一种电子液压助力转向泵试验台的开发

王宪科，宋志才，王建磊，韩彬,刘运来

(1.山东凯帝斯工业系统有限公司，山东德州 253000；2.德州学院，山东德州 253023)

0 引言

随着汽车工业的发展，汽车的保有量越来越大，为了节约能源，新能源汽车——电动汽车得到了快速的发展。由于电动汽车没有发动机，机械液压助力转向泵便没有了动力源，所以人们在机械液压助力的基础上进行改进，开发出更节省能源的电子液压助力转向系统。这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动，而是由电动机来驱动。

电子液压助力转向系统，是在传统的液压系统基础上引入了控制器，并将车速信号引入控制器。系统包括油罐、泵、电机、控制系统，这些全部集成在电机油泵组内。汽车转向时,根据车速传感器、方向盘转角、发动机转速信号，为汽车转向提供合适的助力。高速时转向力助力比较小，低速时转向助力大。汽车电子控制液压助力系统与液压助力转向系统相比较，节省燃油，由于安装了控制器，提高了汽车转向的稳定性，增加了汽车转向助力特性[1]。

由于转向系统关系到汽车的行驶安全，所以电子液压助力转向系统的核心部件电子液压助力转向泵，其性能和安全性试验必须跟上汽车发展的步伐。基于此，某公司成功研制了电子液压助力转向泵性能试验台，能够用来对各种电子液压助力转向泵进行性能试验和疲劳试验。

1 电子液压助力转向系统介绍

电子液压助力转向系统由储油罐、电动泵、转向机、助力转向控制单元、助力转向传感器等构成，其中电动泵和助力转向控制单元是一个整体结构。

电子液压助力转向系统(如图1所示)采用一个电动泵来进行转向助力，电子控制单元通过对车辆的行驶速度、转向角度等信号的计算来控制电动泵的工作状态。

图1 电子液压助力转向系统

2 测试试验系统工作原理及系统设计

2.1 测试系统工作原理

电子液压助力转向泵试验台，采用计算机控制液压加载控制系统的原理进行设计和制造的。如图2所示：整个测试系统主要由液压加载系统、控制器电源、工业控制计算机及板卡、控制软件、台架等组成。该系统的工作原理：用工控计算机给板卡发数字信号，经D/A转换后给控制器电源，控制器电源调整到相应的电压值供电给电子转向泵控制器，控制器驱动转向泵运转。另一方面，工控计算机给板卡发数字信号，经D/A转换后比例放大器将信号放大后给比例溢流阀，从而使比例溢流阀调节到指定压力，系统中压力由传感器检测，当实测压力与指定压力有偏差时，计算机会对发出的信号做出调整，直至达到指定压力，形成闭环控制。

图2 测控系统整体框架图

此试验系统是针对电动转向助力泵及控制器系统的性能试验和耐久试验而设计的，它的试验项目包括：开启压力试验、跑合试验、流量特性试验、驱动功率试验、效率实验、流量电流噪声跟随车速变化试验、加载电流试验、变负荷耐久试验、定负荷耐久试验、变转速循环试验。

2.2 液压加载系统工作原理

如图3所示：液压加载系统主要由阀座、比例溢流阀、电磁换向阀、高压过滤器、流量传感器、压力传感器等组成。采用日本进口比例溢流阀，通过计算机控制可自动加载。流量计采用德国进口齿轮流量计，测量精度达0.5%，测量准确。压力传感器采用德国进口品牌，测量精度达0.25%。

图3 液压加载模块

液压加载系统液压原理图如图4所示。

图4 液压原理图

2.3 电气控制部分

电气控制系统为执行机构，此系统采用VB软件在上位机编程，用数据采集卡采集测试信号，对各接触器、继电器、电机、电磁阀、比例溢流阀等进行控制，各执行元件根据接收到的指令相应动作，以达到可控制的要求。

2.4 计算机测控部分

计算机测控部分主要由传感器部分(压力、流量、转速、温度、电压、电流)、VB编程软件、采集板卡、上位机和系统测控应用软件等组成。以工控机为核心，VB测控软件与数据采集卡建立通信后，将控制参数和指令发送给数据采集卡，同时对数据采集卡传回的参数进行显示和控制，对数据进行采集并存储到数据库。

测控部分能够对电子转向助力泵的进出口压力、出口流量、控制器电流、电压、转速、油温等参数进行采集、显示，并将其保存和打印，以备调用及分析，如图5所示。

图5 软件控制模块组成示意图

2.5 试验台主要技术参数

控制器供电电源：DC0～700 V，30 A；

系统加载最大压力：25 MPa；

系统最大检测流量：25 L/min。

3 台架结构

台架布置采用模块化结构，分为：台架部分、液压加载部分、液压油温控制部分、辅助油箱、夹具部分，如图6所示。

图6 试验台实物图

图6(a)所示试验台配备了隔音箱，可以完成电子液压助力转向泵各项噪声的试验。

液压加载系统采用高位油箱供油方式，供油油箱为中间带保温层的保温油箱，具有保温功能。油面距被试件吸油口高度不小于200 mm，油泵出油口到加载系统设置过滤精度10 μm的高压过滤器，以保证油液的清洁度，保护液压阀。过滤器具有堵塞报警装置，回油过滤可以消除系统杂质对油箱的污染。

油箱具有油位报警装置，并有可视液位计，当液压油发生泄漏、油位低于设定油位时，发出声光报警，并停止整个试验台的试验，各动作部件的动作全部停止，油泵停止工作。

辅助系统由循环温控系统、循环过滤系统、排油系统组成。

循环温控系统由间接加热油箱、风冷却器、温度控制仪、温度传感器组成，随时控制保证系统温度在要求的范围内。

循环过滤系统通过独立的循环泵、精密过滤器对液压油进行单独过滤，有效控制试验油箱内的油液清洁度。

排油系统在试验完成后，将泵内残余液压油用气排出到回收油箱，然后再经过滤后回到试验油箱。

4 系统试验分析(举例说明)

4.1 开启压力试验

将被试泵安装到试验台架上，在空载压力下起动转向泵，升速至1 500 r/min,迅速关闭输出油路，使输出流量为0，保持2～3 s，此时稳定的压力值作为安全阀开启压力。如图7所示：安全阀开启压力值为15.063 MPa。

图7 开启压力试验曲线

4.2 跑合试验

在空载压力下起动转向泵，升速至最高转速nmax并保持10 s，再将转速调至1 500 r/min，从空载压力开始逐级按0.5pmax、0.85pmax分别保持各30 s。以时间为X轴,转速为Y1轴、压力为Y2轴，绘制坐标系，将测量的转速值及压力值以曲线形式输出,如图8所示。

图8 跑合试验曲线

4.3 效率实验

将被试验件安装到试验台架上，在设定载荷的情况下驱动泵转动，设定车速下测量泵的流量，实时监测电流、电压、流量、油压等参数，通过输入电流、输入电压与输出流量、输出压力计算系统效率，绘制效率与时间曲线，如图9所示。

图9 效率试验曲线

4.4 定负荷耐久试验

将转向泵安装在试验台架上，在油泵转速、压力、油温恒定的工况下连续运转，时间可设置。实验曲线如图10所示。

图10 定负荷耐久试验(3 MPa)

4.5 变转速循环耐久试验

压力1.0 MPa(乘用车)/2.0 MPa(商用车)，转速从最低转速nmin→0.65nmax→最低转速nmin，在45 s内完成一个速度循环，时间可设置。实验曲线如图11所示。

此试验系统可以满足实验室、工厂对电子助力转向泵的性能试验和疲劳试验需求，可以根据各个厂家对试验工况的要求不同而设置不同的试验参数，能够实现各项参数的显示，出具的试验报告和试验曲线可以帮助各厂家对转向泵进行性能分析和技术分析，提供了可靠的试验数据。

图11 变转速循环耐久试验曲线

5 结束语

该试验台不仅结构合理，功能齐全，综合性强，而且充分考虑了实际工作情况，完全可以满足汽车电子液压助力转向泵的各种试验要求；该系统稳定可靠，故障率低，工作效率高，得到了用户的一致好评。通过对电子液压助力转向泵性能试验台结构、原理、试验方法的分析以及实际试验数据得出以下结论：

(1)试验台对电动助力转向系统主要影响因素有着综合的试验能力。

(2)试验台用较为简单的结构和硬件能够达到较高的试验

精度。

(3)试验台结构与软件系统设计较为人性化，操作设备、数据记录以及更换样件简单、方便、快捷。同时，合理的空间设计为后期的设备升级打下基础。

(4)试验台所有试验结果通过软件进行处理并进行数据化保存，为后期电动液压助力转向泵的改进和提升提供了数据与理论依据。

参考文献:

[1]辛京，寅海涛，张俊祥.汽车助力转向系统发展综述[J].中国科技博览,2010(13):110.

[2]康展权.汽车工程手册(设计篇)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]徐灏.机械设计手册(第5卷)[M].2版.北京:机械工业出版社,2003.

[4]苗立东,何仁,徐建平,等.汽车电动转向技术发展综述[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(1):79-83.

MIAO L D,HE R,XU J P,et al.Review on Automotive Electric Power Steering System Development[J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2004,24(1):79-83.

[5]林逸,施国标.汽车电动助力转向技术的发展现状与趋势[J].公路交通科技,2001,18(3):23-28.

LIN Y,SHI G B.Development Status and Tendency of Electric Power Steering[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2001,18(3):23-28.

[6]陈家瑞.汽车构造(下册)[M].3版.北京: 机械工业出版社,2009.