数字阀在电控液压动力转向系统中的应用

数字阀在电控液压动力转向系统中的应用

电液动力转向系统的主要类型有流量控制式、辅助泵控制式、油压反馈控制式和电动液压泵式等4种，其中油压反馈控制式系统又称为电控液压动力转向系统(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering，简称ECHPS)。该系统是在传统液压动力转向系统的动力转向器中引入了油压反力室，配备电控系统将电子传感器获取的汽车运行中某些非电量转为电信号，由电子控制单元Electric Con-trol Unit，简称ECU)精确地控制动力转向系统中油压反力室的压力，进而控制进入助力液压缸油液的压力，达到控制转向助力大小的目的。

1．ECHPS系统的组成及工作原理

图26所示为ECHPS系统的组成及工作原理图，主要由转向操纵机构、转向传动机构、动力转向器总成、车速传感器、ECU、转向动力泵、数字阀、油罐及油管等组成。

ECHPS系统的动力源是转向动力泵，它由一个定量泵加集成在泵体内的流量控制阀和安全阀组成。转向动力泵的流量与发动机转速成正比，一般设计成在发动机怠速运转时其流量也能保证急速转向所需的助力液压缸活塞最大移动速度。当发动机转速高时，过大的流量因节流口作用，迫使差压式流量控制阀打开，将多余的油液流回液压泵进油腔，因此，转向动力泵在正常工作时输出的流量是固定不变的。转向动力泵的输出压力取决于液压系统负载（即助力液压缸活塞所受的运动助力），当转向阻力矩过大时，泵内的安全阀（即单向阀）会打开，避免在过载下工作。动力转向器中扭杆的上端通过圆柱销与转向输入轴及转阀阀心相连，下端通过圆柱销与转向螺杆和转阀阀体相连。转向时，转向盘上的转矩通过扭杆传递给转向螺杆及转阀。当转矩增大，扭杆发生扭转变形，转阀阀心和阀体之间将发生相对转动，阀心和阀体之间油道的通、断关系和工作油液的流动方向将发生改变，由转向动力泵供给的压力油进入助力液压缸，实现转向助力作用。同时系统中的ECU能根据车速传感器传来的信号控制数字阀，使油压反力室的油压随车速的变化而改变，进而使驾驶员转向时需克服的转向阻力发生变化，转阀阀心和阀体之间相对位置关系也发生相应变化，进入助力液压缸油液的压力也相应变化。实现低速行驶时，提供大助力，保证转向轻便；高速行驶时，提供小助力，保证驾驶员获得较强的路感。

2. ECHPS系统转向特性

(1)转向控制阀的p-Ф关系特性。假设：①动力转向器无内泄漏；②无加工误差；③不计沿途压力损失；④助力液压缸活塞不动；⑤不计转向手力。

因转阀阀口等同于细长孔，流过每个阀槽的流量为

                 Q_E=(πb²W₂p)/32µ              (8-10)

式中：Q_E为流过每个阀槽的流量，m³/s；b为孔口瞬间宽度，m； W₂为孔口轴向长度，m；p为工作油压，MPa；µ为液压油绝对黏度，Pa·s。

由于常流式动力转向器的工作油液流量是恒定的，所以流过转阀每个阀槽的流量Q_E为总流量除以阀槽数，而孔口瞬间宽度b可用预开间隙宽度与转阀阀心与阀体间相对转角之间的对应关系替代，则推得p_Ф世关系方程为

式中：Q为流过转阀的总流量，m³/s；N为阀槽数；A₂为预开间隙宽度，m；R为转阀阀心半径，m；Ф为转阀阀心与阀体间相对转角（即扭杆的扭转角度）。

(2)扭杆的扭转特性。由材料力学的圆轴扭转变形公式得扭杆的扭转角度为

                  Ф=5760M_nl/π²d⁴G            (8-12)

式中：M_n为作用在扭杆上的扭矩，N·m；l为扭杆上两定位销间距离，m；d为扭杆直径，m；G为材料的弹性模量，Pa。

(3)反力室油压p₄与作用在转阀阀心上的阻力矩关系。如图27所示为油压反力室中柱塞与转阀阀心的结构图，油压通过柱塞作用在转阀阀心上的阻力矩为

             M₄=p₄A₄L        (8-13)

式中：M₄为作用在转阀阀心上的阻力矩，N·m； p₄为反力室油压，Pa；A₄为柱塞受力面积，m²；L为力偶臂长度，m。

(4)动力转向器的转向助力特性。对转阀阀心进行理想化，可认为其是刚性圆轴，由受力分析可知其受3个力矩的作用，其平衡公式如下所示

            M-M₄-M_n=0     （8-14）

式中：M为作用在转向盘上的转矩，N·m。

将式(8-12)～式(8-14)代人式(8-11)可得助力液压缸工作油压与转向盘转矩及反力室油压的关系，即

由式(8-15)可知，随着驾驶员作用在转向盘上的转矩增大，助力液压缸工作油压增大，动力转向器的助力也将增大；当作用在油压反力室的油压增大，则助力液压缸工作油压减小，动力转向器的助力也将减小。

3．数字阀在ECHPS系统中的应用

由图26可知，数字阀设置在ECHPS系统油压反力室的控制油路中，选用的是二位三通高速开关阀（螺管电磁铁二位三通开关阀）：当开关阀处于全关状态时，油压反力室与油罐连通，无油压，通过柱塞作用在转阀阀心上的阻力矩较小，动力转向器的助力增大；当开关阀处于全开状态时，转向动力泵输出的压力油经开关阀进入油压反力室，反力室油压较高通过柱塞作用在转阀阀心上的阻力矩较大，动力转向器的助力减小。

对于ECHPS系统来说，其调节助力特性的关键是能随着车速的变化而改变助力的大小。电控系统通过车速传感器采集车速信号，再经过电平转换等信号处理及A/D转换，将其传送给ECU，经过运算处理产生随信号大小变化而占空比可变的输出量，从而直接控制高速开关阀。由于开关阀的阀口形状为薄壁小孔，因此通过开关阀的平均流量为

式中；τ为PWM信号的占空比；C_d为开关阀节流处的流量系数；A₃为开关阀阀口的几何开口面积，m²；p₃为开关阀的进口压力，Pa；ρ为液体的密度，kg/m³。

式(8-16)表明控制占空比大小就可控制通过开关阀的平均流量，进入油压反力室的流量也相应变化，其油压反力室的油压也相应得到控制，从而动力转向器的助力大小也相应变化。车速高，占空比大，通过开关阀进入油压反力室的流量大，油压反力室压力升高，助力减小；车速低，占空比小，通过开关阀进入油压反力室的流量小，油压反力室压力降低，助力增大。

4．总结

电控液压动力转向系统能解决转向轻便性和灵敏性的矛盾，使驾驶员在汽车高速行驶时有足够的路感。它与电动助力转向系统相比适应性更强且提供的助力更大，很好地满足了大中型汽车转向的要求。将数字阀应用到ECHPS系统中，具有简化电控系统、控制精度高、响应速度快、稳定性好等优点，具有较强的实用价值。