某电动轻卡转向系统优化设计

王佰杰，郭志强

（奇瑞汽车河南有限公司，河南 开封 475000）

某电动轻卡转向系统优化设计

王佰杰，郭志强

（奇瑞汽车河南有限公司，河南 开封 475000）

文章通过对某电动轻型卡车转向系统几种布置方案的比较，从技术经济角度进行分析，通过各方案比较，提取最优化方案。以轻量化、提高可靠性、降低制造成本和减少开发周期为优化设计的原则，经过计算分析确定参数、并通过实车验证考察和分析方案可行性，为现阶段电动轻卡转向系统设计开发工作提出了有效参考。

电动轻卡转向系统；布置设计；设计优化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.005

CLC NO.: U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-13-03

随着新能源技术在国内逐步推广和应用，纯电动轻型卡车也顺势而生。出于技术经济层面的考虑，基于国内成熟的内燃机轻卡（后续简称“传统轻卡”）技术和产业链，现阶段电动轻卡的设计开发主要是以传统轻卡为基础进行的。

那么在开发电动轻卡动力转向系统时，如何将成熟技术、成熟产品与新技术、新产品有机结合，来提高产品价值呢？本例介绍了一种通过集中布置、减少驱动电机数量等优化手段来实现轻量化、高可靠性、低能耗，降成本和减少开发周期的方案和方法。希望能给各位同行一个切实可行的参考建议。

1、电动轻卡转向系统的集中布置

传统轻卡由于内燃机占据了车架和驾驶室之间的绝大部分空间，动力转向油罐多是布置在驾驶室后边，造成转向管路较长，传统轻卡动力转向系统（后续简称“传统转向系统”）油管总长度为3～4米。这意味着液压油要克服更大的粘滞阻力，对提高液压传动效率不利，也增加管路制造难度和成本。

因此，在设计开发纯电动轻卡动力转向系统（后续简称“电动转向系统”）时，对转向管路的布置进行了优化设计。优化原则是：动力转向油罐、动力转向泵、转向管路紧凑布置。

相比传统轻卡，电动轻卡驾驶室与车架之间的空间充足，布置更为灵活，因此，我们在设计中，把动力转向油泵布置到距离转向机更近的位置，同时把动力转向油罐布置到距离油泵更近的位置，把它装到电动转向泵的安装支架上，这样油管总长度缩小了60%。

2、动力转向油泵采用与电动空压机集成的方案

一般电动汽车的动力转向泵和空压机分别由两台电机驱动，每台电机控制策略不同，控制模块和控制策略复杂，需要更多的功率电子原件，使可靠性受到限制。因此要进行优化，优化原则是：减少电机数量、提高可靠性、简化控制策略。

具体方案是，取消电动转向泵电机，使之与电动空压机集成，共用同一台电机驱动，控制策略简化为电机定速工作。

由于转向泵和空压机采用同一台电机，所以要对转向泵、空压机、电机相应的参数匹配。

2.1 转向油泵的选择与匹配

此款电动轻卡基于成熟的传统轻卡进行设计开发，因此，转向机、转向盘、车轮、前悬架均沿用，经计算，需要流量为12L/min，最大工作压力为13Mpa的转向泵。

叶片式动力转向泵技术成熟，应用广泛，可靠性高，互换性好，所以选用叶片式动力转向油泵。

转向泵相关参数匹配。根据转向机扭矩和使用油压、流量要求，来计算转向泵需要的驱动功率和转速、排量等参数。转向机需要转向油流量为12L/min，最大工作压力为13Mpa，所选用的转向泵排量为10ml/r，因此驱动转向泵要求电机转速为12*1000/10＝1200转，驱动转向泵所需要的功率为12 ×13/60＝2.6kw。

动力转向油泵主要参数如表1所示。

2.2 空压机的选择与匹配

汽车上常用的空压机有活塞空压机和双螺杆空压机。与双螺杆空压机相比，活塞空压机存在以下缺点：活塞往复运动，在排气行程结束时总有剩余容积存在，在吸气行程中，剩余容积内的压缩空气会膨胀，会减少空气吸入量，增加压缩功，降低效率；运动零部件多，可靠性低；振动和噪声大；运动件惯性载荷大，转速提高受限。

所以，为了降低辅助设备能耗，提高续航力和经济性，选择了双螺杆式空气压缩机。根据相关计算，确定了空压机的型号，该型空压机主要参数如下表2所示。

表2 双螺杆式空压机主要参数

2.3 电机参数与匹配

根据空压机和转向泵所需要的功率、转速、工作电压来匹配电机参数。

方案一，电机按照“功率就高”选择，即满足空压机和动力转向泵中功率较大的一个。对于本例，油泵驱动功率为2.6kw，空压机是2.2kw，选择电机功率为3kw。实践证明，在行车过程中空压机和转向泵同时工作时，方向盘操作力矩的无明显变化；但在车辆起步，或者低速（速度低于5km/h）时，当空压机泵气时，方向盘操作力矩略增加，有经验的驾驶员在操作时能感觉到。

鉴于此，为了避免这一现象，对方案一进行优化，提出了方案二。

方案二，电机按照“全功率”选择，即所选电机功率应该不小于转向泵和空压机功率之和，即不小于4.8kw。选择额定工作电压为242V，功率为5kw，额定转速为1460r/min的永磁同步电机。

所选永磁同步电机电机主要参数如表3所示。

表3 永磁同步电机主要参数

3、实车验证

实践是检验真理的唯一标准。优化设计的效果，要用实车来验证。主要目的是考察空压机和转向泵同时工作情况下，是否会因为空压机突然加载而引起方向盘操作力的变化和是否会引起方向盘操作不适感。

1）车辆静止状态的验证

首先，在车子发动前，在储气筒放水阀拉环系上一根绳子，绳子长度足以让操作人员在距离车身最外测以外1.5米以上距离来操作放水阀，以保证安全；然后，驾驶员就位，保持驻车状态，挂空挡，发动车子，热车5分钟以上，确保储气筒压力不再上升；而后，驾驶员缓慢转动方向盘，同时告知操作人员拉动放水阀，迅速放掉压缩空气，使空压机泵气，引入空压机负载。

以上步骤重复数次，轮换多人操作，统计驾驶员在转方向盘时候的感受，未发现明显顿挫、力矩增加、震颤等异常现象，相比传统柴油机轻卡来说，方向盘操作感受无明显差异。

2）车辆行驶状态验证

在3万公里综合道路试验中未发现明显异常。

3、结论

通过几种方案的比较，经过数据分析，以技术可行为前提，有的放矢地对设计方案进行优化，得出最优方案，总结一下，具有以下优点：

1）包括转向泵在内，转向系统关键件均沿用成熟产品，大大降低开发风险和开发成本；

2）转向管路系统采用集中布置，减小体积和重量，使布置更为灵活；

3）转向泵和空压机集成起来，共用同一台电机，降低了能耗，简化了控制策略，提高了可靠性和经济性。

通过实车验证，证明优化措施是完全可行的。这一系列措施旨在保证产品质量、减少开发风险、降低制造成本和缩短开发周期，这符合广大汽车用户和汽车制造厂的期望。

[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 陈家瑞.汽车构造[M]北京:机械工业出版社,2005.

Optimization design of an electric light truck steering system

Wang Baijie, Guo Zhiqiang
(Chery automotive Henan Co., Ltd., Henan Kaifeng 475000)

Absract: In this paper, through the comparison of several layout schemes of an electric light truck steering system, from the technical and economic point of view, through the comparison of the various schemes, the optimization scheme is extracted. In order to lightweight, improve the reliability, reduce the manufacturing cost and reduce development cycle for the principle of optimization design, through calculation and analysis of determining parameters, and through the real vehicle validation study and analysis of the feasibility of the scheme, at this stage of the electric light truck steering system design and development work of the effective reference.

Electric light truck steering system; Layout design; optimal design

U469.72+2

A

1671-7988 (2016)12-13-03

王佰杰（1982-），底盘系统工程师，就职于奇瑞汽车河南有限公司。