多軸車輛第三軸電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉少君，劉 俊，林貝清，焦 俊

Liu Shaojun1，Liu Jun1，Lin Beiqing2，Jiao Jun3

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 一汽解放柳州特種汽車有限公司，廣西 柳州 545006；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

多軸車輛第三軸電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉少君1，劉 俊1，林貝清2，焦 俊3

Liu Shaojun1，Liu Jun1，Lin Beiqing2，Jiao Jun3

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 一汽解放柳州特種汽車有限公司，廣西 柳州 545006；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

多軸車輛轉(zhuǎn)向時(shí)后輪不隨動(dòng)轉(zhuǎn)向容易造成后輪偏磨，針對某款8×2多軸車輛，開發(fā)出一種電控液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)，前后車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系通過阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系得到。為提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器采用PID閉環(huán)控制。經(jīng)過臺架試驗(yàn)及實(shí)車試驗(yàn)，多軸車輛轉(zhuǎn)向效果良好，后輪無磨損。證明這種電控液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)用在多軸車輛上是完全可行的，解決了8×2多軸車輛的第三軸輪胎在轉(zhuǎn)向時(shí)的偏磨問題。

多軸轉(zhuǎn)向；電控液壓；輪胎偏磨

0 引 言

在依靠轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行前后軸協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向的某一多軸車輛上，由于第二軸與第三軸之間的轉(zhuǎn)向縱拉桿過長變形、轉(zhuǎn)向垂臂受車載載荷變化而有位置偏轉(zhuǎn)以及球鉸的磨損間隙等原因造成轉(zhuǎn)向時(shí)第三軸轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角產(chǎn)生過大偏差，導(dǎo)致其與第一軸轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向不協(xié)調(diào)，使得輪胎磨損過大。

為解決第三軸輪胎的偏磨問題，使第三軸車輪轉(zhuǎn)角在轉(zhuǎn)向時(shí)能夠與第一軸車輪轉(zhuǎn)角滿足一定的轉(zhuǎn)角關(guān)系，設(shè)計(jì)出一種電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

這種多軸車輛第三軸電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和轉(zhuǎn)角傳感器等組成，該系統(tǒng)舍棄前轉(zhuǎn)向軸到后轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向縱拉桿，通過傳感器從第一轉(zhuǎn)向軸獲取轉(zhuǎn)向信息，并完全依靠液壓力推動(dòng)第三軸與前轉(zhuǎn)向軸協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，定位準(zhǔn)確，精度高，能夠避免輪胎發(fā)生偏磨，增強(qiáng)了汽車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與行駛安全性。

1 電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

多軸車輛第三軸電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示，其中閥1、閥2、閥3為兩位四通閥，閥4與閥5為三位四通比例換向閥，液壓機(jī)構(gòu)的油缸使用的是轉(zhuǎn)向?qū)χ杏透譡1]，轉(zhuǎn)向?qū)χ凶枣i油缸右端固定于車橋上，左端則通過連桿焊接在第三轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向橫拉桿上。整個(gè)缸筒浮動(dòng)安裝。當(dāng)對中液壓缸左活塞運(yùn)動(dòng)到左液壓缸右端面A2面，右活塞運(yùn)動(dòng)到右液壓缸右端面A1面時(shí)，第三軸輪對中。

閥1、閥2、閥3為緊急備份系統(tǒng)，正常工作時(shí)閥3打開，閥1、閥2關(guān)閉，控制器根據(jù)第一軸信號及后轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角信號，通過比例換向閥閥4、閥5控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)調(diào)的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。一旦檢測到故障，閥3關(guān)閉，閥1運(yùn)動(dòng)使左缸運(yùn)動(dòng)到A2面，閥2運(yùn)動(dòng)使右缸運(yùn)動(dòng)到A1面，后轉(zhuǎn)向輪對中，第三軸車輪不隨著第一軸轉(zhuǎn)角變化而發(fā)生變化，以免發(fā)生意外。

2 8×2多軸汽車轉(zhuǎn)向模式分析

為了減少輪胎磨損，在轉(zhuǎn)向過程中，車輪必須圍繞同一瞬時(shí)中心做圓周滾動(dòng)，該車第四軸為驅(qū)動(dòng)軸不進(jìn)行轉(zhuǎn)向，理想的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖2所示，第一軸外輪轉(zhuǎn)角α1與第三軸外輪轉(zhuǎn)角α3之間應(yīng)該滿足以下關(guān)系：

式中，L1為汽車一四軸距，該車為8 150 mm；L3為汽車三四軸距，該車為1 700 mm；B為外輪主銷軸線與地面相交點(diǎn)之間的距離。

3 電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制器設(shè)計(jì)總述

控制器選用飛思卡爾S12XS128單片機(jī)，它是16位單片機(jī)，芯片處理能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高，以飛思卡爾S12XS128單片機(jī)為中心，搭建一些其他功能模塊來組成控制器的硬件電路，硬件電路的設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)所有的功能要求，又要盡量簡潔，避免復(fù)雜電路增加的不必要成本及信號處理困難。

基于飛思卡爾S12XS128設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)如圖3所示，控制器采集到第一軸及第三軸的轉(zhuǎn)角信號，對信號進(jìn)行處理來控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，其中閥4及閥5為比例換向閥，通過配套的驅(qū)動(dòng)放大器來驅(qū)動(dòng)。

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語言編寫，在CodeWarrior 中進(jìn)行，程序開始時(shí)要對變量進(jìn)行定義并調(diào)用初始化程序，對于一些耗時(shí)比較長的程序可以放在主循環(huán)外調(diào)用，程序初始化完成后就進(jìn)入到程序的主循環(huán)中，主循環(huán)的程序框圖如圖4所示，主循環(huán)是整個(gè)程序的核心，在主循環(huán)中調(diào)用各種子程序及使用各種算法來確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為確保電控液壓系統(tǒng)運(yùn)行的及時(shí)性，程序每個(gè)循環(huán)的時(shí)間盡量小，一般不大于100 ms。主循環(huán)控制程序主要由下述3個(gè)方面組成。

3.2.1 前軸及后軸傳感器信號的采集

角度傳感器采用無接觸式角度傳感器，其信號為電壓值，特點(diǎn)是：測量角度值與其測到的電壓值呈線性關(guān)系，前軸（第一軸）電壓0.96～4.8V對應(yīng)角度值為-45°～+45°，由此可得

飛思卡爾S12XS128中8位的A/D轉(zhuǎn)換0～5V電壓對應(yīng)0～255，其數(shù)值在結(jié)果寄存器ATD0DR1L中顯示，則單位電壓對應(yīng)的寄存器數(shù)值為

3.2.2 后軸理想值與實(shí)際值的比較計(jì)算

理想的第三軸轉(zhuǎn)角由式（3）、式（4）確定，這樣可以得到理想的第三軸轉(zhuǎn)角與實(shí)際的第三軸轉(zhuǎn)角值差值e（t），若e（t）在誤差允許范圍內(nèi)，閥4、閥5截止，第三軸不轉(zhuǎn)動(dòng)；若e（t）在誤差范圍外，則采用PID控制算法來控制閥4、閥5的開口大小，實(shí)現(xiàn)第三軸的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向。

PID控制表達(dá)式為

將微分項(xiàng)目用差分代替，積分項(xiàng)目用矩形和式代替，可得到滿足計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字PID控制表達(dá)式

式（12）即為編程時(shí)使用的公式，其中u（0）=0，e（0）=0，kp、ki、kd值由試驗(yàn)確定。

3.2.3 比例換向閥的控制

比例換向閥需要配套驅(qū)動(dòng)放大器使用，為了控制方便，選擇輸入4～20 ma的放大器，其中12 ma為零點(diǎn)，4～12 ma為左轉(zhuǎn)，12～20 ma為右轉(zhuǎn)，需要控制器輸出4～20 ma的電流，S12XS128單片機(jī)沒有D/A轉(zhuǎn)換模塊，需外接D/A轉(zhuǎn)換電路，采用16位的AD421芯片來實(shí)現(xiàn)。16位DATA全置“0”時(shí)輸出4 ma的電流，全置“1”時(shí)輸出20 ma的電流，具體數(shù)值通過將PID公式的計(jì)算值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值得到。

4 臺架試驗(yàn)及實(shí)車試驗(yàn)

4.1 臺架試驗(yàn)

搭建臺架如圖5所示，采用電動(dòng)機(jī)模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，穩(wěn)壓電源模擬車載24 V電源，試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)代表第一軸的指針，當(dāng)允許的誤差值為±1°，kp、ki和kd分別為2 048、0.1和0時(shí)，不管是以快速、中速還是慢速轉(zhuǎn)動(dòng)第一軸指針，第三軸指針均無抖動(dòng)。試驗(yàn)車輛第一軸外輪最大轉(zhuǎn)角27°，內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角33°，以慢速轉(zhuǎn)動(dòng)第一軸指針時(shí)，試驗(yàn)數(shù)值如表1、表2所示。

表1 慢速時(shí)左轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 慢速時(shí)右轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1、表2可以看出，以慢速轉(zhuǎn)動(dòng)第一軸指針時(shí)，第三軸轉(zhuǎn)角的誤差值在允許的誤差值±1°內(nèi)。

4.2 實(shí)車試驗(yàn)

轉(zhuǎn)角傳感器分別布置在第一和第三轉(zhuǎn)向軸的左側(cè)轉(zhuǎn)向主銷的頂端，如圖6所示，信號線及車載電源線延長到駕駛室內(nèi)，便于控制器的安裝。液壓系統(tǒng)安裝在第三轉(zhuǎn)向軸上方車架上，如圖7所示。

臺架試驗(yàn)第三軸指針在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻力小，在實(shí)車測試時(shí)特別是原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力大，通過臺架試驗(yàn)獲得kp、ki、kd的值時(shí)，第三軸車輪在原地轉(zhuǎn)向時(shí)有高頻抖動(dòng)，可以看出液壓缸有過沖現(xiàn)象。根據(jù)PID控制原理，需要減小比例控制環(huán)節(jié)。保持ki、kd的值不變，改變kp的值為1 000后，抖動(dòng)消除。

表3 原地轉(zhuǎn)向左轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 原地轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3、表4可以看出，原地轉(zhuǎn)向第一軸指針時(shí)，第三軸轉(zhuǎn)角的誤差值在允許的誤差值±1°內(nèi)。

在行駛時(shí)轉(zhuǎn)向，第一三軸的轉(zhuǎn)角關(guān)系不易測得，但可以明顯觀測到安裝該系統(tǒng)后的后輪輪胎幾乎無磨損，效果良好（見圖9、圖10）。

5 結(jié)束語

文中所述的多軸車輛第三軸電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠解決后輪的偏磨問題，效果較好，能夠滿足企業(yè)要求的誤差值±1°，為多軸車輛的轉(zhuǎn)向問題提供了解決方法。

[1]劉俊，林貝清. 電控全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中自鎖對中液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng)，2011，（10）：85–87.

[2]楊國軍，鐘衛(wèi). 一種汽車電動(dòng)式轉(zhuǎn)向器的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（10-2）：259–261.

[3]張芬娜. 輪式工程車輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]. 山東：中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械電子工程，2009.

U463.42.02

A

2013- 02- 27

1002-4581（2013）03-0043-04