數(shù)字閥在電控液壓動力轉向系統(tǒng)中的應用

電液動力轉向系統(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)又稱為電控液壓動力轉向系統(tǒng)(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering，簡稱ECHPS)。該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)液壓動力轉向系統(tǒng)的動力轉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行中某些非電量轉為電信號，由電子控制單元Electric Con-trol Unit，簡稱ECU)精確地控制動力轉向系統(tǒng)中油壓反力室的壓力，進而控制進入助力液壓缸油液的壓力，達到控制轉向助力大小的目的。

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，主要由轉向操縱機構、轉向傳動機構、動力轉向器總成、車速傳感器、ECU、轉向動力泵、數(shù)字閥、油罐及油管等組成。

ECHPS系統(tǒng)的動力源是轉向動力泵，它由一個定量泵加集成在泵體內(nèi)的流量控制閥和安全閥組成。轉向動力泵的流量與發(fā)動機轉速成正比，一般設計成在發(fā)動機怠速運轉時其流量也能保證急速轉向所需的助力液壓缸活塞最大移動速度。當發(fā)動機轉速高時，過大的流量因節(jié)流口作用，迫使差壓式流量控制閥打開，將多余的油液流回液壓泵進油腔，因此，轉向動力泵在正常工作時輸出的流量是固定不變的。轉向動力泵的輸出壓力取決于液壓系統(tǒng)負載（即助力液壓缸活塞所受的運動助力），當轉向阻力矩過大時，泵內(nèi)的安全閥（即單向閥）會打開，避免在過載下工作。動力轉向器中扭桿的上端通過圓柱銷與轉向輸入軸及轉閥閥心相連，下端通過圓柱銷與轉向螺桿和轉閥閥體相連。轉向時，轉向盤上的轉矩通過扭桿傳遞給轉向螺桿及轉閥。當轉矩增大，扭桿發(fā)生扭轉變形，轉閥閥心和閥體之間將發(fā)生相對轉動，閥心和閥體之間油道的通、斷關系和工作油液的流動方向將發(fā)生改變，由轉向動力泵供給的壓力油進入助力液壓缸，實現(xiàn)轉向助力作用。同時系統(tǒng)中的ECU能根據(jù)車速傳感器傳來的信號控制數(shù)字閥，使油壓反力室的油壓隨車速的變化而改變，進而使駕駛員轉向時需克服的轉向阻力發(fā)生變化，轉閥閥心和閥體之間相對位置關系也發(fā)生相應變化，進入助力液壓缸油液的壓力也相應變化。實現(xiàn)低速行駛時，提供大助力，保證轉向輕便；高速行駛時，提供小助力，保證駕駛員獲得較強的路感。

2. ECHPS系統(tǒng)轉向特性

(1)轉向控制閥的p-Ф關系特性。假設：①動力轉向器無內(nèi)泄漏；②無加工誤差；③不計沿途壓力損失；④助力液壓缸活塞不動；⑤不計轉向手力。

因轉閥閥口等同于細長孔，流過每個閥槽的流量為

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

式中：Q_E為流過每個閥槽的流量，m³/s；b為孔口瞬間寬度，m； W₂為孔口軸向長度，m；p為工作油壓，MPa；μ為液壓油絕對黏度，Pa·s。

由于常流式動力轉向器的工作油液流量是恒定的，所以流過轉閥每個閥槽的流量Q_E為總流量除以閥槽數(shù)，而孔口瞬間寬度b可用預開間隙寬度與轉閥閥心與閥體間相對轉角之間的對應關系替代，則推得p_Ф世關系方程為

式中：Q為流過轉閥的總流量，m³/s；N為閥槽數(shù)；A₂為預開間隙寬度，m；R為轉閥閥心半徑，m；Ф為轉閥閥心與閥體間相對轉角（即扭桿的扭轉角度）。

(2)扭桿的扭轉特性。由材料力學的圓軸扭轉變形公式得扭桿的扭轉角度為

                  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與作用在轉閥閥心上的阻力矩關系。如圖27所示為油壓反力室中柱塞與轉閥閥心的結構圖，油壓通過柱塞作用在轉閥閥心上的阻力矩為

             M₄=p₄A₄L        (8-13)

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

(4)動力轉向器的轉向助力特性。對轉閥閥心進行理想化，可認為其是剛性圓軸，由受力分析可知其受3個力矩的作用，其平衡公式如下所示

            M-M₄-M_n=0     （8-14）

式中：M為作用在轉向盤上的轉矩，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向盤轉矩及反力室油壓的關系，即

由式(8-15)可知，隨著駕駛員作用在轉向盤上的轉矩增大，助力液壓缸工作油壓增大，動力轉向器的助力也將增大；當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，動力轉向器的助力也將減小。

3．數(shù)字閥在ECHPS系統(tǒng)中的應用

由圖26可知，數(shù)字閥設置在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關閥（螺管電磁鐵二位三通開關閥）：當開關閥處于全關狀態(tài)時，油壓反力室與油罐連通，無油壓，通過柱塞作用在轉閥閥心上的阻力矩較小，動力轉向器的助力增大；當開關閥處于全開狀態(tài)時，轉向動力泵輸出的壓力油經(jīng)開關閥進入油壓反力室，反力室油壓較高通過柱塞作用在轉閥閥心上的阻力矩較大，動力轉向器的助力減小。

對于ECHPS系統(tǒng)來說，其調(diào)節(jié)助力特性的關鍵是能隨著車速的變化而改變助力的大小。電控系統(tǒng)通過車速傳感器采集車速信號，再經(jīng)過電平轉換等信號處理及A/D轉換，將其傳送給ECU，經(jīng)過運算處理產(chǎn)生隨信號大小變化而占空比可變的輸出量，從而直接控制高速開關閥。由于開關閥的閥口形狀為薄壁小孔，因此通過開關閥的平均流量為

式中；τ為PWM信號的占空比；C_d為開關閥節(jié)流處的流量系數(shù)；A₃為開關閥閥口的幾何開口面積，m²；p₃為開關閥的進口壓力，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開關閥的平均流量，進入油壓反力室的流量也相應變化，其油壓反力室的油壓也相應得到控制，從而動力轉向器的助力大小也相應變化。車速高，占空比大，通過開關閥進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，通過開關閥進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

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