多軸車輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李 辰，李陸浩，左 霞，張宏宇

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

電液轉(zhuǎn)向技術(shù)是多軸車輛轉(zhuǎn)向的一種有效解決方案，它是基于多軸車輛中結(jié)構(gòu)緊湊、多模式轉(zhuǎn)向的需求而研制的。它能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)多軸車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)的不足，有效地改善多軸汽車轉(zhuǎn)向特性，提高車輛低速行駛的機(jī)動(dòng)性和高速行駛的穩(wěn)定性，是多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢[1-5]。

關(guān)于多軸車輛的電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)已有成功的例子。1985年，日產(chǎn)公司推出了全球首套雙軸電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HICAS。在1995～2000年間，德國博世公司開發(fā)出電液控制的后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RASEC。Phoenix公司以及巍波液壓公司也分別推出了各自的電液后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。美國奧什克什防務(wù)公司從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行重型車電液控制轉(zhuǎn)向技術(shù)研究，并于近年來應(yīng)用于10×10型LVSR。利勃海爾公司新一代全路面起重機(jī)底盤全部采用了電子控制獨(dú)立后橋轉(zhuǎn)向技術(shù)。

三一集團(tuán)在其220 t全路面起重機(jī)研制過程中，與德國HYDAC公司合作開發(fā)出用于六軸底盤的電子控制后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)?？乒ぜ瘓F(tuán)066基地在XX-21C發(fā)射車用10×8型底盤研制過程中，借鑒博世公司后橋靜液轉(zhuǎn)向技術(shù)，將靜液傳遞、動(dòng)液助力的后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了電氣控制功能。2008年，其12×10型底盤采用相同技術(shù)。近年來，066基地也開始電控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究，并已經(jīng)在大件運(yùn)輸平板車上得到應(yīng)用。

綜合來看，目前我國在多軸車輛的電液轉(zhuǎn)向技術(shù)領(lǐng)域尚不成熟，與國外仍有一定的差距，相關(guān)的系統(tǒng)研究報(bào)告也相對(duì)較少。因此，對(duì)電液轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究以及實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，有助于提升我國重型車輛的底盤技術(shù)，對(duì)我國軍事工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

底盤為五軸重型高機(jī)動(dòng)越野車輛，其中：第1、2、4、5橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，第3橋?yàn)榉寝D(zhuǎn)向橋。第1、2橋采用傳統(tǒng)的機(jī)械反饋液壓助力方案，實(shí)現(xiàn)拉桿與轉(zhuǎn)向器和方向盤之間的硬連接，確保前轉(zhuǎn)向橋組的高可靠性，同時(shí)為駕駛員保留一定的路感。第4、5橋采用電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)方案，每橋單獨(dú)控制，其左右側(cè)車輪采用橫拉桿進(jìn)行連接。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總布置方案如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總布置方案

由于轉(zhuǎn)向擺臂與車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系一一對(duì)應(yīng)，因此在第1橋、第4橋、第5橋左側(cè)擺臂處各安裝一個(gè)角度傳感器，以讀取左側(cè)擺臂的轉(zhuǎn)向角度。駕駛員操作方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，第1橋角度傳感器讀取第1橋的當(dāng)前轉(zhuǎn)向角度，并將其送入控制器，結(jié)合車速、轉(zhuǎn)向模式等信息進(jìn)行綜合判斷，計(jì)算得到此時(shí)后橋目標(biāo)轉(zhuǎn)角，通過電子控制液壓驅(qū)動(dòng)的方式，完成后橋?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制。電液轉(zhuǎn)向控制方案如圖2所示。

表1 轉(zhuǎn)向模式介紹

設(shè)計(jì)3種轉(zhuǎn)向模式：公路轉(zhuǎn)向模式、場地轉(zhuǎn)向模式、后橋鎖止模式。各模式基本情況介紹見表1。

2 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后橋采用恒壓變量泵作為油源，解決液壓系統(tǒng)對(duì)正缸長時(shí)間對(duì)正要求與系統(tǒng)發(fā)熱之間的矛盾。通過電磁閥控制后橋鎖止動(dòng)作與轉(zhuǎn)向動(dòng)作的切換，實(shí)現(xiàn)了鎖止動(dòng)作與轉(zhuǎn)向動(dòng)作的功能互鎖，確保系統(tǒng)安全可靠。電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單橋回路液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 電液轉(zhuǎn)向單橋液壓系統(tǒng)原理簡圖

后橋轉(zhuǎn)向油源采用恒壓變量控制方式，恒壓變量泵1根據(jù)出口壓力來調(diào)節(jié)自身排量，泵自身設(shè)定了系統(tǒng)的安全壓力。當(dāng)比例控制閥2.4處于中位，系統(tǒng)無流量要求時(shí)，泵出口壓力達(dá)到設(shè)定壓力，泵排量自動(dòng)調(diào)至最?。▋H維持泵的泄漏，保證良好潤滑），處于“高壓等待”狀態(tài)；當(dāng)泵出口壓力低于安全壓力時(shí)，泵排量增大，直到達(dá)到安全壓力，保證泵出口為恒壓狀態(tài)。即：轉(zhuǎn)向動(dòng)作下，后橋油源處于大排量輸出工作狀態(tài)；鎖止動(dòng)作下，后橋油源處于“高壓等待”狀態(tài)。

助力對(duì)正控制閥塊實(shí)現(xiàn)對(duì)助力對(duì)正缸的控制。電磁閥2.1負(fù)責(zé)控制后橋回路在轉(zhuǎn)向動(dòng)作和鎖止動(dòng)作之間切換，當(dāng)電磁閥2.1失電時(shí)，高壓油進(jìn)入對(duì)正缸T口，同時(shí)打開兩個(gè)液控單向閥2.6使助力對(duì)正缸的A、B口卸荷，將助力油缸強(qiáng)制對(duì)正。當(dāng)電磁閥2.1得電時(shí)，液壓鎖3.2開鎖，使對(duì)正缸的T口卸荷，同時(shí)液壓鎖2.5閉鎖，助力對(duì)正缸A、B口與回油斷開，助力對(duì)正缸在比例閥2.4的控制下進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)作。比例控制閥2.4與梭閥2.3和減壓閥2.2組合為中位O型的三位四通比例流量閥，通過調(diào)整比例閥的控制輸入信號(hào)，可以控制助力對(duì)正缸動(dòng)作的方向和速度。液壓鎖2.5的作用是防止因輪胎的彈性變形等導(dǎo)致的后橋抖動(dòng)現(xiàn)象。

后橋轉(zhuǎn)向油缸采用具有對(duì)正功能的助力對(duì)正缸，助力對(duì)正缸上集成了液壓鎖3.2和溢流閥3.1，在系統(tǒng)出故障失去壓力時(shí)能夠可靠鎖住油缸，保證系統(tǒng)的安全。

3 轉(zhuǎn)向控制策略設(shè)計(jì)

3.1 理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)

第4/5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角α4/α5分別與第1橋轉(zhuǎn)角θ以及車速v相關(guān)，即：

當(dāng)?shù)?橋轉(zhuǎn)角（第1橋角度傳感器輸出角度）為θ、車速為v時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)向模式，按照?qǐng)D4和圖5的曲線關(guān)系進(jìn)行第4/5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角α4/α5的計(jì)算，具體方法如下。

（1）根據(jù)圖4，計(jì)算得到在第1橋轉(zhuǎn)角θ時(shí)，第4/5橋的基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角β4/β5，即：

（2）根據(jù)圖5，計(jì)算得到在車速v時(shí)，第4/5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角與基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角的比值i4/i5，即：

（3）基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角β4/β5與比值i4/i5的乘積，即為第4/5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角α4/α5，即：

式中：α4,5為第4橋、第5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角；β4,5為第4橋、5橋基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角；i4,5為第4橋、第5橋理論目標(biāo)轉(zhuǎn)角與基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角的比值；θ為第1橋轉(zhuǎn)角；v為車速。

3.2 轉(zhuǎn)向模式切換設(shè)計(jì)

圖4 后橋基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角

圖5 后橋目標(biāo)轉(zhuǎn)角與基本目標(biāo)轉(zhuǎn)角的比值

駕駛員可以根據(jù)實(shí)際需求選擇轉(zhuǎn)向模式，同時(shí)為了行駛過程中車輛具有較高的操縱穩(wěn)定性以及安全性，在系統(tǒng)中增加了邏輯判斷，避免危險(xiǎn)狀況的發(fā)生，并且只有當(dāng)滿足轉(zhuǎn)向模式切換條件后才能完成轉(zhuǎn)向模式的切換[6]。轉(zhuǎn)向模式切換條件見表2。

表2 轉(zhuǎn)向模式切換條件

4 實(shí)際車輛應(yīng)用與試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已在實(shí)際車輛中進(jìn)行應(yīng)用，并完成了相關(guān)項(xiàng)目的試驗(yàn)驗(yàn)證與測試。

4.1 原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

在原地轉(zhuǎn)向測試試驗(yàn)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高（定速）低（怠速）轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行組合，駕駛員以能達(dá)到的最快速率操作方向盤，進(jìn)行了測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 原地轉(zhuǎn)向測試試驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)向角度誤差值見表3。

表3 原地轉(zhuǎn)向測試試驗(yàn)轉(zhuǎn)向角度誤差值 （°）

由表3可知：在相同的1橋輸入轉(zhuǎn)角下，相對(duì)于場地轉(zhuǎn)向模式，公路轉(zhuǎn)向模式下的后橋目標(biāo)轉(zhuǎn)角較小，因此得到的轉(zhuǎn)角誤差值也相對(duì)較小。

4.2 車輛行駛試驗(yàn)

車輛在道路上以公路轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行實(shí)際道路行駛試驗(yàn)，駕駛員按照實(shí)際駕駛習(xí)慣進(jìn)行操作，結(jié)果更符合一般行駛工況。試驗(yàn)中，共記錄了兩組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由于車輛行駛轉(zhuǎn)向助力矩大約是原地轉(zhuǎn)向阻力矩的1/3[7]，因此，在實(shí)際道路上進(jìn)行行駛測試試驗(yàn)時(shí)，其轉(zhuǎn)向精度高于原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。僅統(tǒng)計(jì)當(dāng)1橋轉(zhuǎn)角大于2.5°時(shí)的后橋轉(zhuǎn)向角度誤差值，見表4。

圖7 公路轉(zhuǎn)向模式實(shí)際行駛測試試驗(yàn)結(jié)果

表4 道路行駛測試試驗(yàn)轉(zhuǎn)向角度誤差值 （°）

以場地轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行實(shí)際道路行駛試驗(yàn)時(shí)，由于在第10 s時(shí)發(fā)生了超速狀態(tài)（車速≥15 km/h，持續(xù)3 s），系統(tǒng)由場地轉(zhuǎn)向模式自動(dòng)切換為公路轉(zhuǎn)向模式，后橋轉(zhuǎn)角進(jìn)行等速率平滑過渡，直至達(dá)到新目標(biāo)轉(zhuǎn)角值。此切換過程轉(zhuǎn)角曲線如圖8所示，試驗(yàn)現(xiàn)象符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 轉(zhuǎn)向模式自動(dòng)切換過程

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際使用需求和使用條件，以某五軸重型高機(jī)動(dòng)越野車輛為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多軸車輛的多模式電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

（1）電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備公路轉(zhuǎn)向模式、場地轉(zhuǎn)向模式和后橋鎖止模式，能夠滿足各種路況的實(shí)際使用，同時(shí)兼顧了車輛高速操縱穩(wěn)定性與低速通過性的需求。

（2）通過合理、完善的控制策略設(shè)計(jì)，以及后橋轉(zhuǎn)向角度的匹配，保證了車輛的行駛安全性，避免了后橋甩尾等危險(xiǎn)工況的發(fā)生。

（3）經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，后橋轉(zhuǎn)向角度控制精度較高，能夠滿足實(shí)際使用需求，實(shí)現(xiàn)了車輛的同步轉(zhuǎn)向動(dòng)作，轉(zhuǎn)向過程平穩(wěn)、可靠。

（3）此多軸車輛電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)布置簡單，空間利用率高，便于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。