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电控全液压转向的新产品

iHydrostatics静液压 • 文章来源: 液压气动与密封 • • 最新产品

 

第一作者简介：焦文瑞（1972-），男，山西忻州人，高级工程师， 博士，研究方向为摆线针轮啮合副啮合理论和全液压转向器，工作于镇江液压股份有限公司。
基金项目：江苏省“333高层次人才培养工程”项目（（2016）Ⅲ-0795号）
摘 要：介绍了跨国公司和国内在电控全液压转向的新产品，对其进行了分析归类和详细介绍，指出当前电控全液压转向新产品适用范围、技术上优缺点和发展应用情况与前景。

关键词：全液压转向；电液转向；自动转向；方向盘记忆功能

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引言

随着液压向数字化、网络化和智能化发展，全液压转向系统HPS（Hydraulic power Steering）逐渐向电控液压转向系统EHPS（Electrohydraulic power Steering）转变。EHPS提高了HPS系统的使用性能，也为开发出高性能、多功能的液压转向系统创造条件，并在自动驾驶、节能等方面比传统的HPS系统优越得多，电控液压转向已经成为全液压转向器的发展方向。

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跨国公司的新产品

1.1 Danfoss电液转向产品[1]
1）EHPS先导控制系列电液产品
EHPS系列产品是利用全液压转向器低压力、小流量来控制高压、大流量的先导控制液压转向阀。适用大马力拖拉机、联合收割机、大吨位叉车、装载机、自卸车等大型非道路车辆。EHPS根据电控程度不同分为3种。EHPS最大入口流量120L/min，最大转向流量96L/min，最大压力32MPa，OSP转向器最大压力12.5MPa，最大控制流量12.5L/min。先导控制转向器型号为OSPCX CN，为闭芯无反应型，最大压力12.5MPa，排量范围50~100cm3/r，如图1所示。此类转向器特点在于在中位时，其左右腔和回油是相连通的，这个性能与Danfoss的OSQ流量放大阀先导控制转向器功能相同，不同是OSPCX CN转向器不是负荷传感型，而且排量要小的多。

电控全液压转向的新产品

图1 OSPCX CN原理图[1]
 
（1）EHPS Type0。Type0是不带电控的全液压转向系统。这种全液压转向系统其实和Danfoss的OSQ流量放大阀系统功能相同，由于有EHPS阀作为流量放大，转向器排量可以选的很小，并可实现紧急人力转向，这个功能在安全驾驶上很有特色，原理如图2所示。

电控全液压转向的新产品图2 Type0全液压转向系统[1]

（2）EHPS Type1。Type1是EHPS阀增加PVES电控部分，可实现操纵杆或微型电动方向盘转向，全液压转向和Type0相同，如原理图3所示。需要指出的是，电控转向和转向器先导控制液压转向属于并联系统，液压转向优先级高，即电控转向出现问题，液压转向即可接手工作。

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图3 Type1全液压转向系统[1]
（3）EHPS Type2。Type2是EHPS转向阀增加PVED-CLS电控部分、SASA方向盘角度传感器、油缸传感器、车辆速度传感器。具备Type1全部功能，还可接收GPS定位信息进行自动控制，通过收集方向盘转动和液压缸移动信息，可设置更多转向特性，例如，可变转向比、速度相关转向比、方向盘漂移补偿、主动冲击力补偿和终点滑移补偿。这是一款技术先进的全液压转向系统，不过从EHPS阀转向流量可得出，此款电控全液压转向系统适合大中型非道路车辆转向，原理图如图4所示。

电控全液压转向的新产品

图4 Type2全液压转向系统[1]
2）OSPE先导控制系列电液产品
OSPE是danfoss在EHPS阀基础上开发的先导控制全液压转向器和电液转向阀的高度集成产品，主要针对中小流量转向系统，是danfoss技术上最先进产品。既可以方向盘和操作杆转向，还可实现GPS等信号任意调节转向比例的自动控制。值得一提的是OSPE在安全上独树一帜，转向系统符合ISO 251192安全标准中2类或3类，主机厂据此可加快转向系统的开发和认证，降低成本，并将车辆更快地推向市场。广泛适用农业、林业和工程机械，国内已有主机厂试用此产品，由于价格昂贵，推广缓慢。转向原理如图5所示。

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图5 OSPE转向原理和转向器[1]
OSPE转向器有100~500cm3/r12种排量，为了大排量实现人力转向，可选择双转定子，EH阀流量有12~50L/min5种流量，最大压力28MPa，最大入口流量90L/min，OSPE有4种转向液压功能选择：OSPEC LSRM动态负荷有反应，OSPEF LS动态负荷无反应，OSPEDC LSRM动态负荷有反应双转定子，OSPEDF LS动态负荷无反应双转定子。OSPE电控部分可采用PVES，PVED CC，PVED CLS。

3）EHi电液转向阀
由于OSPE电液转向阀与转向器做成集成产品，结构庞大笨重，重量约达13kg，在主机转安装部位空间狭小地方，不利用安装。因此，Danfoss将电控阀设计成分开部分，型号命名为EHi电液转向阀。EHi阀全面继承OPPE电控转向阀先进技术和安全功能，并可以和OSP负荷传感转向器联合或单独灵活使用，达到OSPE功能，结构紧凑，有利于安装。
EHi阀流量有12~70L/min6种流量，最大压力28MPa，液压功能可选择：动态和静态传感信号，有反应和无反应，开芯和闭芯。EHi采用PVED CLS控制时，符合IEC 61508、 EN 16590和ISO 13849等安全标准，足见设计此电液转向阀对安全重视程度，原理如图6所示。

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图6 EHI 转向原理[1]
需要特别指出的是，OSPE、EHI、EHPS采用PVED-CLS控制器均采用独特的高速开关数字阀组成液压全桥[3～5]，通过PWM脉宽调制其占空比，就可以连续地控制通过开关阀的平均流量，控制主阀芯位置。并集成有直线位移传感器，通过其检测阀芯的运动产生反馈信号，根据反馈信号和输入信号对比所得的偏差，控制主阀芯的运动方向、速度和位置。极大提高了电液控制阀的控制精度和响应速度，技术先进性独树一帜。控制器的封装技术也很有特色，一旦打开就会丧失电控部分功能。如图7所示。

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图7 PVED-CLS控制器和产品[1]
PVED-CLS控制器电源采用直流电压11~32V，电流0~2A；控制OSPE阀芯移动位移±4mm，阀芯延迟时间20~30 ms，响应时间80~150ms，阀芯回中位时间50~100ms，EHPS阀芯阀芯移动位移±7mm，阀芯延迟时间20~30ms，响应时间130~150ms，阀芯回中位时间70~120ms；模拟型号输入电压0~35.5V，输出0~6V，数字输出电压Vbat-1.0~Vbat（通电状态），0~0.1V（关闭状态），PWM频率284~286 Hz，CAN总线采用2.0B，防水防尘等级IP66以上。
4）OSP EFU先导控制系列电液产品
OSPC EFU主要特点是能自动检测方向盘球形把手的滑移，对其进行修正，并恢复到中位位置，使方向盘在转向过程中具有位置记忆功能，避免了驾驶者寻找方向盘中位位置的麻烦。实现了方向盘的自动精确定位，使转向操作更为精确，这款转向器在国内使用不多。
OSP EFU分为OSPC EFU和OSPM EFU，具体区别为前者为中小排量，后者为小排量，OSPC EFU转向器排量范围40~250 cm3/r，最大压力21 MPa。OSPM EFU转向器排量范围32~100 cm3/r，最大压力12.5 MPa。EFU液压功能可选择开芯无反应和负荷传感型。电源电压电流分别为12V/0.36A，24V/0.18A。转向原理和实物如图8所示。

电控全液压转向的新产品

图8 OSP EFU原理和实物[1]
1.2 Eaton电液转向产品[2]
2020年1月21日，Danfoss收购Eaton的液压业务，由于两个跨国公司在电液转向最新技术上走的两条研发路线，所以在这里分开进行介绍。
1）Electro-hydraulic全液压转向系统
伊顿公司在Electro-hydraulic系列产品将全液压转向器与电液比例阀集成，可实现全液压转向的自动化，并提高转向的舒适性，和Danfoss公司OSPE产品功能相同。Electro-hydraulic系列产品GPS重复定位精度±2cm，并与其他全球定位系统兼容。适用于负荷传感、开芯、闭芯转向系统。可用方向盘、操纵杆转向，也可使用电动方向盘实现线控。适用于拖拉机、联合收割机等非道路车辆。产品如图9所示。可以明确一点，伊顿公司Electro-hydraulic采用传统电液比例阀，这是与Danfoss不同之处，由于Eaton公布此阀技术资料太少，也限制对此阀的了解。

电控全液压转向的新产品

图9 Electro-hydraulic产品[2]
2）EPACS  Knob control全液压转向器
Eaton公司EPACS产品与danfossOSPC EFU功能相同，只是设计思路不同。实现自动检测方向盘球形把手的滑移，使方向盘在转向过程中具有位置记忆功能。最大系统压力17.5MPa，排量60~125cm3/r，电压12V或24V，最大电流2A，主要适用于高端电瓶叉车。转向器原理和实物如图10所示。

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图10 EPACS转向器原理图和产品[2]
Eaton电控转向器在转向器外部使用阀块将补偿电磁阀与转向器连接，连接阀块内部开设对应油道，转向器内部也增加了一条对应的补偿油路，而Danfoss OSP EFU转向器没有使用阀块将补偿电磁阀与转向器相连，也没有在转向器内部增设对应的补偿油路，而是在转向器外部绕过转向器通过压力选择阀直接向转向液压缸增加一条补偿油路，补偿油路同样由电磁阀控制其开闭，需要进行油液补偿时控制系统控制电磁阀动作，补偿油路直接向转向液压缸力补油。这是两款功能相同，实质上都是为了补偿全液压转向器液压内泄漏引起方向盘球头位置偏移，但是设计思路不同，Eaton产品在国内使用要多一些，国内开发此类产品也按照Eaton这个思路来的。Eaton这款产品最早来源日本市场电瓶叉车转向高端要求，日本电瓶叉车增加这个功能销售欧洲时，Danfoss也开发了同类产品。
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国内公司的新产品

2.1 镇江液压电液产品
新开发电控系列全液压转向器通过采集转向轮和方向盘转角信号，计算两者之间误差，控制电磁阀对转向液压系统进行补油，实现了方向盘与转向轮精确对应关系，方向盘控制精度小于等于15°。驾驶员在转向操作过程中更加方便、精确。适用于高端电瓶叉车，可替代Danfoss和Eaton进口产品，如图11所示。
 

电控全液压转向的新产品

图11 电控转向器原理和产品
 
2.2 国内其他公司电液产品
由于农业自动化高速发展，国内大学和众多公司竞相开发依托于GPS和北斗卫星导航定位全液压自动转向系统，实现厘米级导航定位精度。从集成电路板、天线、基准站、显示终端、电子控制单元、程序、算法均自主研发和制造，取得了长足的发展。图12a为国内合众思壮慧农北斗导航自动驾驶系统[6]，图12b为上海华测领航员NX100农机导航自动驾驶系统[7]，精度可达2.5cm。
 

电控全液压转向的新产品

图12 国内农机全液压自动驾驶系统[6-7]
 
华南农业大学开发的拖拉机自动导航控制系统[8]。在拖拉机行进速度0.8m/s时，直线跟踪的最大误差小于15cm，平均跟踪误差小于3cm，原理如图13所示。 
 

电控全液压转向的新产品

1 转向前轮 2 转向油缸 3 油管 4 转向器 5 方向盘

6 液压转向泵 7 油箱 8 安全阀 9 比例阀

10 三位四通换向电磁阀 11 手动切换阀

12 转向控制器 13 编码盘

图13 自动导航控制原理图[8]

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总结

全液压转向由于增力明显，液压元件容易布置等优点，在非道路行走式车辆转向中越来越普及，此类车辆转向技术发展都是通过位置传感器、速度传感器、方向盘转角传感器、转向轮转角传感器、采集车辆位置、速度、转向情况，并经过控制器判断，控制电液转向阀输出方向、流量实现转向，全液压转向作为安全驾驶的最高优先级，是全液压转向产品技术发展的方向。
国内大学研发电液转向系统往往注重理论研究和算法先进性， 国内企业开发电液转向系统一般是在原有全液压转向系统上并联一个电液比例阀， 比例阀则直接选用现有液压产品，阀控制流量的精度、稳定性和可靠性上有待提高，电液转向整体安全策略也考虑较少。开发过程则注重控制系统、 导航系统和电液液压系统组合，产品眼花缭乱，但目前国内在这方面与跨国公司相比仍处于中低端水平。因此要向液压强国发展，电控全液压转向阀是一个可以突破的方向。

 参考文献
[1] DANFOSS. DANFOSS Electrohydraulic Steering产品样本［EB/OL］.（2019-06-03）[2020-06-01]. http://www.danfoss.com/en/ products/steering/dps/steering-com-ponents-and-systems/electrohydraulic-steering/# taboverview.
[2] EATON.EATON产品样本［EB/OL］.（2019-02-01）［2020-06-01］.https: //www.eaton. com/us/en-us/products/steering-systems.html.
[3] 杨华勇,王双,张斌.数字液压阀及其阀控系统发展和展望［J］.吉林大学学报（工学版）,2016,46(5):1494-1505.
[4] 许仰曾,陈惟宁.液压高速开关数字阀及其在各工业领域应用［J］.液压气动与密封,2012,(1):72-77.
[5] 许仰曾.液压工业4.0［M］.北京:机械工业出版社,2019.
[6] 北京合众思壮科技股份有限公司.北京合众思壮科技股份有限公司产品中心[EB/OL].（2020-02-11）[2020-06-01].http://www.unistrong.com/ Product/ ProShow. aspx?proid=Rino
[7] 上海华测公司.上海华测产品［EB/OL］.（2019-03-06）[2020-06-01].http:// www. huace.cn/product/product_show/384
[8] 罗锡文,张智刚,赵祚喜,等.东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统［J］.农业工程学报,2009,25(11):139-145.
[9] 刘刚，陈永昌，周细威.DCMC型自行式液压模块车转向系统设计［J］.液压气动与密封，2019,(6).
[10] 赵桂芝，刘雅荣.农机转向器制造车间的动态调度算法研究［J］.机电工程，2019，36(9)：980-984.
[11] 张应和，郭峰，杨世强.基于AMESim全液压转向系统的建模与分析［J］.机电工程，2019，36(7)：690-694,716.

原文始发于微信公众号（液压气动与密封）：电控全液压转向的新产品

本文来自液压气动与密封，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。

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