利用虚拟样机改进电子液压助力转向系统 - 电子设计工程杂志社投稿

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利用虚拟样机改进电子液压助力转向系统

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如果驾驶人使用没有配备助力转向系统的汽车，一定有过费力转动方向盘来带动轮胎以控制汽车行驶方向的糟糕驾驶体验。幸运的是，助力转向系统的诞生让那些苦日子一去不复返。助力转向系统通过转向齿轮让驾驶人能够轻松地掌控方向。多年来，助力转向系统经历了多次产品更迭，其性能随着设计的改进变得越来越强大。比如，FZB 科技公司利用多物理场仿真技术指导了电子液压助力转向系统的设计改进。

直至20世纪90年代，液压和电动助力转向一直是应用最为广泛的两种助力转向系统。随着技术的发展，在这两项技术的基础上发展出了一种更为节能的解决方案——电子液压助力转向（electrohydraulic power steering，简称 “EHPS”）。EHPS系统保留了传统的液压装置，并使用电动机为液压泵提供动力（图1），而不是汽车的发动机。由于电动机的输出可以根据方向盘的角度和车速进行调整，因此大幅降低了能量损耗。

当驾驶人转动转向盘时，液压泵将液体从储液罐输送到转向齿轮，转向齿轮会施加额外的转矩来带动轮胎。除此之外，电子液压助力转向系统部件还包括电子控制单元（electronic control unit，ECU）、转矩传感器、流体压力控制阀和管路。

图1 电子液压助力转向（EHPS）系统

EHPS的复杂之处

助力转向系统内相互关联的部件非常多，一个零部件的响应往往依赖于另一个零部件，因此设计工作十分复杂。任何一个看似微小的调整都可能对正常的功能、效率和可靠性带来重大影响。

“多物理场仿真可以加速设计的优化过程，”Steven Qi 解释道。Steven Qi 是美国密歇根州普利茅斯市的 FZB 科技公司的项目经理，并从事机械工程方面的研究。FZB 公司的主营业务是为汽车市场提供研发服务，领域涵盖电机、传感器、基于RFID 技术的无钥匙点火系统以及 EHPS 系统。

FZB 的工程师经常使用 CAD 工具和 COMSOL软件对 EHPS 部件进行模拟（图 2）。这种分析方式可以帮助他们更好地了解系统内部的运行特性，从而在进行实际的物理测试之前，使虚拟设计尽可能地接近最终成品。

“仿真能够帮助我们清晰、全面地理解问题，进而让我们在制作产品的物理样机前就能满足汽车的各项设计需求。”Steven Qi 解释道，“在对系统的改进过程中，我们需要了解系统在力学、热力学、流体、声学和电磁等各方面的性能表现。”

物理测试和验证既昂贵又耗时，所需时间甚至可能长达6个月。然而，即使物理样机成功通过了测试，其设计仍需进一步优化。“冗长的测试过程会大幅延长设计周期，所以我们特意引入了仿真分析来加速设计进程。我们在和克莱斯勒（Chrysler）公司合作时，会定期与他们的工程师进行沟通，确保每次进行物理验证之前都能够在COMSOL 软件中对设计进行改进。否则我们将很难满足用户提出的需求。”

为了深入研究发动机盖下各部件的性能表现，Qi带领FZB公司的研发团队对新型EHPS设计的主要部件进行了模拟，其中包括 ECU、隔离安装支架、永磁电动机、储液罐和斜齿轮泵。团队不仅模拟了每个零件，而且还针对不同车型设计，对整个复杂的装配体进行了多物理场分析。这些热、力、流体和电磁现象的分析数据为研发团队提供了可靠的依据，帮助他们快速解决与热性能、动态运动控制、泵内液体输送，及噪声、振动和声振粗糙度（noise,vibration,and harshness，NVH）相关问题（图 3）。

图2 用于 EHPS 设计分析的多物理场几何模型，其中包含可向周围空气传热的翅片、安装部件以及流体端口

图3 研发人员执行了稳态仿真和瞬态仿真，在不同车辆载荷下的泵测试中，对不同零件的温度分布进行了测量。仿真结果显示了局部几何结构、电机设计参数、ECU 通孔尺寸和数量以及其他导热特性的理想范围

发动机盖下的发热问题

能够在安全的温度范围内正常运行是助力转向系统设计中需要考虑的一个重要因素。Steven Qi 创建了一个可以分析泵内传热和转向齿轮润滑液发热的模型。研究团队使用流体温度作为可变的边界条件，可以对不同运行环境下系统的温度分布进行预测。

Steven Qi 解释说，当车轮被路沿卡住，而驾驶人试图转动轮胎时，泵承受的应变将达到最大。如果在现实中发生此类情况，即使车轮被卡住，汽车的电池仍然会向泵输送电能，这会导致ECU 和电动机磁体发热。

研发团队基于汽车制造商提供的运行条件，对动力转向液在上述情景下的性能表现进行了模拟。此外，他们还研究了在车轮被锁定的情况下，转向系统内产生的热量对 ECU 组件温度的影响，这些 ECU 组件包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和线束等。他们采用了多尺度建模的方法，首先对单个组件进行仿真，之后将各个仿真集成为完整的系统，并将仿真结果与实际的测试数据进行了相关性分析。在分析中，他们可以通过调整边界条件和材料属性对各类配置的优缺点进行探究。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2021/0204/821.html