兩種重型汽車(chē)后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析

徐江

（中國(guó)重型汽車(chē)集團(tuán)有限公司汽車(chē)研究總院，山東 濟(jì)南 250102）

0 引言

隨著重型汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎半徑及承載要求上的不斷提升，近幾年來(lái)應(yīng)用后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向的車(chē)型越來(lái)越多[1]，與此同時(shí)底盤(pán)主動(dòng)安全技術(shù)也越來(lái)越受到重視，而多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是主動(dòng)底盤(pán)安全技術(shù)的重要組成部分[2]。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向桿系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)桿系復(fù)雜，難以繼續(xù)滿足多軸轉(zhuǎn)向的要求，特別是車(chē)輛車(chē)體長(zhǎng)，受道路條件制約大[3]，轉(zhuǎn)向性能尤其是轉(zhuǎn)彎半徑受到了嚴(yán)重制約，因而主動(dòng)后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用迫在眉睫[4]。目前來(lái)看主動(dòng)轉(zhuǎn)向主要分為液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

本文從后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)、原理、控制邏輯方面對(duì)液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析，并以實(shí)例介紹電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，為后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車(chē)型的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)

液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1，主要包括轉(zhuǎn)向器、控制缸、對(duì)中缸、液壓管路、儲(chǔ)能器。

1.2 原理

當(dāng)車(chē)輛處于直行位置時(shí)，控制缸2和對(duì)中缸3都處于中位，此時(shí)B1、B2腔通過(guò)單向閥與A2、A3腔相連，同時(shí)A2腔通過(guò)液壓管路與B3腔相連，A3腔通過(guò)液壓管路與B4腔相連，此時(shí)整個(gè)后橋液壓回路中的壓力即儲(chǔ)能器中的壓力。對(duì)中缸3中B1、B2腔都設(shè)計(jì)有浮動(dòng)活塞，車(chē)輛直行時(shí)靠?jī)?chǔ)能器中壓力將B1、B2腔中的浮動(dòng)活塞壓緊，使對(duì)中缸處于中位，即后橋車(chē)輪處于直行狀態(tài)。

當(dāng)向右轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向器高壓油注入控制缸A1腔，A1腔體積增大，使控制缸活塞后移，進(jìn)而推動(dòng)一橋節(jié)臂后移，實(shí)現(xiàn)一橋右轉(zhuǎn)，此時(shí)A2腔體積減小，將液壓油推入B3腔，B3腔體積增大，B4腔體積減小，其中的液壓油通過(guò)液壓管路進(jìn)入A3腔，對(duì)中缸活塞桿外伸，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪左轉(zhuǎn)。如系統(tǒng)中建立的油壓過(guò)高，會(huì)通過(guò)控制缸內(nèi)置的壓力安全閥進(jìn)行泄壓。

1.3 技術(shù)難點(diǎn)

由于該系統(tǒng)管路及管接頭很多，液壓油的滲漏很難避免，很容易造成一橋與后橋轉(zhuǎn)向不協(xié)調(diào)的情況，造成輪胎的異常磨損。因此在控制缸活塞桿處設(shè)置通油切口，在一橋±5度以內(nèi)轉(zhuǎn)角時(shí)A2、A3腔相通，后橋處于直行狀態(tài)，這樣每進(jìn)行一次轉(zhuǎn)向操作，在一橋?qū)⒁卣龝r(shí)，后橋在儲(chǔ)能器的壓力作用下提前回正[5]，進(jìn)行一次矯正，從而避免一橋已經(jīng)回正，后橋車(chē)輪還偏斜的情況。此外儲(chǔ)能器還使液壓回路內(nèi)部存在一定的壓力，消除管路的膨脹所帶來(lái)的后輪轉(zhuǎn)向滯后，也就相當(dāng)于保證系統(tǒng)具有合理的剛度。

液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)售后維護(hù)比較繁瑣，由于后橋轉(zhuǎn)向液壓回路為封閉回路且需要儲(chǔ)能器保壓，因此需要定期使用專(zhuān)用壓油設(shè)備和油壓表進(jìn)行壓力測(cè)試并補(bǔ)油，且補(bǔ)油的同時(shí)還需進(jìn)行排氣操作。

2 電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)

電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖2，主要包括轉(zhuǎn)向器、電控單元、電控助力缸等。其中電控單元集成了ECU、油泵、油罐。

2.2 原理

動(dòng)力單元接收到安裝在轉(zhuǎn)向管柱上轉(zhuǎn)向角度傳感器的信號(hào)，油泵工作輸出高壓油到電控助力缸，通過(guò)電控助力缸上的位置傳感器精確控制電控助力缸的伸縮量，從而實(shí)現(xiàn)一橋與五橋轉(zhuǎn)角的精確匹配。

為實(shí)現(xiàn)一橋與后橋轉(zhuǎn)角的精確匹配，需向系統(tǒng)輸入方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與一橋轉(zhuǎn)角、一橋轉(zhuǎn)角與后橋轉(zhuǎn)角、后橋轉(zhuǎn)角與助力缸伸縮量的邏輯曲線關(guān)系，每條曲線由15個(gè)點(diǎn)連接而成，如圖3、圖4、圖5。

電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以定義一些功能參數(shù)，如車(chē)速超過(guò)一定數(shù)值后，為避免高速轉(zhuǎn)向帶來(lái)的危險(xiǎn)，使后橋無(wú)轉(zhuǎn)向并對(duì)中，如后橋?yàn)樘嵘龢?，可設(shè)置提升后車(chē)輪不轉(zhuǎn)向等。

2.3 技術(shù)難點(diǎn)

電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要整車(chē)CAN提供所需的各種報(bào)文，其中前橋轉(zhuǎn)角報(bào)文和車(chē)速報(bào)文是重要報(bào)文，報(bào)文信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性關(guān)系到后橋的轉(zhuǎn)向情況，因此CAN線負(fù)載、報(bào)文控制器的安全等級(jí)顯得至關(guān)重要。為安全起見(jiàn)，需要兩個(gè)轉(zhuǎn)角信號(hào)及兩個(gè)車(chē)速信號(hào)，兩不同源信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，一旦校驗(yàn)失敗，則采取措施使后橋強(qiáng)行對(duì)中，保證安全[6]。

電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要復(fù)雜的功能安全釋放，包括常規(guī)釋放試驗(yàn)和故障注入試驗(yàn)，釋放周期長(zhǎng)。

3 電控后橋五橋車(chē)設(shè)計(jì)

以某后橋轉(zhuǎn)向五橋車(chē)設(shè)計(jì)為例，該車(chē)型1、2、5橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，3、4橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋，該系統(tǒng)運(yùn)用電控液后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

3.1 五橋轉(zhuǎn)角理論計(jì)算

該車(chē)型軸距為1950+3200+1400+1400，軸距分布及轉(zhuǎn)角示意圖如圖6，根據(jù)阿克曼公式計(jì)算1、2、5橋理論轉(zhuǎn)角如表1。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)及三維數(shù)模進(jìn)行方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與一橋轉(zhuǎn)角、一橋轉(zhuǎn)角與后橋轉(zhuǎn)角、后橋轉(zhuǎn)角與助力缸伸縮量的邏輯曲線關(guān)系編制。

表1 1、2、5橋阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系計(jì)算

阿克曼轉(zhuǎn)角公式：

tanθ1/ tanθ2=L1/L2

tanθ1/ tanθ5=L1/L3

3.2 系統(tǒng)所需報(bào)文

（1）制動(dòng)信號(hào)報(bào)文由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出。

（2）前橋車(chē)速報(bào)文由EBS發(fā)出；為電控后橋提供車(chē)速信息，為重要報(bào)文，車(chē)速超過(guò)設(shè)定值后，五橋不轉(zhuǎn)向。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速報(bào)文由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出，該報(bào)文作用為激活后橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（4）EBS轉(zhuǎn)角信號(hào)報(bào)文由轉(zhuǎn)向角度傳感器發(fā)出，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)角信號(hào)，為重要報(bào)文。

（5）方向盤(pán)處轉(zhuǎn)角信號(hào)報(bào)文由轉(zhuǎn)向角度傳感器發(fā)出，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)角信號(hào)，為重要報(bào)文。

（6）車(chē)速信號(hào)報(bào)文由儀表發(fā)出，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供車(chē)速信息，為重要報(bào)文。

（7）里程信息報(bào)文，由儀表發(fā)出，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供里程信息，為診斷報(bào)文。

（8）時(shí)間報(bào)文，由儀表發(fā)出，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供時(shí)間信息，為診斷報(bào)文。

（9）車(chē)架報(bào)文，為電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供車(chē)輛信息，為診斷報(bào)文。

3.3 轉(zhuǎn)角檢驗(yàn)

通過(guò)測(cè)量5橋理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的對(duì)比曲線，分析5橋轉(zhuǎn)角的正確性，如圖7，理論值與實(shí)際值曲線重合度較好，說(shuō)明5橋按設(shè)定的轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

3.4 潛在故障模式

（1）五橋不轉(zhuǎn)向，主要原因?yàn)樗鑸?bào)文缺失、報(bào)文質(zhì)量差、CAN通訊負(fù)載率高等因素，出現(xiàn)該故障需要截取報(bào)文進(jìn)行分析，對(duì)引起故障的報(bào)文進(jìn)行針對(duì)性提升整改。另外，電源、線束的故障同樣可引起五橋不轉(zhuǎn)向，需對(duì)電源及線束進(jìn)行排查。如報(bào)文、電源、線束都不存在問(wèn)題，則考慮主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件故障。

（2）五橋跟隨性差，該故障的主要原因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)油中的空氣未排出或五橋油罐中的油液油位不足，該故障需要排空氣操作并及時(shí)補(bǔ)油。

（3）五橋轉(zhuǎn)向出現(xiàn)抖動(dòng)，該故障的主要原因?yàn)榻嵌葌鞲衅鳂?biāo)定錯(cuò)誤或漏標(biāo)。

4 總結(jié)

液壓主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布置復(fù)雜，液壓管路及管接頭眾多，液壓油存在滲漏泄壓的風(fēng)險(xiǎn)，且售后維護(hù)繁瑣，但系統(tǒng)釋放簡(jiǎn)單。電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布置簡(jiǎn)單，功能多，后橋轉(zhuǎn)角精確，但是控制邏輯和系統(tǒng)釋放較復(fù)雜，對(duì)報(bào)文穩(wěn)定性要求高，售后維修較困難。

目前國(guó)內(nèi)外重型汽車(chē)正在向電控化方向發(fā)展，電控液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是未來(lái)后橋主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展趨勢(shì)。