馬微軍， 黃德行, 王永令

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

目前行業(yè)內(nèi)電動(dòng)客車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多數(shù)為電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS),其轉(zhuǎn)向助力油泵由油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，若發(fā)生油泵電機(jī)高壓供電故障導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，對(duì)駕駛員而言，會(huì)突然失去轉(zhuǎn)向助力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤(pán)強(qiáng)力回彈打手現(xiàn)象，可能傷害駕駛員甚至造成車輛失控事故，因此有必要對(duì)此故障發(fā)生時(shí)的保護(hù)措施進(jìn)行深入研究[1-3]。

1 問(wèn)題描述及原因分析

某電動(dòng)客車試驗(yàn)中模擬轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)高壓供電故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤(pán)強(qiáng)力回彈打手現(xiàn)象：當(dāng)轉(zhuǎn)向至接近左、右極限位置切斷油泵電機(jī)高壓電時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈力非常大，駕駛員完全無(wú)法有效控制轉(zhuǎn)向盤(pán)；同時(shí)在轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈過(guò)程中，油泵電機(jī)產(chǎn)生較大反向電動(dòng)勢(shì)，燒毀油泵電機(jī)控制器。

1.1 轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)斷電瞬間對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，由于車輛前橋主銷內(nèi)、后傾角的存在，前輪會(huì)產(chǎn)生一定的回正力矩，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作時(shí)，由動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸出的扭矩克服該回正力矩，實(shí)現(xiàn)較為輕松的助力轉(zhuǎn)向。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)突然停止工作時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的液壓助力消失，車輪回正力通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至轉(zhuǎn)向盤(pán)，使轉(zhuǎn)向盤(pán)反轉(zhuǎn)，造成回彈打手現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向角越大時(shí)，車輪產(chǎn)生的回正力越大，回彈打手現(xiàn)象就越嚴(yán)重。

在轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)斷電瞬間，由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部轉(zhuǎn)閥未及時(shí)轉(zhuǎn)換，車輪回正力矩推動(dòng)轉(zhuǎn)向器活塞反向運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的液壓會(huì)逆流推動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵葉片反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使油泵電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生可高達(dá)超1 000 V的反向電動(dòng)勢(shì)，燒毀油泵電機(jī)控制器。

1.2 液壓突變導(dǎo)致油液體積變化的影響

1.2.1 轉(zhuǎn)向油液可壓縮性的影響

隨著液壓系統(tǒng)壓力增大，液體的可壓縮性所帶來(lái)的性能差異越來(lái)越明顯[4-5]。液體可壓縮性的大小用體積壓縮系數(shù)k來(lái)表示(受壓液體在單位壓力變化時(shí)發(fā)生的體積相對(duì)變化量)；液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)被稱為液體的體積彈性模量(即液體產(chǎn)生單位體積相對(duì)變化量時(shí)所需要的壓力增量)，用K表示。

石油基液壓油的K值是鋼(K=2.06×105MPa) 的1/(100～150)，但在實(shí)際使用中，由于液體內(nèi)不可避免會(huì)混入空氣等雜質(zhì)，使其抗壓縮能力進(jìn)一步降低，因此在有較高要求或壓力變化較大的液壓系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少油液中混入的氣體及其他易揮發(fā)性物質(zhì)(如煤油、汽油等)的含量。由于油液中的氣體難以完全排除，在工程計(jì)算中常取液壓油的體積彈性模量K=0.7×103MPa左右[6-8]。

對(duì)于電動(dòng)客車，通常采用轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)，最大液壓值大約為13～17 MPa；當(dāng)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中液壓值由最大17 MPa突變至0時(shí)，大約有2.43%的體積變化量，轉(zhuǎn)向油管及轉(zhuǎn)向器中油液體積約4 L，即體積會(huì)增大約0.1 L，取轉(zhuǎn)向油泵的排量為18 mL/r，假設(shè)膨脹的油液全部從油泵處回流，則油泵電機(jī)可反轉(zhuǎn)5.5圈左右，可產(chǎn)生超1 000 V的反向電動(dòng)勢(shì)，燒毀油泵電機(jī)控制器。

1.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向限位器的影響

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部一般有2套液壓保護(hù)裝置，即安全閥與液壓轉(zhuǎn)向限位器。液壓轉(zhuǎn)向限位器在轉(zhuǎn)向達(dá)到某一設(shè)定行程時(shí)發(fā)揮作用，避免轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)系統(tǒng)壓力過(guò)大，從而保護(hù)轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向油泵，預(yù)防油溫過(guò)高。

正常裝車并設(shè)置轉(zhuǎn)向器液壓轉(zhuǎn)向限位器限位如圖1(a)所示，前橋限位處預(yù)留1～2 mm間隙而沒(méi)有被頂?shù)剑墒罐D(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓為剛好滿足系統(tǒng)需求的狀態(tài)。但實(shí)際裝車因有少量車輛裝配不良，導(dǎo)致左右轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)液壓轉(zhuǎn)向限位器限位如圖1(b)所示，此時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓為轉(zhuǎn)向油泵能達(dá)到的最大值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求。若突發(fā)轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)高壓斷電故障，會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)中液壓值突變過(guò)大，從而引起轉(zhuǎn)向盤(pán)強(qiáng)力回彈及燒毀油泵電機(jī)控制器。

(a) 正確設(shè)置 (b) 錯(cuò)誤設(shè)置

2 保護(hù)措施及效果

在從根源上解決高壓供電故障問(wèn)題的同時(shí)，也需在終端對(duì)駕駛員及車輛和零部件進(jìn)行保護(hù)，將問(wèn)題導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)盡量降低。

針對(duì)上述原因分析，制定相應(yīng)的保護(hù)措施：

1) 在液壓管路轉(zhuǎn)向油泵出口處增加單向閥，阻止高壓斷電故障時(shí)油液回流至轉(zhuǎn)向油泵引起油泵電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2) 正確設(shè)置液壓轉(zhuǎn)向限位器限位，避免出現(xiàn)如圖1(b)所示的轉(zhuǎn)向器行程限位失效情況。

3) 增加一套低壓油泵供給系統(tǒng)，在高壓斷電時(shí)，可提供轉(zhuǎn)向器所需的壓力和流量，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)繼續(xù)工作一段時(shí)間。此方案原理較復(fù)雜，涉及改動(dòng)大，增加零件多，成本高，在此不做進(jìn)一步闡述。

2.1 加單向閥方案及效果

測(cè)試某車輛加裝單向閥前后的效果對(duì)比如下：

1) 轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈情況。加裝單向閥前，轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)至極限位置，車速15 km/h、10 km/h、5 km/h，高壓斷電瞬間轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈打手較嚴(yán)重，駕駛員無(wú)法接受；而加裝單向閥后，轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)至極限位置，高壓斷電瞬間轉(zhuǎn)向盤(pán)基本無(wú)回彈力。

2) 通過(guò)車輛CAN報(bào)文采集的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加裝單向閥前，轉(zhuǎn)向盤(pán)在轉(zhuǎn)向至極限位置時(shí)高壓斷電0.04 s后電機(jī)反轉(zhuǎn)到1 200 r/min左右，母線電壓超1 000 V。而加裝單向閥后，轉(zhuǎn)向盤(pán)在轉(zhuǎn)向至極限位置高壓斷電0.04 s后電機(jī)反轉(zhuǎn)到520 r/min左右，母線電壓超540 V。

2.2 液壓轉(zhuǎn)向限位器設(shè)置驗(yàn)證

在另一車輛中，將前橋右側(cè)限位螺栓正確設(shè)置如圖1(a)，左側(cè)限位螺栓錯(cuò)誤設(shè)置如圖1(b)，模擬高壓供電故障，觀察轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈情況。測(cè)試結(jié)果表明，在車輛回正力矩一致情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)右轉(zhuǎn)向至極限位置時(shí)，系統(tǒng)液壓值約為7 MPa，僅有微小回彈力；駕駛員左轉(zhuǎn)向至極限位置時(shí)，系統(tǒng)液壓值高達(dá)17.5 MPa，轉(zhuǎn)向盤(pán)有較大回彈力，駕駛員不能操控，需要進(jìn)行規(guī)避。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在多款車型液壓管路轉(zhuǎn)向油泵出口處增加單向閥方案驗(yàn)證，在轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)高壓供電故障瞬間，轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈及油泵電機(jī)反轉(zhuǎn)問(wèn)題改善效果明顯，解決了車輛轉(zhuǎn)向盤(pán)回彈打手問(wèn)題，避免油泵電機(jī)控制器因電機(jī)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)燒毀故障，提高了車輛行駛安全性，可在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用。