重型车辆旁通流量式ECHPS助力特性设计与台架试验

江浩斌, 朱万青, 耿国庆

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



重型车辆旁通流量式ECHPS助力特性设计与台架试验

江浩斌, 朱万青, 耿国庆

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

介绍了采用电液比例阀控制旁通流量的电控液压助力转向系统(ECHPS)的原理和助力特性设计要求，提出了ECHPS抛物线型理想助力特性曲线设计方法。在MATLAB/Simulink中建立了基于整车三自由度动力学模型和电液比例阀控制模块的ECHPS系统仿真模型，通过仿真得到了近似于抛物线型的ECHPS助力特性曲线。最后对某大客车ECHPS系统进行台架试验，得到的ECHPS助力特性试验结果与仿真结果吻合良好，表明所提出的ECHPS助力特性曲线设计方法及其仿真模型是正确有效的；采用电液比例阀控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以实现重型车辆低速转向时的轻便性和高速转向时的操纵稳定性要求。

车辆工程；可变助力；电控液压助力转向；电液比例阀

0 引 言

目前重型车辆普遍采用液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering, HPS)，其转向助力特性的设计主要以满足原地转向或低速转向时的轻便性要求为主，但车辆高速行驶时驾驶员的“路感”较差，故HPS难以兼顾重型车辆低速转向时的轻便性和高速转向时的操纵稳定性要求。导致这一问题的主要原因在于传统HPS的油泵供油量恒定不变，当车速变化时HPS转向助力不能随之变化[1-2]。

为了解决重型车辆HPS转向操纵“轻”与“灵”的矛盾，近年来，国内外诸多学者对电控液压助力转向系统(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering, ECHPS)进行了大量研究。郭晓林等[3]研究了旁通流量式ECHPS系统转阀的主要结构参数对可变助力特性的影响规律，确定了转阀参数的基本设计原则；R. Marcus等[4]通过理论分析、数值仿真等方法提出了基于驾驶员路感的可变助力转向特性设计方法；刘亚辉等[5]通过理论分析和试验研究了旁通流量控制式ECHPS系统前置稳压阀对助力特性的影响。

笔者主要研究基于电液比例阀控制旁通流量的电控液压助力转向系统(ECHPS)助力特性设计与验证，介绍了ECHPS助力特性曲线的设计要求和3个特征参数的确定过程，以某大客车为对象，设计了ECHPS的理想抛物线型助力特性曲线，运用MATLAB/Simulink建立了基于整车的ECHPS仿真模型，通过仿真得到近似于抛物线型的助力特性曲线，最后搭建电液比例阀控制旁通流量的ECHPS试验台架并进行助力特性测试，以验证助力特性仿真结果及其设计方法的有效性。

1 ECHPS系统原理

电液比例阀控制旁通流量的ECHPS系统原理如图1。该系统主要由车速传感器、电液比例阀、整体式动力转向控制阀、液压泵和电子控制单元(ECU)等组成。

图1 旁通流量式ECHPS系统原理

电液比例阀旁通支路并联在转阀进、出油道两端，ECU根据车速传感器提供的车速信号控制电液比例阀输入电流的大小，使电液比例阀的阀芯位移随着电流的变化而变化，从而改变旁通支路的流量和进入转阀的流量，改变了助力油缸两端的压差，实现转向助力随车速而变化。车速较低时，比例阀线圈上的电流较低，电液比例阀的阀芯位移较小，旁通流量也少，转向助力较大；随着车速提高，比例阀线圈上的电流增大，电液比例阀的阀芯位移增大，旁通流量增大，转向助力就减小。

2 ECHPS助力特性设计

2.1 ECHPS助力特性曲线的设计要求

电液比例阀控制旁通流量的ECHPS采用的转阀结构与传统HPS相同，由于转阀的特性曲线决定了HPS助力特性曲线的基本形状，所以ECHPS的助力特性曲线也具有HPS助力特性曲线的基本特点，即曲线平滑、手感较好等。由于ECHPS助力特性受车速、驾驶员手力、转向盘角速度等因素影响，在不同车速下应有不同的助力特性曲线，因此，电液比例阀控制旁通流量的ECHPS的助力特性曲线应是一系列具有不同助力增益的非线性曲线，每条曲线应满足手力过渡平滑等要求。

2.2 抛物线型理想助力特性曲线的设计方法

针对ECHPS助力特性的设计要求，笔者设计了抛物线型理想助力特性曲线[6]，其数学模型为：

(1)

式中：Pa为系统产生的助力油压，MPa；Td为转向盘输入转矩，N·m；Td,max为系统达到最大助力时所对应的转向盘输入转矩，N·m；Pa,max为系统的最大助力油压，MPa；K为助力特性曲线的增益。

根据式(1)可知，Td,max,Pa,max,K是助力特性曲线的3个基本特征参数。由于原地转向工况的特殊性，下面以0km/h工况(原地转向)为例，设计这3个基本特征参数。

1)Td,max的确定

Td,max是根据驾驶员在转向操纵时作用在转向盘上的最大偏好手力而选取的，一般认为其是与车速无关的固定值[6]，取为6N·m。

2)Pa,max的确定

车辆在原地转向时阻力矩最大，一般采用半经验公式来计算[7]，原地转向时的阻力矩Tp为：

(2)

式中：Tp为转向阻力矩，N·m；f为轮胎与路面间的摩擦系数，一般取0.91；G为前轮载荷，N；P为轮胎胎压，Pa。

笔者所研究的大客车前轴荷载为60 000N，胎压为0.8MPa，根据式(2)可得Tp=4 984.28N·m。

当ECHPS系统不提供助力时，由驾驶员提供的转向盘操纵力矩经过传动机构放大后，以克服转向阻力矩，则有：

(3)

式中：Ts为系统无助力时转向盘的输入力矩，N·m；i为角传动比，笔者研究的大客车转向器为22；η+为转向器正效率，一般为65%～85%，这里取80%。经计算，Ts=283.19 N·m。

当ECHPS系统提供助力时，助力矩Ta应为：

Ta=Ts-Td,max

(4)

式中：Ta为ECHPS提供的转向助力矩，N·m。

将Td,max=6 N·m代入式(4)算得转向助力矩Ta=278.69 N·m。

ECHPS系统采用循环球式的转向助力器，转向助力由转向螺母内部的高低压腔的油压压差获得，助力油压与转向助力矩的关系为：

(5)

式中：ΔP为液压助力缸高、低压腔的压力差，即助力油压Pa，MPa；A为转向螺杆-螺母的有效作用面积，m2；S为转向螺杆的导程，m。

笔者所研究的循环球转向器有效作用面积A=5.024×10-3m2，转向螺杆的导程S=0.031m。经计算，得到ΔP=Pa=11.54MPa，此时助力油压即为原地转向时系统提供的最大助力油压。考虑到液压泵内溢流阀的临界压力及安全系数，取Pa,max=14MPa。

3)K的确定

助力特性曲线增益K的计算公式为：

(6)

将上文算得的Pa,max与Td,max代入式(6)，即可算得原地转向时的助力特性曲线增益K=0.388 9。

4)一定车速下K的确定

为保证其他车速下所设计的助力特性更接近理想的助力特性，增益K应在考虑不同车速下驾驶员的偏好理想力矩TLX的基础上进行设计，式(4)与式(6)中的Td,max此时应为TLX，替换后，根据式(3)～式(6)推导出一定车速下的助力特性曲线增益K为：

(7)

式中：TLX为理想的转向盘转矩，N·m。

由式(7)可知，要算得一定车速下助力特性曲线增益K，首先需确定该车速下的转向阻力矩Tp与理想的转向盘转矩TLX。

为了获得一定车速下的转向阻力矩Tp，笔者基于某大客车的技术参数，在Simulink中建立了三自由度整车动力学模型以及转向阻力矩模型，其中三自由度整车动力学模型以前轮转角作为输入，该模型具有横向、侧倾及横摆3个方向的自由度，计算模型如图2。通过仿真得到一定车速时理想转向盘转矩输入下的转向阻力矩Tp，并参照相关资料确定了不同车速下驾驶员偏好的转向盘操纵转矩[8]，由式(7)计算出不同车速下的助力特性曲线增益值K，最终结果如表1。

图2 转向阻力矩计算模型

表1 典型车速下的助力特性曲线增益K

根据表1的数据，利用MATLAB软件得到助力油压与方向盘转矩的关系，即为ECHPS的理想抛物线型助力特性曲线，如图3。

图3 ECHPS抛物线型理想助力特性曲线

3 ECHPS助力特性仿真与分析

3.1 基于整车的ECHPS仿真模型

在MATLAB/Simulink中建立基于整车的ECHPS系统动力学模型，如图4。该模型主要包括转向机械部件子模型、液压部件子模型、三自由度整车模型、转向阻力矩模型以及控制模型，其中轮胎模型采用只考虑了侧滑工况的简单模型[9]；液压部件模型中的电液比例阀控制模块输入信号为方向盘转矩Td与车速V，采用模糊PID控制策略，输出信号为进入转阀的流量Qs。运用上述模型即可对该系统的动力学性能进行仿真分析。

图4 基于整车的ECHPS仿真模型

3.2 仿真与分析

1)设定直线行驶0.5 s后，方向盘转矩信号以斜率为6 N·m/s的斜坡转矩输入，达到6 N·m后转矩保持不变，以车速40，60，80 km/h分别进行仿真，仿真时间为5 s，得到各车速下助力油压的时间历程，如图5。

图5 不同车速下的助力油压响应曲线

由图5可知：在同样的方向盘转矩输入下，随着车速的增大，助力油压逐渐减小，说明随着车速增大ECHPS提供的转向助力减小；各车速下的助力油压值和图3中对应的助力油压值基本吻合；在低速转向时油压增长速率较快，高速转向时油压增长速率较慢，符合低速时应保证转向轻便性、高速时应满足“路感”的要求。

2)设定方向盘转矩信号为以频率为0.1 Hz正弦信号输入，且不同车速下信号幅值不同。以车速0，20，40，60，80 km/h分别进行仿真，仿真时间为10 s，得到不同车速下助力油压与方向盘转矩的曲线，即ECHPS的助力特性，如图6。由图6可知，各车速下的助力特性曲线与图3基本一致。在同一车速下，助力油压随着方向盘转矩的增大而增大；低速时转向助力油压增速较快，高速时转向助力油压增速较慢；在同一方向盘转矩输入下，低速时助力油压大，而高速时助力油压小。显然，基于整车模型仿真得到的ECHPS助力特性满足了低速转向时的轻便性和高速转向时路感的要求。图6中各曲线出现滞环的主要原因是转向系统内部存在阻尼，且车速越低，阻尼作用越大，滞环越明显。

图6 方向盘转矩与助力油压关系曲线

4 台架试验与结果分析

笔者研究的电液比例阀控制旁通流量的ECHPS是在某大客车HPS基础上开发的。在循环球式HPS性能试验台基础上，增加电液比例阀旁通支路、ECU、信号发生器、24 V直流稳压电源等装置，搭建了ECHPS试验台，如图7。转向器输入端与试验台的转向轴连接，转向器输出端固定在直线行驶位置，比例阀线圈和控制器采用的稳压电源供电，信号发生器用于模拟车速信号，控制器接收信号发生器模拟的车速信号，控制器根据接收到的车速信号给电液比例阀输入一定的控制电流。电流为PWM信号，通过调节PWM波的占空比及周期给电液比例阀施加一个合适的电压输入，使阀芯一直处于振颤状态，以防止阀芯卡死，并保证电液比例阀的响应敏捷性。根据所设计的助力特性求出各车速下旁通支路的流量，然后根据电液比例阀输入电流与流量的关系确定不同车速下的输入电流，试验时通过改变控制电流实现电液比例阀阀芯位移随车速变化而变化。

图7 ECHPS试验台

试验台主泵的流量为18 L/min，设定不同的车速工况，分别从两个方向转动输入轴使转向轴输入转矩达到一定的设定值，同时记录输入轴的转矩与工作油压之间的关系曲线，即得到ECHPS系统的助力特性曲线。图8是试验测得的0，20，40，60，80 km/h 五种典型车速下的助力特性曲线。由图8可知：各车速下试验测得的最大助力油压与图3和图6中对应的最大油压的偏差都在10%以内；当方向盘输入转矩为0时，各车速下的助力油压不为0，这是液压系统本身存在的基本背压。与图6中仿真结果相比较，试验曲线的滞环较大，这说明试验台系统内部存在较大的摩擦阻尼和液压阻尼，阻尼随着助力油压的减小而减小，这是由于随着车速增大，所需的助力油压减小，电液比例阀的开度增大，阀口的节流阻尼减小。

图8 ECHPS助力特性曲线试验结果

比较图8与图6可见，ECHPS助力特性的试验结果与仿真结果吻合良好；为方便设计，笔者在设计抛物线型理想助力特性曲线时将各车速下方向盘的最大输入转矩都设定为6 N·m，而在仿真与台架试验时设定方向盘最大输入转矩随车速的增加而增大，主要是为了验证随着车速升高时该助力转向系统对驾驶员路感的改善程度。图8中各车速工况的助力特性曲线均较为平滑、随车速的变化较明显、左右对称性较好，说明采用电液比例阀控制旁通流量的ECHPS具有良好的助力特性，可以实现重型车辆低速转向时的轻便性和高速转向时的操纵稳定性要求。

5 结 论

1)针对比例阀控制旁通流量的ECHPS系统的助力特点，提出了ECHPS抛物线型理想助力特性曲线的设计方法和曲线中三个主要参数的确定过程。

2)以某大客车为对象，建立了基于整车的旁通流量式ECHPS仿真模型，仿真得到的助力特性曲线与所设计的助力特性基本一致。

3)搭建了ECHPS试验台架，试验测得的助力特性与仿真结果基本吻合，验证了笔者设计的旁通流量式ECHPS助力特性及其仿真模型的有效性，为中重型车辆ECHPS系统研发与应用提供了理论和技术基础。

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Design and Test of Assist Characteristics of the Bypass Flow Type ECHPSSystem for Heavy-Duty Vehicles

Jiang Haobin, Zhu Wanqing, Geng Guoqing

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

The principle and the design requirements for assist characteristic of the bypass proportional valve type ECHPS were presented. A design method for parabolic ideal assist characteristic curve for a bus based on the ECHPS was proposed. Based on MATLAB/Simulink, the three degrees of freedom vehicle steering dynamic model and the ECHPS simulation model with hydraulic control module consisting of the electro-hydraulic proportional valve were established. The assist characteristic curve of ECHPS which was approximated to parabola was obtained by simulation. Eventually, the bench test of a certain bus ECHPS was carried out. The test result of the assist characteristic curve of ECHPS is well-matched with the simulation one, which validates that the proposed design method and simulation model of the ideal parabolic assist characteristic curve are right and effective; and the bypass proportional valve type ECHPS has excellent assist characteristic, which can satisfy both the low-speed steering portability and the high-speed handling stability of heavy-duty vehicles.

vehicle engineering; variable assist characteristics; electronically controlled hydraulic power steering (ECHPS); electro-hydraulic proportional valve

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.32

2014-02-07；

2014-06-01

国家自然科学基金项目(51275211)；江苏省高校自然科学研究重大项目(11KJA580001)

江浩斌(1969—)，男，江苏启东人，教授，博士生导师，主要从事车辆底盘系统的动态设计和研究。E-mail：jianghb@ujs.edu.cn。。

U260.356

A

1674-0696(2015)06-171-05