多軸車輛線控液壓轉向系統設計及轉角控制

　　摘要：為減小多軸轉向車輛貨廂部位的第三軸轉向輪轉向磨損，要求該車輪與駕駛室部位的前轉向輪轉角關系滿足阿克曼轉向原理。針對某型號 8×2 四軸重型車輛，設計出一種第三軸線控液壓轉向系統，并建立其動力學模型，設計了基于指數趨近律的滑模控制器對第三軸轉向輪轉角進行控制，選取典型工況對所設計的控制器進行了仿真分析，并進行實車試驗驗證。結果表明：基于指數趨近律的滑模控制比基于比例切換函數的滑模控制及開環控制響應更快速、趨近目標值時間及超調持續時間更短、穩態差值更小;與采用機械液壓轉向系統相比，安裝基于該控制器的線控液壓轉向系統不僅能顯著提高第三軸輪胎的轉向抗磨損性能，同時也改善了整車的轉向性能。

　　劉俊; 石朝歡; 林貝清; 黃鶴， 中國機械工程 發表時間：2021-09-29

　　關鍵詞：多軸車輛;線控液壓轉向系統;滑模控制;轉向磨損

　　0 引言

　　多軸轉向車輛具有運動靈活、自由度多、通過性好等優點。目前多軸車輛的轉向研究，主要集中在以下幾個方面：車輛的轉向模式研究[1];轉向系統結構優化設計[2-3];液壓轉向系統的研究[4]等。多軸車輛液壓轉向系統主要以全液壓轉向和液壓助力轉向為主，隨著現代電子技術的發展，有學者提出了將線控轉向和全液壓轉向技術 相結合，開發了線控液壓轉向系統。線控液壓轉向系統由于拋棄了機械轉向傳動軸，通過電子控制單元(ECU)、傳感器及閥控轉向推力油缸對車輛實現線控轉向，且可以根據車速及方向盤轉角的變化對轉向力實現柔性控制等優點，一般應用于產量較少的多軸導彈運輸車或超多軸平板車(軸數多于 8)等高端車型以及重型農業車上[5]。目前，國內商用車生產廠家為了降低研發及制造成本，針對一般性的多軸重型車輛多采用機械液壓轉向，即通過轉向傳動桿系將駕駛室前轉向軸的液壓轉向力傳遞到貨廂后轉向軸并控制后轉向軸轉向輪的轉動角度實現與前轉向軸轉向輪的隨動轉向[6]。由于位于車輛后部的貨廂部位的后轉向軸與駕駛室的前轉向軸距離較長，轉向傳動桿系剛度較小，隨著車輛載貨量的增加，桿系發生變形，后軸的轉向輪轉角誤差不斷加大，使得前后軸間轉向不協調，導致后轉向軸轉向輪容易發生磨損。此外，在車輛高速行駛或在不平路面行駛時，較長的桿系容易發生擺振，也會導致后轉向軸轉向輪過多的磨損。所以，生產廠家迫切需要一種技術解決方案，在保留前轉向軸機械液壓轉向系統前提下，能夠減少貨廂后轉向輪的轉向磨損。

　　本文研究的某型號 8×2 四軸重型車輛，位于駕駛室的雙前橋(軸)為機械液壓助力轉向系統，第四軸不參與轉向為驅動軸。位于貨廂部位的第三軸為轉向軸，為控制成本，不改變輪胎轉向磨損較小的一、二軸轉向系統，在第三軸采用線控液壓轉向，解決第三軸轉向輪由于轉向不協調造成的磨損，使第三軸在轉向時能以設定的角度跟隨第一軸轉向。目前，線控液壓轉向的研究多集中在低速重型農業車及其轉向力、轉向路感控制策略方面[7-8]。根據公開的文獻資料，對于重型車輛線控液壓轉向系統及轉角控制方面的研究很少。

　　本文首先設計了某型號 8×2 四軸重型車輛第三軸線控液壓轉向系統，并建立其動力學模型，設計了滑模閉環反饋控制器，對第三軸轉向輪轉角進行控制，通過仿真分析和實車試驗驗證了基于滑模控制器的轉角控制的轉向抗磨損性能以及效果。

　　1 線控液壓轉向系統

　　設計的總體目標是開發出性價比好，性能穩定的后軸線控液壓轉向系統。該轉向系統拋棄掉從前轉向軸到后轉向軸的轉向縱拉桿，通過傳感器從前第一轉向軸獲取轉向信息，并完全依靠液壓力推動后第三轉向軸隨前轉向軸協調轉向。

　　1.1 線控液壓轉向系統設計

　　為了實現第三軸的線控液壓轉向，利用傳統的液壓助力轉向系統，在原有的基礎上裝配電控單元、轉角傳感器、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路面沖擊導致轉向輪偏轉而造成輪胎磨損，執行機構采用對方向盤中位實現機械定位及自鎖功能的對中自鎖油缸，如圖 1 所示。鋼球在彈簧圈的作用下與活塞桿以及缸筒內壁壓緊。當沒有液壓油輸入油缸，活塞桿在其他外力作用下有移動趨勢時，其運動方向側鋼球與活塞桿以及缸筒之間壓力加大，實現自鎖;有液壓油輸入油缸時，油液推動可移動活塞，其凸緣推動逆移動方向側鋼球沿斜面下落實現解鎖。

　　圖 2 所示為第三軸線控液壓轉向系統的總體設計。第一軸轉角信號和車速信號被傳感器采集后傳至電控單元，電控單元經設定的控制算法得到第三軸車輪的目標轉向角度，通過電液比例閥的電壓信號，控制對中自鎖油缸的活塞位移，進而控制第三軸車輪轉動，與此同時利用轉角傳感器將第三軸車輪實際轉角反饋給電控單元，構成閉環反饋控制跟蹤第三軸目標轉角，從而實現抗第三軸轉向輪轉向磨損的線控轉向。

　　正常情況下，電磁閥 3 置左位、電磁閥 4、5 置右位，使冗余系統油路關閉，通過比例閥 1 和比例閥 2 控制對中自鎖油缸實現轉向。第三軸左轉時，溢流閥按設定壓力要求處于閉合狀態，比例閥開始動作，此時閥 1 處于左位，閥 2 處于右位，油液由兩端的 A1、B2 流入對中自鎖油缸，由中間的 A2、B1 流出，油缸動作將第三軸轉向橫拉桿向右拉回，則車輪進行左轉。右轉同理。第三軸處于某個轉角不動時，閥 1 閥 2 處于中位截止狀態，此時系統壓力會迅速增大，當超過調定壓力時，溢流閥開啟，液壓油從油箱經粗濾器、液壓泵由溢流閥溢回油箱，對中自鎖油缸處于自鎖狀態。當電控單元檢測到故障時，比例閥 1 及 2 回到中位，該轉向工作油路斷開，冗余系統的三個電磁閥打開，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，最終左缸活塞運動到左缸最左端面、右缸活塞運動到右缸最左端面，對中自鎖油缸達到中位，從而第三軸轉向輪對中，此時第三軸轉向輪不跟隨第一軸轉向輪轉向。由于活塞到達極限位置而不再移動，此時油路壓力增大，超過溢流閥的設定壓力后，溢流閥開啟，實現油壓卸荷。

　　1. 2 實車安裝

　　為便于安裝，根據總體設計圖設計了液壓集成閥塊。集成閥塊的結構如圖 3 所示，安裝如圖 4(b)所示。將對中自鎖油缸安裝到車輛第三轉向軸后方，其右端與車橋相連，左端通過連桿與轉向橫拉桿相連，如圖 4(a)，將四個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，轉角傳感器分別安裝在第一軸和第三軸同側轉向主銷頂端。

　　2 線控液壓轉向系統動力學模型

　　2. 1 電液比例閥系統模型

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

　　電液比例閥配置有位移反饋，根據其運動學特性可得出傳遞函數為：