后橋主動轉(zhuǎn)向在多軸車輛中的應(yīng)用

賈超　賈鵬飛　羅志文　田文軍

摘 要：本文介紹了后橋主動轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)組成和工作原理，以及在8X8重型高機動車輛上的應(yīng)用情況，對整車性能的提升。經(jīng)過整車計算，該系統(tǒng)符合全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)指標，達到車輛使用要求。

關(guān)鍵詞：后橋主動轉(zhuǎn)向 電控液壓 全輪轉(zhuǎn)向

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，物流重型車輛和軍用重型車輛需求不斷增加，同時對重型車輛的機動性能要求也不斷提高。重型運輸車一般軸數(shù)多，噸位大，車體長，質(zhì)心高且路況較為惡劣，通常是前橋轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑很大，后輪輪胎磨損嚴重，高速轉(zhuǎn)向易甩尾有側(cè)傾風險。后橋主動轉(zhuǎn)向技術(shù)可以減小車輛最小轉(zhuǎn)彎直徑，提高車輛機動性、操縱穩(wěn)定性和通過性，是改善重型車輛機動性的重要手段。

本文以8X8重型高機動車輛為目標車型，設(shè)計了基于電控液壓原理的后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對車橋轉(zhuǎn)向進行獨立的模塊化控制，根據(jù)不同工況，車輛可以實現(xiàn)前橋轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)向模式。當車輛在有限空間轉(zhuǎn)彎或倒車時，采用全輪轉(zhuǎn)向模式，可顯著減少車輛轉(zhuǎn)彎半徑;當車輛在狹小場地調(diào)整位置時，可采用蟹形轉(zhuǎn)向模式進行平移，快速就位;當車輛在高速行駛時，后輪轉(zhuǎn)向鎖止，自動切換為前橋轉(zhuǎn)向保持車輛行駛平穩(wěn)性。

2 后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成

本文的后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案是采用電控液壓的驅(qū)動方式，整個系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)、電控液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成，見圖1。

其中該車為8X8驅(qū)動，懸架為雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)采用雙搖臂、斷開式轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)。前2橋為轉(zhuǎn)向梯形組合;后2橋為轉(zhuǎn)向梯形組合。后2橋有1個轉(zhuǎn)向助力油缸和1個轉(zhuǎn)向?qū)χ杏透?。轉(zhuǎn)向助力油缸用于驅(qū)動梯形機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向，對中油缸用于各種模式下轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的對中、鎖死。該車的后兩橋的車輪轉(zhuǎn)角可以分別進行獨立控制。

電控液壓系統(tǒng)為轉(zhuǎn)向助力油缸和轉(zhuǎn)向?qū)χ杏透滋峁┯糜谏炜s的液壓動力源。液壓動力源采用電機驅(qū)動液壓泵。該液壓系統(tǒng)帶儲能器，用于應(yīng)急轉(zhuǎn)向和快速轉(zhuǎn)向時的流量需求。

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)接收整車VCU發(fā)出的轉(zhuǎn)向模式和轉(zhuǎn)角要求等信號，并根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角信號信號，轉(zhuǎn)向控制器控制電磁閥的開關(guān)和比例閥的開度等，控制轉(zhuǎn)向助力缸能否伸縮，以及助力缸伸縮的方向及長度，以及轉(zhuǎn)向?qū)χ懈赘印χ谢蛘哝i止，從而控制梯形機構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向和速度，并通過冗余的角度傳感器感知轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的轉(zhuǎn)動情況，進行閉環(huán)控制。

當轉(zhuǎn)向結(jié)束后，整車控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)角信號為0，轉(zhuǎn)向控制器控制液壓系統(tǒng)，使轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)回正，然后對中鎖止。此外轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)還可實現(xiàn)故障診斷、應(yīng)急轉(zhuǎn)向等功能。

3 后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

3.1 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)

圖2是后2橋主動轉(zhuǎn)向液壓原理圖。8X8的前兩橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用傳統(tǒng)機械-液壓助力方式，由方向盤直接控制，作為前橋轉(zhuǎn)向。三、四橋采用電控液壓的方式，滿足整車全輪轉(zhuǎn)向模式需求。

1.液壓泵 2.過濾器 3.單向閥 4.比例流量閥 5.三位四電磁換向閥 6.兩位四通電磁閥 7.兩位三通電磁閥 8.節(jié)流閥 9.壓力傳感器 10溢流閥

液壓系統(tǒng)工作原理說明如下：

正常轉(zhuǎn)向：當助力缸需要動作時，兩位三通電磁閥（7）得電，對中缸卸荷隨動對中狀態(tài)解除，助力缸可以控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。通過三位四通電磁換向閥（5）控制轉(zhuǎn)動方向，比例流量閥（4）根據(jù)控制器的控制信號調(diào)整轉(zhuǎn)向速度，助力缸內(nèi)帶有位移傳感器，車輪處有角度傳感器，通過兩種傳感器反饋信號與比例閥形成閉環(huán)控制精確控制車輪擺角，當擺角角度到位并需要長時間保持時兩位三通電磁閥（6）得電，可鎖止轉(zhuǎn)向助力缸。

轉(zhuǎn)向?qū)χ校盒枰獙χ袝r，三位四通電磁換向閥（5）與兩位四通電磁閥（6）斷電此時助力缸卸荷隨動;兩位三通電磁閥（7）斷電，對中缸上壓對中，梯形機構(gòu)對中鎖死;調(diào)節(jié)節(jié)流閥（8）可以調(diào)整對中速度。

強制對中：當控制器故障所有電磁閥斷電時，各閥全部處于零位狀態(tài)，此時助力缸強制處于浮動狀態(tài)，對中缸強制處于對中狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)向輪迅速回正，確保安全行駛。

3.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)工作原理說明如下：

轉(zhuǎn)向控制器通過CAN總線接收VCU發(fā)出的轉(zhuǎn)向模式信號，當全輪轉(zhuǎn)向模式時，開啟3橋助力缸控制閥。轉(zhuǎn)向控制器通過CAN總線接收VU發(fā)出的轉(zhuǎn)向信號時，結(jié)合車速信息，換算后兩橋所需的轉(zhuǎn)向角度，控制兩個橋的各個閥組動作，并實時采集轉(zhuǎn)向角度傳感器和位移傳感器雙冗余信號，計算出助力缸比例閥的占空比，實現(xiàn)精準控制;轉(zhuǎn)向控制器采集油路的壓力傳感器值，當壓力小于閥值或者需要大油壓助力時，通過CAN總線發(fā)送控制信號給電機驅(qū)動器，使電機高速運行;相反，當壓力處在正常范圍并且不需要助力時，控制電機低速運行，以節(jié)省電源消耗。轉(zhuǎn)向控制器可實時檢測各個傳感器、電磁閥、油泵電機和控制器的工作狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時，將故障分級并通過CAN總線報文發(fā)出;當出現(xiàn)嚴重故障時，轉(zhuǎn)向控制器將對助力缸控制閥斷電，待對中缸將轉(zhuǎn)向軸回正后進行鎖死，不再參與轉(zhuǎn)向，從而保證車輛安全行駛。

4 后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在8X8車輛中的應(yīng)用

將后橋主動轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用在8X8重型運輸車輛上，對比前橋轉(zhuǎn)向和全輪轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑如下：

4.1 前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)彎半徑的計算

所謂理想轉(zhuǎn)向，就是不考慮輪胎的側(cè)向偏離，輪胎做純滾動的轉(zhuǎn)向。如圖 4 的關(guān)系，可得8X8車輛前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑為：

式中：

是前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑;

是車輪轉(zhuǎn)臂;

是車輛總軸距;

是轉(zhuǎn)向中心到第四橋的距離;

是第一橋外輪的最大轉(zhuǎn)角;

代入相關(guān)參數(shù)，由上式得8X8車輛前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑為13330.8mm。

4.2 全輪轉(zhuǎn)向最小轉(zhuǎn)彎半徑的計算

假設(shè)8X8車輛動力轉(zhuǎn)向分為2組，1、2橋為前組，3、4橋為后組，所有車橋等距分布，轉(zhuǎn)彎瞬時中心處在整車軸距中心垂線的延長線上，如圖5的關(guān)系，可得8X8車輛全輪轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑為：

式中：

是全輪轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑;

是車輪轉(zhuǎn)臂;

是車輛總軸距;

是第一橋外輪的最大轉(zhuǎn)角。

代入相關(guān)參數(shù)，由上式得8X8車輛全輪轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)彎半徑為7664.6mm。

4.3 小結(jié)

8X8車輛在前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向是的最小轉(zhuǎn)彎半徑分別為13330.8mm、7664.6mm?？梢?，后橋主動轉(zhuǎn)向可大幅減少最小轉(zhuǎn)彎半徑，提升多軸車輛的通過性。

8X8車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑為7664.6mm。

由圖4可見，8X8車輛前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向時，由于3、4橋為非轉(zhuǎn)向橋，車輛走出8條車轍。由圖5可見，8X8車輛全輪（1、2、3、4橋）轉(zhuǎn)向時，由于所有車橋都是轉(zhuǎn)向橋，車輛走出4條車轍，相比前橋（1、2橋）轉(zhuǎn)向的8條車轍，因車轍減少可減小行駛阻力，也有利于減少輪胎磨損。

5 結(jié)論

本文研究了后橋主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理，通過電控液壓系統(tǒng)實現(xiàn)對后橋的轉(zhuǎn)角控制，滿足整車全輪轉(zhuǎn)向和蟹行行走的要求。通過計算對比，全輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑大幅減小，是提升整車的通過性的一個重要手段，方案經(jīng)過實車驗證，系統(tǒng)設(shè)計有效。

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