基于PSA技术的GEP泵随速助力转向系统

许炳照，张荣贵

(福建船政交通职业学院汽车运用工程系，福建福州350007)

基于PSA技术的GEP泵随速助力转向系统

许炳照，张荣贵

(福建船政交通职业学院汽车运用工程系，福建福州350007)

为了验证电液控制助力转向系统的技术特性，介绍了一种基于PSA技术的GEP泵助力转向系统。在分析系统结构、运行原理的基础上，借助实验仪器和软件，对GEP动态数据和输出波形进行测量，结果揭示了国外电液控制助力转向系统的控制策略，这对国内研发人员应用该项新技术具有一定的借鉴意义。

GEP泵；电液控制；助力转向；特性分析

电控液压助力转向系统由直流电机替代发动机皮带直接驱动液压泵工作，并增加了控制单元，以及方向盘转速、发电机转速、车速和温度等传感器，对直流电机进行实时控制，从而获得了更好的液压助力转向控制性能。目前，法国PSA(标致雪铁龙集团，下同)集团生产的中高级轿车上应用的转向系统主要类型有GEP泵随速可变液压助力系统和电子助力转向系统(EPS)。国内神龙汽车有限公司(法国PSA集团合资企业)的GEP泵随速助力转向系统的市场应用主要有两种类型：一种是带转换阀的助力转向系统，依靠一套电子控制装置调整助力大小，即作用在转向桥上的力的大小可根据车速和方向盘转速的变化而调整[1]150；另一种是带泄流泵的可变助力转向系统，可根据发动机转速的变化，通过助力泵内部自动调节助力油的流量来调整助力的大小，以前者为标配应用[1]133。在国内，GEP泵随速助力转向技术在硬件设计上基本成熟，软件的运行策略仍处于不断完善和改进阶段，市场应用有很大的潜力。因此，对GEP泵随速可变液压助力系统的特性进行试验研究，揭示其内在的运行策略，对于研发人员具有现实的借鉴意义。

1 GEP泵随速可变液压助力系统概述

1.1 GEP泵随速可变液压助力系统的组成

PSA集团生产的中高级轿车上所配置的GEP泵随速可变液压助力系统如图1所示，它在常规的齿轮齿条转向机构基础上，增加驱动电机、齿轮泵、GEP泵电脑以及各种传感器和通讯接口[1]140，集机、电、液于一体。GEP泵随速可变液压助力系统与动力助力转向系统的区别是：GEP泵不由发动机通过皮带来驱动，而是由直流电机带动油泵，只在需要转向助力时才工作，这样降低了发动机的内部功率损失。传统的助力转向泵是由发动机通过皮带直接驱动的，液力油的流量与发动机的转速成正比。

图1 GEP泵电控助力转向系统的组成示意图

使用GEP泵有以下特点：

1)发动机由怠速升速后，可以节约“泵套”中的多余流量。这时泵套的大小由保证怠速时的流量确定，当发动机运转高出怠速时，额外的流量直接供给齿轮泵的吸入侧。

2)按照转向助力的要求，保持流量处于最佳状态。GEP泵在待机状态下正常运行，在操纵方向盘时，增加的流量恰好等于助力要求的流量。这样发动机每百公里可节约油耗0.1～0.2 L。

3)当发动机熄火后，GEP泵仍然保持助力功能。如果发动机不工作，打开IG开关后推车，GEP泵起动并提供助力。当GEP泵发生故障后，系统转入手动模式。车速或方向盘速度不足时，GEP泵电脑取车速或方向盘速度不足的近似值实施助力。

1.2 GEP泵随速可变液压助力系统的运行原理

GEP泵随速可变液压助力系统运行原理见图2[1]9。GEP泵电脑接收车速、转向、发电机动态和电机温度传感器等信息，按照预先设计的助力特性，经计算、分析、判断后向驱动电动机发出动作指令，通过调整电机转速以控制GEP泵的流量，再通过转换阀控制助力缸动作，实现转向系统助力控制，使其与车速和方向盘上的输入角速度相协调。GEP泵电脑通过CAN网络进行信息交换，从而获得系统实时的通信[5]。

图2 GEP泵可变液压助力系统的运行原理示意图

2 GEP泵输出特性的影响要素分析

GEP泵随速可变液压助力系统的组件可以分解为机械机构、液压回路和电子控制元件三个子部分。为了方便分析，先分别对三个独立的子系统进行分析，然后再组装起来形成一个完整的助力转向系统，并对助力系统的输出特性的影响因素进行表述分析。

1)驱动电机转速的影响因素分析。根据电机的选择和匹配要求，驱动电机转速可表示为：

式中：N表示驱动电机转速，等于GEP泵转速；PN表示电机铭牌给出的额定功率；TN表示电机的额定转矩；Um表示电机输入电压；Im表示电机起动电流；Rm表示电机电枢回路总电阻,C0表示电机电势常数，φ表示电机每极磁通量。

2)GEP泵及转向阀油流量的影响因素。当GEP泵转向系统工作时，由于液力传动油的可压缩性很小，且在助力稳定工况下，排除助力系统泄漏影响因素，可以认为GEP泵输出的油液全部进入转向阀，那么：

式中：Qin表示转向阀进油量；QGEP表示GEP泵出油流量；q表示齿轮泵排量；nb表示液压泵转速；Kp表示齿轮泵泄漏系数；Pout表示GEP泵的输出油压。

3)GEP泵系统助力矩的影响因素[5]。由于GEP泵系统油液的压缩性很小，根据对油泵的选配设计，GEP泵随速可变液压助力系统的助力矩公式可表达为：

式中：TGEP表示GEP泵转向系统的助力矩；Km表示驱动电机转矩系数；q表示齿轮泵排量；N表示驱动电机转速；Tp表示齿轮泵输出转矩；Kp表示齿轮泵泄漏系数；KT表示齿轮泵转矩系数；KS表示转向轴扭杆系数；Tout表示转向轴输出转矩；μ表示轮胎与路面间摩擦因数。对于GEP泵随速可变液压助力系统来说，其内部各个组成机构的相关参数是确定的，因此，该助力公式可以简化表示为函数：

TGEP=f(Tp,Tout,N)

对于GEP泵随速可变液压助力系统来说，其内部各个组成机构的相关参数是确定的，因此，该助力矩公式可以简化表示为函数关系

TGEP=f(Tp,Tout,N)

由此可知，GEP泵随速可变液压助力系统提供的助力矩大小是由GEP泵输出转矩TP、转向轴输出转矩Tout和驱动电机转速N三个要素决定。GEP泵输出转矩TP与汽车的转向阻力矩相关，转向轴输出转矩Tout与驾驶员施加在方向盘上的力矩相关。当驾驶员施加在方向盘上的力矩与汽车的转向轮阻力矩一定时，GEP泵助力系统提供的助力矩主要取决于驱动电机的转速N(或电流的大小)。

3 GEP泵助力转向系统的运行策略

GEP泵根据内部油路安全阀开启的设定，正常最大压力调定在10 MPa，助力转向油容量设计为0.85 L。由于系统中装备了伺服阀，因此，GEP泵提供的流量是可变的，其助力与方向盘力矩的调节通过一套电控装置，根据车辆行驶速度和方向盘转速两个信息来控制GEP泵流量[2]10。方向盘转速小时，助力转向油流量的增量小，使转向操纵感觉舒适；当方向盘转速大时，助力转向油流量的增量增加，并迅速达到稳定的助力。车速小时，助力转向油流量大；车速大时，助力转向油流量小，以获得路感。GEP泵提供的助力转向油的流量大小为[2]10：

QGEP=QP1+QP2

式中：QP1为考虑方向盘转速时的流量；QP2为考虑车速时的流量。

1)流量QP1随方向盘的转速变化。出于降噪考虑，在驻车时，不管方向盘速度是多少，GEP的电机转速是恒定的(大约3 000 r/min)，方向盘转速在0～430 (°)/s，流量范围在0～5.5 L/min。

①方向盘转速小时，助力转向油流量的增量小，使转向舒适性趋于理想。

②方向盘转速大时，助力转向油流量的增量大，并迅速达到稳定的助力要求。

2)流量QP2随行车速度的变化。GEP泵助力转向油的流量随车速的增加而减小，转向助力变小，手操纵力增加，助力转向油流量QP2随车速的变化范围为1.8～4.4 L/min。

3)流量QGEP的变化。GEP泵助力转向油的流量QGEP随车速和方向盘转速的变化进行实时调整，流量范围设置为1.8～5.6 L/min。

4)温度升高时的助力降级策略。在GEP泵电脑上设置工作温度传感器，根据温度变化，驱动电机转速自动调节，当工作温度达到115 ℃，电脑逐渐限制助力电机的功率，以避免电子元件发热使电机或电脑受损，系统冷却后再恢复到原来的功率水平。如果温度达到130 ℃，GEP泵便停止工作。

4 GEP泵助力系统的输出特性测试

4.1 试验车辆取样

根据现有的试验条件选择某一欧系品牌汽车参数[1]141[6]，如表1所示。该车型配置有GEP泵随速可变液压助力系统。检测使用X201检测仪器，利用DIAGBOX软件处理数据。

表1 待验证车辆主要结构参数

4.2 转向助力性能检测与分析

1)数据流检测与分析。

将试验车辆上的通讯接口，连接X201检测仪器，利用DIAGBOX软件，动态参数选择助力泵电机转速、方向盘转速、工作温度、电机电流、电源电压、车速、发动机状态、转向状态作为比较对象，对试验车型GEP进行动态数据测试，结果取样见表2所示。

表2 车速32 km/h与车速43 km/h时GEP的动态数据

表2中，发动机中速运转，取样车速32 km/h与43 km/h两种转向状态，GEP泵温度从34 ℃升高为35 ℃，GEP电机转速从2 496 r/min增加到2 624 r/min，实际测量的GEP泵电机电流从61.5 A下降到33 A，说明随着车速的增加助力电流减少，而方向盘转动速度分别为29 (°)/s和100(°)/s，说明方向盘转速随车速变化而不同，且方向盘转速增加时，GEP电脑判断快速转向而电机电流并未增大。

2)输出特性检测与分析。

选择电源特性与GEP泵转速特性、方向盘与GEP泵转速特性进行实车测试，结果取样如图3所示。选择GEP电机电流与方向盘转速变化特性进行检测，结果如图4所示。

(a)GEP电源随电机转速变化波形

(b)GEP电机转速随方向盘转速变化波形

图4 GEP电机电流特性与方向盘转速变化关系比较图

图3(a)中，GEP电源电压是由发电机提供的，当助力泵的转速增加时，电源电压由14 V左右下降到12.4 V左右，电源电压始终处于微小变化状态，输出波形存在干扰，说明信号输出未屏蔽。图中可以看到GEP泵的转速波动仍然接近4 000 r/min，按使用技术说明，不管方向盘速度是多少，GEP的电机转速是恒定的(大约3 000 r/min)，实际输出数据与说明书存在差异。

从图3(b)可以看到：GEP电机转速随方向盘转速的变化而变化，当方向盘转速为零时，GEP电机及油泵的转速保持在1 200 r/min左右稳定运转，此时不对转向系统施加任何助力；而方向盘转速在150～380(°)/s时，对应的GEP泵相对稳定在3 200 r/min左右(此时车速为32 km/h)。

图4显示，GEP泵电流大小随方向盘转速的变化而变化。对于中低速行驶的车辆，方向盘转速为零时，GEP泵电流为零，说明在车辆直线行驶时没有助力。方向盘转速在150 (°)/s瞬间，GEP泵电流随方向盘转速的增加而瞬间下降，而在方向盘转速为30～75 (°)/s时，常态助力电流稳定在20～30 A。图4中右侧为车辆静止时原地助力曲线，输出特性呈现快转快助，不转不助的规律。

5 结语

以法国PSA的轿车GEP泵随速可变液压助力系统为研究对象，选用DIAGBOX应用软件，通过对GEP动态数据和动态波形进行测量和检验，揭示了GEP泵的运行策略和边界条件，同时证明GEP泵技术的助力特性是以目标电流作为控制策略来设计PID控制器的。鉴于篇幅所限，对ECPB(电控驻车系统)反复驻车引起的温度变化对GEP泵降级运行策略另行讨论。目前，车辆随速可变液压助力系统仍然在中高级乘用车领域得到一定的应用，未来在较大轴荷乘用车、轻型商用车和重载商用车市场将有较大的应用潜力。

[1]神龙汽车培训部.神龙汽车有限公司车型手册[M].武汉：[s.n.]，2013.

[2]神龙汽车培训部.可变助力转向系统检修教材[M].武汉：[s.n.]，2012.

[3]机械工程师手册编辑部.机械工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2010：37.

[4]张齐.商用车电动液压助力转向系统设计与实现[D].秦皇岛：燕山大学，2014：28.

[5]牛庚森.电动液压助力转向系统的特性分析与仿真[D].镇江：江苏大学，2012：13.

[6]张荣贵,许炳照,许绍炎.基于欧V排放标准的发动机管理技术[J].常州工学院学报，2014，27(2)：4.

责任编辑：周泽民

GEP Pump with Speed Power Steering System Based on PSA Technology

XU Bingzhao，ZHANG Ronggui

(Department of Auto Application,Fujian CHUANZHENG & Communication College,Fuzhou 350007)

A GEP pump with power steering system based PSA technology was introduced to verify the technical characteristics of electro-hydraulic power steering system.After an analysis of the structure and operation principle of the system,dynamic data and output waveform of the GEP pump was measured with the help of experimental instruments and software.The results show that the control strategy for electro-hydraulic power steering system adopted by foreign designers is concluded,which can provide reference for domestic designers in applying the new technology.

GEP pump;electro-hydraulic control;electric power steering;characteristic analysis

10．3969/j．issn．1671⁃0436．2016．06．011

2016-10-17

福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JAT160716)

许炳照(1964— ),男,副教授。

U461.4

A

1671- 0436(2016)06- 0046- 05