越野車后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張志運(yùn)，黃妙華，陳 謙

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070)

在普通前輪轉(zhuǎn)向的汽車行駛過程中，駕駛員通過操縱方向盤使汽車前輪作一定的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是難以保證車輛的良好轉(zhuǎn)向性能。為獲得良好的轉(zhuǎn)向特性，人們采取了一系列措施改進(jìn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如使用主動轉(zhuǎn)向改變前輪轉(zhuǎn)角，但是都沒有解決輕與靈的矛盾，而四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)通過后輪轉(zhuǎn)角的調(diào)整使解決這一矛盾成為可能。后輪轉(zhuǎn)向可以從兩個(gè)方面對整車的行駛性能進(jìn)行優(yōu)化，一是通過后輪與前輪反方向的偏轉(zhuǎn)，減小轉(zhuǎn)彎半徑，由此可以在城市運(yùn)行或泊車時(shí)減小負(fù)擔(dān);二是可以改善整車的穩(wěn)定性，通過前輪和后輪的同向偏轉(zhuǎn)可以使整車在高速行駛時(shí)具備更好的穩(wěn)定性。

四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)可以極大地提升大中型車輛的操縱性、穩(wěn)定性、安全性及舒適性，甚至與制動防抱死系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)TCS 一樣，成為具有重要意義的汽車領(lǐng)域的技術(shù)革命［1］。在某越野車固有后懸架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并用AMESim 軟件進(jìn)行了可行性分析，仿真結(jié)果表明，后輪液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較高的靈敏度。

1 后輪轉(zhuǎn)向理論分析

越野車后底盤部分安裝有轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，后車輪上左右的轉(zhuǎn)向節(jié)臂分別通過一根橫拉桿與懸架相連;該車采用雙橫臂獨(dú)立懸架，橫拉桿的外側(cè)球頭銷在以內(nèi)側(cè)球銷為中心的球面上運(yùn)動，并且產(chǎn)生側(cè)向位移;轉(zhuǎn)向節(jié)沿著懸架擺臂決定的幾何曲線上下運(yùn)動，只要該曲線與上述球面不一致就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷回轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生被動轉(zhuǎn)向，利用懸架的運(yùn)動形成后軸的轉(zhuǎn)向，后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型如圖1 所示。

圖1 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

車速較低時(shí)，通過后輪的逆向偏轉(zhuǎn)，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑明顯減小;車速較高時(shí)，通過前后輪的同向偏轉(zhuǎn)，此時(shí)前后輪產(chǎn)生的側(cè)向力同向，使得繞重心的偏駛力矩減弱，車輛軌跡曲線中心點(diǎn)后移，相當(dāng)于增大了車輛的輪距，行駛穩(wěn)定性增強(qiáng)［2］。

由阿克曼幾何學(xué)可知，普通前輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算圖如圖2 所示，整車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為：

式中：L為軸距;βmax為外輪最大偏轉(zhuǎn)角;l為輪胎接地中心面與主銷中心線間距離。

圖2 普通前輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算圖

將R=8.25 m，L=4 m，l=0.049 m 代入式(1)可得βmax=30.3°。

當(dāng)后輪也為轉(zhuǎn)向輪時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算如圖3 所示，后輪轉(zhuǎn)角不大，且假設(shè)后軸處于平行幾何關(guān)系，推導(dǎo)的整車最小轉(zhuǎn)彎半徑為［3］：

式中：K為輪距;γ 為后軸轉(zhuǎn)角。

將R'=7.5 m，K= 1.82 m，l=0.049 m，βmax=30.3°代入式(2)可得γ= 3.96°。

對比式(1)與式(2)可知，后軸3.96°的轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)便可使最小轉(zhuǎn)彎半徑減小0.75 m，即最小轉(zhuǎn)彎直徑可減小1.5 m。

圖3 四輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算圖

2 后輪轉(zhuǎn)向方案分析

液壓系統(tǒng)由于具有運(yùn)動平穩(wěn)、容易實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動、位置誤差小和控制精度高等特點(diǎn)［4］，且后軸只需要偏轉(zhuǎn)3.96°即可實(shí)現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎直徑減少1.5 m 的目的，因此后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全液壓轉(zhuǎn)向，從而保證后軸移動的精度。

圖4 液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖

液壓缸三維結(jié)構(gòu)如圖4 所示，二維結(jié)構(gòu)如圖5 所示。后輪液壓缸由對中缸和轉(zhuǎn)向缸組成，汽車中低速直線行駛時(shí)，液壓系統(tǒng)無轉(zhuǎn)向功能，轉(zhuǎn)向缸不工作，即油口1 和油口6 均不進(jìn)油和出油;而此時(shí)對中缸工作，油口2 進(jìn)油，液壓油經(jīng)過油口3進(jìn)入與其始終連通的油口5，從而推動兩邊活塞向中間運(yùn)動，油口4 出油，液壓缸對中，保證后軸處于中心位置;轉(zhuǎn)彎時(shí)，為減少轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)向缸工作，對中缸跟隨轉(zhuǎn)向缸一起運(yùn)動。

結(jié)合越野車底盤結(jié)構(gòu)的布置，最終的后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及懸架總成的裝配圖如圖6 所示。

圖5 液壓缸二維結(jié)構(gòu)圖

圖6 后輪底盤三維結(jié)構(gòu)圖

3 后輪轉(zhuǎn)向原理分析

后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全液壓式，通過后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電磁控制閥的開閉程度控制液體流量，與前輪協(xié)調(diào)一致完成整個(gè)轉(zhuǎn)向過程，從而保證后輪全液壓轉(zhuǎn)向方案的可行性。

越野車從低速左轉(zhuǎn)彎狀態(tài)恢復(fù)直線行駛時(shí)(此時(shí)前后輪為逆相位轉(zhuǎn)向狀態(tài)，后轉(zhuǎn)向輪需要從右轉(zhuǎn)狀態(tài)回正)，電磁閥接收方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號，三位四通電磁閥A 從左位切換到右位，三位四通電磁閥B 從中位切換到左位，電磁閥E從左位切換到右位。液壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向缸右腔，向轉(zhuǎn)向缸加載反向油壓，車輪開始回正，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保證下，轉(zhuǎn)向缸活塞運(yùn)動到中間位置時(shí)，三位四通電磁閥A 切換到中位，卸載油壓，轉(zhuǎn)向缸鎖死，如圖7 所示。與此同時(shí)，對中缸輔助工作，液壓油進(jìn)入對中缸左腔，由于C 油口和D 油口相通，液壓油流入右腔，在左右腔液壓壓力作用下，活塞向中間運(yùn)動，兩個(gè)活塞遇到擋塊時(shí)對中完成，在接收下一個(gè)方向盤轉(zhuǎn)角信號前，對中缸一直工作，油壓始終加載，如圖8 所示。圖中箭頭表示液壓油流向，“×”表示油路不通。越野車從右轉(zhuǎn)狀態(tài)恢復(fù)直線行駛時(shí)的油路與圖7 和圖8 相似。

越野車從低速直線行駛狀態(tài)到左轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，后轉(zhuǎn)向輪需要從對中位置右轉(zhuǎn)，電磁閥接收到方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號時(shí)，電磁閥A 從中位切換到左位，電磁閥B 從左位切換到右位，電磁閥E從左位切換到右位。液壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向缸左腔，車輪開始右轉(zhuǎn)，對中缸右腔中的液壓油經(jīng)過單向閥和電磁閥E 進(jìn)入油箱，此時(shí)對中缸處于隨動狀態(tài)，如圖9 所示。同理，后轉(zhuǎn)向輪需要從對中位置左轉(zhuǎn)時(shí)其油路與圖9 相似。

圖7 左轉(zhuǎn)向恢復(fù)直線行駛油路Ⅰ

圖8 左轉(zhuǎn)向恢復(fù)直線行駛油路Ⅱ

越野車高速行駛時(shí)，前后輪同相位轉(zhuǎn)向，其原理可參考圖7 ～圖9。

后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，單向閥可防止液壓油倒流;蓄能器可在液壓泵工作不穩(wěn)定，輸出壓力不夠時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的液壓穩(wěn)定;溢流閥可在系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值后快速恢復(fù);調(diào)速閥可調(diào)節(jié)液壓流量，達(dá)到調(diào)整活塞移動速率的目的［5］，使整個(gè)后輪系統(tǒng)滿足越野車不同工況的使用要求。

圖9 直線行駛切換至左轉(zhuǎn)向油路

4 后輪液壓系統(tǒng)仿真分析

當(dāng)后輪也為轉(zhuǎn)向輪，尤其是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用全液壓的越野車，其響應(yīng)特性對整車的操縱穩(wěn)定性有著很重要的影響，當(dāng)越野車需要急轉(zhuǎn)彎時(shí)，對后輪的轉(zhuǎn)向可靠性要求更高。液壓伺服機(jī)構(gòu)接收到方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)向信號后，后輪液壓轉(zhuǎn)向缸必須及時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，配合前輪進(jìn)行同相位或者逆相位轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向缸靈敏程度決定了后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，對中缸只有鎖死功能，因此建模時(shí)，未考慮對中缸，建立后輪液壓系統(tǒng)AMESim模型仿真圖如圖10 所示。

圖10 后輪液壓系統(tǒng)AMESim 模型仿真圖

AMESim 參數(shù)設(shè)置如表1 所示。仿真主要側(cè)重于液壓缸響應(yīng)品質(zhì)的測試，用方波信號代替經(jīng)過處理的且伺服閥接收到的方向盤轉(zhuǎn)角信號。

表1 AMESim 參數(shù)設(shè)置

由圖11 可知，活塞桿移動速度在波動比較小的情況下能較好地過渡，并與仿真結(jié)果十分吻合。方波信號能較好地模擬汽車連續(xù)轉(zhuǎn)彎時(shí)的方向盤轉(zhuǎn)動工況。若在行駛過程中出現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)彎的道路，方向盤需要從中間位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)動到θ 角度，再順時(shí)針轉(zhuǎn)動到θ 角度，循環(huán)重復(fù)整個(gè)過程，即可模擬蛇形試驗(yàn)工況［6-7］。

將方波信號與活塞位移的負(fù)反饋信號進(jìn)行疊加，進(jìn)行PID 處理［8-10］，處理后的PID 信號控制伺服閥的開啟程度，液壓油進(jìn)入活塞，當(dāng)活塞的位移與方波信號值一致時(shí)，疊加后信號為0，伺服閥關(guān)閉。活塞桿位移響應(yīng)與輸入信號對比曲線如圖12 所示，由圖12 可知，活塞桿位移的響應(yīng)與輸入信號變化趨勢一致，響應(yīng)較快，在誤差允許的范圍內(nèi)，實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)趨勢一致。因此，在一定程度上，該模型可以滿足活塞在小位移下的精度，能夠在越野車連續(xù)轉(zhuǎn)彎時(shí)保持較高的靈敏度。后輪液壓缸的活塞桿位移響應(yīng)曲線能較好地與輸入信號相符，表明后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)品質(zhì)，保證了后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的可行性。

圖11 活塞桿速度

圖12 活塞桿位移響應(yīng)與輸入信號對比曲線

5 結(jié)論

在節(jié)約資源及能夠量產(chǎn)的情況下對某越野車的后懸架底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，建立了一種新型的后輪液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最主要的部件為液壓缸，液壓缸由對中缸與轉(zhuǎn)向缸組成，需要轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向缸工作，對中缸隨動;直線行駛時(shí)對中缸對中鎖死，轉(zhuǎn)向缸輔助對中。通過AMESim 對液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明，該后輪液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較高的靈敏度。

［1］ 亢鳳林. 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)淺談［J］. 時(shí)代汽車，2007(12)：72 -73.

［2］ 陳萌三，余強(qiáng).汽車動力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：36 -111.

［3］ 中國汽車工程學(xué)會.汽車工程手冊5(底盤設(shè)計(jì)篇)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：12 -136.

［4］ 陳偉，孫陽. 發(fā)射車液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法研究［J］. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28(1)：67 -68.

［5］ 孟繼梅，韓曉明. 基于閉環(huán)控制的壓力控制系統(tǒng)研究［J］.液壓與氣動，2009 (9)：31 -32.

［6］ 國家發(fā)展和改革委員會.GB/T 62631.1 -1994 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法蛇行試驗(yàn)［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994：1 -10.

［7］ 劉偉，史文庫，方廣德，等.針對汽車操縱穩(wěn)定性的懸架系統(tǒng)控制的研究［J］.汽車工程，2011，33(6)：502 -503.

［8］ 逄振旭，李從心.迭代學(xué)習(xí)PID 控制器在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(4)：103-105.

［9］ 田淑杭，姜麗娟.一種參數(shù)自整定模糊PID 控制器的研究［J］.電氣傳動自動化，2003，25(6)：28 -30.

［10］ 劉金琨.先進(jìn)PID 控制及其MATLAB 仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：110 -153.