車輛電控式液壓轉向系統動態特性仿真與分析

陳　紹

摘要：利用液壓控制理論和MSC.EASY5仿真系統，以某型三軸車輛液壓動力轉向系統為例，仿真車輛電控式液壓動力轉向系統的動態特性，仿真結果為設計液壓動力轉向機構提供理論依據。研究結果表明：提高系統的壓力可以提高系統的響應靈敏度，但增加負載對系統的影響不大；高速時液壓系統對車輛橫擺角速度的影響明顯，使系統有明顯的振蕩，低速時對車輛的橫擺角速度的影響并不明顯。

關鍵詞：液壓轉向系統；動態特性；MSC.EASY5仿真

中圖分類號：U463文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）05-0007-02

車輛液壓轉向系統的動態仿真對于改進液壓動力轉向系統的設計，提高液壓轉向系統的可靠性都具有重要意義，本文將運用MSC.EASY5軟件包，以某型三軸車輛液壓動力轉向系統為例，建立電控液壓轉向系統動態模型，并對系統的動態響應進行仿真和分析。

一、電控式液壓轉向系統原理

電控液壓轉向系統是指采用電子控制，以液壓缸作為執行機構的車輛轉向系統，它主要由傳感器、電控單元、控制閥、動力油缸等組成。系統中計算機根據前輪轉角傳感器收集前輪轉角信號，依照預定程序計算出整車達到最佳行駛軌跡時后輪最佳轉角，然后通過比例液壓裝置控制轉向油缸，同時計算機通過后輪轉角傳感器采集后輪實際轉角信號，通過與理論計算值比較進而對后輪轉角進行跟蹤補償控制，保證整車按駕駛員意圖正確行駛。

二、轉向系統仿真與分析

（一）仿真環境介紹

MSC.EASY5是波音公司幾十年工程實踐的結晶，它可以用來建立動態系統模型，同時對其進行仿真分析。EASY5具有完善的圖形化建模環境、強大的仿真分析能力和連接其它多種工程軟、硬件的開放結構，可以用來仿真各種由微分、差分和代數方程描述的動態系統，可以有效地幫助用戶對各類系統進行參數選定、功能評價、響應分析或控制邏輯設計等。

（二）轉向系統仿真模型建立

以某型三軸車輛液壓轉向系統為建模對象，液壓轉向機械結構如圖1所示。兩個液壓缸由梯形機構相連接。所有轉向輪由同一個液壓泵供油，溢流閥控制系統的壓力。各個轉向機構的轉向液壓缸由單獨的比例閥進行控制。

液壓轉向系統其實就是通過一系列閥門的通斷、開度大小、閥芯位移等來控制液體的壓力、流量、溫度等來實現轉向系統的穩定性。本文在EASY5軟件平臺上來模擬當輸入轉角信號改變時真實流體的壓力、質量流量等的變化，研究系統的穩定性和可行性。

在EASY5集成環境中，從液壓庫(Hydraulic Library)hb及共用庫（General Purpose）gp等庫中選取以下組件（Component）添加到工作區里：FP（流體屬性）、PH（泵）、RF（安全閥）、TN（油箱）、VG（比例閥）、AC（油缸）、T1（時間函數）、GB（控制器）、LA（慣性環節）、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所示的液壓系統仿真模型中，溢流閥RF作為安全閥使用，調節系統壓力，使系統避免高壓出現，延長系統液壓元件的運行壽命。T1為輸入的信號，經過加法器MC，PI控制器，慣性環節LA，來控制換向閥VG閥芯的運動。換向閥VG屬于典型位置控制系統，閥體與液壓缸固結在一起，構成了反饋控制。在控制過程中，首先由計算機給定輸入指令，推動電液比例閥的閥芯，液壓油進行液壓缸，推動其運動。液壓缸的輸出位移和輸出力能夠不斷地回輸到閥體上，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入液壓缸，驅動液壓缸運動，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為止?？梢钥闯?，這個系統就是利用反饋得到偏差信號，控制液壓能源輸入系統的能量（流量和壓力），使系統向著減小偏差的方向變化，從而使系統的實際輸出與希望值相符，即以偏差來消除偏差。輪胎阻力由彈簧代替(彈簧剛度為1200N/cm)。在建模過程中，為了增加仿真的可操作性和簡潔性，對控制液壓缸壓力的液壓元件進行包裝，組成一個新的液壓元件，它是由溢流閥組成。它的作用是調節進入液壓缸的壓力，對液壓缸起到保護的作用。

（三）系統仿真結果與分析

點擊仿真按鈕，進行仿真。根據實際的仿真效果，可以適當調節仿真步長，觀察液壓缸的動作順序及相應速度，在仿真過程中，三組液壓缸可以同時動作，各個液壓缸都有相應的比例閥控制。

當輸入函數為階躍函數時，在1s時同時給一橋、二橋、三橋一個轉向信號，在3s時達到轉向要求。通過PID控制和慣性環節來控制比例方向閥的開口，控制液壓油缸的活塞位移，以達到轉向的目的。由于每個橋的轉向半徑不同，所以每個橋的液壓缸的活塞位移也不同。

對液壓系統模型進行仿真分析，通過控制系統比例閥閥芯的位移來控制油缸活塞桿伸縮運動。在時間0～1s過程中，閥開口關閉，活塞桿件不運動，在1～3s中，閥口開啟，活塞趨于線性運動；在3～10s中，活塞位移趨于穩定。

由于每個橋在轉向時的轉向半徑在變化，所以要求輸出的控制信號也變化，來達到轉向的目的，當車輛轉彎時，方向盤給一個輸入信號，活塞位移作為反饋信號，控制每個橋的轉向半徑。在開始時，比例方向閥的閥芯處于中位，沒有液壓油流過，液壓油液體經過安全溢流閥流回油箱，所以活塞位移為零。溢流閥起安全閥調節系統壓力的作用。當在1s時方向盤給一個轉角信號，閥口慢慢打開，流量變大，活塞開始運動，進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，符合實際情況。

1．系統壓力與負載壓力的變化。在不同系統供油壓力和不同負載壓力的情況下，輸入轉向信號（階躍信號）來分析活塞桿位移的變化曲線。當系統的供油壓力由18MPa升到22MPa，彈簧的彈性剛度為1200N/cm時，系統的動態相應曲線如圖3(a)、(b)所示。當系統供油壓力為18MPa，彈簧彈性剛度增加到1800N/cm時，系統的動態相應曲線如圖3（b）、（c）所示：

從上圖可以看出，當系統壓力提高時，系統響應上升時間縮短了0.0021s，提高了系統的響應靈敏度。而當負載壓力增大時，響應上升時間略有增加，超調量減小，即系統的響應靈敏度略有下降。

2．液壓系統對整車性能影響。以三軸車輛為例對液壓系統進行驗證，階躍信號為輸入，進行仿真分析，分析液壓對車輛動態特性的影響，高速時取速度50km/h，低速時取速度20km/h。結果如圖4所示：

由圖4以看出，無論在低速和高速時，車輛側偏角超調量都有所增加，這是因為增加液壓系統使系統的阻尼變小，產生了一定的振蕩，但過渡時間并沒有加大的變化，且液壓系統并沒有改變車輛的穩態特性。

由圖5可以看出，高速時液壓系統對車輛橫擺角速度的影響非常明顯，使系統有明顯的振蕩；低速時液壓系統

對車輛的橫擺角速度的影響并不明顯，沒有改變其穩態值。

三、結語

本文通過Esay5建立某型三軸車輛電控液壓轉向系統模型，并通過仿真研究，分析了系統壓力和負載的變化對系統的影響規律，以及液壓系統對整車性能的影響。結果表明，提高系統的壓力可以提高系統的響應靈敏度，但增加負載對系統的影響不大；另外，高速時液壓系統對車輛橫擺角速度的影響明顯，使系統有明顯的振蕩，低速時對車輛的橫擺角速度的影響并不明顯。

參考文獻

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