雙向行駛汽車電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

周廣鳳，王鳳杰，陳清旺，孫業(yè)波

(中國重汽集團(tuán)濟(jì)南特種車有限公司，山東濟(jì)南 250117)

引言

現(xiàn)代城市中狹窄街道的老舊小區(qū)、越來越多的公路隧道安全對消防車提出了更高的要求，一旦發(fā)生火災(zāi)能更高效、更機(jī)動、更迅速、更可靠的進(jìn)行滅火救援，有必要開發(fā)專用汽車，具有2個駕駛室，無需調(diào)頭、倒車，即可實(shí)現(xiàn)雙向行駛。4×4雙向行駛汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計是個難點(diǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要一鍵切換，對中鎖止可靠，前、后橋轉(zhuǎn)角關(guān)系準(zhǔn)確，車輛的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，車輛必須能降速，前橋轉(zhuǎn)向、后橋鎖止可駛離現(xiàn)場，轉(zhuǎn)向模式切換平穩(wěn)。電控系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大地提高了車輛的舒適性[1]，液壓系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定，無級調(diào)速的特點(diǎn)[2]，選擇電控液壓轉(zhuǎn)向設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)車輛在任意駕駛室駕駛時，均具有多種轉(zhuǎn)向模式以適應(yīng)不同的行駛工況[3-4]。前輪轉(zhuǎn)向(F4ws)、全輪轉(zhuǎn)向(MinR)、蟹行轉(zhuǎn)向(Crab)、自動模式(Auto)4種模式見圖1。其中，前輪轉(zhuǎn)向后橋鎖止為常規(guī)使用模式，在任何路況、車速下均可使用；全輪轉(zhuǎn)向模式可以使車輛達(dá)到最小轉(zhuǎn)彎直徑，適用于大角度轉(zhuǎn)彎；蟹行轉(zhuǎn)向可使車輛橫向移動，適用于有限空間車輛移位，MinR和Crab 2種模式設(shè)定車速需低于40 km/h。

圖1 4種轉(zhuǎn)向模式

1 雙向行駛汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計要求

考慮到雙向行駛車輛有2個駕駛室，要保證同一時間只有1個駕駛室能啟動，隨駕駛室選定確定可操縱擋位、燈光儀表等部分，綜合考慮確定使用鑰匙啟動開關(guān)控制駕駛室選擇，在任意駕駛室內(nèi)通過鑰匙啟動車輛后，主控ECU根據(jù)啟動信號來源，確定此駕駛室為操縱駕駛室，接通此駕駛室內(nèi)電路、方向盤及擋位。對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言需設(shè)計2套轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，駕駛員通過方向盤控制相對前橋的轉(zhuǎn)角，其中相對前橋是指當(dāng)其中1個駕駛室作為主駕駛室時，其駕駛室下方的車橋?yàn)榍皹颍藭r遠(yuǎn)離該駕駛室的橋定義為相對后橋。

考慮到車輛使用場所具有單向性，挪動空間不足的特殊性，將雙向行駛汽車設(shè)計為可全輪轉(zhuǎn)向和蟹型轉(zhuǎn)向，全輪轉(zhuǎn)向可以減小行駛阻力、降低油耗，提高車輛的行駛穩(wěn)定性[5-7]，蟹型轉(zhuǎn)向可以更好的適應(yīng)不同的工作環(huán)境[8]。2根車橋均需要實(shí)現(xiàn)：鎖止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)3種模式，使用電控液壓系統(tǒng)是最簡單、可靠、易操作的方式。因此4×4雙向行駛汽車采用了機(jī)械轉(zhuǎn)向加電控液壓轉(zhuǎn)向的模式。輪胎是影響車輛動力學(xué)穩(wěn)定性的重要因素[9]，因此轉(zhuǎn)向時盡可能保證輪胎純滾動具有重要意義。為保證車輛轉(zhuǎn)角精度，該系統(tǒng)的控制采用閉環(huán)控制，由角度傳感器時刻測量前后橋的轉(zhuǎn)角關(guān)系，當(dāng)后橋轉(zhuǎn)角值與設(shè)定值的誤差超過設(shè)定值時，控制器控制閥組和轉(zhuǎn)向助力對中缸動作調(diào)整后橋輪胎角度，使后橋的實(shí)際角度值和理論值偏差控制在一個合理的范圍，使車輛即使在轉(zhuǎn)向行駛時也保持純滾動，減小輪胎的磨損量，減小輪胎阻力，降低油耗，控制策略見圖2。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向設(shè)計

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成[10]，本系統(tǒng)由駕駛室內(nèi)的方向盤通過動力轉(zhuǎn)向器助力、轉(zhuǎn)向直拉桿拉動相對前橋的輪胎轉(zhuǎn)動。該車比較特殊的地方在于2個駕駛室各需要1套機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使每個駕駛室都能獨(dú)立控制車輛的行駛方向。設(shè)計中通過主控ECU和切換閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的切換，即機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用同一個轉(zhuǎn)向助力泵，轉(zhuǎn)向助力泵輸出的油液經(jīng)切換閥供給動力轉(zhuǎn)向器A或者動力轉(zhuǎn)向器B，當(dāng)進(jìn)入主駕駛室轉(zhuǎn)向模式時，動力轉(zhuǎn)向器A得到高壓油，動力轉(zhuǎn)向器可助力主駕駛室下方的轉(zhuǎn)向橋輪胎轉(zhuǎn)動，動力轉(zhuǎn)向器B無油液進(jìn)入，處于受橋反向控制狀態(tài)，當(dāng)車輛選擇全輪和蟹型2種轉(zhuǎn)向模式時，遠(yuǎn)離主駕駛室的轉(zhuǎn)向橋由橋上的轉(zhuǎn)向助力對中缸的動作推動此橋上車輪轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向器的切換原理見圖3。

圖2 控制策略

圖3 動力轉(zhuǎn)向器油路分配

2.2 電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)鍵系統(tǒng)，設(shè)計需保證在任何情況下，即使部分閥路故障也能保證車輛能可靠轉(zhuǎn)向。因此系統(tǒng)設(shè)計時采用冗余設(shè)計，除主控ECU外又設(shè)計了冗余ECU，并行設(shè)計提高系統(tǒng)可靠性，通過傳感器的反饋信號經(jīng)控制器進(jìn)行控制[11]。各ECU及閥、缸的動作情況以某一特定駕駛選擇舉例。說明如下：在駕駛室A內(nèi)啟動車輛，此時主控ECU會根據(jù)輸入值判斷蓄能器是否充壓，并根據(jù)啟動駕駛室，控制A橋浮動閥工作，A橋比例閥和鎖止閥斷電，保證A橋的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向器控制。假設(shè)選擇全輪轉(zhuǎn)向模式，轉(zhuǎn)動駕駛室A內(nèi)的方向盤，轉(zhuǎn)向器A助力轉(zhuǎn)向直拉桿拉動駕駛室A下方的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動，主控ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向模式及A橋轉(zhuǎn)角信號使B橋比例閥相應(yīng)磁鐵通電，B橋鎖止閥斷電，B橋浮動閥斷電，執(zhí)行ECU根據(jù)A橋角度傳感器輸出值和B橋比例閥閥芯位移傳感器控制此比例閥開度，進(jìn)而控制B橋轉(zhuǎn)向助力對中缸的動作及行程，B橋角度傳感器測量B橋輪胎角度值和閥芯位移傳感器同時反饋給執(zhí)行ECU，對B橋輪胎轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)節(jié)直至與理論值誤差不超過0.5°，其他轉(zhuǎn)向模式可根據(jù)電控系統(tǒng)原理圖4依次類推。

為保證車輛的安全，駕駛模式的選擇以車速做為主控ECU必要的輸入條件。當(dāng)車速低于20 km/h時，所有轉(zhuǎn)向模式均可以選擇；當(dāng)車速高于20 km/h且小于40 km/h時，可以選擇F4ws和Auto 2種模式，當(dāng)車速高于40 km/h時，只可以選擇Auto模式即2個轉(zhuǎn)向助力對中缸均鎖止，所有輪胎均不可轉(zhuǎn)。

3 設(shè)計難點(diǎn)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最關(guān)鍵的性能是可靠行、輕便性。采用雙動力轉(zhuǎn)向器機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保證車輛在任何苛刻的條件下都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，另電控液壓系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，增加冗余ECU并且采用雙線制角度傳感器，保證電路系統(tǒng)可靠及輸入正確性，因蓄能器是比較高效的儲能元件[12]，液壓系統(tǒng)采用蓄能器作為備用液壓源，提高液壓系統(tǒng)的可靠性，并設(shè)計了多組液壓鎖保障液壓系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計多組平衡閥穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，避免壓力沖擊對液壓系統(tǒng)的破壞，提高系統(tǒng)的壓力可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度設(shè)計時充分考慮壓力對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。則采用PID 控制算法來控制比例閥開口[14]，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力對中缸位移，實(shí)現(xiàn)車橋的精確轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向助力泵，對于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言是目前相對比較成熟的產(chǎn)品，此處不再贅述，著重介紹液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具體實(shí)施方式見圖5。由圖5可以看出，該系統(tǒng)采用2套一樣的系統(tǒng)分別控制A，B 2根轉(zhuǎn)向橋，實(shí)現(xiàn)A，B駕駛室的全模式轉(zhuǎn)向。

圖4 電控系統(tǒng)原理圖

圖5 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓回路含有1個助力泵做為動力油源，1個5 μm高壓過濾器保證系統(tǒng)油液的清潔度；1個電磁溢流閥保證系統(tǒng)工作時系統(tǒng)升壓，不工作時系統(tǒng)卸荷，節(jié)約能源[15]；2個比例閥組，由減壓閥和梭閥組成壓力補(bǔ)償器，梭閥具有流體阻力小，開閉迅速的優(yōu)點(diǎn)[16]，保證轉(zhuǎn)向助力對中缸按所需工況實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向或鎖止，單向閥防止蓄能器油液回流。浮動閥保證鎖止腔的建壓、卸荷及換向腔液壓鎖的啟閉，液壓鎖保證換向腔的壓力；直動式溢流閥保證轉(zhuǎn)向腔壓力不超載及緩解壓力沖擊。鎖止閥保證轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向腔的壓力建立及鎖止腔的壓力卸荷。2個蓄能器，吸收壓力沖擊，在油源切斷的情況下，在一定時間內(nèi)保證鎖止腔或轉(zhuǎn)向腔的壓力，球閥為保證檢修安全使用。檢修時，關(guān)閉球閥，防止蓄能器高壓油液傷人。2個分別安裝在2個轉(zhuǎn)向橋上的轉(zhuǎn)向助力對中缸，起轉(zhuǎn)向助力與對中作用。

4 結(jié)論

樣車下線后，對車輛的轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，測試分3個方面進(jìn)行：一是車速低于20 km/h轉(zhuǎn)向,各種轉(zhuǎn)向模式均可以選擇，后橋轉(zhuǎn)角稍有滯后，可迅速修正；二是低速轉(zhuǎn)向測試，在車速低于40 km/h時，車輛可進(jìn)行除了MinR和Crab轉(zhuǎn)向模式外的其他兩種轉(zhuǎn)向模式選擇及切換;三是高速測試，當(dāng)車速由20 km/h緩慢提升至40 km/h時，后橋轉(zhuǎn)角逐漸減小，直至車速40 km/h時后橋完全對中鎖止，車速大于80 km/h，后橋?qū)χ墟i止，車輛保持直線行駛。車輛的最小轉(zhuǎn)彎直徑是非常重要的通過性參數(shù)，在MinR模式下，車輛的轉(zhuǎn)彎直徑可以達(dá)到最小值，重點(diǎn)測量了全輪轉(zhuǎn)向模式下前橋轉(zhuǎn)角β與后橋轉(zhuǎn)角α的計算值與試驗(yàn)值對比如圖6所示。

圖6 MinR模式車輛后橋轉(zhuǎn)角設(shè)計值與測量值對照關(guān)系

對試驗(yàn)結(jié)果分析后橋誤差最大不超過1°，滿足設(shè)計要求，可保證駕駛室切換可靠，轉(zhuǎn)向模式切換迅速，轉(zhuǎn)向流暢，前后橋轉(zhuǎn)角關(guān)系準(zhǔn)確。對于雙頭車輛，采用機(jī)械轉(zhuǎn)向加電控液壓轉(zhuǎn)向配合的方案既能實(shí)現(xiàn)駕駛室切換，2個駕駛室內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向模式切換，又能優(yōu)化車輪間的轉(zhuǎn)角關(guān)系，實(shí)現(xiàn)每個車輪都做純滾動，降低油耗，減小輪胎磨損[17]，提高輪胎使用壽命。