多軸車輛線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)角控制

　　摘要：為減小多軸轉(zhuǎn)向車輛貨廂部位的第三軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向磨損，要求該車輪與駕駛室部位的前轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理。針對(duì)某型號(hào) 8×2 四軸重型車輛，設(shè)計(jì)出一種第三軸線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并建立其動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于指數(shù)趨近律的滑模控制器對(duì)第三軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，選取典型工況對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于指數(shù)趨近律的滑模控制比基于比例切換函數(shù)的滑模控制及開環(huán)控制響應(yīng)更快速、趨近目標(biāo)值時(shí)間及超調(diào)持續(xù)時(shí)間更短、穩(wěn)態(tài)差值更小;與采用機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，安裝基于該控制器的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能顯著提高第三軸輪胎的轉(zhuǎn)向抗磨損性能，同時(shí)也改善了整車的轉(zhuǎn)向性能。

　　劉俊; 石朝歡; 林貝清; 黃鶴， 中國機(jī)械工程 發(fā)表時(shí)間：2021-09-29

　　關(guān)鍵詞：多軸車輛;線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng);滑模控制;轉(zhuǎn)向磨損

　　0 引言

　　多軸轉(zhuǎn)向車輛具有運(yùn)動(dòng)靈活、自由度多、通過性好等優(yōu)點(diǎn)。目前多軸車輛的轉(zhuǎn)向研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：車輛的轉(zhuǎn)向模式研究[1];轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3];液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究[4]等。多軸車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要以全液壓轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向?yàn)橹鳎S著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者提出了將線控轉(zhuǎn)向和全液壓轉(zhuǎn)向技術(shù) 相結(jié)合，開發(fā)了線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于拋棄了機(jī)械轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，通過電子控制單元(ECU)、傳感器及閥控轉(zhuǎn)向推力油缸對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，且可以根據(jù)車速及方向盤轉(zhuǎn)角的變化對(duì)轉(zhuǎn)向力實(shí)現(xiàn)柔性控制等優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于產(chǎn)量較少的多軸導(dǎo)彈運(yùn)輸車或超多軸平板車(軸數(shù)多于 8)等高端車型以及重型農(nóng)業(yè)車上[5]。目前，國內(nèi)商用車生產(chǎn)廠家為了降低研發(fā)及制造成本，針對(duì)一般性的多軸重型車輛多采用機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向，即通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系將駕駛室前轉(zhuǎn)向軸的液壓轉(zhuǎn)向力傳遞到貨廂后轉(zhuǎn)向軸并控制后轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)與前轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向輪的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向[6]。由于位于車輛后部的貨廂部位的后轉(zhuǎn)向軸與駕駛室的前轉(zhuǎn)向軸距離較長，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系剛度較小，隨著車輛載貨量的增加，桿系發(fā)生變形，后軸的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角誤差不斷加大，使得前后軸間轉(zhuǎn)向不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致后轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向輪容易發(fā)生磨損。此外，在車輛高速行駛或在不平路面行駛時(shí)，較長的桿系容易發(fā)生擺振，也會(huì)導(dǎo)致后轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向輪過多的磨損。所以，生產(chǎn)廠家迫切需要一種技術(shù)解決方案，在保留前轉(zhuǎn)向軸機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前提下，能夠減少貨廂后轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向磨損。

　　本文研究的某型號(hào) 8×2 四軸重型車輛，位于駕駛室的雙前橋(軸)為機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，第四軸不參與轉(zhuǎn)向?yàn)轵?qū)動(dòng)軸。位于貨廂部位的第三軸為轉(zhuǎn)向軸，為控制成本，不改變輪胎轉(zhuǎn)向磨損較小的一、二軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在第三軸采用線控液壓轉(zhuǎn)向，解決第三軸轉(zhuǎn)向輪由于轉(zhuǎn)向不協(xié)調(diào)造成的磨損，使第三軸在轉(zhuǎn)向時(shí)能以設(shè)定的角度跟隨第一軸轉(zhuǎn)向。目前，線控液壓轉(zhuǎn)向的研究多集中在低速重型農(nóng)業(yè)車及其轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向路感控制策略方面[7-8]。根據(jù)公開的文獻(xiàn)資料，對(duì)于重型車輛線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及轉(zhuǎn)角控制方面的研究很少。

　　本文首先設(shè)計(jì)了某型號(hào) 8×2 四軸重型車輛第三軸線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并建立其動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了滑模閉環(huán)反饋控制器，對(duì)第三軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，通過仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了基于滑模控制器的轉(zhuǎn)角控制的轉(zhuǎn)向抗磨損性能以及效果。

　　1 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是開發(fā)出性價(jià)比好，性能穩(wěn)定的后軸線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)拋棄掉從前轉(zhuǎn)向軸到后轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向縱拉桿，通過傳感器從前第一轉(zhuǎn)向軸獲取轉(zhuǎn)向信息，并完全依靠液壓力推動(dòng)后第三轉(zhuǎn)向軸隨前轉(zhuǎn)向軸協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向。

　　1.1 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)第三軸的線控液壓轉(zhuǎn)向，利用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在原有的基礎(chǔ)上裝配電控單元、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器和各種控制閥等。為防止第三軸輪胎在直線行駛時(shí)路面沖擊導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而造成輪胎磨損，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用對(duì)方向盤中位實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位及自鎖功能的對(duì)中自鎖油缸，如圖 1 所示。鋼球在彈簧圈的作用下與活塞桿以及缸筒內(nèi)壁壓緊。當(dāng)沒有液壓油輸入油缸，活塞桿在其他外力作用下有移動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向側(cè)鋼球與活塞桿以及缸筒之間壓力加大，實(shí)現(xiàn)自鎖;有液壓油輸入油缸時(shí)，油液推動(dòng)可移動(dòng)活塞，其凸緣推動(dòng)逆移動(dòng)方向側(cè)鋼球沿斜面下落實(shí)現(xiàn)解鎖。

　　圖 2 所示為第三軸線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。第一軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和車速信號(hào)被傳感器采集后傳至電控單元，電控單元經(jīng)設(shè)定的控制算法得到第三軸車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度，通過電液比例閥的電壓信號(hào)，控制對(duì)中自鎖油缸的活塞位移，進(jìn)而控制第三軸車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)利用轉(zhuǎn)角傳感器將第三軸車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角反饋給電控單元，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制跟蹤第三軸目標(biāo)轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)抗第三軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向磨損的線控轉(zhuǎn)向。

　　正常情況下，電磁閥 3 置左位、電磁閥 4、5 置右位，使冗余系統(tǒng)油路關(guān)閉，通過比例閥 1 和比例閥 2 控制對(duì)中自鎖油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。第三軸左轉(zhuǎn)時(shí)，溢流閥按設(shè)定壓力要求處于閉合狀態(tài)，比例閥開始動(dòng)作，此時(shí)閥 1 處于左位，閥 2 處于右位，油液由兩端的 A1、B2 流入對(duì)中自鎖油缸，由中間的 A2、B1 流出，油缸動(dòng)作將第三軸轉(zhuǎn)向橫拉桿向右拉回，則車輪進(jìn)行左轉(zhuǎn)。右轉(zhuǎn)同理。第三軸處于某個(gè)轉(zhuǎn)角不動(dòng)時(shí)，閥 1 閥 2 處于中位截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)系統(tǒng)壓力會(huì)迅速增大，當(dāng)超過調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥開啟，液壓油從油箱經(jīng)粗濾器、液壓泵由溢流閥溢回油箱，對(duì)中自鎖油缸處于自鎖狀態(tài)。當(dāng)電控單元檢測(cè)到故障時(shí)，比例閥 1 及 2 回到中位，該轉(zhuǎn)向工作油路斷開，冗余系統(tǒng)的三個(gè)電磁閥打開，閥 3 置右位，閥 4 及閥 5 置左位，使左缸油液由 A2 流入、 B2流出，右缸油液由 A1 流入、B1 流出，最終左缸活塞運(yùn)動(dòng)到左缸最左端面、右缸活塞運(yùn)動(dòng)到右缸最左端面，對(duì)中自鎖油缸達(dá)到中位，從而第三軸轉(zhuǎn)向輪對(duì)中，此時(shí)第三軸轉(zhuǎn)向輪不跟隨第一軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。由于活塞到達(dá)極限位置而不再移動(dòng)，此時(shí)油路壓力增大，超過溢流閥的設(shè)定壓力后，溢流閥開啟，實(shí)現(xiàn)油壓卸荷。

　　1. 2 實(shí)車安裝

　　為便于安裝，根據(jù)總體設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)了液壓集成閥塊。集成閥塊的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，安裝如圖 4(b)所示。將對(duì)中自鎖油缸安裝到車輛第三轉(zhuǎn)向軸后方，其右端與車橋相連，左端通過連桿與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連，如圖 4(a)，將四個(gè)油口分別與集成閥塊的 A1、B1、A2、B2相連。速度傳感器安裝在車輛變速箱輸出軸上，轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝在第一軸和第三軸同側(cè)轉(zhuǎn)向主銷頂端。

　　2 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

　　2. 1 電液比例閥系統(tǒng)模型

　　電液比例對(duì)閥系統(tǒng)主要由電液比例閥(配套放大器)和對(duì)中自鎖油缸(閥控缸)組成。

　　電液比例閥配置有位移反饋，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可得出傳遞函數(shù)為：