汽车电动液压助力转向系统的仿真分析_谭心

来源：网络收集时间：2026-07-16

导读： 2013年第1期  液压与气动15 汽车电动液压助力转向系统的仿真分析谭心，陈超，方桂花，郑文帅 SimulationofAutomobileElectric-hydraulicPowerSteeri

2013年第1期

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液压与气动15

汽车电动液压助力转向系统的仿真分析

谭

心，陈

超，方桂花，郑文帅

SimulationofAutomobileElectric-hydraulicPowerSteeringSystem

TANXin，CHENChao，FANGGui-hua，ZHENGWen-shuai

（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010）

要：研究了汽车电动液压助力转向系统(简称EHPS)的结构组成和工作原理。通过建立系统的状

态空间方程，搭建了系统的Simulink仿真模型。对系统中转速电流双闭环控制直流电动机的响应特性、跟随

摘

特性和抗负载干扰特性进行了仿真分析，分析结果为电动机的选择与匹配提供了理论指导。对液压泵排量、扭杆刚度和活塞的工作面积对系统工作性能的影响进行了仿真分析，分析结果为EHPS的性能分析和优化设计提供了理论依据。

关键词：电动液压;助力转向;建模仿真

中图分类号：TH137

引言

随着汽车工业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，汽车保有量不断增加，由此造成的复杂交通状况使得驾驶员操作转向盘的频率增多。为提高汽车操纵的轻便性和灵活性，以减轻驾驶员的疲劳强度，人们对转向系统的工作性能提出了更高的要求。

目前汽车多采用动力转向系统，因为EHPS不仅具有良好的转向轻便性和操纵稳定性，同时还兼具液压助力转向系统（HPS）的柔顺手感和电动助力转向系统（EPS）的燃油经济性，因此得到广泛采用，并且成为动力转向技术研究的焦点。1EHPS的结构和工作原理

EHPS由机械装置、液压装置和电气装置三部分组成，如图1所示。机械装置主要有转向盘、转向轴、扭杆、齿轮齿条转向器和转向拉杆。液压装置主要有油泵、储油罐、液压管路、单向阀、限压阀、转阀和液压动力缸。电气装置主要有车速传感器、转矩传感器、电子控制单元（ECU）和直流伺服电动机。其中转阀阀芯的上端和下端分别通过销与转向轴和转向齿轮连接，转阀阀套与转向齿轮固结为一体。汽车直线行驶时，方向盘处于中间位置，扭矩传感器检测不到转向盘的操纵力矩，这时ECU控制电动机低速转动，输出的油液极少，几乎是无压力地通过转阀，经回油管路流回储油罐，系统不工作。

转动转向盘时，

在转向操纵力矩和路面阻力矩的

文献标志码：B

4858（2013）01-0015-05文章编号：1000-

图1EHPS的结构图

共同作用下扭杆发生变形，使得转阀阀芯相对转向齿

轮（即阀套）转过一定角度，液压动力缸一腔成为压力另一腔成为压力较低的回油腔，在压力较高的进油腔，差的作用下，转向齿条向一侧移动以实现车轮转向。同时ECU根据传感器检测到的车速、转向盘操纵力矩等行车信息判断行车状态，对各执行机构输出相应的指令，控制电动油泵输出相应流量的油液以驱动液压动力缸提供符合行车工况的转向助力。当转向盘停止转动，动力缸暂时还能继续工作，导致转向齿轮继续转动，使扭杆变形减小，直到恢复自由状态，此时转阀回到中位。

07-09收稿日期：2012-基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（NJZY12109）

作者简介：谭心（1974—），女，山东文登人，副教授，硕士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

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EHPS模型的建立EHPS的数学模型

μ分别是电动机转子和液压泵转子的等效转动惯量和

Cp分别是液压泵的流量系数和液容系阻尼系数；m1、

Co分别是液压缸进、c数；Ci、出油腔的液容系数；Ck、

分别是液压缸的内泄漏系数和阻尼系数；M是活塞和活塞杆的等效质量；K是扭杆的刚度系数；J2是转向盘和转向轴的等效转动惯量；J3是轮胎的转动惯量；T是轮胎的回正阻力矩；F是操纵转向盘的力；m2=m3=A是活塞的有效工作面积；m4=1/i，i是齿轮齿条转A，

向器的线角传动比；m（θ）是转向传动机构的传动系

r是转向盘的半径。数；m5=r，2．2

EHPS的Simulink仿真模型

Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的软件包，它的突出特点是支持GUI（图形用户界

面），这样在仿真过程中

，设计者就可以把精力放在具而不是模型和算法的本身。体算法的实现上，

根据式（3）中的方程（1）和方程（2）搭建的直流伺服电动机的仿真模型如图2所示。

16液压与气动2013年第1期

选择电动机电枢线圈的磁通链ψ、电动机转子和液压泵转子的等效角动量h1、液压泵因液容效应损失的油液体积Vp、液压缸进油腔因液容效应损失的油液体积Vi、活塞与活塞杆的等效动量p、扭杆的角变形量φ、转向轴和转向盘的等效角动量h2、液压缸出油腔因液容效应损失的油液体积Vo作为系统的状态变量X，如式（1）所示。

X=［ψh1

pφ

Vo］

（1）

选择电动机的输入电压u、操纵转向盘的力F、轮

胎的回正阻力矩T作为系统的输入变量U，如式（2）所示。

U=［u

T］

（2）

如果转阀的通口个数为N，并且各阀口对应的面

A2、A3、A4（因为阀口都为对称形式，积为A1、因此A1=A2=A3=A4），那么EHPS的状态空间方程如式（3）

所示。·h1ψ －Tmψ=u－Rm

LJ1

·hVψ1p －μh1=Tm－m1

LJ1Cp

·h1pi Vp=m1－NCdA1－ J1ρCpCi

－NCdA2 －

ρCpCo

·pi2i Vi=NCdA1－NCdA3－ ρCpCiρCi

VoVip （3）－Ck－A－ MCiCo

M =AVi+K－cp－AVo－Tm（θ）p2

M+J3m（θ） CiiMCo

h2 p=－φ J2iM

h2=rF－K

·pViVopo

Vo=A+Ck+NCdA2－－MρCpCoCiVo

－NCdA4 ρCo

图2直流伺服电动机的仿真模型

()

为兼顾电动机的动态特性和稳态特性

，采用转速电流双闭环PI调速系统，它的特点是分别使用转速PI调节器和电流PI调节器对转速和电流进行控制，转速

因此电流环能调节器的输出就是电流调节器的输入，

够随着转速的偏差调节电动机的电枢电流。转速电流

双闭环控制直流电动机的仿真模型如图3所示。

()

图3转速电流双闭环控制直流电动机的仿真模型

u、L、Rm、Tm分别是电动机的输入电压、式中，电枢线

圈的电感、电枢线圈的电阻和电动机的换能系数；J1、

为了简化模型外观，便于阅读模型，将根据式（3）

中方程搭建的各部分仿真模型封装为子系统，最后将就得到了液压与机械部分的仿真模型它们连接组合，（如图4所示）。

2013年第1期

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液压与气动17

图4EHPS液压与机械部分的仿真模型表1

直流伺服电动机的参数

参数名称转子转动惯量J1

换能系数Tm

转子阻尼μ

参数值2×10－40．023×10－4

单位kg·m2N·m/AN·m·s/rad

参数名称供电电压u电枢电阻Rm绕组电感L

参数值120．1671．6×10－4

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