數(shù)字閥在電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用
電液動力轉(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(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力轉(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行中某些非電量轉(zhuǎn)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(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)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)、動力轉(zhuǎn)向器總成、車速傳感器、ECU、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向動力泵的流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比,一般設(shè)計成在發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時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速度。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)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(jìn)油腔,因此,轉(zhuǎn)向動力泵在正常工作時輸出的流量是固定不變的。轉(zhuǎn)向動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動助力),當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器中扭桿的上端通過圓柱銷與轉(zhuǎn)向輸入軸及轉(zhuǎn)閥閥心相連,下端通過圓柱銷與轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)閥閥體相連。轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩通過扭桿傳遞給轉(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)生相對轉(zhuǎn)動,閥心和閥體之間油道的通、斷關(guān)系和工作油液的流動方向?qū)l(fā)生改變,由轉(zhuǎn)向動力泵供給的壓力油進(jìn)入助力液壓缸,實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jìn)而使駕駛員轉(zhuǎn)向時需克服的轉(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。實現(xiàn)低速行駛時,提供大助力,保證轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向特性
(1)轉(zhuǎn)向控制閥的p-Ф關(guān)系特性。假設(shè):①動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向手力。
因轉(zhuǎn)閥閥口等同于細(xì)長孔,流過每個閥槽的流量為
QE=(πb2W2p)/32μ (8-10)
式中:QE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(zhuǎn)向器的工作油液流量是恒定的,所以流過轉(zhuǎn)閥每個閥槽的流量QE為總流量除以閥槽數(shù),而孔口瞬間寬度b可用預(yù)開間隙寬度與轉(zhuǎn)閥閥心與閥體間相對轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系替代,則推得pФ世關(guān)系方程為
式中:Q為流過轉(zhuǎn)閥的總流量,m3/s;N為閥槽數(shù);A2為預(yù)開間隙寬度,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=5760Mnl/π2d4G (8-12)
式中:Mn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為力偶臂長度,m。
(4)動力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向助力特性。對轉(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個力矩的作用,其平衡公式如下所示
M-M4-Mn=0 (8-14)
式中:M為作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(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)向盤上的轉(zhuǎn)矩增大,助力液壓缸工作油壓增大,動力轉(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關(guān)閥(螺管電磁鐵二位三通開關(guān)閥):當(dāng)開關(guān)閥處于全關(guān)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(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩較小,動力轉(zhuǎn)向器的助力增大;當(dāng)開關(guān)閥處于全開狀態(tài)時,轉(zhuǎn)向動力泵輸出的壓力油經(jīng)開關(guān)閥進(jìn)入油壓反力室,反力室油壓較高通過柱塞作用在轉(zhuǎn)閥閥心上的阻力矩較大,動力轉(zhuǎn)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(guān)鍵是能隨著車速的變化而改變助力的大小。電控系統(tǒng)通過車速傳感器采集車速信號,再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換等信號處理及A/D轉(zhuǎn)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(guān)閥。由于開關(guān)閥的閥口形狀為薄壁小孔,因此通過開關(guān)閥的平均流量為
式中;τ為PWM信號的占空比;Cd為開關(guān)閥節(jié)流處的流量系數(shù);A3為開關(guān)閥閥口的幾何開口面積,m2;p3為開關(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開關(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,通過開關(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,通過開關(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有足夠的路感。它與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比適應(yīng)性更強且提供的助力更大,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,具有較強的實用價值。