商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性與能耗分析及展望

宋海兵,江浩斌,唐 斌,王春宏

(1.江蘇罡陽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司,江蘇 泰州 225318;2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性與能耗分析及展望

宋海兵1,江浩斌2,唐 斌2,王春宏1

(1.江蘇罡陽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司,江蘇 泰州 225318;2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

從操控性和能耗的角度說明了提高商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的重要性，分析了當(dāng)前商用車上液壓助力轉(zhuǎn)向(HPS)、電控液壓轉(zhuǎn)向(ECHPS)、電動液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)和電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)等轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和能耗情況；通過計算重型商用車原地轉(zhuǎn)向的阻力矩，指出了重型商用車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功率要求；展望了商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，即高電壓系統(tǒng)下的大功率電動助力轉(zhuǎn)向，或在HPS的轉(zhuǎn)向泵與發(fā)動機(jī)之間增加控制裝置，實現(xiàn)“按需”輸出轉(zhuǎn)向功率，既保證轉(zhuǎn)向操縱安全性和穩(wěn)定性，又降低商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能耗。

商用車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；操控性；能耗分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要部件，對汽車的行駛安全至關(guān)重要，目前商用車普遍采用助力特性單一的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)，在車速較高時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋給駕駛員的路感明顯減弱，駕駛員會感到車輛“發(fā)飄”，導(dǎo)致精神緊張和誤操作，直接影響車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性[1]。

商用車HPS引起的燃油消耗約占整車總?cè)加拖牡?%～5%[2]，如果采用節(jié)能技術(shù)使重型商用車HPS的能耗降低20%，那么整車百公里油耗可節(jié)約0.2～0.5 L。2012年中國重型商用車(大型客車、大型貨車、半掛牽引車)銷量約為60萬輛，按每輛車年運(yùn)營里程10萬公里計算，全年節(jié)省的燃油約為2億升。因此，研究商用車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的節(jié)能性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 HPS的操控性與能耗分析

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)分為中位開式和中位閉式。中位開式HPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，無論是否有轉(zhuǎn)向要求，轉(zhuǎn)向油泵一直處于工作狀態(tài)，液壓油經(jīng)過轉(zhuǎn)閥直接流回油箱，這無疑是一種能源的浪費(fèi)。圖1所示為國外研究人員測試得到的汽車在典型市郊道路行駛時轉(zhuǎn)向器齒條的位移-時間曲線[3]，圖1中出現(xiàn)尖峰的時間段表示汽車有轉(zhuǎn)向動作，其余較平坦或近似直線的時間段表示轉(zhuǎn)向盤不動或小幅調(diào)整，即汽車處于或保持直線行駛狀態(tài)。由圖1不難看出，汽車在80%以上的運(yùn)行里程(時間)中都處于直線行駛狀態(tài)。因此，采用HPS的車輛在行駛過程中無論是否需要轉(zhuǎn)向動作，轉(zhuǎn)向泵一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，其所消耗的大部分能源為無用功。中位閉式HPS[4]系統(tǒng)使用蓄能器維持系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力低于某個值時，轉(zhuǎn)向泵輸出液壓油；高于某個值時，轉(zhuǎn)向泵停轉(zhuǎn)或卸荷，幾乎不消耗能量，但由于系統(tǒng)始終處于高壓狀態(tài)，對部件的密封要求高，并且影響部件的壽命，同時還增加蓄能器使系統(tǒng)的布置更加復(fù)雜，因此現(xiàn)代商用車上很少應(yīng)用中位閉式HPS。

圖1 典型路面齒條位移曲線

商用車HPS的轉(zhuǎn)向泵由定量泵、溢流閥和安全閥組成。定量泵的輸出流量隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于溢流轉(zhuǎn)速時，多余的油液從溢流口溢出，轉(zhuǎn)速越高，溢流量越多，能量損失越大，多余流量造成的能量損失約占HPS總能耗的46%[5]；轉(zhuǎn)向泵的流量特性如圖2所示，圖2中陰影部分為溢流損耗。采用變量泵取代定量泵可以有效避免溢流損失，變量泵內(nèi)部有一個油缸，通過與油缸相連的連桿推動變量機(jī)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)向泵的排量，從而改變轉(zhuǎn)向泵的輸出流量。例如轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速升高時，流量增大，節(jié)流孔兩端的壓差變大，這個壓差作用于油缸的活塞兩端，推動變量機(jī)構(gòu)，使排量減少[6]。這種方案采用容積調(diào)速方式控制流量，不存在溢流損失，節(jié)能效果較好，但是轉(zhuǎn)向泵的輸出流量只隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，不能適應(yīng)行駛工況的變化，且轉(zhuǎn)向泵高轉(zhuǎn)速下輸出的小流量不能滿足快速轉(zhuǎn)向?qū)α髁康囊蟆?/p>

圖2 轉(zhuǎn)向泵的流量特性

由于溢流閥的存在，轉(zhuǎn)向泵的輸出流量基本恒定，該流量要保證原地或低速轉(zhuǎn)向時的助力需求，那么在高速時轉(zhuǎn)向，車輛就會“發(fā)飄”，操縱穩(wěn)定性變差。也就是說，HPS的助力轉(zhuǎn)向特性設(shè)計完成后，其助力的大小不會隨車速的變化而變化，助力轉(zhuǎn)向特性如圖3所示。通過調(diào)整扭桿的剛度和閥的靈敏度可以獲得不同助力特性[7]，圖3為3種不同的液壓助力轉(zhuǎn)向特性曲線，曲線1表明輕便性很好，曲線3偏向操縱穩(wěn)定性，曲線2折中了輕便性和操縱穩(wěn)定性。

圖3 液壓助力轉(zhuǎn)向特性

2 ECHPS的操控性與能耗分析

在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力或流量，使轉(zhuǎn)向器在低車速時提供大助力，在高車速時助力減小，這樣就可以兼顧低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，這樣的系統(tǒng)稱之為電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(ECHPS)，該系統(tǒng)主要有以下幾類：旁通流量式、反力控制式、閥靈敏式[8]。用于商用車的ECHPS主要是旁通流量式和反力控制式。

德國ZF公司研制的Servocomtronic是典型的反力控制式ECHPS，已成功用于歐美的一些高端客車和大貨車[9]。Servocomtronic的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，轉(zhuǎn)向器螺桿末端有一反作用腔，系統(tǒng)高壓管路通過電磁比例閥與反作用腔相連，控制器根據(jù)車速信號控制比例閥線圈電流的大小即控制比例閥開口的大小，從而控制反作用力的大小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤操縱力矩也會變化。如車速低時，比例閥的開口小，反作用腔中的壓力小，對螺桿的反作用力小，因此轉(zhuǎn)向操縱力矩小，轉(zhuǎn)向輕便；反之，轉(zhuǎn)向操縱力矩大，當(dāng)汽車在高速行駛時，駕駛員能獲得好的“路感”，保證了汽車轉(zhuǎn)向時的方向穩(wěn)定性和精確性，圖5為Servocomtronic助力特性。

圖4 Servocomtronic系統(tǒng)原理圖

圖5 Servocomtronic助力特性

國內(nèi)的轉(zhuǎn)向器公司研制了基于旁通比例閥、步進(jìn)電機(jī)、組合閥的ECHPS[10-12]，其原理都是根據(jù)車速變化控制旁通的流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力可變，從而提高高速行駛車輛的穩(wěn)定性。

電控液壓轉(zhuǎn)向雖然兼顧了低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，但在車輛運(yùn)行的大部分時間內(nèi)，轉(zhuǎn)向泵一直處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，液壓系統(tǒng)的溢流損失和節(jié)流損失無法避免；旁通流量式ECHPS增加了旁通支路，系統(tǒng)的壓力有所下降，因此，與HPS相比，ECHPS的能耗有所降低，但目前尚沒有能耗定量研究的報道。

美國GM公司提出了另一種ECHPS方案[13]，在傳統(tǒng)HPS的基礎(chǔ)上，在發(fā)動機(jī)與轉(zhuǎn)向泵之間加裝調(diào)節(jié)裝置，該裝置中充滿磁流變液，通過改變裝置中線圈的電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，因此稱之為磁流變液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(MRHPS)。系統(tǒng)中的控制單元接收車速信號、轉(zhuǎn)向角和角速度信號，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的調(diào)速特性，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速。車輛不轉(zhuǎn)向時，控制轉(zhuǎn)向泵以極低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)向時，隨著車速的變化，實時控制轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，輸出不同的流量，相應(yīng)地改變液壓助力的大小。由于把轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速控制在溢流轉(zhuǎn)速以下，因此MRHPS降低了轉(zhuǎn)向泵的寄生損失，但是沒有考慮磁流變液裝置自身的能耗。圖6為MRHPS的轉(zhuǎn)向泵總成。

圖6 MRHPS轉(zhuǎn)向泵總成圖

3 EHPS的操控性與能耗分析

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)與電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別在于EHPS的轉(zhuǎn)向泵由電機(jī)驅(qū)動，通過控制電機(jī)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力[14]。EHPS的工作原理是：在非轉(zhuǎn)向工況時，轉(zhuǎn)向泵以極低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，消耗很少能量；轉(zhuǎn)向工況下，系統(tǒng)根據(jù)車速及方向盤轉(zhuǎn)速信號控制電機(jī)從備用工況迅速轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)向工況，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由事先設(shè)計好的助力特性曲線決定，因此EHPS能較好地兼顧低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速穩(wěn)定性，同時能耗也大大降低，僅為HPS的35%[15]，圖7為EHPS的助力特性曲線。TRW公司研制的Gen-C系列EPHS已成功應(yīng)用于多款車型[16]，圖8為Gen-C的電動泵模塊MPU。TRW的市場研究顯示，到2014年EHPS將占據(jù)大型乘用車和輕型商用車市場的5%～13%。Gen-C的最新產(chǎn)品100-C，建立在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠提供高達(dá)1 kW的液壓輸出動力并能滿足12 V蓄電池系統(tǒng)高的齒條負(fù)載的需求，最大可輸出20 kN的齒條力，適用于微型貨車或多用途貨車(F級)、緊湊型皮卡(I級)、貨運(yùn)車(K級)、中型SUV(P級)。

圖7 EHPS助力特性曲線

圖8 Gen-C的電動泵模塊

4 EPS的操控性與能耗分析

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是由電機(jī)提供助力，助力的大小通過軟件控制，具有節(jié)能、回正性好、操縱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[17]。EPS最早出現(xiàn)在日本的微型車上，日本的Koyo、NSK、Shower、富士重工等企業(yè)先后開發(fā)出電動助力轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，其國內(nèi)新車的EPS裝車率已達(dá)到60%～70%[18]。美國的TRW和Delphi、德國的ZF、英國的Lucas、韓國的MANDU等公司也相繼開發(fā)出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分別為各自國家品牌的汽車配套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。我國的轉(zhuǎn)向器公司從20世紀(jì)90年代開始通過消化吸收國外EPS，逐步掌握了EPS的關(guān)鍵技術(shù)，自主開發(fā)的EPS已為國內(nèi)的部分主機(jī)廠配套，但是國內(nèi)的EPS存在功能單一、可靠性不高等問題，還無法與歐美、日本的EPS相媲美。EPS是典型的“按需助力”轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，相對于HPS，EPS可節(jié)能80%～90%[19]，且EPS的助力特性完全由軟件設(shè)定，低速轉(zhuǎn)向時提供大助力保證輕便性，高速轉(zhuǎn)向時提供小助力甚至反向助力以保證高速時具有較強(qiáng)的路感，提高操控性[20]。

EPS目前主要應(yīng)用于乘用車，而商用車特別是重型商用車上很少使用。用于商用車的EPS，一般是循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(S-EPS)，S-EPS是在循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的輸入軸通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)連接助力電機(jī)，電機(jī)接收控制器的命令提供助力。S-EPS主要用于皮卡、吉普和小型貨車，目前最大的電動轉(zhuǎn)向器用在4.5 t的卡車上，電機(jī)功率達(dá)到900 W[21]，圖9為4.5 t卡車循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器。

圖9 4.5 t卡車循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向器

5 各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操控性與能耗

表1為典型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用車型。

表1 典型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用車型

筆者通過計算重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大助力矩來說明重型商用車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功率要求，從而指出重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。

以最大質(zhì)量為16 000 kg的大客車為研究對象，計算最大轉(zhuǎn)向功率。其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為HPS，前/后軸負(fù)荷分別為6 000 kg和10 000 kg。

原地轉(zhuǎn)向阻力矩為：

(1)

式中：f為摩擦系數(shù)；Gf為前軸載荷；p為胎壓。取f=0.7，Gf=6×104N，p=8.5 bar，則Tp=6 858.57 N·m。

轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩為：

Tt=Tp/(iwη+)

(2)

式中：iw為傳動比；η+為轉(zhuǎn)向正效率。取iw=21.3，η+=85%，則Tt=315 N·m。

假設(shè)駕駛員的輸入扭矩為5.5 N·m，那么液壓助力矩Ta=315-5.5=309.5 N·m。

Ta=ΔpAs/(2π)=Δpπr2s/(2π)=Δpr2s/2(3)

則：

Δp=2Ta/(r2s)

(4)

式中:Δp為轉(zhuǎn)向器活塞兩邊的壓差;r為活塞半徑;s為螺桿導(dǎo)程。取r=60 mm，s=13.5 mm，則Δp=12.7 MPa。

忽略液壓管路的壓力損失，那么轉(zhuǎn)向泵的輸出壓力也為12.7 MPa，再根據(jù)轉(zhuǎn)向泵的輸出流量Q=18 L/min，則轉(zhuǎn)向泵的輸出功率：

P=ΔpQ=3 840 W

(5)

轉(zhuǎn)向泵的輸入功率顯然要大于3 840W。如果用EHPS或EPS取代該車輛的HPS，那么輸入控制單元的電流約為160A，遠(yuǎn)大于目前商用車24V電氣系統(tǒng)的承受能力。唯有提高系統(tǒng)電壓，如提高到42V或者更高，才能保證對電源系統(tǒng)的友好性[22]。

6 商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)展望

基于上述分析，未來商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新技術(shù)應(yīng)兼顧操控性和節(jié)能性，主要發(fā)展方向是：

(1)高電壓系統(tǒng)下的大功率電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需通過提高整車電氣系統(tǒng)的電壓來增大電源的帶載能力，從而滿足重型商用車對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功率的要求。

(2)在現(xiàn)有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)的轉(zhuǎn)向泵與發(fā)動機(jī)之間加裝調(diào)節(jié)裝置，該裝置可根據(jù)車輛的行駛工況按需傳遞功率，從而避免非轉(zhuǎn)向工況下的無效能耗，且實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，具備低速輕便性和高速穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

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

[編輯：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，江蘇泰州人，江蘇罡陽轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司高級工程師.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275211);江蘇省第4期“333工程”科研基金資助項目(BRA2013217);江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項目(14KJB580003);江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金資助項目(15JDG093).

2095-3852(2015)05-0580-05

A

U463.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.012