車輛電控式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真與分析

陳　紹

摘要：利用液壓控制理論和MSC.EASY5仿真系統(tǒng)，以某型三軸車輛液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，仿真車輛電控式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果為設(shè)計(jì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：提高系統(tǒng)的壓力可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度，但增加負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響不大；高速時(shí)液壓系統(tǒng)對(duì)車輛橫擺角速度的影響明顯，使系統(tǒng)有明顯的振蕩，低速時(shí)對(duì)車輛的橫擺角速度的影響并不明顯。

關(guān)鍵詞：液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性；MSC.EASY5仿真

中圖分類號(hào)：U463文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）05-0007-02

車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真對(duì)于改進(jìn)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性都具有重要意義，本文將運(yùn)用MSC.EASY5軟件包，以某型三軸車輛液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，建立電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真和分析。

一、電控式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指采用電子控制，以液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它主要由傳感器、電控單元、控制閥、動(dòng)力油缸等組成。系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角傳感器收集前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)，依照預(yù)定程序計(jì)算出整車達(dá)到最佳行駛軌跡時(shí)后輪最佳轉(zhuǎn)角，然后通過(guò)比例液壓裝置控制轉(zhuǎn)向油缸，同時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)后輪轉(zhuǎn)角傳感器采集后輪實(shí)際轉(zhuǎn)角信號(hào)，通過(guò)與理論計(jì)算值比較進(jìn)而對(duì)后輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償控制，保證整車按駕駛員意圖正確行駛。

二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真與分析

（一）仿真環(huán)境介紹

MSC.EASY5是波音公司幾十年工程實(shí)踐的結(jié)晶，它可以用來(lái)建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真分析。EASY5具有完善的圖形化建模環(huán)境、強(qiáng)大的仿真分析能力和連接其它多種工程軟、硬件的開放結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)仿真各種由微分、差分和代數(shù)方程描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，可以有效地幫助用戶對(duì)各類系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)選定、功能評(píng)價(jià)、響應(yīng)分析或控制邏輯設(shè)計(jì)等。

（二）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型建立

以某型三軸車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為建模對(duì)象，液壓轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個(gè)液壓缸由梯形機(jī)構(gòu)相連接。所有轉(zhuǎn)向輪由同一個(gè)液壓泵供油，溢流閥控制系統(tǒng)的壓力。各個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向液壓缸由單獨(dú)的比例閥進(jìn)行控制。

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其實(shí)就是通過(guò)一系列閥門的通斷、開度大小、閥芯位移等來(lái)控制液體的壓力、流量、溫度等來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文在EASY5軟件平臺(tái)上來(lái)模擬當(dāng)輸入轉(zhuǎn)角信號(hào)改變時(shí)真實(shí)流體的壓力、質(zhì)量流量等的變化，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

在EASY5集成環(huán)境中，從液壓庫(kù)(Hydraulic Library)hb及共用庫(kù)（General Purpose）gp等庫(kù)中選取以下組件（Component）添加到工作區(qū)里：FP（流體屬性）、PH（泵）、RF（安全閥）、TN（油箱）、VG（比例閥）、AC（油缸）、T1（時(shí)間函數(shù)）、GB（控制器）、LA（慣性環(huán)節(jié)）、MC（求和器）、Spring（彈簧）等器件，并將各組件連接成如圖2所示：

在圖2所示的液壓系統(tǒng)仿真模型中，溢流閥RF作為安全閥使用，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，使系統(tǒng)避免高壓出現(xiàn)，延長(zhǎng)系統(tǒng)液壓元件的運(yùn)行壽命。T1為輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)加法器MC，PI控制器，慣性環(huán)節(jié)LA，來(lái)控制換向閥VG閥芯的運(yùn)動(dòng)。換向閥VG屬于典型位置控制系統(tǒng)，閥體與液壓缸固結(jié)在一起，構(gòu)成了反饋控制。在控制過(guò)程中，首先由計(jì)算機(jī)給定輸入指令，推動(dòng)電液比例閥的閥芯，液壓油進(jìn)行液壓缸，推動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。液壓缸的輸出位移和輸出力能夠不斷地回輸?shù)介y體上，與滑閥的輸入位移相比較，得出兩者之間的位置偏差，即滑閥的開口量。由于開口量的存在，油源的壓力油就要進(jìn)入液壓缸，驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，由于反饋的存在，使閥的開口量（偏差）減小，直至輸出位移與輸入位移相一致時(shí)為止。可以看出，這個(gè)系統(tǒng)就是利用反饋得到偏差信號(hào)，控制液壓能源輸入系統(tǒng)的能量（流量和壓力），使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，從而使系統(tǒng)的實(shí)際輸出與希望值相符，即以偏差來(lái)消除偏差。輪胎阻力由彈簧代替(彈簧剛度為1200N/cm)。在建模過(guò)程中，為了增加仿真的可操作性和簡(jiǎn)潔性，對(duì)控制液壓缸壓力的液壓元件進(jìn)行包裝，組成一個(gè)新的液壓元件，它是由溢流閥組成。它的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸的壓力，對(duì)液壓缸起到保護(hù)的作用。

（三）系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

點(diǎn)擊仿真按鈕，進(jìn)行仿真。根據(jù)實(shí)際的仿真效果，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)仿真步長(zhǎng)，觀察液壓缸的動(dòng)作順序及相應(yīng)速度，在仿真過(guò)程中，三組液壓缸可以同時(shí)動(dòng)作，各個(gè)液壓缸都有相應(yīng)的比例閥控制。

當(dāng)輸入函數(shù)為階躍函數(shù)時(shí)，在1s時(shí)同時(shí)給一橋、二橋、三橋一個(gè)轉(zhuǎn)向信號(hào)，在3s時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)向要求。通過(guò)PID控制和慣性環(huán)節(jié)來(lái)控制比例方向閥的開口，控制液壓油缸的活塞位移，以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。由于每個(gè)橋的轉(zhuǎn)向半徑不同，所以每個(gè)橋的液壓缸的活塞位移也不同。

對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，通過(guò)控制系統(tǒng)比例閥閥芯的位移來(lái)控制油缸活塞桿伸縮運(yùn)動(dòng)。在時(shí)間0～1s過(guò)程中，閥開口關(guān)閉，活塞桿件不運(yùn)動(dòng)，在1～3s中，閥口開啟，活塞趨于線性運(yùn)動(dòng)；在3～10s中，活塞位移趨于穩(wěn)定。

由于每個(gè)橋在轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑在變化，所以要求輸出的控制信號(hào)也變化，來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，方向盤給一個(gè)輸入信號(hào)，活塞位移作為反饋信號(hào)，控制每個(gè)橋的轉(zhuǎn)向半徑。在開始時(shí)，比例方向閥的閥芯處于中位，沒(méi)有液壓油流過(guò)，液壓油液體經(jīng)過(guò)安全溢流閥流回油箱，所以活塞位移為零。溢流閥起安全閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。當(dāng)在1s時(shí)方向盤給一個(gè)轉(zhuǎn)角信號(hào)，閥口慢慢打開，流量變大，活塞開始運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入液壓缸的壓力突然增大，由于有位移反饋，活塞始在處于震蕩，但震蕩的幅度不大，符合實(shí)際情況。

1．系統(tǒng)壓力與負(fù)載壓力的變化。在不同系統(tǒng)供油壓力和不同負(fù)載壓力的情況下，輸入轉(zhuǎn)向信號(hào)（階躍信號(hào)）來(lái)分析活塞桿位移的變化曲線。當(dāng)系統(tǒng)的供油壓力由18MPa升到22MPa，彈簧的彈性剛度為1200N/cm時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)曲線如圖3(a)、(b)所示。當(dāng)系統(tǒng)供油壓力為18MPa，彈簧彈性剛度增加到1800N/cm時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)曲線如圖3（b）、（c）所示：

從上圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)壓力提高時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間縮短了0.0021s，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度。而當(dāng)負(fù)載壓力增大時(shí)，響應(yīng)上升時(shí)間略有增加，超調(diào)量減小，即系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度略有下降。

2．液壓系統(tǒng)對(duì)整車性能影響。以三軸車輛為例對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，階躍信號(hào)為輸入，進(jìn)行仿真分析，分析液壓對(duì)車輛動(dòng)態(tài)特性的影響，高速時(shí)取速度50km/h，低速時(shí)取速度20km/h。結(jié)果如圖4所示：

由圖4以看出，無(wú)論在低速和高速時(shí)，車輛側(cè)偏角超調(diào)量都有所增加，這是因?yàn)樵黾右簤合到y(tǒng)使系統(tǒng)的阻尼變小，產(chǎn)生了一定的振蕩，但過(guò)渡時(shí)間并沒(méi)有加大的變化，且液壓系統(tǒng)并沒(méi)有改變車輛的穩(wěn)態(tài)特性。

由圖5可以看出，高速時(shí)液壓系統(tǒng)對(duì)車輛橫擺角速度的影響非常明顯，使系統(tǒng)有明顯的振蕩；低速時(shí)液壓系統(tǒng)

對(duì)車輛的橫擺角速度的影響并不明顯，沒(méi)有改變其穩(wěn)態(tài)值。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Esay5建立某型三軸車輛電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，并通過(guò)仿真研究，分析了系統(tǒng)壓力和負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律，以及液壓系統(tǒng)對(duì)整車性能的影響。結(jié)果表明，提高系統(tǒng)的壓力可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度，但增加負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響不大；另外，高速時(shí)液壓系統(tǒng)對(duì)車輛橫擺角速度的影響明顯，使系統(tǒng)有明顯的振蕩，低速時(shí)對(duì)車輛的橫擺角速度的影響并不明顯。

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