中位封闭电液助力转向系统

当涉及到重型汽车，由于其有更大的轴荷，仍然需要液压动力辅助驾驶员转动方向盘。唯一的例外是混合动力汽车，其中高压电池允许使用EPAS系统。在对混合动力汽车EPAS系统的能量回收潜力进行的研究中发现，完成一个完整的转向操作所需的能量高达20％可被回收[21]。在液压助力转向系统中实现主动转向的技术也已由宝马公司研发出来[22]。一个电动机通过作用一行星齿轮，可以增加或减少由驾驶员施加的车轮角度。另一种解决方案是主动小齿轮理论,[23]。一个驱动器能直接影响液压阀，修改驾驶员的手力和辅助转矩的关系，可以产生一个偏置转矩，该驱动器可以是小型电动马达，在重型车辆上的解决方法见参考文献[24]。电动马达作用在转向柱上，通过液压系统来工作。该系统被称为混合转向。对于低需求，辅助动力由电动机提供。对于更高的要求，液压系统也提供了必要的辅助。在此需要两个扭矩：一个用于液压系统，一个用于电系统。根据驾驶状况控制泵的流量，与HPAS系统相比，能量消耗可减少到80%。该系统也可以实现主动转向，类似系统的建模与控制见参考文献[9]，其目标是实现自主驾驶。
在EHPAS系统的另一版本中，开中心旋转阀被闭合中心旋转阀替换,[17],[18]。在中心位置，阀门关闭了泵和缸室之间的接口。微小的阀门重叠为手动转向提供了空间，改善了转向感和直线行驶稳定性。一旦在转向的时候有一条油路失效，一个小泵也能发挥作用。
在客车行业中，电动助力转向（EPAS）系统已经被广泛使用。在这里，液压系统被一个电动马达所替换，它通过转向柱或者直接通过齿条来提供必要的辅助程度[19]。该EPAS系统只在必要时提供扭矩，与HPAS系统相比，显著降低了能耗,[20]。EPAS系统遇到的挑战主要在于转向感，这是因为电动机具有高惯性，且存在摩擦、间隙以及转矩脉冲。EPAS系统的另一个优点是，它直接允许主动转向。该系统是电子控制，因此辅助转矩可适应不同的安全功能。
原系统保留下来作为参考系统。并联于原始系统的是封闭中心电液系统，该系统使用相同的机械结构。手动截止阀用于在两个系统之间切换。负载气缸提供一个压力，并附连到一个由软件实现的车辆轮胎模型。力传感器用于测量齿条负载。在另一端，连接了一个质量块，ห้องสมุดไป่ตู้助于系统的惯性。该装置还装有齿条位置传感器，转向盘角传感器和泵的负载压力传感器。扭杆也通过连上一个应变计来作为转矩传感器。这消除了对额外的扭力杆的需要。齿条的速度由其位置决定。
中位封闭电液助力转向系统的建模、仿真与实验研究
AlessandroDell’Amico,PetterKrus
摘要：在与转向相关的主动安全系统中，主动转向是一个关键的部分。主动转向指通过电子信号来控制车轮转角或必需的扭矩来使车轮转弯。由于重型车辆轴荷很高，所以为了帮助驾驶员转动方向盘，液压动力是必需的。实现主动转向的一个方法是使用电子控制的中位封闭阀门。这意味着辅助动力可以设置在任何一个可能的阀门处，且仍然能从流体动力系统的高功率密度获得益处。一个中位封闭的解决办法也意味着能有效减少燃料的消耗。这篇文章就是研究这样一个电液助力转向系统，同时也与原始的系统做了比较。研究结果表明，当一个良好的转向感需要控制回路的高响应时，不稳定性可能发生在较高的转向盘扭矩水平。这个结果通过仿真模拟与半实物仿真以及线性分析有效的显示和解释了。对于任何所需的升压曲线，压力控制环路的响应的设计必须在整个工作范围内保持稳定。
如前面提到的，为了在本研究中调查的目的，四个高性能伺服阀被用来代表一个电动液压封闭中心解决方案。这些阀门并不代表最终应用的可行的解决方案，主要是由于它们的高价格，但它们确实能得到所需的性能指标，并且在测试期间具有一定的灵活性。在每个腔室中的压力的单独控制，至少需要两个阀门。有四个阀的话，各室的节节流流量可单独控制。这个功能这里不使用，但可能在以后的实验是有用的。这里设置了一个实验室用于提供恒定的压力。
索引词：主动转向，动力转向系统，半实物仿真，非线性模拟。
1.介绍
在汽车产业的发展趋势是主动安全系统的开发和实施。主动安全系统是一个在紧急情况提供给驾驶员或多或少帮助的系统。完善的主动安全系统包括防抱死制动系统和电子稳定程序。这一趋势也开始包括依靠主动转向的转向系统。主动转向指通过电子信号来控制车轮转角或必需的扭矩来使车轮转弯。典型的安全功能将帮助驾驶员例如避免碰撞或无意偏离车道，[1],[2],[3]。主动转向系统对稳定车辆也是有作用的，还可以辅助刹车，[4],[5],[6],[7]。另一种系统是行人安全系统，其中刹车和转向都用来避免与行人的碰撞,[8]。当谈到自主驾驶，[9]或线控转向系统时,[10]主动转向系统也是一个重要条件。
本文的贡献就是对这样一个使用中位封闭阀的电液助力转向系统的分析，对于上文所提到的原因来说，这是一个非常有趣的关于重型车辆行业的解决方案。该分析是以稳定性和效能为重点在频域和时域上进行的。一个新的线性模型和一个非线性模型都是由于这个目的被推导出来。通过这种方式，推导出了稳定性属性的解析表达式。
只有在这项工作中，高性能伺服阀代表闭合中心电路。它可以看做成一般性的解决方案，虽然由于高成本而不具有可行性，尽管如此，用它来分析系统也是可以的。该程序和这一工作的结果可以适用这样一个系统的任何结构。用于半实物仿真的测试设备已经开发出来，它可以用于验证结果以及提供一个评价模型的度量衡。与传统的开放式中心系统的比较，更好的描述了封闭中心系统面临的挑战。
一个这样的封闭中心系统的要求是，与原有的系统相比，要有不同的供应系统，这进一步改善了系统的组织结构和能源消耗。有大量的研究成果被报道了，详见参考文献[27]，但是这个领域是超出这项工作的范围的。
C.试验设备
试验装置是建立在齿轮齿条转向系统上的，如图3所示。
图3测试装备示意图。截流阀允许原始系统和闭合中心系统之间的切换。该软件包含用于伺服阀的控制器，以及一个车辆轮胎模型来表示施加在齿条上的力。
既涉及到能量消耗又能主动转向的一个解决方案是另一类型的电液助力转向系统，该系统使用了电控中位封闭阀，这种解决方案在参考文献[25]和[26]中进行了研究和讨论。该解决方案拥有流体动力系统高功率密度的优势和良好的转向感觉，并提供了一个严谨的解决方案。此外，只需要一个扭矩值，该系统使用恒压代替恒定的流量。蓄能器可以提供峰值流量需求，这使得泵可以制造得更小。阀门的合理设计和控制对于确保稳定性和良好的循迹性是很重要的。一个类似新欧洲行驶循环的驾驶循环的测量，，表明封闭中心系统只使用由原始开中心液压系统所消耗的能量的18％的。
道路车辆转向系统的目的在于向驾驶者提供一个控制车辆方向的工具或方法。动力转向中，还提供一个辅助系统以减少当转动车轮时驾驶员的工作负荷。辅助驾驶员的传统方法是通过液压动力，即液压助力转向（HPAS）系统。液力机械的解决方案，包括一个旋转式开放中心阀和一个由发动机驱动的恒流泵，它根据驾驶员的输入来控制辅助压力。这个系统由于其高功率密度、可控性和可靠性,[11]已经达到很高的验收水平。该系统还因它的低惯性和摩擦提供了一个良好的转向感。然而，糟糕的能量消耗导致它不可能实现主动转向。术语转向感与路面对驾驶者的转矩反馈相关联，它为驾驶者提供与道路和轮胎动力学相关的信息[12]，他可以根据回正性能、中心感、线性度、转矩刚度以及转向灵敏度等客观指标定义。
2.系统描述
动力转向系统是一种由驾驶员控制方向转盘角的位置控制系统。它表示一个基准位置，且动力转向系统通过控制车轮角达到以该基准为参照的目的。封闭中心系统是从动态的角度相对于原始系统来看的。这是为了更好地了解这些系统之间基本原理的区别，以及封闭中心系统面临的挑战。这里经过建模与研究的系统与下文所述的测试系统是相同的。这是为了便于比较模拟结果和测试结果。本节将介绍开中心和封闭中心系统以及测试装备。两个系统的示意图见图1，从图1中可以看出两者在硬件设置上的根本区别。
图2.实线表示从试验台测量的传统系统的升压曲线。虚线示一个非传统的升压曲线，它被用来当控制一个封闭中心系统与传统曲线做比较。
B.封闭式中心电液动力转向系统
开中心阀被电控封闭中心阀代替，它能单独的控制辅助油缸的每个缸室的压力。可能的不同解决方案有，如比例方向阀或压力调节阀,[26]。在这项工作中，高性能伺服阀的使用被作为一个案列，它们只用于实验测试，并作为一个基准。这里没有像开中心系统里那样的直接与扭力杆的机械连接，但阀的控制依赖于扭矩值。连接到伺服阀的是一个恒压系统。
电液助力转向（EHPAS）系统的采用可以改善动力转向系统的能耗[13]。此处的泵由电动马达驱动，这意味着液体流量可以根据驾驶状况而变化，例如车速。相对于传统的系统，每百公里节约燃料可达0.2升，[14]。在没有转向的时候，因为不需要辅助转向，电机速度是非常低的。然而，在很多情况下，为了使辅助不明显滞后，一定程度的电机转速是非常必要的,[15]。该系统的其他优点包括：改进的包装以及在不同的情况下改变辅助水平的能力，从而达到调整转向感。这种系统也保留了液压助力转向所接受的转向感。这种EHPS系统的一个缺点是，不能实现主动转向。然而，辅助水平的可变性可以使车辆稳定，比如通过转向节角度的变化速率来改变辅助水平从而使半挂牵引车保持稳定[16],。
方向盘和立柱构成了上部的惯量Jsw，齿条和质量块构成了平移质量Mrw，如公式（1）和（2）所示。其中，Tsw表示方向盘扭矩，Kt表示刚度，Rt表示转向齿轮比，b表示粘滞摩擦系数，Crw表示载荷刚度，Ap表示油缸截面积。与方向盘有关的量用sw表示，与车轮及齿条有关的量用rw表示。负荷压力用PL表示，定义为左右缸室之间的压力差， = - 。对于模型的良好运作来说，摩擦是一个非常重要的参数，在参考文献[32]中，建议使用弹簧/摩擦模型。静态摩擦用于立柱，用 表示，用 (pL)表示与压力有关的摩擦。弹簧/滞后模型适于此目的。方向盘角度 和齿条位置 的定义见图1。模型所需的参数，诸如摩擦系数和刚度，是在试验台上测量的，这在参考文献[33]中建模过程的初始阶段就有提到。
的开放式中心系统的属性。
该系统考虑到了最重的载荷情况，即原地转向。此时需要的很高的辅助动力，而泵的速度是很低的。在高速行驶时，需要的辅助动力反而很低，而泵的速度是很高的。大量的油