刘成,胡慧
(安徽工贸职业技术学院,安徽 淮南 232007)
基于流量控制的液压式EPS系统原理分析
刘成,胡慧
(安徽工贸职业技术学院,安徽 淮南 232007)
摘 要:汽车助力转向系统是汽车的关键部件,汽车的安全性和舒适性均由其直接体现,其性能的好坏直接影响人们对汽车好坏的评价,人们对汽车的操控性、舒适性和安全性的要求越来越高。文章介绍了两种流量控制式的液压动力转向系统的结构,并详细分析了其工作原理,最后进行对比。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.034
CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-100-03
动力转向系统是汽车的关键部件,属于主动安全范畴,能够有效衰减路面对前轮产生的冲击,因此被越来越多的汽车都使用了动力转向系。液压助力转向系统的工作,是发动机通过皮带驱动油泵运转,发动机转速不同,转向油泵输出的液压油的流量将发生变化,转向助力液压油在油泵的作用下加压,通过转向控制阀进入转向动力缸的一个工作腔,然而另外一个腔则回油,此时动力缸左右腔便有压力差,进而产生了一定的助力。然而这种传统的动力转向系统却存在一些缺陷,若设计时考虑到适应汽车在低速行驶状态下转动转向盘的操纵力,选择了一个较大的固定的助力放大倍数,那么在车辆处于高速行驶状态时,这个助力放大倍数便显得很大,驾驶员操纵方向盘的操纵力便显得太小,这样将影响驾驶员控制车辆的方向,降低了路感。若设计时考虑到适应汽车在高速行驶状态下转动转向盘的操纵力,选择了一个较小的固定的助力放大倍数,那么在车辆泊车、以较低车速行驶时,这个助力放大倍数将显得很小,驾驶员操纵方向盘便会感到很费力(转向沉重)。基于以上问题,保证驾驶员在不同车速下操纵转向盘所施加的力均达到一个最适宜的值,必须引入电子控制系统,即出现了电子控制动力转向系统。随行驶条件变化,这种助力转向系统可适时调整转向助力放大倍数,因而非常适用于轿车上。
电子控制动力转向系统即EPS(Electronic Control Power Steering),根据产生助力作用的动力源的不同,基本上包括了以下两种类型:即带液压系统的电控液压式动力转向系统(以下简称为液压式EPS)和不带液压系统而通过电动机直接驱动油泵运转的电动式动力转向系统(以下简称电动式EPS)。液压式EPS根据其控制方式不同,人为的划分为三种类型:流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式。电动式EPS因为省去了液压系统,结构较为简单紧凑;另外,因为电动机直接控制,响应性更好,所以在小型车特别是轿车上得到了广泛的应用。液压式EPS因为能提供较大的动力,所以除了在小型上应用外,大型车上也多采用。本文以流量控制式的液压动力转向系统为例,介绍其结构,并分析其工作原理。
流量控制式EPS是根据车速传感信号,控制向动力转向装置提供的压力油,从而改变油液流量,适时控制汽车转向力的大小。其中控制流量的方法有两种:其一是通过旁通流量阀对油泵输出流量进行分流,进而控制进入转向转向控制阀的液流量;其二是直接改变油泵的输出流量。下面分别介绍了两种形式的流量控制式液压助力转向系统,并分析其原理。
2.1 旁通流量式
旁通流量式液压动力转向系统是在普通液压动力系统基础上增加了转向盘转速传感器、车速传感器、流量控制阀、电磁阀及电控单元等,如图1所示为旁通流量控制式液压动力转向系统的结构和原理示意图。其中,在油泵与转向器之间设计有一条由旁通流量控制阀组成的旁通管路。ECU根据车速传感器、转向盘转速传感器的信号,根据需要向流量控制阀发出指令,进而来控制旁通流量,不断调整通往转向控制阀的供油量,从而改变助力输出的大小。若进入转向控制阀的油量下降,动力转向控制阀的灵敏度将减弱,这时助力效果较小,驾驶员施加在方向盘上的力便增大。
旁通流量控制式EPS系统中旁通流量控制阀起到非常重要的作用,其结构示意图如图2所示。在控制阀阀体内装有两个阀,即主滑阀和稳压阀。其中主滑阀右端连接电磁阀的柱塞,主滑阀移动量随着电磁线圈通电电流大小的变化而变化,即主滑阀与电磁阀的推力成正比移动,进而改变主滑阀左端量孔的流通截面积。在控制阀的最右端有一颗调调节螺钉,主要作用是调节旁通流量的大小。同时在进油口的位置装有稳压阀,其基本功用是保持量孔C前后压力差恒定,进而使旁通流量与流量主孔的流通截面积成正比。当汽车转向负荷变化时,量孔前后压差异常,在稳压阀弹簧弹力和右侧油压的作用下,稳压阀的阀芯移动。若此时压力差高于设定值,稳压阀的阀芯便向左滑动,进而导致节流孔A的流通截面积变小,进入阀内的助力油量变少,前后压力差下降;若此时压力差低于设定值,稳压阀的阀芯便向右滑动,进而导致节流孔A的流通截面积增大,进入阀内的助力油量增加,前后压力差上升。由于量孔C前后压力差的恒定,从而保证了旁通流量的大小唯一只与主滑阀控制的流量主孔的流通截面积有关。
图1 流量控制式电子控制动力转向系统
图2 旁通流量控制阀
基于上述原理的旁通流量控制式EHPS系统只是在传统的液压动力转向功能上另外增加了流量控制功能,因此相对于传统HPS系统来说,结构上改变不是很困难。然而,它也有一定的弊端,当液压系统油压下降低到一个极限值时,若紧急避险需要快速转向时,便会出现液压油压力不足的情况,因而其响应也比较滞后,因此其推广应用具有一定的局限性。
2.2 电动泵式
电动泵式EPS是在传统液压系统的基础上进行了改进,它不再利用发动机驱动油泵运转,取而代之,利用了直流电动机来直接驱动油泵运转。ECU通过控制电机的转速实现助力大小的变化,由于油泵是电动机带动其旋转,那么电机转速越高,转向油泵的流量和压力便越大,液压动力转向系统产生的助力就越大。汽车在行驶时,大多数处于直线行驶状态。然而处于直线行驶工况时,实际上根本不需要助力系统工作,而上述旁通流量控制的液压助力转向系统中的油泵由于与发动机通过皮带相连,因此一旦发动机运转,转向油泵就一直在发动机皮带的带动下运转,对外不断输出液压能,必然消耗发动机的能量,增加发动机的附加燃油消耗,同时由于发动机要带动转向油泵运转,液压管路出现振动噪声、响应滞后。如果油泵的转速能随车速和转向盘转速的变化而改变,而且汽车不转向时油泵不工作或以较低转速运转,这样不仅能获得随车速而变化的路感,而且能一定程度上减少由动力转向系统造成的附加燃油消耗。基于此,唯有通过电动机来驱动油泵。此时,由ECU根据传感器采集车速和转向盘转速信号,发出指令,控制电机转速,从而改变流入液压助力转向系统的油液流量,调整了操纵力。综上我们可以看到,这种液压助力转向系统中,由于将电动机和油泵制成一体(称为电动泵),所以我们将这种动力转向系统叫做电动泵式液压助力转向系统。
图3 电动泵式液压助力转向系统示意图
图3为一种典型的电动泵式EHPS系统示意图,例如东风雪铁龙凯旋轿车即采用了此种转向系统。在转向齿轮上安装有转向盘转速传感器。如图中所示驱动油泵的电机、产生液压的油泵、转向油罐及电控单元制成一体,构成电动泵总成,结构紧凑。系统通过CAN总线从电子车速表(位于仪表板中)获得车速信号,从发动机管理单元获得发动机转速信号,通过安装在转向齿轮上的转向盘转速传感器获得转向盘转速信号。安装在电动泵中的转向电控单元,根据上述信号对汽车的行驶状态进行判断,对电机的转速进行控制,使油泵输出与当前行驶状态相适应的工作流量。油泵是一个不依赖于发动机的电动泵,即使发动机熄火不运转,也不会动力转向系统的工作产生影响。由于其转速是可变的,可随车速的不断改变来调节,低速工况时电动泵的转速能达到3500r/min左右,当处于高速工况时便会下降至大约750r/min。考虑到高速行驶中偶遇前方障碍物这种情况的出现,驾驶员会突然转动转向盘进行紧急避让。为此,该系统设有动力转向紧急模式。电控单元ECU通过安装在转向柱上的角速度传感器,来判断驾驶员打转向盘的速度,从而来适时控制转向助力大小。在猛打转向盘时,电动泵会迅速将转速提高到5000r/min左右,助力瞬间增大到极限值,从而保证驾驶员可以顺利完成避险操作,有效避免或者减少了事故的发生,对于传统的液压助力转向系统是不可能实现的,唯有这种不依赖于发动机转速变化的电动泵式EPS系统可做到。
采用电动泵式液压动力系统,不仅能够获得随车速而变化的路感,而且能大大减少转向助力系统的功率消耗,其功率消耗仅为普通HPS系统的20%左右。
通过对上述两种流量控制式液压助力转向系统的原理进行分析,比较可得,电动泵式液压助力转向系统综合运用了机、电、液一体技术,克服了单纯的传统液压助力转向的缺点,同时又融合了电动助力转向系统所拥有的优势。EHPS系统采用直流电机来驱动油泵运转,脱离了发动机,从而使助力的大小与发动机转速无直接关系,按照转向的需要适时调整电机转速,进而改变助力的大小,另外,考虑到液压驱动系统拥有能量密度大的特点,电动泵式液压助力转向系统因为液压系统的存在可有效减少路面的冲击,优化了转向平顺性,使得驾驶员操作转向更加舒适。
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Principle analysis of hydraulic EPS system based on flow control
Liu Cheng, Hu Hui
( Anhui Industry &Trade Vocational Technical College, Anhui Huainan 232007 )
Abstract:Automobile power steering system is the key components of a vehicle, vehicle safety and comfort are the direct embodiment, the quality of its performance directly affect people's evaluation on the quality of cars, people on the car handling, comfortable and safety requirements become higher and higher.This paper introduces the structure of two kinds of flow controlled hydraulic power steering system, and analyzes its working principle in detail.
Keywords:EPS; Flow control; Bypass flow; Electric pump; Principle analysis
作者简介:刘成,硕士,就职于安徽工贸职业技术学院,研究方向:汽车电子控制技术。
中图分类号:U463.4
文献标识码:A
文章编号:1671-7988(2016)03-100-03
关键字:EPS;流量控制;旁通流量式;电动泵式;原理分析