电动液压助力转向系统匹配设计与研究

柳强 张奇奇 高龙 周磊

摘要：为了提升汽车转向系统操纵性能，降低整车油耗，本文基于轻型客车对电动液压助力转向系统（EHPS）进行了设计计算，其中包括对电液泵工作流量和电机额定功率的匹配计算，并分析了系统参数之间的标定控制策略。最后通过对样车的操纵稳定性试验和油耗测试，验证了该匹配设计方法的正确性和有效性。

关键词：电动液压助力转向系统；匹配设计；油耗测试

Abstract：In order to improve the performance of automobile power steering system and reduce the energy consumption of this system，the article design and calculate an Electro-Hydraulic Power Steering System（EHPS）based on van，including flow calculation of motor-pump and power calculation of motor，and analyses of its function and control strategy of parameters. The last，according to the test result of manipulate stability and oil consumption，proves that matching design is correct and effective.

Key words：Electro-hydraulic Power Steering System，Matching Design，Oil Consumption Test

近些年随着汽车行业发展的突飞猛进，国家针对汽车排放、油耗等限制标准也在逐步的提高，绿色环保、经济节能等设计理念已经开始融入到汽车的研发过程中，越来越多的节油技术开始量产应用。电动助力转向系统（EPS）和电动液压助力转向系统（EHPS）相对于传统液压转向系统（HPS）不仅有较好的操纵性能，另外具有较好的燃油经济性。根据相关测试表明，EPS可节油约5%，EHPS可实现节油约3%[1-3]。但目前由于前轴载荷和助力电机功率的限制，EPS多应用于小型家用轿车领域，针对客车、轻卡等车型匹配EPS存在较大的困难，而采用EHPS能够满足输出较大的转向扭矩，其中特别包括电动客车和电动轻卡。

电动液压助力转向系统（EHPS）是在液压助力转向系统基础上发展起来的，其特点是将原来由发动机驱动的液压泵改由电机驱动，并且增加了车速传感器、转向角速度传感器以及转向控制单元等电控装置。由于电机的转速可调，可以即时关闭，与液压助力转向系统相比，它不仅节省了发动机的燃油消耗，提高了经济性，并且可以解决低速转向沉重和高速“发飘”问题，改善了驾驶舒适性，同时保证了稳定性和安全性[4]。本文基于江淮汽车某轻型客车进行了EHPS的匹配开发，并测试对比了样车在NEDC工况下的油耗值，车辆的相关参数如表1所示。

1 EHPS的组成

EHPS系统由电气装置和机械装置两部分组成，如图1所示。电气部分由车速传感器、转角传感器和电子控制单元ECU组成；机械装置包括齿轮齿条转向器（包括转子阀和助力缸）、控制阀及管路、电液泵。而比较先进电液泵把齿轮泵（或叶片泵）、ECU、低惯量、高功率的直流电机和储油罐集成在一起，构成集成的电液泵，使得整个总成结构紧凑，质量变得更轻，安装的柔性也大大增强[5]。

本文中的轻客车为齿轮齿条式电动液压助力转向系统，其主要由电液泵，齿轮齿条式转向器、转向管柱、方向盘、及储油罐和管路等零部件组成。

2 电液泵的选型设计

电液泵结构主要包括无刷直流电机、液压泵及控制单元等零部件，其设计匹配參数主要包括液压泵的流量、排量和最大工作压力，以及电机的电流及功率。

2.1 电液泵工作流量计算

该转向系统为齿轮齿条式助力转向，其相关参数如表2。

3 系统标定控制策略

EHPS通过CAN通讯与整车匹配，电液泵的输入信号有发动机点火信号、车速信号和转角信号。为保证转向系统有着较好的操控手感，要求车辆在低速的时候转向手力轻便，高速时手力沉稳。而在紧急避让时需要快打方向盘，这时候方向盘转角速度增加此时需要较大的转向助力。

在不同的转向工况下，需要相应的转向助力，其中车速的变化、方向盘转角速度的变化均为不同转向工况的体现方式，因而电液泵的控制策略核心就是调整电机转速，输出所需的转向助力。

3.1 车速与电机转速关系

为保证转向在低速轻便、高速沉稳的舒适性，电机的转速n一般随着车速v的增加而逐渐呈非线性降低。当车速v较低时，电机转速n应当较高，这是由于低速时整车的转向阻力偏大，转向系统需要较大的转向助力。高速时转向阻力小，通过降低电机转速减小转向助力可以让车辆转向更加沉稳，关系曲线图如图2所示。确定车速与电机转速关系目的是在汽车车速较低时满足转向轻便，随着车速的不断提高转向助力越小，防止了高速时转向盘“发飘”的现象，增强了高速行驶的“路感”[7]。

3.2 转角速度与电机转速关系

转角速度ω在较低区间段时，电机转速n保持为恒转速，转角速度ω越小，即方向盘打动的越慢，所需的助力相应较小；当ω=0时，转向系统不要助力，但是电机的最小转速nmin应该能满足转向系统流量供应。为了更好的提升助力跟随性及提供相应的转向助力，电机转速n随转角速度ω的增加而增加；当转角速度ω>ω2的时，电机转速n增加到最大转速nmax，并保持不变。关系曲线图如图3所示。

3.3 系统标定MAP图

在对整车转向系统的标定调试过程中，依据电机转速n与车速v和转角速度ω关系进行多次的试验和主观评价，不仅要求车辆在低速时手力轻便，而且中高速时转向沉稳。经过多轮次不同路况、载荷等条件下的调试标定，车辆的部分标定参数如表5所示。

根据表5中电机转速n与车速v、转角速度ω的相应数值可以绘制出三者的关系曲面MAP图。在车辆的实际行驶过程中，电液泵控制器是不断采集转向盘转速和车速传感器等信号，并通过程序计算后输出相应的电机转速，从而达到实时调节转向助力，使车辆具有良好的转向助力特性和转向路感。

4 整车操稳性能及油耗测试

通过对电液泵装车前、后的不同状态对车辆的操控稳定性及转向轻便性按相应的标准进行了试验。试验数据如表6、表7所示，结果表明：电液转向各项指标均达标且不低于原车，且电液转向左右转向力一致性更好，转向力波动更小。

在对整车更换电液泵的前、后状态分别对车辆进行了油耗测试，测试方法为NEDC循环试验工况，测试结果如表8所示。原状态的车辆油耗测试为百公里9.5L，更换电液转向后的油耗为百公里9.2L，节油效果约为3%。

5 结论

通过在样车上的搭载，EHPS相对传统的液压助力转向系统变动较小，其设计匹配的重点在于电机选型及电机转速与车速和转角速度的标定。根据样车的操稳性能试验及油耗测试表明：EHPS不仅能够有效解决低速转向沉重和高速“发飘”问题，提供良好的驾驶舒适性，更对整车的燃油经济性有着较好的贡献，实车测试在NEDC工况下可节油约3%。

参考文献：

[1] 雷琼红. 汽车电动助力转向（EPS）技术的现状和发展趋势分析[J]. 机械工程师，2009，（9）：53-55.

[2] 吴凯. 汽车电动助力转向系统及发展[J]. 汽车工程师，2012，（3）：15-17.

[3] 苗立東，何 仁，徐建平，等. 汽车电动转向技术发展综述[J]. 长安大学学报，2004，24（1）：79-83.

[4] 王维冬. 电动液压助力转向系统控制器的开发与设计[D]. 镇江：江苏大学出版社，2009.

[5] 耿国庆，苗立东，李 强. 电动液压助力转向系统设计方法[J]. 农机化研究，2006，（6）：207-210.

[6] 王霄峰. 汽车底盘设计[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[7] 徐劲，朱晓. 混合动力客车电动液压助力转向系统的匹配设计与研究[J]. 轻型汽车技术，2015，（2）：49-56.

[8] 安部正人. 车辆操纵动力学[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

作者简介：

柳强（1989-），男，底盘设计主管，工学硕士，主要从事底盘转向系统设计。