【文献综述】电动搬运车转向控制实验台设计(机械部分)

文献综述
机械设计制造及其自动化
电动搬运车转向控制实验台设计（机械部分）
1　研究背景及意义
近几年来，随着物流仓储业的飞快发展，企业的技术改造投入加大，老库房的改造和新库房的建立大量增加，各个城市超市的数量急剧增加。

这使得各种类型的搬运、装卸、堆垛、牵引的工业车辆的市场需求量也大量增加，如手动托盘搬运车、手动叉车、电动托盘搬运车、半电动和全电动叉车、电动堆高机及电动牵引车等。

由于这些工业车辆产品要进入车间、库房、超市等，因此不仅要求车辆结构轻巧，无污染、低噪音，同时对车辆的性能和搬运效率也提出了更高的要求[1]。

转向环节是搬运车辆的性能指标之一，转向系统的类型主要包括机械转向、液压助力转向和电动助力转向。

现代电瓶类搬运车普遍采用电动助力转向（EPS）和电动液压助力转向（EHPS）。

EPS是在EHPS的基础上发展起来的，其结构简单，零件数量大大减少，纯粹依靠电动机通过减速机构直接驱动转向机构，增强了可靠性。

针对搬运车复杂的工作环境，良好的转向系统能够很大的提高搬运车的工作效率，减轻工作人员的劳动强度，保证驾驶员的人身安全。

目前基于转向控制系统的研究基本上应用于汽车领域，针对电动车转向控制系统的研究除了上文中提到的一些技术，也非常少。

本课题的目的是结合目前国内电动搬运车转向系统的技术现状，结合指导教师的科研经验，利用电动助力转向（EPS）技术完成转向实验台的设计。

2　液压助力转向系统（HPS）
2.1　HPS的组成、工作原理及分类
液压常流式动力转向系统的组成如图1所示，转向液压泵2安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动。

转向油箱1通过油管和管接头分别与转向液压泵2和转向控制阀联接。

车辆的转向系统由方向盘、转向轴、转向摇臂、转向纵拉杆、转向节臂、转向梯形臂以及转向横拉杆等构成[2]。

HPS一般根据液流的形式分为常流式和常压式两种。

常流式是指汽车在行驶中，当转向盘保持不动时，控制阀中的滑阀在中间位置时油路保持畅通，使油液由油罐被吸入油泵，又被油泵排出，经控制阀回到油罐，始终处于一种常流的循环状态。

常压式是指当汽车在行驶中，无论转向盘转动与否，整个液压系统都一直保持高压状态。

当汽车转向时，方向盘通过转向摇臂带动控制阀中的滑阀进行移动，使高压油进入动力缸的一腔，以推动动力缸活塞起加力作用。

1　转向油箱　2　转向液压泵　3　转向油管　4　转向中间轴　5　转向轴
6　方向盘　7　转向节臂　8　转向横拉杆　9　转向摇臂　10　整体式转向器
11　转向直拉杆　12　转向减振器
图1　液压助力转向系统
2.2　HPS的性能特点及研究现状
HPS在汽车上的革命性应用，极大地解放了驾驶者的劳动力，提高了汽车运行时的稳定性和转向灵敏性、轻便性。

但它也存在着以下诸多的不足：
(1) 在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变。

(2) 低速转弯时，方向较沉，又因液压泵的压力很大，易损害助力系统：再因液压系统必须在发动机的带动下保持高压工作状态，浪费了能量。

(3) 存在着液压油泄漏和异响问题[3]。

HPS系统自上世纪50年代发展以来，其技术已日趋成熟，得到广泛应用，至2000年其利用率已接近85%。

3　电动液压助力转向系统（EHPS）
3.1　EHPS的组成及工作原理
在传统液压助力转向系统的基础上, 增加电子控制部分对系统流量或转阀的相关参数进行调节,改变助力转向系统的助力特性, 达到随车速的提高降低系统的助力, 可以提高汽车高速时的操纵性能和路感。

EHPS系统(结构如图2所示)由如下4部分
组成：(1) 机械转向系统，主要包括转向盘，转向柱，扭杆，齿轮齿条；(2) 电动液压助力部分，包括助力缸和转向阀；(3) 液压能量供给部分，包括电动机，液压泵和限压阀；(4) 电子控制单元(ECU)和车速传感器，转向盘转速传感器。

当驾驶员转动转向盘时，电子控制单元依据车速和转向盘转速信号，计算并控制电机的转速，使电机驱动的液压泵的输出流量发生改变，从而改变助力大小。

当汽车在低速转向行驶等一些需要大转矩工况下，提供大助力，保证转向轻便。

当汽车在高速转向行驶等一些只要很小转矩的工况下，提供小助力，保证转向手感，达到在不降低转向平顺性和路感的情况下减轻驾驶员转向操纵力的目的[4]。

1　转向盘　2　转向阀　3　扭杆　4　进、出油管路 5　限压阀
6　电动机　7　液压泵　8　储油罐　9　转向节臂　10　液压动力缸
11　齿轮齿条转向器　12　车轮　13　转速传感器　14　车速传感器
图2 EHPS系统结构图
3.2　EHPS的性能特点
(1) 电动液压动力转向系统是在原有的液压式动力转向系统上发展起来的，原系统可以利用，不需要更改布置。

(2) 低速时转向效果不变，高速时可以自动根据车速逐步减小助力，增大路感，提高车辆行驶稳定性。

(3) 采用电动机驱动油泵可以节省能量。

(4) 具有失效保护功能，电子元件失灵后仍可依靠原转向系统安全工作。

电动液压动力转向系统在传统液压动力转向系统的基础上有了较大改进，但液压装置的存在使得该系统仍有难以克服的缺点，如存在渗油的问题，不便于安装维修及检测等。

虽然如此，由于EHPS技术较为成熟，可以实现整车电控系统一体化，作为传统液压动力转向系统和电动助力转向系统的过渡技术，在一定时期内还有市场空间，并且还将继续得到改进和发展[5]。

3.3　EHPS的应用及研究现状
文献[6]研究了一种恒压变量泵，通过流量自动调节来满足不同数量矫形缸的工作需要。

上海大众P0lo轿车装备了TRY/(天台)公司生产的电控液压动力转向系统，国内引进生产的中高级轿车、中级轿车、经济型轿车都没有采用EPHS，Polo轿车在转向系统方面处于领先地位[7]。

文献[8]介绍了林肯Continental 1988可变助力转向系统，John Baxter等[9]介绍了Bishop公司推出的电控可变助力转向器。

4　电动助力转向系统（EPS）
4.1　EPS基本结构、工作原理及分类
EPS 是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统, 其系统框图如图3所示。

不同类型的EPS基本原理是相同的: 扭矩传感器与转向轴(小齿轮轴)连接一起, 当转向轴转动时, 扭矩传感器开始工作,把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给ECU , ECU 根据车速传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小,从而完成实时控制助力转向。

因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果, 保证汽车在低速行驶时轻便灵活, 高速行驶时稳定可靠。

因此EPS 转向特性的设置具有较高的自由度。

图3　电动助力转向系统框图
根据电动机布置位置不同, EPS 可分为: 转向柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3 种, 如图4 所示。

转向柱助力式EPS 的电动机固定在转向柱一侧,通过减速机构与转向轴相连, 直接驱动转向轴助力转向。

齿轮助力式EPS 的电动机和减速机构与小齿轮相连, 直接驱动齿轮助力转向。

齿条助力式EPS 的电动机和减速机构则直接驱动齿条。