商用车转向系统的操控性与能耗分析及展望

宋海兵,江浩斌,唐 斌,王春宏

(1.江苏罡阳转向系统有限公司,江苏 泰州 225318;2.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)



商用车转向系统的操控性与能耗分析及展望

宋海兵1,江浩斌2,唐 斌2,王春宏1

(1.江苏罡阳转向系统有限公司,江苏 泰州 225318;2.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

从操控性和能耗的角度说明了提高商用车转向系统性能的重要性，分析了当前商用车上液压助力转向(HPS)、电控液压转向(ECHPS)、电动液压助力转向(EHPS)和电动助力转向(EPS)等转向系统的技术特点和能耗情况；通过计算重型商用车原地转向的阻力矩，指出了重型商用车对转向系统的功率要求；展望了商用车转向系统的发展方向，即高电压系统下的大功率电动助力转向，或在HPS的转向泵与发动机之间增加控制装置，实现“按需”输出转向功率，既保证转向操纵安全性和稳定性，又降低商用车转向系统的能耗。

商用车；转向系统；操控性；能耗分析

转向系统是汽车底盘的重要部件，对汽车的行驶安全至关重要，目前商用车普遍采用助力特性单一的液压助力转向系统(HPS)，在车速较高时，转向系统反馈给驾驶员的路感明显减弱，驾驶员会感到车辆“发飘”，导致精神紧张和误操作，直接影响车辆的操纵稳定性和行驶安全性[1]。

商用车HPS引起的燃油消耗约占整车总燃油消耗的3%～5%[2]，如果采用节能技术使重型商用车HPS的能耗降低20%，那么整车百公里油耗可节约0.2～0.5 L。2012年中国重型商用车(大型客车、大型货车、半挂牵引车)销量约为60万辆，按每辆车年运营里程10万公里计算，全年节省的燃油约为2亿升。因此，研究商用车液压转向系统的节能性，具有重要的现实意义。

1 HPS的操控性与能耗分析

液压助力转向系统(HPS)分为中位开式和中位闭式。中位开式HPS系统的转向油泵由发动机直接驱动，无论是否有转向要求，转向油泵一直处于工作状态，液压油经过转阀直接流回油箱，这无疑是一种能源的浪费。图1所示为国外研究人员测试得到的汽车在典型市郊道路行驶时转向器齿条的位移-时间曲线[3]，图1中出现尖峰的时间段表示汽车有转向动作，其余较平坦或近似直线的时间段表示转向盘不动或小幅调整，即汽车处于或保持直线行驶状态。由图1不难看出，汽车在80%以上的运行里程(时间)中都处于直线行驶状态。因此，采用HPS的车辆在行驶过程中无论是否需要转向动作，转向泵一直在运转，其所消耗的大部分能源为无用功。中位闭式HPS[4]系统使用蓄能器维持系统压力，系统压力低于某个值时，转向泵输出液压油；高于某个值时，转向泵停转或卸荷，几乎不消耗能量，但由于系统始终处于高压状态，对部件的密封要求高，并且影响部件的寿命，同时还增加蓄能器使系统的布置更加复杂，因此现代商用车上很少应用中位闭式HPS。

图1 典型路面齿条位移曲线

商用车HPS的转向泵由定量泵、溢流阀和安全阀组成。定量泵的输出流量随发动机转速的升高而增大，当转速高于溢流转速时，多余的油液从溢流口溢出，转速越高，溢流量越多，能量损失越大，多余流量造成的能量损失约占HPS总能耗的46%[5]；转向泵的流量特性如图2所示，图2中阴影部分为溢流损耗。采用变量泵取代定量泵可以有效避免溢流损失，变量泵内部有一个油缸，通过与油缸相连的连杆推动变量机构，改变转向泵的排量，从而改变转向泵的输出流量。例如转向泵的转速升高时，流量增大，节流孔两端的压差变大，这个压差作用于油缸的活塞两端，推动变量机构，使排量减少[6]。这种方案采用容积调速方式控制流量，不存在溢流损失，节能效果较好，但是转向泵的输出流量只随转速的变化而变化，不能适应行驶工况的变化，且转向泵高转速下输出的小流量不能满足快速转向对流量的要求。

图2 转向泵的流量特性

由于溢流阀的存在，转向泵的输出流量基本恒定，该流量要保证原地或低速转向时的助力需求，那么在高速时转向，车辆就会“发飘”，操纵稳定性变差。也就是说，HPS的助力转向特性设计完成后，其助力的大小不会随车速的变化而变化，助力转向特性如图3所示。通过调整扭杆的刚度和阀的灵敏度可以获得不同助力特性[7]，图3为3种不同的液压助力转向特性曲线，曲线1表明轻便性很好，曲线3偏向操纵稳定性，曲线2折中了轻便性和操纵稳定性。

图3 液压助力转向特性

2 ECHPS的操控性与能耗分析

在液压助力转向系统的基础上增加电控执行机构调节系统的压力或流量，使转向器在低车速时提供大助力，在高车速时助力减小，这样就可以兼顾低速转向轻便性和高速转向稳定性，这样的系统称之为电控液压助力转向系统(ECHPS)，该系统主要有以下几类：旁通流量式、反力控制式、阀灵敏式[8]。用于商用车的ECHPS主要是旁通流量式和反力控制式。

德国ZF公司研制的Servocomtronic是典型的反力控制式ECHPS，已成功用于欧美的一些高端客车和大货车[9]。Servocomtronic的系统结构如图4所示，转向器螺杆末端有一反作用腔，系统高压管路通过电磁比例阀与反作用腔相连，控制器根据车速信号控制比例阀线圈电流的大小即控制比例阀开口的大小，从而控制反作用力的大小，相应的转向盘操纵力矩也会变化。如车速低时，比例阀的开口小，反作用腔中的压力小，对螺杆的反作用力小，因此转向操纵力矩小，转向轻便；反之，转向操纵力矩大，当汽车在高速行驶时，驾驶员能获得好的“路感”，保证了汽车转向时的方向稳定性和精确性，图5为Servocomtronic助力特性。

图4 Servocomtronic系统原理图

图5 Servocomtronic助力特性

国内的转向器公司研制了基于旁通比例阀、步进电机、组合阀的ECHPS[10-12]，其原理都是根据车速变化控制旁通的流量实现转向助力可变，从而提高高速行驶车辆的稳定性。

电控液压转向虽然兼顾了低速转向轻便性和高速转向稳定性，但在车辆运行的大部分时间内，转向泵一直处于高速转动状态，液压系统的溢流损失和节流损失无法避免；旁通流量式ECHPS增加了旁通支路，系统的压力有所下降，因此，与HPS相比，ECHPS的能耗有所降低，但目前尚没有能耗定量研究的报道。

美国GM公司提出了另一种ECHPS方案[13]，在传统HPS的基础上，在发动机与转向泵之间加装调节装置，该装置中充满磁流变液，通过改变装置中线圈的电流调节转向泵的转速，因此称之为磁流变液压助力转向系统(MRHPS)。系统中的控制单元接收车速信号、转向角和角速度信号，再根据预先设计好的调速特性，调节转向泵的转速。车辆不转向时，控制转向泵以极低的速度运转；转向时，随着车速的变化，实时控制转向泵的转速，输出不同的流量，相应地改变液压助力的大小。由于把转向泵的转速控制在溢流转速以下，因此MRHPS降低了转向泵的寄生损失，但是没有考虑磁流变液装置自身的能耗。图6为MRHPS的转向泵总成。

图6 MRHPS转向泵总成图

3 EHPS的操控性与能耗分析

电动液压助力转向系统(EHPS)与电控液压助力转向系统最大的区别在于EHPS的转向泵由电机驱动，通过控制电机来调节转向泵转速，从而调节系统的压力[14]。EHPS的工作原理是：在非转向工况时，转向泵以极低的转速运行，消耗很少能量；转向工况下，系统根据车速及方向盘转速信号控制电机从备用工况迅速转入转向工况，电机的转速由事先设计好的助力特性曲线决定，因此EHPS能较好地兼顾低速转向轻便性和高速稳定性，同时能耗也大大降低，仅为HPS的35%[15]，图7为EHPS的助力特性曲线。TRW公司研制的Gen-C系列EPHS已成功应用于多款车型[16]，图8为Gen-C的电动泵模块MPU。TRW的市场研究显示，到2014年EHPS将占据大型乘用车和轻型商用车市场的5%～13%。Gen-C的最新产品100-C，建立在成熟技术的基础上，能够提供高达1 kW的液压输出动力并能满足12 V蓄电池系统高的齿条负载的需求，最大可输出20 kN的齿条力，适用于微型货车或多用途货车(F级)、紧凑型皮卡(I级)、货运车(K级)、中型SUV(P级)。

图7 EHPS助力特性曲线

图8 Gen-C的电动泵模块

4 EPS的操控性与能耗分析

电动助力转向系统(EPS)是由电机提供助力，助力的大小通过软件控制，具有节能、回正性好、操纵稳定性强等优点[17]。EPS最早出现在日本的微型车上，日本的Koyo、NSK、Shower、富士重工等企业先后开发出电动助力转向产品，其国内新车的EPS装车率已达到60%～70%[18]。美国的TRW和Delphi、德国的ZF、英国的Lucas、韩国的MANDU等公司也相继开发出电动助力转向系统，分别为各自国家品牌的汽车配套转向系统。我国的转向器公司从20世纪90年代开始通过消化吸收国外EPS，逐步掌握了EPS的关键技术，自主开发的EPS已为国内的部分主机厂配套，但是国内的EPS存在功能单一、可靠性不高等问题，还无法与欧美、日本的EPS相媲美。EPS是典型的“按需助力”转向系统，相对于HPS，EPS可节能80%～90%[19]，且EPS的助力特性完全由软件设定，低速转向时提供大助力保证轻便性，高速转向时提供小助力甚至反向助力以保证高速时具有较强的路感，提高操控性[20]。

EPS目前主要应用于乘用车，而商用车特别是重型商用车上很少使用。用于商用车的EPS，一般是循环球式电动助力转向系统(S-EPS)，S-EPS是在循环球转向器的输入轴通过蜗轮蜗杆机构连接助力电机，电机接收控制器的命令提供助力。S-EPS主要用于皮卡、吉普和小型货车，目前最大的电动转向器用在4.5 t的卡车上，电机功率达到900 W[21]，图9为4.5 t卡车循环球电动转向器。

图9 4.5 t卡车循环球式电动转向器

5 各转向系统操控性与能耗

表1为典型转向系统的优缺点及适用车型。

表1 典型转向系统的优缺点及适用车型

笔者通过计算重型商用车转向系统的最大助力矩来说明重型商用车对转向系统的功率要求，从而指出重型商用车转向系统的发展方向。

以最大质量为16 000 kg的大客车为研究对象，计算最大转向功率。其转向系统为HPS，前/后轴负荷分别为6 000 kg和10 000 kg。

原地转向阻力矩为：

(1)

式中：f为摩擦系数；Gf为前轴载荷；p为胎压。取f=0.7，Gf=6×104N，p=8.5 bar，则Tp=6 858.57 N·m。

转向器的输出扭矩为：

Tt=Tp/(iwη+)

(2)

式中：iw为传动比；η+为转向正效率。取iw=21.3，η+=85%，则Tt=315 N·m。

假设驾驶员的输入扭矩为5.5 N·m，那么液压助力矩Ta=315-5.5=309.5 N·m。

Ta=ΔpAs/(2π)=Δpπr2s/(2π)=Δpr2s/2(3)

则：

Δp=2Ta/(r2s)

(4)

式中:Δp为转向器活塞两边的压差;r为活塞半径;s为螺杆导程。取r=60 mm，s=13.5 mm，则Δp=12.7 MPa。

忽略液压管路的压力损失，那么转向泵的输出压力也为12.7 MPa，再根据转向泵的输出流量Q=18 L/min，则转向泵的输出功率：

P=ΔpQ=3 840 W

(5)

转向泵的输入功率显然要大于3 840W。如果用EHPS或EPS取代该车辆的HPS，那么输入控制单元的电流约为160A，远大于目前商用车24V电气系统的承受能力。唯有提高系统电压，如提高到42V或者更高，才能保证对电源系统的友好性[22]。

6 商用车转向系统技术展望

基于上述分析，未来商用车转向系统的新技术应兼顾操控性和节能性，主要发展方向是：

(1)高电压系统下的大功率电动助力转向系统需通过提高整车电气系统的电压来增大电源的带载能力，从而满足重型商用车对转向系统功率的要求。

(2)在现有液压助力转向系统(HPS)的转向泵与发动机之间加装调节装置，该装置可根据车辆的行驶工况按需传递功率，从而避免非转向工况下的无效能耗，且实时调节转向泵的转速，具备低速轻便性和高速稳定性的优点。

[1] 林逸,施国标,邹常丰,等.电动助力转向系统转向性能的客观评价[J].农业机械学报,2003,34(4):4-7.

[2] 李一染,权龙.液压转向助力系统能耗特性的分析和比较[J]. 工程设计学报,2002,9(3):131-135.

[3]EOFFREYPD.Analysisofenergyconsumptionforvariouspowerassistedsteeringsystems[J].SAE,1997970379.

[4] 李一染.汽车转向助力系统的节能研究[D].太原：太原理工大学,2002.

[5]YOSHITOMOT.Developmentofenergy-savingpumpforhydraulicpowersteering[J].JSAEReview, 1997(18):310-313.

[6]KOJIMAE.Developmentofaquietervariabledisplacementvanepumpforautomotivehydraulicpowersteeringsystem[J].InternationalJournalofFluidPower, 2003(4):5-14.

[7] 施国标,林逸.动力转向技术及其发展[J].农业机械学报,2006,37(10):173-176.

[8] 蔡庄奇.流量控制式汽车液压助力转向系统的设计与开发[D].广州：广东工业大学,2008.

[9] 郭晓林,季学武,陈奎元.电控液压助力转向系统助力特性研究与分析方法[C]∥第五届全国流体传动与控制学术会议.[S.l.]：[s.n.],2008:102-105.

[10] 江门兴江转向器有限公司.汽车电控液压助力转向系统:中国,200320118460.1[P].2005-06-22.

[11] 江门兴江转向器有限公司.电控液压动力转向器总成:中国, 200620066801.9[P].2007-10-24.

[12] 江苏罡阳动力转向器厂.车用电控液压助力转向系统:中国,201020646637.5[P].2011-07-06.

[13]BALARAMAM.Magneto-rheologicalcouplingbasedhydraulicpowersteering[J].SAEInternationalJournalofPassengerCars-MechanicalSystems, 2009,2(1):219-228.

[14]VLADIMIRV,JOHNG.Electro-hydraulicpowersteeringsystem[J].SAE,1999661668.

[15] 解后循,高翔.电控/电动液压助力转向控制技术研究现状与展望[J].农业机械学报,2007,38(11):178-181.

[16]THILOB.用于大车的电液助力转向系统:EPHS-GenC[J]. 汽车与配件,2011,36(9):22-24.

[17] 苗立东,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(自然科学版),2004,24(1):79- 84.

[18] 汽车行业协会.2011—2012中国汽车电动助力转向系统(EPS)行业报告[M]. [S.l.]：[s.n.],2012:154-219.

[19] 季学武,陈奎元.动力转向系统的发展与节能[J].世界汽车,1999(10):7-10.

[20] 江浩斌,唐斌,耿国庆.无刷直流电机助力式EPS控制器设计与试验[J].汽车工程,2011,33(11):980-984.

[21] 毕大宁,康富生,马慧.循环球电动转向器的研制[J].汽车零部件,2012(1):52-55.

[22]SRDJANM,EMADIA.Effectsofelectricalloadson42Vautomotivepowersystems[J].SAE,2003012257.

SONG Haibing:Senior Engineer; Jiangsu Gangyang Steering System Co., Ltd; Taizhou 225318, China.

[编辑：王志全]

Maneuverability and Energy Consumption of Commercial Vehicles Steering System

SONGHaibing,JIANGHaobin,TANGBin,WANGChunhong

The importance of improving the performance of commercial vehicle steering system was demonstrated in terms of maneuverability and energy consumption. The technical features and situation of energy consumption of various commercial vehicle steering systems were contrastively analyzed, including hydraulic power steering (HPS), electronically controlled hydraulic steering (ECHPS), electric hydraulic power steering (EHPS), electric power steering (EPS) and so on. Through the calculation of steering resisting torque of heavy-duty commercial vehicles, the steering system power requirement on heavy commercial vehicle was presented. Based on the above analysis, the future development of commercial vehicle steering system was concluded that it is high-power EPS actuated by high voltage electric system or a newly steering system equipped with adjusting device between the engine and the hydraulic power steering pump transmitting power as needed, which both ensures steering safety and stability, and reduces energy consumption of commercial vehicle steering system.

commercial vehicle; steering system; maneuverability; energy consumption

2015-03-31.

宋海兵(1967-)，男，江苏泰州人，江苏罡阳转向系统有限公司高级工程师.

国家自然科学基金资助项目(51275211);江苏省第4期“333工程”科研基金资助项目(BRA2013217);江苏省高校自然科学基金资助项目(14KJB580003);江苏大学高级人才科研启动基金资助项目(15JDG093).

2095-3852(2015)05-0580-05

A

U463.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.012