(pán)的扭矩，而控制功率電流輸出成為了縱軸。形成的曲線圖說(shuō)明了扭矩輸入功率和速度的關(guān)系。彎道速度從上到下逐步增大，范圍為0 ～120km /h。總共選擇8 條曲線。為了改善停車(chē)和低速行駛時(shí)手動(dòng)控制力大的現(xiàn)象，要提升斜率（停車(chē)狀態(tài)與低速曲線構(gòu)成），讓電機(jī)功率得到提升；中高速轉(zhuǎn)向時(shí)，易發(fā)生轉(zhuǎn)向力減弱問(wèn)題，需要降低中高速曲線坡度，同時(shí)減少電機(jī)功率，提升高速行駛手動(dòng)控制力度；提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，需調(diào)整曲線橫坐標(biāo)起點(diǎn)，讓中心感獲得增強(qiáng)；為了改善轉(zhuǎn)向性，需要調(diào)整不同速度曲線間隔，從而讓車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力可以均勻增加。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在純電動(dòng)商用車(chē)節(jié)能、環(huán)保、機(jī)動(dòng)性等方面具有突出的性能優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)有關(guān)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究體現(xiàn)出了一定的市場(chǎng)價(jià)值。我國(guó)是汽車(chē)大國(guó)，對(duì)此更需要進(jìn)一步提高研究水平。