重型车辆电控液压转向系统及其控制方法

摘要

本发明提供了重型车辆电控液压转向系统及其控制方法，转向系统包括依次连接的发动机、转差式电磁离合器、转向油泵、转向阀和动力缸，转向阀通过转角传感器与转向盘相连，还包括与转差式电磁离合器和转角传感器相连的电子控制单元（ECU）。本发明在车辆原地转向或低速转向时，使电磁离合器完全接合，转向油泵随发动机高速运转，从而提供较大的助力，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，电磁离合器部分接合，转向油泵低速运转，提供较小的助力，满足高速时的操纵稳定性要求，此时发动机的负荷降低，其功耗也有所降低；在不转向时，ECU输出极小电流，使转向油泵以极低的转速运转，从而大大地降低发动机的功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车转向技术领域，尤其涉及一种重型车辆电控液压转向系统及其控制方法。

背景技术

目前国内外汽车制造企业生产的重型车辆均采用具有固定助力特性的液压助力转向系统，此类转向系统的助力特性由伺服转阀的结构参数及油泵的供油量决定，无法解决低速转向轻便性和高速转向稳定性之间的矛盾；而且液压助力系统的耗能较大，约占整车油耗的3%。

近年来，随着电子技术在汽车转向系统中的不断应用，出现了电控液压助力转向、电动液压转向和电动助力转向等新型转向系统。专利“汽车电控液压助力转向系统”（CN200320118460.1）采用步进电机来调节旁通阀的节流孔大小，以控制进入转向控制阀的液压油流量，这种方案一定程度上解决了汽车高速转向盘“发飘”的问题，但是由于在汽车运行过程中转向油泵始终在运转，转向系统的能耗不能降低；专利“电机驱动式液压助力转向系统的控制装置”（CN200720034596.2）采用直流电机直接驱动油泵，根据转角和车速信号控制油泵转速，该装置能在汽车高速的时候降低转向油缸的工作压力，减少转向助力，可保证高速行驶时的转向操纵稳定性，而且不转向时，油泵以很低的速度运转，能耗很低，但由于该装置所需的大功率电动泵技术瓶颈和高成本问题难以解决，故不适用于重型车辆；专利“电动助力转向系统”（CN200680051114.2）采用电动机直接驱动转向器助力，助力的大小由转向盘输入扭矩和车速决定，该方案能很好地兼顾轻便性和操稳性，而且按需助力即有输入扭矩时才助力，所以能耗也很低，此系统广泛应用于乘用车，但是重型车辆的转向轮负荷很大，相应的转向阻力矩也很大，如果采用电动助力转向系统，所需的大功率助力电动机存在技术瓶颈，而且重型车辆的24V电气系统也不能支持大功率的电动机，因此限制了电动助力转向系统在重型车辆上的应用。

综上所述，现有转向系统存在如下技术问题：液压助力转向系统不能兼顾转向轻便性和操纵稳定性且能耗高，基于旁通阀节流孔调节的电控液压转向系统不能解决能耗高的问题，基于电动泵的电动液压助力转向系统和电动助力转向系统不能满足重型车辆对高转向功率的要求。

有鉴于此，有必要提出了一种重型车辆电控液压转向系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重型车辆电控液压转向系统及其控制方法。

本发明的一种重型车辆电控液压转向系统，所述系统包括依次连接的发动机、转差式电磁离合器、转向油泵、转向阀和动力缸，所述转向阀通过转角传感器与转向盘相连，所述系统还包括与转差式电磁离合器和转角传感器相连的电子控制单元。

作为本发明的进一步改进，所述转差式电磁离合器包括主动轴、位于主动轴上的主动轮、从动轴、位于从动轴上的从动轮，所述从动轮上设有若干线圈，所述从动轴上设有电刷和霍尔传感器。

作为本发明的进一步改进，所述发动机上设有曲轴皮带轮，所述转向油泵上设有输入轴，所述发动机的曲轴皮带轮与转差式电磁离合器的主动轮相连，所述转向油泵的输入轴与转差式电磁离合器的从动轴刚性连接。

作为本发明的进一步改进，所述霍尔转速传感器包括若干与转差式电磁离合器的从动轴同步转动的若干磁极和固定设置的霍尔元件。

作为本发明的进一步改进，所述电子控制单元包括相连的PID运算器和驱动器。

作为本发明的进一步改进，所述动力缸内设有齿条或齿扇摇臂轴、以及活塞，所述齿条或齿扇摇臂轴与转向阀相连。

相应地，一种重型车辆电控液压转向系统的控制方法，所述方法为：

电子控制单元根据转向角速度和车速信号计算出油泵目标转速；

将油泵目标转速与油泵实际转速的差值送入PID运算器；

PID运算器的运算结果控制转差式电磁离合器中线圈电流大小，从而控制转向油泵转速。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：

电子控制单元实时采集转向油泵的实际转速，用于闭环控制。

本发明的有益效果是：本发明重型车辆电控液压转向系统及其控制方法在车辆原地转向或低速转向时，使电磁离合器完全接合，转向油泵随发动机高速运转，从而提供较大的助力，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，电磁离合器部分接合，转向油泵低速运转，提供较小的助力，满足高速时的操纵稳定性要求，此时发动机的负荷降低，其功耗也有所降低；在不转向时，ECU输出极小电流，使转向油泵以极低的转速运转，从而大大地降低发动机的功耗。

该转向系统及控制方法很好地兼顾了重型车辆低速转向的轻便性和高速转向的稳定性，而且使高速转向和不转向时的发动机功耗大大降低，可以提高重型车辆的安全、节能和环保性能。由于转差式电磁离合器主、从动部件间无任何机械连接，无磨损消耗，无冲击，调整励磁电流就可以改变转速，因此，本发明具有良好的可控性，维护简单，能保证电控液压转向系统具有良好的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施方式中重型车辆电控液压转向系统的结构示意图。

图2为本发明一实施方式中转差式电磁离合器的结构示意图。

图3为本发明一实施方式中重型车辆电控液压转向系统的控制方法示意图。

图4为本发明一实施方式中转向特性曲线。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示为本发明一种重型车辆电控液压转向系统的结构示意图。该系统包括依次连接的发动机、转差式电磁离合器、转向油泵、转向阀和动力缸1，其中转向阀通过转角传感器与转向盘相连，与转差式电磁离合器和转角传感器还连接设有电子控制单元ECU。优选地，动力缸1内还设有齿条或齿扇摇臂轴3、以及活塞2，齿条或齿扇摇臂轴3与转向阀相连。

参图2所示，本实施例中的转差式电磁离合器包括主动轴8、位于主动轴8上的主动轮9、从动轴4、位于从动轴4上的从动轮10，从动轮10上设有若干线圈7，从动轴4上设有电刷5和霍尔转速传感器6。发动机上设有曲轴皮带轮，转向油泵上设有输入轴，发动机的曲轴皮带轮与转差式电磁离合器的主动轮9相连，传递发动机输送的功率；转向油泵的输入轴与转差式电磁离合器的从动轴4刚性连接。本实施例中，主动轮的结构类似于异步电机的鼠笼式转子，当从动轮上的线圈通电后形成磁场，主动轮转动时，就会在鼠笼式转子中感应出电流，电流在磁场中会形成磁力矩，从而推动从动轮跟随主动轮转动，当然从动轮的转速只能低于主动轮的转速，只要调节线圈中电流的大小就可以得到主动轮和从动轮不同的转速差。电刷的作用与直流电机中的电刷作用相似，给从动轮中的线圈持续同方向供电，霍尔转速传感器由两部分组成（转子和定子），转子是与从动轮同步转动的6对磁极，定子是固定不动的霍尔元件，当转子上的磁极从霍尔元件上面转过时，霍尔元件就会输出高低电平交替出现的方波信号，电子控制单元ECU只要检测出方波信号的频率就可以换算出当前从动轮的转速即油泵的转速。

参图3所示，本发明一实施方式中重型车辆电控液压转向系统的控制方法，该方法为：

电子控制单元根据转向角速度和车速信号计算出油泵目标转速；

将油泵目标转速与油泵实际转速的差值送入PID运算器；

PID运算器的运算结果控制转差式电磁离合器中线圈电流大小，从而控制转向油泵转速。

进一步地，电子控制单元ECU实时采集转向油泵的实际转速，用于闭环控制。

当汽车点火启动后，电控液压转向系统ECU检测发动机的转速信号是否稳定，一旦稳定后，闭合继电器给ECU上电，程序进入自检过程，如果有故障则输出故障报警信号，如果无故障则输出小电流给电磁离合器的线圈，这时电磁离合器的主动轮感应出小电流，从动轮就会以很低的转速跟随主动轮转动，以维持油路中液压油的流动，以免出现突然转向来不及建立液压的情况，接下来程序进入等待状态，一旦有转角和车速信号输入，程序就会进入中断服务子程序，运算出当前所需的电流值。

油泵转速信号是用作闭合控制的，由转向角速度ω和车速信号ν计算出的油泵目标转速n_t与油泵实际转速n_f相比较，差值送入PID运算器，运算结果决定ECU输出电流的大小I_r。

控制程序中用到的是转向角速度，所以要先把转角求导算出角速度。油泵转速目标值可以根据转向特性曲线得到，转向特性如图4所示，其中，n₀为转向油泵最小转速，n_max为转向油泵最大转速，ν₀为零车速，ν_max为最高车速，ω₀为临界转向角速度。从图4中可以看出，随着转向角速度的增加油泵转速上升，随着车速增加油泵转速减小。助力特性曲线的上部和下部有两条水平线段，下部较短的水平线段表示死区，即转向盘以极低的速度转动或不转动时，油泵以很低的转速转动，上部较长的水平线段表示转向盘速度持续增大时油泵的转速达到饱和，饱和油泵转速的设计原则是保证在急转弯时转向系统能提供足够的助力。

由以上技术方案可以看出，本发明重型车辆电控液压转向系统及其控制方法在车辆原地转向或低速转向时，使电磁离合器完全接合，转向油泵随发动机高速运转，从而提供较大的助力，满足低速转向轻便性的要求；在车辆高速转向时，电磁离合器部分接合，转向油泵低速运转，提供较小的助力，满足高速时的操纵稳定性要求，此时发动机的负荷降低，其功耗也有所降低；在不转向时，ECU输出极小电流，使转向油泵以极低的转速运转，从而大大地降低发动机的功耗。

该转向系统及控制方法很好地兼顾了重型车辆低速转向的轻便性和高速转向的稳定性，而且使高速转向和不转向时的发动机功耗大大降低，可以提高重型车辆的安全、节能和环保性能。由于转差式电磁离合器主、从动部件间无任何机械连接，无磨损消耗，无冲击，调整励磁电流就可以改变转速，因此，本发明具有良好的可控性，维护简单，能保证电控液压转向系统具有良好的工作可靠性。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。