CN101239625B - 一种电机驱动的大客车液压转向系统及其控制转向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动的大客车液压转向系统及其控制转向的方法，电动机与转向油泵是分体式连接结构且采用万向传动装置连接；将转角传感器、驱动电路和电流传感器、发动机转速传感器、车辆行驶速度传感器连接控制器；先通过控制器读取车辆行驶速度信号、方向盘转速信号、发动机转速信号和电动机电流信号，经判断分析将车辆行驶的工况分为六种，再通过控制器计算得到判断车辆行驶工况；最后根据不同转向工况，对不同车速段进行控制，本发明提高了系统安装布置的灵活性，利用一种多工况控制方法来控制转向系统液压油的流量即电机转速，轻便性和手感或者动力响应的快速和稳定兼得，在满足转向性能要求的同时尽可能的减少了能量消耗。

Description

一种电机驱动的大客车液压转向系统及其控制转向的方法

技术领域

本发明专利涉及商用车辆的动力转向系统，特指一种电机驱动的大客车液压转向系统及控制该液压转向系统的方法。

背景技术

目前应用于大客车的动力转向系统主要为液压助力转向系统，驱动油泵的动力来自发动机，其助力大小主要由转阀或滑阀来控制。这种液压助力转向系统主要存在着以下问题：

(1)对于一个给定的液压助力转向系统，由于使用发动机动力驱动，油泵输出液压油流量不能够调节与控制，如果设计的油液流量较大则可以满足低速时轻便性的要求但是这样会造成高速时手感变差，油液流量较小则反之，这样难于协调转向系统轻便性和手感的矛盾；如果油液流量较大则可以满足快速转向时动力响应快速性的要求，但是会造成稳定性变差，如果油液流量较小则反之，这样难于协调动力响应的稳定性和快速性的矛盾；

(2)存在能量损失，由于是发动机动力驱动，即使不转向，油泵在发动机驱动下也一直在高速工作，增加了能量消耗；

(3)通常大客车采用发动机后置的布置方式，转向器在前轴上，因此造成转向系统布置不方便。

为了弥补目前液压转向系统自身存在的缺陷，美国专利局NO.6920753提出了一种方法，在发动机和转向油泵之间加装一个离合器，在车辆没有转向行驶时，断开离合器，从而降低转向系统的能量消耗，这种方法虽然能提高转向系统的节能性能，但是难以满足突然转向躲避障碍物时助力快速响应的问题，并且对转向性能的改善没有任何帮助。专利申请号为“200320118460”、名称为“汽车电控液压助力转向系统”的专利文献中也提出了一种结构，即在进油管路和回油管路之间并联一个电磁阀，通过控制电磁阀的开度来改变转向系统液压油流量，从而提高系统的转向性能，但是这种方法对降低转向系统能耗没有作用。

为了同时改善转向系统的节能性能和转向性能，一个有效的办法就是切断转向系统与发动机的联系，改由电动机驱动，通过控制电动机来控制转向系统，在控制方法方面国外许多公司都做了大量探索，但是目前还局限在轿车上。例如美国专利局NO.5967253，它使用了转向负载传感器、电机电流传感器，通过分析电机电流的变化来判断是否转向，并通过分析转向负载的大小来计算需要提供的助力大小，从而控制电机电流提供足够大的助力帮助驾驶员转向。但它只是一个开环控制系统，不考虑驾驶员的力输入或角输入，同时由于根据电机电流的变化来判断是否转向，这样就造成当车辆高速行驶时，地面阻力很小，对准确判断转向造成困难，而且只有两种控制模式即汽车直线行驶和转向行驶，难以满足车辆复杂转向工况的要求。美国专利局NO.7164978作出了重大改进，使这种转向系统趋于成熟，它使用了车速传感器、方向盘转角传感器和方向盘转矩传感器，通过方向盘转矩信号是否超过一预先设定的值，来判断是否发生转向，同时引入了驾驶员的输入，驾驶员根据实际情况作出一定的反应，控制系统根据驾驶员的意图控制电动机，这种控制策略构成了一种闭环控制，相比以前的产品极大地提高了转向系统的性能，但是由于是根据方向盘转矩信号控制电机，因此很难保证转向的稳定性，手力波动相对较严重。

上述国外专利提到的在轿车使用的电动液压助力转向系统均采用整体式结构，这是由于一般轿车前轴载荷较小，转向系统液压油流量较低，转向油泵的体积较小，所以转向油泵与电动机设计成整体式装置有足够的空间布置，而对于大客车而言，与轿车相比其前轴负载要大的多，那么它要求得液压油流量就要大得多，造成转向油泵的体积很大，很难有足够得空间来布置。

万向节传动装置是汽车驱动系统的“关节”部件，是实现变角度动力传递的常用机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，由万向节与传动轴组合而成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大客车的由电机驱动的液压转向系统，能够协调转向系统轻便性和手感的矛盾以及动力响应的稳定性和快速性的矛盾问题。

本发明的另一目的在于提供一种该液压转向系统控制转向的方法，通过一种多工况的控制方法控制转向系统的液压油流量，可同时提高动力转向系统转向性能和节约能耗水平。

本发明电机驱动的大客车液压转向系统采用的技术方案是：包括方向盘连接转阀、循环球式动力转向器助力缸分别与转阀和转向器垂臂相连接、垂臂的另一端通过转向直拉杆连接到转向节臂、储液罐分别连接转向油泵和转阀，电动机与转向油泵是分体式连接结构且采用万向传动装置连接；将接于方向盘的转角传感器、接于电动机的驱动电路的电流传感器、发动机转速传感器、车辆行驶速度传感器分别连接控制器。

电机驱动的大客车液压转向系统控制转向的方法采用的技术方案是依次包括如下步骤：(一)通过控制器读取车辆行驶速度信号、方向盘转速信号、发动机转速信号和电动机电流信号，经判断分析将车辆行驶的工况分为六种，即城区行驶工况、乡村行驶工况、崎岖道路行驶工况、高速公路行驶工况、驻车工况和停车工况；(二)通过计算得到一定时间段内的平均车速、转向频率、平均转向盘转角、电动机电流波动频率判断车辆行驶工况；(三)根据不同转向工况，对不同车速段，油泵输出的油液流量随方向盘转速的变化分成两段进行控制，即助力段和响应段，助力段和响应段的调整是通过改变三个端点的坐标来实现，各个工况中A点坐标是车速的函数，它随车速连续变化；在各个工况下B点、C点的坐标在不同车速段间作阶跃变化。

本发明采用电机与油泵分开放置，提高了系统安装布置的灵活性。通过转角传感器来判断驾驶员的转向意图，并结合其它信号来判断车辆转向工况，利用一种多工况控制方法来控制转向系统液压油的流量即电机转速，使得本发明轻便性和手感或者动力响应的快速和稳定兼得，在满足转向性能要求的同时尽可能的减少了能量消耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是电机驱动的大客车液压转向系统的结构组成示意图。

图2、图3是电机驱动的大客车液压转向系统的多工况控制的流程图。

图4是不同工况下车辆未发生转向行驶时，电机怠速转速与车速关系的曲线图。

图5是图2中在城区行驶时，电机转速与方向盘转速在不同车速段关系的曲线图。

图6是图2中在崎岖道路行驶时，电机转速与方向盘转速在不同车速段关系的曲线图。

图7是图2中在乡村行驶时，电机转速与方向盘转速在不同车速段关系的曲线图。

图8是图2中在高速公路行驶时，电机转速与方向盘转速在不同车速段关系的曲线图。

图9是图2中在车辆驻车时，电机转速与方向盘转速关系的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，将方向盘1连接转阀3，方向盘1与转阀3间连接转角传感器2，循环球式动力转向器助力缸4分别与转阀3和转向器垂臂5相连接、垂臂5的另一端通过转向直拉杆6连接到转向节臂7、储液罐13分别连接转向油泵12和转阀3。电动机9与转向油泵12是分体式连接结构且采用万向传动装置11连接；将接于方向盘1的转角传感器2、接于电动机9的驱动电路8和电流传感器10、发动机转速传感器14、车辆行驶速度传感器15分别连接控制器16。

液压转向系统控制转向的方法具体实施是通过针对某一大客车的算例给出：如图5至图9中所示的AB段和BC段，AB段是助力段，满足各种车速下的对转向轻便性和手感的要求，AB段越高轻便性越好，AB段越低则手感越好；BC段是响应段，满足各种车速下的对转向时助力响应的稳定性和快速性的要求，BC段越高动力响应越快，BC段越低动力响应越稳定。这样可以根据各种工况不同的侧重点修改A，B，C三点的坐标，A点在不同工况下的位置由图4确定，在图5至图9的y轴上移动，B和C在不同工况下的位置由查表确定。这样AB段的无级变化和BC段的有级变化相结合，既实现了助力特性随车速变化而变化，兼顾轻便性和手感，又实现了当方向盘转速较大时，对助力响应的稳定性和快速性的要求。当车辆未发生转向时，如图4所示，通过控制不同工况下电机的怠速转速降低能耗，并且在满足转向性能要求的前提下，尽量压低A，B，C三点的纵坐标，进一步降低能耗。

如图2、3所示，首先进行系统工况判断，然后针对不同的系统工况分别进行控制，系统工况包括：

1.城区行驶工况

在城区行驶，由于人多车多，交通状况复杂，所以平均车速相对较低，一般在30km/h以内，需要经常躲避障碍物，转向频率高，转速快，转角大，因此应重视轻便性和响应速度。如图4所示，在城区行驶未发生转向时，电机怠速转速很高，那么图5中A点纵坐标大，与其它工况相比在城区行驶AB段较高，即提供充足的流量保证转向轻便，随着车速增大AB段逐渐降低，越来越侧重手感；与其它工况相比在城区行驶BC段较高，响应快，满足经常躲避障碍物的要求。

假设大客车以速度v(30km/h＜v＜60km/h)在城区行驶，由图4电机怠速转速与车速的关系可知，当未发生转向时电机怠速转速

查表可知当发生转向时此时B点坐标为(400，2400)和C点坐标为(750，4000)，那么此时电机转速与方向盘转速的函数关系为

如图5所示的四条曲线即分别为设大客车速度为0＜v＜5、5＜v＜30、30＜v＜60、v＞60时所得的电机转速与方向盘转速的函数关系变化曲线。

2.崎岖道路工况

在崎岖道路上行驶，车辆基本上处于中速，平均车速在30km/h以上，经常连续过弯转向频繁，转向频率很高，转速很快，转角很大，应该重视转向稳定性，尽量消除转向抖动，使转向平顺。如图6所示，与城区工况相比，BC段较低，降低了快速转动方向盘时的液压油流量，提高了转向稳定性。

假设大客车以速度v(30km/h＜v＜60km/h)行驶，由图4电机怠速转速与车速的关系可知，当未发生转向时电机怠速转速n＝2000-25(v-15)；查表可知当发生转向时此时B点坐标为(420，2100)和C点坐标为(770，4000)，那么此时电机转速与方向盘转速的函数关系为

如图6所示的四条曲线即分别为设大客车速度为0＜v＜5、5＜v＜30、30＜v＜60、v＞60时所得的电机转速与方向盘转速的函数关系变化曲线。

3.乡村行驶工况

车辆和行人相对城区都较少，路面情况较差，车辆基本上处于中速，平均车速在30km/h以上，转向频率低，所以相对重视转向轻便性和稳定性。如图7所示，它的AB段和BC段基本介于城区工况和崎岖道路工况之间。

假设大客车以速度v(30km/h＜v＜60km/h)行驶，由图4电机怠速转速与车速的关系可知，当未发生转向时电机怠速转速n＝2000-20(v-15)；查表可知当发生转向时此时B点坐标为(420，2200)和C点坐标为(760，4000)，那么此时电机转速与方向盘转速的函数关系为

如图7所示的三条曲线即分别为设大客车速度为0＜v＜5、5＜v＜30、30＜v＜60时所得的电机转速与方向盘转速的函数关系变化曲线。

4.高速公路工况

在高速公路上行驶，车速非常高，平均车速在60km/h以上，很少转向，转向频率很低，转速很慢，转角很小，因此应重视路感，增加驾驶员转向时的安全感。如图8所示，它的AB段在各种工况下是最低的，提高转向手感；而它的BC段相对较高，加快迅速转向时的助力响应速度。

假设大客车以速度v(v＞60km/h)在高速公路行驶，由图4电机怠速转速与车速的关系可知，当未发生转向时电机怠速转速

查表可知当发生转向时此时B点坐标为(300，1200)和C点坐标为(650，4000)，那么此时电机转速与方向盘转速的函数关系为

如图8所示的曲线为大客车以三种车速(均大于60km/h)行驶，电机转速与方向盘转速的函数关系变化曲线。

5.驻车工况

发动机转速不为零，但是车辆行驶速度为零。此时主要满足轻便性。如图9所示，它的AB段在各种工况下是最高的，提高了转向轻便性；而它的BC段相对较低，因为迅速转向时的助力响应速度在驻车时不是非常重要。

假设大客车驻车时，电机以2000rev/min怠速运转；查表可知当发生转向时此时B点坐标为(150，3500)和C点坐标为(510，4000)，那么此时电机转速与方向盘转速的函数关系为

如图9所示的曲线为大客车驻车时，电机转速与方向盘转速的函数关系变化曲线。

6.停车工况

发动机转速为零，同时车辆行驶速度也为零。停止电机运行。

在上述不同工况下，经上述计算得出电机的目标转速n，通过控制电机电压使电机以转速n运行，电机通过万向连接装置驱动液压齿轮油泵，输出一定流量液压油，由于转向阻力的存在，液压油在助力缸中产生压力帮助驾驶员转向。

在不同工况下各个车速段所对应的B，C点坐标的实例如下表：

Claims (1)

1.一种电机驱动的大客车液压转向系统，包括方向盘(1)连接转阀(3)，循环球式动力转向器助力缸(4)分别与转阀(3)和转向器垂臂(5)相连接，垂臂(5)的另一端通过转向直拉杆(6)连接到转向节臂(7)，储液罐(13)分别连接转向油泵(12)和转阀(3)，其特征在于：电动机(9)与转向油泵(12)是分体式连接结构且采用万向传动装置(11)连接；将接于方向盘(1)的转角传感器(2)、接于电动机(9)的驱动电路(8)和电流传感器(10)、发动机转速传感器(14)、车辆行驶速度传感器(15)分别连接控制器(16)。

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