數(shù)字閥在電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要類型有流量控制式、輔助泵控制式、油壓反饋控制式和電動(dòng)液壓泵式等4種，其中油壓反饋控制式系統(tǒng)又稱為電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering，簡(jiǎn)稱ECHPS)。該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中引入了油壓反力室，配備電控系統(tǒng)將電子傳感器獲取的汽車運(yùn)行中某些非電量轉(zhuǎn)為電信號(hào)，由電子控制單元Electric Con-trol Unit，簡(jiǎn)稱ECU)精確地控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中油壓反力室的壓力，進(jìn)而控制進(jìn)入助力液壓缸油液的壓力，達(dá)到控制轉(zhuǎn)向助力大小的目的。

1．ECHPS系統(tǒng)的組成及工作原理

圖26所示為ECHPS系統(tǒng)的組成及工作原理圖，主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成、車速傳感器、ECU、轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵、數(shù)字閥、油罐及油管等組成。

ECHPS系統(tǒng)的動(dòng)力源是轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵，它由一個(gè)定量泵加集成在泵體內(nèi)的流量控制閥和安全閥組成。轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵的流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，一般設(shè)計(jì)成在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其流量也能保證急速轉(zhuǎn)向所需的助力液壓缸活塞最大移動(dòng)速度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，過(guò)大的流量因節(jié)流口作用，迫使差壓式流量控制閥打開(kāi)，將多余的油液流回液壓泵進(jìn)油腔，因此，轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵在正常工作時(shí)輸出的流量是固定不變的。轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵的輸出壓力取決于液壓系統(tǒng)負(fù)載（即助力液壓缸活塞所受的運(yùn)動(dòng)助力），當(dāng)轉(zhuǎn)向阻力矩過(guò)大時(shí)，泵內(nèi)的安全閥（即單向閥）會(huì)打開(kāi)，避免在過(guò)載下工作。動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中扭桿的上端通過(guò)圓柱銷與轉(zhuǎn)向輸入軸及轉(zhuǎn)閥閥心相連，下端通過(guò)圓柱銷與轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)閥閥體相連。轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩通過(guò)扭桿傳遞給轉(zhuǎn)向螺桿及轉(zhuǎn)閥。當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大，扭桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，轉(zhuǎn)閥閥心和閥體之間將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，閥心和閥體之間油道的通、斷關(guān)系和工作油液的流動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變，由轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵供給的壓力油進(jìn)入助力液壓缸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用。同時(shí)系統(tǒng)中的ECU能根據(jù)車速傳感器傳來(lái)的信號(hào)控制數(shù)字閥，使油壓反力室的油壓隨車速的變化而改變，進(jìn)而使駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)需克服的轉(zhuǎn)向阻力發(fā)生變化，轉(zhuǎn)閥閥心和閥體之間相對(duì)位置關(guān)系也發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)入助力液壓缸油液的壓力也相應(yīng)變化。實(shí)現(xiàn)低速行駛時(shí)，提供大助力，保證轉(zhuǎn)向輕便；高速行駛時(shí)，提供小助力，保證駕駛員獲得較強(qiáng)的路感。

2. ECHPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向特性

(1)轉(zhuǎn)向控制閥的p-Ф關(guān)系特性。假設(shè)：①動(dòng)力轉(zhuǎn)向器無(wú)內(nèi)泄漏；②無(wú)加工誤差；③不計(jì)沿途壓力損失；④助力液壓缸活塞不動(dòng)；⑤不計(jì)轉(zhuǎn)向手力。

因轉(zhuǎn)閥閥口等同于細(xì)長(zhǎng)孔，流過(guò)每個(gè)閥槽的流量為

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

式中：Q_E為流過(guò)每個(gè)閥槽的流量，m³/s；b為孔口瞬間寬度，m； W₂為孔口軸向長(zhǎng)度，m；p為工作油壓，MPa；μ為液壓油絕對(duì)黏度，Pa·s。

由于常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的工作油液流量是恒定的，所以流過(guò)轉(zhuǎn)閥每個(gè)閥槽的流量Q_E為總流量除以閥槽數(shù)，而孔口瞬間寬度b可用預(yù)開(kāi)間隙寬度與轉(zhuǎn)閥閥心與閥體間相對(duì)轉(zhuǎn)角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系替代，則推得p_Ф世關(guān)系方程為

式中：Q為流過(guò)轉(zhuǎn)閥的總流量，m³/s；N為閥槽數(shù)；A₂為預(yù)開(kāi)間隙寬度，m；R為轉(zhuǎn)閥閥心半徑，m；Ф為轉(zhuǎn)閥閥心與閥體間相對(duì)轉(zhuǎn)角（即扭桿的扭轉(zhuǎn)角度）。

(2)扭桿的扭轉(zhuǎn)特性。由材料力學(xué)的圓軸扭轉(zhuǎn)變形公式得扭桿的扭轉(zhuǎn)角度為

                  Ф=5760M_nl/π²d⁴G            (8-12)

式中：M_n為作用在扭桿上的扭矩，N·m；l為扭桿上兩定位銷間距離，m；d為扭桿直徑，m；G為材料的彈性模量，Pa。

(3)反力室油壓p₄與作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩關(guān)系。如圖27所示為油壓反力室中柱塞與轉(zhuǎn)閥閥心的結(jié)構(gòu)圖，油壓通過(guò)柱塞作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩為

             M₄=p₄A₄L        (8-13)

式中：M₄為作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩，N·m； p₄為反力室油壓，Pa；A₄為柱塞受力面積，m²；L為力偶臂長(zhǎng)度，m。

(4)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向助力特性。對(duì)轉(zhuǎn)閥閥心進(jìn)行理想化，可認(rèn)為其是剛性圓軸，由受力分析可知其受3個(gè)力矩的作用，其平衡公式如下所示

            M-M₄-M_n=0     （8-14）

式中：M為作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩，N·m。

將式(8-12)～式(8-14)代人式(8-11)可得助力液壓缸工作油壓與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩及反力室油壓的關(guān)系，即

由式(8-15)可知，隨著駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩增大，助力液壓缸工作油壓增大，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的助力也將增大；當(dāng)作用在油壓反力室的油壓增大，則助力液壓缸工作油壓減小，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的助力也將減小。

3．?dāng)?shù)字閥在ECHPS系統(tǒng)中的應(yīng)用

由圖26可知，數(shù)字閥設(shè)置在ECHPS系統(tǒng)油壓反力室的控制油路中，選用的是二位三通高速開(kāi)關(guān)閥（螺管電磁鐵二位三通開(kāi)關(guān)閥）：當(dāng)開(kāi)關(guān)閥處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，油壓反力室與油罐連通，無(wú)油壓，通過(guò)柱塞作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩較小，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的助力增大；當(dāng)開(kāi)關(guān)閥處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)向動(dòng)力泵輸出的壓力油經(jīng)開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入油壓反力室，反力室油壓較高通過(guò)柱塞作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩較大，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的助力減小。

對(duì)于ECHPS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其調(diào)節(jié)助力特性的關(guān)鍵是能隨著車速的變化而改變助力的大小。電控系統(tǒng)通過(guò)車速傳感器采集車速信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理及A/D轉(zhuǎn)換，將其傳送給ECU，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理產(chǎn)生隨信號(hào)大小變化而占空比可變的輸出量，從而直接控制高速開(kāi)關(guān)閥。由于開(kāi)關(guān)閥的閥口形狀為薄壁小孔，因此通過(guò)開(kāi)關(guān)閥的平均流量為

式中；τ為PWM信號(hào)的占空比；C_d為開(kāi)關(guān)閥節(jié)流處的流量系數(shù)；A₃為開(kāi)關(guān)閥閥口的幾何開(kāi)口面積，m²；p₃為開(kāi)關(guān)閥的進(jìn)口壓力，Pa；ρ為液體的密度，kg/m³。

式(8-16)表明控制占空比大小就可控制通過(guò)開(kāi)關(guān)閥的平均流量，進(jìn)入油壓反力室的流量也相應(yīng)變化，其油壓反力室的油壓也相應(yīng)得到控制，從而動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的助力大小也相應(yīng)變化。車速高，占空比大，通過(guò)開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入油壓反力室的流量大，油壓反力室壓力升高，助力減小；車速低，占空比小，通過(guò)開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入油壓反力室的流量小，油壓反力室壓力降低，助力增大。

4．總結(jié)

電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能解決轉(zhuǎn)向輕便性和靈敏性的矛盾，使駕駛員在汽車高速行駛時(shí)有足夠的路感。它與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比適應(yīng)性更強(qiáng)且提供的助力更大，很好地滿足了大中型汽車轉(zhuǎn)向的要求。將數(shù)字閥應(yīng)用到ECHPS系統(tǒng)中，具有簡(jiǎn)化電控系統(tǒng)、控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。