CN109318982B - 一种混合动力转向系统参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力转向系统参数匹配方法，属于汽车转向系统领域，特别适用于一种同时包含了电动助力子系统和液压助力子系统的新型转向系统。本发明通过匹配系统参数液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p、液压助力子系统液压油流量Q_s及助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α，实现了电动助力子系统提供的电动助力矩多途径向转向器机械系统耦合，解决了新型转向系统助力电机在实际工作过程中无法输出最大电磁转矩的问题。在保证转向轻便性的前提下，本发明减小了新型转向系统中液压助力子系统液压油流量，进而提高新型转向系统的燃油经济性。

Description

一种混合动力转向系统参数匹配方法

技术领域

本发明属于汽车转向系统领域，具体涉及一种混合动力转向系统参数匹配方法。

背景技术

为了克服目前商用车所使用的液压助力转向系统(HPS)不能进行主动转角和转矩控制的缺陷，国内、国外提出了一种将液压助力转向系统(HPS)和电动助力转向系统(EPS)相结合的新型转向系统。

在目前公开的新型转向系统设计方案中，设计人员只是将电动助力转向系统中助力电机和减速机构简单地叠加在传统液压助力转向系统上，并且在任何转向工况中，新型转向系统中的电动助力电机都无法输出其最大电磁转矩。这就造成了新型转向系统功率匹配存在冗余，也限制了助力电机的最大电磁转矩输出。

中国专利(CN104401388A)公开了一种智能电液转向系统，相比于传统的商用车循环球液压助力转向系统，其增加了电动助力装置和智能控制器，实现了液压助力与电动助力同时工作模式、电动助力单独工作模式和液压助力单独工作模式，为商用车智能驾驶提供了一套可行的转向执行机构；中国专利(CN105128929A)公开了一种智能化线控电液转向系统，其主要包括方向盘-路感电机总成、电动-液压助力装置、转向控制器单元，取消了传统转向系统方向盘与转向器之间的连接管柱，通过路感电机给驾驶员提供模拟的转向路感，通过转向电机来控制液压系统转阀阀口开度，并提供一定的助力矩，在实现转向系统智能化的同时，提高了转向系统在碰撞过程中的安全性；中国专利(CN106248406A)公开了一种商用车新型电液转向系统模拟试验台，用于商用车新型电液转向系统转向疼研究、转向辅助控制策略的开发与验证、转向控制效果的检测和评价，为商用车新型电液转向系统转向特性的研究和转向辅助控制策略的开发验证提供硬件平台。中国专利(CN206664681U)公开了一种自动转向系统，通过管柱式电动助力转向机构提供转向盘角度控制，通过电液转向泵来提供主要的助力以克服转向阻力，其提出的自动转向系统，在提供较大的转向助力的同时，降低了对电动助力转向系统的性能要求。

新型转向系统除了为实现商用车智能驾驶提供了解决方案，同时还有着降低传统液压助力转向器能耗的优势；不同的转向系统系统参数匹配方法，决定了新型转向系统中电动助力子系统能否输出最大电磁转矩，进而决定了新型转向系统能否达到最大节能效果。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种混合动力转向系统参数匹配方法，通过参数匹配设计，使得电动助力子系统和液压助力子系统共同输出助力矩，克服转向阻力矩；并使电动助力子系统电机能够输出最大电磁转矩。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种混合动力转向系统参数匹配方法，包括如下步骤：

1)计算最大转向阻力矩T_p，计算方法为：

式中，T_p为原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的摩擦系数，G_t为前轴载荷，P_t为轮胎胎压；

2)计算转向器需克服的最大阻力矩T_p’，计算方法为：

式中，T_p’为等效到循环球转向器摇臂轴上的转向阻力矩，即转向器需克服的最大阻力矩；η_g为转向系统杆系传递效率，i为转向系统杆系传动比；

3)计算混合动力转向系统中循环球转向器螺杆上等效轴向阻力F_cs，计算方法为：

式中，R_cs为齿扇半径；

4)计算电动助力子系统最大可提供电动助力矩T_a，计算方法为：

T_a＝G·T_m

式中，G为蜗轮蜗杆传动比，T_m为助力电机提供最大扭矩；

5)计算方向盘输入转矩与电动助力子系统电动助力矩在循环球转向器螺杆上等效轴向力F_L，计算方法为：

式中，M_L为螺杆-螺母传动副中螺杆传递的转矩，T_a为电动助力子系统最大可提供电动助力矩，T_h为转向盘最大输入转矩，η_L为螺杆-螺母传动副传动效率，P为螺杆-螺母传动副中的导程；

6)计算液压助力子系统需提供的最大助力F_z，计算方法为：

F_z＝F_cs-F_L

7)匹配液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p，计算方法为：

式中，A_p为液压油缸有效受力面积，Δp为液压油缸两工作腔间最大压差；

8)匹配液压助力子系统液压油流量Q_s，计算公式为：

Q_s＝60n·p·A_p·10^-6·N+q

式中，Q_s为液压助力子系统流量，n为转向盘转动速度，p为螺杆-螺母传动副中的导程；A_p为液压油缸有效受力面积，N为流量安全系数，q为系统补偿流量；

9)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积A₄，计算方法为：

式中，A₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积，C_d为液压油流量系数，ρ为液压油密度，Q₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时流过渐闭口的液压油流量；

10)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口宽度b，计算方法为：

式中，b为转阀渐闭口坡口开启宽度，W为坡口长度，A₄为转阀渐闭口开口面积；

11)匹配助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α，计算方法为：

α＝Φ_α＝f^-1(b_α)

式中，α为转阀阀芯和阀套相对转角，b_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口坡口开启宽度，Φ_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀阀芯和阀套相对转角；

12)完成液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p、液压助力子系统液压油流量Q_s及助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α的匹配。

进一步地，上述混合动力转向系统参数匹配方法中的混合动力转向系统，包括电动助力子系统、液压助力子系统和循环球机械子系统；液压助力子系统包括液压助力缸、转阀、扭杆、液压管路、液压泵、助力矩耦合装置；电动助力子系统包括助力电机、转矩转角传感器和减速机构；循环球机械子系统主包括转向盘总成、转向管柱、循环球转向器总成及转向杆系；电动助力子系统电机输出电磁转矩通过蜗轮-蜗杆减速机构耦合到转向管柱上。

与现有技术相比，本发明使得助力电机可以输出较大或者最大电磁转矩，减小了新型转向系统中功率冗余，在保证转向轻便性的同时，减小了液压助力子系统中流量，进而实现了减小液压助力子系统无用功损耗、提高整车燃油经济性的目的。本发明也保证了在任何转向工况中，电动助力子系统提供的电动助力矩都能够耦合到液压助力子系统中。

附图说明

图1系统参数匹配方法流程图。

图2混合动力转向系统结构示意图。

图3混合动力转向系统转阀-助力矩耦合装置总成示意图。

图4转阀等效惠斯通桥路模型。

图5转阀工作示意图。

图6转阀渐闭口节流宽度与转阀阀芯与阀套相对转角关系示意图。

其中，1-转矩/转角传感器，2-减速机构，3-转向盘总成，4-循环球转向器总成，5-液压泵，6-转阀，7-转阀阀芯总成，8-转阀阀套总成，9-螺杆，10-助力矩耦合装置(凹槽机构)，11-助力矩耦合装置(凸台机构)，12-阀套，13-阀芯，14-液压缸，15-活塞，16-液压泵。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在具体实施中，以一款前桥载荷5.6吨的商用车为例进行系统参数匹配，阐述所提出的一种混合动力转向系统系统参数匹配方法。

混合动力转向系统结构示如图2所示，包含电动助力子系统、液压助力子系统和循环球机械子系统。液压助力子系统主要包括液压助力缸、转阀、扭杆、液压管路、液压泵、助力矩耦合装置。电动助力子系统主要包括助力电机、转矩转角传感器和减速机构。循环球机械子系统主要包括转向盘总成、转向管柱、循环球转向器总成及转向杆系。电动助力子系统中助力电机输出的电磁转矩通过减速机构耦合到液压助力子系统循环球转向器中形成电动助力矩。

本发明提出的一种混合动力转向系统系统参数匹配方法，根据混合动力转向系统克服转向阻力矩所需提供的最大助力矩及电动助力子系统能够提供的最大电动助力矩，匹配液压助力转向子系统液压缸有效受力面积、液压油流量及助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角。

原车采用单一动力源的循环球液压助力转向系统，液压系统最大工作压力为13MPa。现采用如图2所示的混合动力转向系统并进行系统参数匹配，匹配方法如图1所示，包括以下步骤：

1)计算最大转向阻力矩T_p：

正常转向工况下，最大转向阻力矩出现在原地转向中。车辆在原地转向时的转向阻力矩一般通过半经验公式计算获得，原地转向阻力矩经验公式计算方法为：

式中，T_p为原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的摩擦系数，G_t为前轴载荷，P_t为轮胎胎压；本实施例中，f取值为0.8，G取值为56000N，P_t取值为0.85Mpa；

经计算，T_p＝3853.57N·m；

2)计算转向器需克服的最大阻力矩T_p’，计算方法为：

式中，T_p’为等效到循环球转向器摇臂轴上的转向阻力矩，即转向器需克服的最大阻力矩，η_g为转向系统杆系传递效率，i为转向系统杆系传动比；本实施例中，η_g为取值0.9；i取值0.93；

经计算，T_p’＝4604.03N·m；

3)计算混合动力转向系统中循环球转向器螺杆上等效轴向阻力F_cs，计算方法为：

式中，R_cs为齿扇半径，本实施例中取值42mm；

经计算，F_cs＝109619.79N；

4)确定电动助力子系统最大可提供电动助力矩T_a；

在混合动力转向系统中，原地转向时，电动助力子系统输出电动助力矩通过助力矩耦合装置和液压子系统扭杆耦合到循环球转向器螺杆上。图3给出了一种混合动力转向系统转阀-助力矩耦合装置总成示意图。在液压助力子系统阀芯、阀套扭转限位装置(阀套上的凸台结构和阀芯上的凹槽结构)结构基础上，合理设计扭转限位装置工作角度，使之成为助力矩耦合装置。当扭杆的变形角度达到α时，转阀阀芯与阀套相对转过α，助力矩耦合装置的凸台(在阀套上)与凹槽(在阀芯上)相互接触，此时助力矩耦合装置进入工作状态。在助力矩耦合装置工作时，液压助力子系统达到最大工作压力，电动助力子系统可以提供较大的电动助力矩。

由于电动助力子系统与液压助力子系统共同克服转向阻力矩，因此适当提高电动助力子系统克服转向阻力矩能力，能降低所需液压助力子系统所需提供的克服转向阻力距能力，最终减少液压助力子系统液压油流量，降低液压助力子系统在直线行驶时无用功功耗。

为了方便本示例的设计计算，本实施例中，选取一款成熟的EPS稀土永磁直流电机作为混合动力转向系统中的助力电机，其主要参数为：

额定功率450W，额定电压24V，额定电流35A，额定转速1100rpm/min，额定转矩4N·m，蜗轮蜗杆传动比G＝21。

原地转向时，助力电机提供最大扭矩，此处取T_m＝4N·m；

电动助力子系统最大输出助力转矩：

T_a＝G·T_m (4)

式中，G为蜗轮蜗杆传动比，T_m为助力电机提供最大扭矩。

经计算，T_a＝84N·m。

5)计算方向盘输入转矩与电动助力子系统电动助力矩在循环球转向器螺杆上等效轴向力F_L；

为了保证原地转向或低速转向时的轻便性，ZF公司推荐的转向盘转矩范围为3～5N·m，本发明具体实施中研究对象是大客车，此处取转向盘转矩T_h为5N·m。

此时，方向盘输入转矩与电动助力子系统提供的电动助力矩形成的合力矩通过助力矩耦合装置与扭杆传递给循环球转向器机械系统中的螺杆上，螺杆轴向力F_L计算方法为：

式中，M_L为螺杆-螺母传动副中螺杆传递的转矩，T_a为电动助力子系统最大可提供电动助力矩，T_h为转向盘最大输入转矩，η_L为螺杆-螺母传动副传动效率，P为螺杆-螺母传动副中的导程；本实施例中，T_h取值为5N·m；η_L取值为0.9；P取值为13.5mm。

经计算，F_L＝37280.23N。

6)计算液压助力子系统需提供的最大助力F_z，计算方法为：

F_z＝F_cs-F_L (6)

经计算，F_z＝72339.56N；

7)匹配液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p，计算方法为：

式中，A_p为液压油缸有效受力面积，Δp为液压油缸两工作腔间最大压差，此处取原车液压系统最高压力13MPa；

经计算，A_p＝5.56e^-3m²；

8)匹配液压助力子系统液压油流量Q_s：

假设液压油不可压缩，且忽略液压缸外泄露，系统流量Q_s计算公式为：

Q_s＝60n·p·A_p·10^-6·N+q (8)

式中，Q_s为液压助力子系统流量，n为转向盘转动速度，p为螺杆-螺母传动副中的导程，A_p为液压油缸有效受力面积，N为流量安全系数，q为系统补偿流量；本实施例中，n取值为1.5r/s；p取值为13.5mm；N取值为1.1；q取值为2L/min；

经计算，Q_s＝9.58L/min，取整为10L/min。

9)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积A₄：

为保证电动助力子系统提供的较大电动助力矩平稳地耦合到循环球机械系统中，电动助力子系统助力电机因在助力矩耦合装置工作时才输出较大的电机电磁转矩。

当液压助力子系统达到最大工作压力时，转阀渐开口阀口面积较大，液压油流经渐开口时压降较小。如图4、5，假设活塞至上而下以很慢的速度运动，Q₁与Q₃流经的转阀阀口渐开，Q₂与Q₄流经的转阀阀口渐闭，且Q_s＝Q₁+Q₂，Q₁＝Q₃；忽略Q₁与Q₃流经阀口的压降及流向液压缸上腔的流量Q_L1与流出液压缸下腔的流量Q_L2，根据式9可算得，当Δp为13MPa时，A₄＝5.36e^-7m²。

式中，C_d为液压油流量系数；A₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积；ρ为液压油密度；Q₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时流过渐闭口的液压油流量。本实施例中，C_d取值为0.6；ρ取值为872kg/m³；

10)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口宽度b：

根据图6，转阀渐闭口开口宽度计算方法为：

式中，b为转阀渐闭口坡口开启宽度，W为坡口长度，本实施例中取20mm，A₄为转阀渐闭口开口面积；

计算得，b＝2.68e^-5m；

11)匹配助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α：

根据图6，转阀阀芯与阀套相对转角Φ与转阀渐闭口坡口开启宽度b函数关系为：

式中，Φ为转阀阀芯和阀套相对转角；β₇为转阀中位时OH与AO的夹角；R为转阀半径；L₃为转阀阀芯到转阀坡口的垂直距离。本实施例中，β₇取0.63°，R取14.25mm，L₃取14.2mm。

助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α计算方法为：

α＝Φ_α＝f^-1(b_α) (12)

式中，b_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口坡口开启宽度，Φ_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀阀芯和阀套相对转角。

计算得，α＝4.04°，即助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角为4.04°。

12)完成系统参数液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p、液压助力子系统液压油流量Q_s及助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α的匹配。

Claims (2)

1.一种混合动力转向系统参数匹配方法，其特征在于包括如下步骤：

1)计算最大转向阻力矩T_p，计算方法为：

式中，T_p为原地转向阻力矩，f为轮胎与路面之间的摩擦系数，G_t为前轴载荷，P_t为轮胎胎压；

2)计算转向器需克服的最大阻力矩T_p’，计算方法为：

式中，T_p’为等效到循环球转向器摇臂轴上的转向阻力矩，即转向器需克服的最大阻力矩，η_g为转向系统杆系传递效率，i为转向系统杆系传动比；

3)计算混合动力转向系统中循环球转向器螺杆上等效轴向阻力F_cs，计算方法为：

式中，R_cs为齿扇半径；

4)计算电动助力子系统最大可提供电动助力矩T_a，计算方法为：

T_a＝G·T_m

式中，G为蜗轮蜗杆传动比，T_m为助力电机提供最大扭矩；

5)计算方向盘输入转矩与电动助力子系统电动助力矩在循环球转向器螺杆上等效轴向力F_L，计算方法为：

式中，M_L为螺杆-螺母传动副中螺杆传递的转矩，T_a为电动助力子系统最大可提供电动助力矩，T_h为转向盘最大输入转矩，η_L为螺杆-螺母传动副传动效率，P为螺杆-螺母传动副中的导程；

6)计算液压助力子系统需提供的最大助力F_z，计算方法为：

F_z＝F_cs-F_L

7)匹配液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p，计算方法为：

式中，A_p为液压油缸有效受力面积，Δp为液压油缸两工作腔间最大压差；

8)匹配液压助力子系统液压油流量Q_s，计算公式为：

Q_s＝60n·p·A_p·10^-6·N+q

式中，Q_s为液压助力子系统流量，n为转向盘转动速度，p为螺杆-螺母传动副中的导程，A_p为液压油缸有效受力面积，N为流量安全系数，q为系统补偿流量；

9)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积A₄，计算方法为：

式中，A₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口面积，C_d为液压油流量系数，ρ为液压油密度，Q₄为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时流过渐闭口的液压油流量；

10)计算液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口开口宽度b，计算方法为：

式中，b为转阀渐闭口坡口开启宽度，W为坡口长度，A₄为转阀渐闭口开口面积；

11)匹配助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α：

转阀阀芯与阀套相对转角Φ与转阀渐闭口坡口开启宽度b函数关系为：

式中，Φ为转阀阀芯和阀套相对转角；β₇为转阀中位时OH与AO的夹角；R为转阀半径；L₃为转阀阀芯到转阀坡口的垂直距离；

助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α计算方法为：

α＝Φ_α＝f^-1(b_α)

式中，b_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀渐闭口坡口开启宽度，Φ_α为液压助力子系统液压油缸两工作腔间刚好达到最大压差时转阀阀芯和阀套相对转角；

12)完成系统参数液压助力子系统液压助力缸有效受力面积A_p、液压助力子系统液压油流量Q_s及助力矩耦合装置开始工作时转阀阀芯和阀套相对转角α的匹配。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力转向系统参数匹配方法，其特征在于所述混合动力转向系统，包括电动助力子系统、液压助力子系统和循环球机械子系统；液压助力子系统包括液压助力缸、转阀、扭杆、液压管路、液压泵、助力矩耦合装置；电动助力子系统包括助力电机、转矩/转角传感器和减速机构；循环球机械子系统主包括转向盘总成、转向管柱、循环球转向器总成及转向杆系；电动助力子系统电机输出电磁转矩通过蜗轮-蜗杆减速机构耦合到转向管柱上。

Images