孫尚志， 何 晨， 凌 杰

(安徽安凱汽車股份有限公司 技術(shù)中心， 合肥 230051)

目前，客車和載重貨車普遍采用的是液壓助力轉(zhuǎn)向，但與車速無關(guān)的助力增益成為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一大缺點(diǎn)。從易于駕駛和安全性方面考慮，理想的汽車轉(zhuǎn)向操縱應(yīng)是低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，高速時(shí)有適當(dāng)?shù)氖指衃1]。本文介紹的智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]，是在傳統(tǒng)純電動(dòng)客車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加電助力系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)，達(dá)到電動(dòng)助力和液壓助力耦合，能輕松舒適地操縱客車，使得低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，高速時(shí)穩(wěn)定安全。

1 結(jié)構(gòu)布置及組成

目前，純電動(dòng)客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵是永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作，不論電動(dòng)客車是否需要轉(zhuǎn)向助力，轉(zhuǎn)向油泵總處于工作狀態(tài)，能耗較高[3]。智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用一種集成循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向耦合的智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)既可以純電動(dòng)助力，又可以液壓助力，或者兩者共同耦合助力。

由于受純電動(dòng)客車駕駛區(qū)地板高度較低和集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)體積較大的限制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)只能側(cè)向布置在客車底架縱梁外側(cè)，如圖1所示，其系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)向盤及管柱、角傳動(dòng)及傳動(dòng)軸、集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)、直拉桿、轉(zhuǎn)向橋等部件。

圖1 智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置形式

集成式智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的純電動(dòng)客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上，由液壓轉(zhuǎn)向機(jī)換成集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)。集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)包含電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置和循環(huán)球式液壓伺服轉(zhuǎn)向裝置。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置是由助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器、扭力桿等組成[4-5]。循環(huán)球式液壓伺服轉(zhuǎn)向裝置與傳統(tǒng)的循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器伺服結(jié)構(gòu)相同；轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器基于接觸式傳感器技術(shù)，有扭矩信號及多圈位置信號輸出[6]。如圖2所示。

集成式智能化電液耦合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制部分的部件主要由集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)的ECU控制單元、信號采集與處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)測電路等組成?？刂茊卧狤CU根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)向助力模型使助力電機(jī)具有良好的助力效果和阻尼效果，能實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)和補(bǔ)償功能，確保高速行駛轉(zhuǎn)向有沉穩(wěn)感，具備主動(dòng)回正功能[3]。

圖2 集成式智能電液轉(zhuǎn)向機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

純電動(dòng)客車智能化電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下3種工作模式。

2.1 液壓助力與電動(dòng)助力耦合工作模式

當(dāng)客車低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩主要由前軸負(fù)荷形成的重力回正力矩確定，因此操縱轉(zhuǎn)向盤需要較大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)助力裝置與液壓助力裝置共同為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)向機(jī)的輸入軸旋轉(zhuǎn)，并使扭力桿、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器扭曲變形，這種扭曲變形產(chǎn)生電信號輸入ECU控制單元，經(jīng)過ECU不斷計(jì)算得出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩，為了減小駕駛員操縱力，在ECU控制單元中設(shè)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值，當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，助力電機(jī)啟動(dòng)工作，駕駛員的手力與電動(dòng)助力耦合后共同使轉(zhuǎn)向機(jī)的伺服裝置液壓助力工作，實(shí)現(xiàn)客車耦合助力轉(zhuǎn)向。助力電機(jī)提供的助力主要作用是減輕駕駛員疲勞，助力電機(jī)的助力大小可以根據(jù)駕駛員手感和客車行駛狀態(tài)來調(diào)整，以達(dá)到合適的助力電機(jī)助力和駕駛員手力分配率。

2.2 電動(dòng)助力單獨(dú)工作模式

當(dāng)客車在中速或高速轉(zhuǎn)向時(shí)，行駛轉(zhuǎn)向阻力矩主要由側(cè)向力引起的回正力矩確定，車速高則轉(zhuǎn)向側(cè)向加速度大，導(dǎo)致車身發(fā)生傾斜，使左右輪側(cè)向剛度變化顯著，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向側(cè)向力矩下降較大，從而使行駛轉(zhuǎn)向阻力矩減小[7-8]。轉(zhuǎn)向阻力矩小，液壓助力系統(tǒng)可以停止工作，即轉(zhuǎn)向油泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作，僅由電動(dòng)助力克服轉(zhuǎn)向阻力，以減少轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的能量消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角傳感器不斷地測出方向盤的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩信號，該信號與車速信號同時(shí)輸入到轉(zhuǎn)向機(jī)的ECU。ECU根據(jù)這些輸入信號(方向盤位置和車速)，確定轉(zhuǎn)彎方向和助力轉(zhuǎn)矩的大小，輸出所需方向性的電流大小給助力電機(jī)，使助力電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)循環(huán)球式液壓伺服轉(zhuǎn)向裝置的輸出軸左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)客車電動(dòng)單獨(dú)助力轉(zhuǎn)向。

2.3 液壓助力單獨(dú)工作模式

當(dāng)客車的助力電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能通過駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤的手動(dòng)轉(zhuǎn)矩使循環(huán)球式液壓伺服轉(zhuǎn)向裝置正常工作，與客車上傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理相同。

3 結(jié)束語

集成式智能化電液耦合助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了滿足客車電動(dòng)化和智能化的需求而開發(fā)的新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它綜合了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢。通過在一輛樣車上的試用，效果很好，可以進(jìn)一步推廣。