液压动力转向系统性能分析与优化设计

孔庆奎

（山东电子职业技术学院，山东济南，250200）

液压动力转向系统性能分析与优化设计

孔庆奎

（山东电子职业技术学院，山东济南，250200）

液压动力转向系统其转向的轻便型和高速行车时的稳定性是一对矛盾，传统的液压动力转向系统无法实现随车速变化而作出必要的精确调节，因此无法兼顾低速时的加力效果和高速时车辆行驶的稳定性，故有必要对传统的机械液压动力转向系统进行优化设计以改善其使用性能。

电控液压动力转向系统；传感器；控制器

汽车动力转向系统能让驾驶员的操纵更加轻便，转向反应更加敏捷，转向系统响应性大幅提升，车辆行驶安全性得到提高，因此，动力转向系统无论是在重型车辆还是各级轿车上都得到广泛普及。传统的机械转向系统其转向能源完全由驾驶员提供，而动力转向系统完成转向所依赖的转向能源却来自于两个方面，正常情况下，汽车转向所需的能量只有一小部分来自驾驶员，或者说，驾驶员的转向操纵仅仅是一个触发/解除触发和辅助转向的作用，而大部分转向能量来自于转向加力装置，归根结底是发动机。即使是在转向加力装置失效时，其机械转向系统仍能维持基本功能，只不过此时全部转向能量只能由驾驶员独立提供。

1 汽车动力转向系统技术现状

汽车工业快速发展，技术水平不断提升，尤其是计算机技术、电子控制技术、通信技术的发展使得汽车整体性能在最近20年得到大幅提高。人们在驾驶汽车的过程中对安全、轻便、舒适性的要求越来越高，就转向系而言，纯粹的机械转向系统基本被弃用，动力转向系统几乎成为标准配置，而且技术成熟可靠，成本低廉。目前，汽车动力转向系统主要包括液压（气压）动力转向系统、电控液压动力转向系统和电动助力转向系统。

气压动力转向系统受到动力源及部件尺寸限制的原因使用较少。液压动力转向系统因技术成熟，价格低廉，性能能够满足要求不高的驾驶者的要求，因此，液压动力转向系统在各种类型不同级别汽车上得到广泛应用。但液压动力转向系统没有随车速变化对助力力矩进行调节的功能，因此，必须兼顾低速时转向助力的上限和高速时转向助力的下限，折中的结果必然是低速行车时驾驶员感觉方向较沉重，助力效果不明显，高速行车时驾驶稳定性较差。鉴于此，才有了新一代电控液压动力转向系统。

电控液压动力转向系统因其成本目前尚处于高位，故仅在少量进口高端车、商务车上被采用。因此，研究电控液压动力转向系统仍具有一定的现实意义。

电动助力转向系统（EPS）也可以叫EPAS，其结构组成包括一套传统的机械转向系统和提供转向辅助力矩的电动机。其最大优点是可以随速控制助力，在低速时提供较大助力，保证轻便转向；在高速时减小助力，提供驾驶员足够的路感。EPS只在转向时发挥作用，因此不像液压转向会一直对发动机造成额外负担，从而减小油耗，同时没有不可回收件，更加绿色，从各方面满足环保的

需求。

据统计，截止到2012年电动助力转向系统约占全部汽车的35%，但一段时间之内，液压动力转向系统仍是主流，而且丰田、日产等著名汽车厂商也在不断推出电子控制的液力转向系统，可见液压动力转向系统在一定时期内仍处于霸主地位。

2 液压动力转向系统性能分析

在液压动力转向系统中，提供转向助力的转向加力装置有常压式和常流式两种。

2.1 常压式液压动力转向系统

当转向盘位于中间位置时，转向控制阀关闭，液压泵由发动机驱动，泵出的压力油因转向控制阀关闭而无法进入转向动力缸，只能进入到蓄能器，当压力达到规定值时，液压泵上的安全阀打开，液压泵虽然依然运转，但实际上处于内循环工作状态，从而维持蓄能器压力的稳定。当驾驶员做出转向动作时，机械转向器通过连接杆件促动转型控制阀打开，开启的方向取决于转向盘转向的方向，此时，蓄能器中的压力油流入转向动力缸中活塞两侧工作腔中的其中一个，同时，转向控制阀将另外一侧工作腔与转向油罐接通，一侧压力油强行推动压力缸活塞移动，另外一侧工作油液被挤回转向油罐，从而产生转向助力的作用，当转向动作终止时，转向控制阀关闭，助力消失。可见，无论转向盘处于何种位置，无论转向盘处于何种运动状态，也不管转向控制阀开启还是关闭，整个液压系统始终保持较高的油压，这势必要消耗更多的发动机功率，并且持续的系统高压必然会影响零部件的使用寿命。但是，当发动机意外熄火时，蓄能器依然能提供一定的转向助力，因此该系统特别适用于转向沉重的重型汽车。

2.2 常流式液压动力转向系统

当车辆直行时，转向控制阀开启，将连接转向液压泵的管路与连接转向油罐的回油管路接通，无油液流入转向动力缸，故没有转向助力作用。当转向盘转动时，路面作用在转向轮上的阻力通过转向节臂传递到转向器，动力缸活塞和转向齿条暂时都不能运动，所以转向齿轮暂时也不能随转向轴转动。这样，由转向轴传到转向齿轮的转矩只能使转向控制阀的扭杆产生少许扭转变形，使转向轴（即转向控制阀的阀芯）得以相对于转向齿轮（即转向控制阀的阀套）转过不大的角度，从而使转向动力缸活塞一侧工作腔与来自转向液压泵的高压油管接通，同时切断了高压油路经转向控制阀与回油管路的流通路径，因此，转向液压泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止；而另外一侧的工作腔则由转向控制阀将其与回油管接通，在液压油的作用下，帮助转向齿轮迫使转向齿条开始移动，促动转向轮偏转一个角度。当转向盘停止转动时，转向控制阀扭杆的扭转变形消失，转向控制阀回到中间位置，转向助力作用消失。

无论常压式还是常流式，都无法提供可变的转向助力，即液压转向加力装置都不能随车速的变化实现自动调节。在常流式转向动力系统中虽然有流量控制阀和溢流阀，也只是起到有限的油压调节和限压的作用，无法实现随车速变化而作出必要的精确调节。因此使用传统的液压动力转向系统无法兼顾低速时的加力效果和高速时车辆行驶的稳定性，故有必要对传统的机械液压动力转向系统进行优化设计以改善其使用性能。

3 液压动力转向系统的优化设计

3.1 设计思路为了减轻汽车驾驶的劳动强度，在低速行车时希望转向动力系统能提供较大的转向助力；但在高速行车时，更应充分考虑汽车行驶的稳定性，因此，希望转向动力系统适当减小助动力，以增强驾驶员的“手感”和“路感”。为了实现与速度区间完美匹配的精确可调的助动力，引入电控单元并配以传感器、执行器来构建新型的液压动力转向系统，可以称为电控液压动力转向系统(ECPS)。

3.2 设计方案

图 1电控液压动力转向系统框图

电控液压动力转向系统(ECPS)框图如图1所示，ECU负责采集车速传感器以及转向角速度传感器的信号，并依据此信号按照控制程序决定转向加力装置提供的助动力的大小，转向加力装置是否启动仍然由转向控制阀控制，电磁阀跨接在转向液压泵输出管路与转向控制阀回油管路之间，若电磁阀完全打开，转向液压泵泵出的压力油全部流经电磁阀回到转向油罐，系统无助力。若电磁阀完全关闭，当转向控制阀连通转向动力缸的某一工作腔时，系统提供最大的转向助力。当ECU检测到车速较高需适当减小转向助动力时，适当开启电磁阀并保持一个合适的开度，将部分液压油旁路直接流回转向油罐。

电磁阀控制的是转向液压泵实际输出到转向控制阀的液压油流量，属于流量控制，当车速较慢时，电磁阀开度可以很小甚至完全关闭，使转向液压泵输出最大量的液压油，驱动转向动力缸产生最大的转向助力；当车速较高时，适当开启电磁阀，使得一部分油液不经过转向控制阀直接流回转向油罐，从而减小转向助力。压力传感器检测系统油压，并将信号反馈给ECU，压力高低能反映电磁阀开度的大小，当电磁阀开度不足以达到程序设定的助力效果时， ECU将发出调节指令，进一步增大或减小电磁阀的开度，从而实现了系统的闭环控制。

通过软件程序设计、标定和调校，可得到车速区间内不同取值的转向助动力。无论是停车、低速或高速行驶时，它都能提供合适的转向助力，无论是停车场，还是高速行驶，都能够让驾驶员获得良好的操控感觉。溢流阀属于转向液压泵的附属装置，当系统压力达到极限值时，自动开启泄压，使压力维持在正常范围内。

电磁阀的开度取决于流经电磁阀线圈的平均电流，其控制信号是脉冲信号，脉冲电流信号的占空比由ECU控制，占空比改变平均电流，当平均电流强度产生的电磁力不足以克服电磁阀弹簧预紧力时，电磁阀处于完全关闭状态，随着占空比的增大平均电流将逐渐增大，当占空比维持在一个固定值时，电磁阀开度也就悬停在某一开度位置。车速越高，流过电磁阀电磁线圈的电流平均值越大，电磁阀开度越大，旁路液压油流量越大，助力效果越弱。

[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年第9期：53-55

[2] 陈家瑞．汽车构造（下）M．第3版．北京：机械工业出版社，2011:246-281

The Performance Analysis and Optimal Design on Hydraulic Power Steering System

Kong QingKui
（ShanDong College of Electronic Technology,Jinan ShanDong，250200,China）

It is a contradiction between portability and stability in hydraulic power steering system. Traditional hydraulic power steering system can’t make precise adjustment with the change of vehicle speed, so consideration couldn’t be given to both the assist effect in low speed and the stability in high speed, therefore , it is necessary that optimal design on hydraulic power steering system will be done for better performance.

Electronically Controlled Hydraulic Power Steering System;sensor;controller