輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

摘 要：輪式工程車(chē)輛在工程機(jī)械領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，文章以輪式工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，論述了傳統(tǒng)輪式工程車(chē)輛機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向和全液壓轉(zhuǎn)向兩種主要形式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及適用工程作業(yè)場(chǎng)景。結(jié)合當(dāng)前輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)劃和愿景，論述了線控鉸接復(fù)合轉(zhuǎn)向技術(shù)、多輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向技術(shù)兩種典型技術(shù)應(yīng)用方向，并基于技術(shù)背景下的發(fā)展難點(diǎn)，聚焦論述實(shí)現(xiàn)具有良好性能的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需攻關(guān)的路感模擬技術(shù)、故障診斷及容錯(cuò)控制技術(shù)、變傳動(dòng)比控制技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：輪式工程車(chē)輛 動(dòng)力轉(zhuǎn)向 線控轉(zhuǎn)向

近年來(lái)，隨著電動(dòng)化、綠色化、智能化、無(wú)人化等市場(chǎng)趨勢(shì)的催動(dòng)下，對(duì)于配置線控底盤(pán)的輪式工程車(chē)輛產(chǎn)品需求日益加劇。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為輪式工程車(chē)輛線控底盤(pán)的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響車(chē)輛的安全性、通過(guò)性以及作業(yè)生產(chǎn)率，輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向能夠有效解決傳統(tǒng)車(chē)輛無(wú)法自動(dòng)回正，助力特性及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題，也為工程車(chē)輛無(wú)人駕駛提供技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、決策控制可替代人工操縱方向盤(pán)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛無(wú)人駕駛。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)或轉(zhuǎn)向閥直接由電信號(hào)控制，將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向閥與方向盤(pán)的解耦，其應(yīng)用主要為電液耦合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾大方向[1]。

1 傳統(tǒng)輪式工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)向方式的不同可以分為前輪轉(zhuǎn)向、多輪轉(zhuǎn)向、鉸接轉(zhuǎn)向，如圖1所示；另一方面因所利用轉(zhuǎn)向執(zhí)行動(dòng)力來(lái)源的不同可以分為機(jī)械轉(zhuǎn)向、機(jī)械助力轉(zhuǎn)向、全動(dòng)力轉(zhuǎn)向，而機(jī)械助力轉(zhuǎn)向又包括機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向、機(jī)械電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和機(jī)械電液助力轉(zhuǎn)向。工程車(chē)輛由于其負(fù)載大、輪胎附著地面阻力矩大的原因一般采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最常見(jiàn)的兩種方式為機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向和全液壓轉(zhuǎn)向[2]。

輪式工程車(chē)輛機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成通常由方向盤(pán)及轉(zhuǎn)向管柱，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，角轉(zhuǎn)向器，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向垂臂，轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向泵，轉(zhuǎn)向油缸等組成，機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍適用于可公路行駛的輪式工程車(chē)輛，如汽車(chē)起重機(jī)、全地面起重機(jī)[2]，因其主體采用機(jī)械傳動(dòng)連接的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，具有路感好的特點(diǎn)，能夠提高道路行駛的轉(zhuǎn)向操縱安全性，對(duì)于轉(zhuǎn)向橋荷重、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)的車(chē)輛，考慮到轉(zhuǎn)向輕便性的因素，通常在系統(tǒng)中增加電動(dòng)助力裝置以有效減輕轉(zhuǎn)向操縱力矩。

其他非公路行駛輪式工程車(chē)輛普遍采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由方向盤(pán)及轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向泵、全液壓轉(zhuǎn)向器、流量放大閥、優(yōu)先閥、轉(zhuǎn)向油缸等部分組成，全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤(pán)和車(chē)輪沒(méi)有機(jī)械桿系的連接，通過(guò)方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器，使得對(duì)應(yīng)流量的液壓油直接進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸[3]。

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)是其具有輕便的轉(zhuǎn)向操縱性能，尤其適合需要連續(xù)高強(qiáng)度通過(guò)轉(zhuǎn)向操縱進(jìn)行工程作業(yè)的工況場(chǎng)合，如輪式裝載機(jī)，可以明顯減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工程作業(yè)駕駛?cè)藛T的身體損傷。另外，由于全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成零部件較少，可以節(jié)省車(chē)輛的空間。但全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，車(chē)輪轉(zhuǎn)角通過(guò)轉(zhuǎn)向油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，方向盤(pán)與其沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，另外，全液壓轉(zhuǎn)向器存在一定的內(nèi)泄露量，因此轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ(chēng)性不好，對(duì)駕駛員操作造成一定的困難[4]，這也是當(dāng)前全液壓轉(zhuǎn)向不適用于道路行駛工程車(chē)輛的主要原因，一般僅適用于速度低于60km/h的非公路行駛輪式工程車(chē)輛。

2 輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)

2.1 線控鉸接復(fù)合轉(zhuǎn)向技術(shù)

傳統(tǒng)的輪式工程車(chē)輛普遍采用單一的轉(zhuǎn)向方式，但對(duì)于機(jī)動(dòng)性能、轉(zhuǎn)向通過(guò)性能要求高的工況場(chǎng)合，單一的轉(zhuǎn)向方式已經(jīng)不能夠滿足使用需求。如車(chē)架鉸接式高速輪式工程車(chē)輛既需要滿足低速作業(yè)的操縱輕便性，較小的轉(zhuǎn)彎半徑，又需滿足高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，有效的解決措施是鉸接轉(zhuǎn)向與車(chē)輪轉(zhuǎn)向相復(fù)合，電液比例轉(zhuǎn)向技術(shù)與電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)相復(fù)合，同時(shí)轉(zhuǎn)向執(zhí)行線控化，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛具備遙控轉(zhuǎn)向及無(wú)人駕駛能力。

圖2中：為前軸軸線距離鉸接中心的距離；為后軸軸線距離鉸接中心的距離；為轉(zhuǎn)向中心前軸中心面上的投影點(diǎn)到前軸的距離；為前軸左右主銷(xiāo)軸線在地面上的投影點(diǎn)距離；為前軸內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角；為前軸外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角；為前后軸鉸接轉(zhuǎn)向角度；

對(duì)前軸而言，應(yīng)滿足如下關(guān)系

鉸接轉(zhuǎn)向的角度與前軸轉(zhuǎn)角關(guān)系如下：

車(chē)輛在高速行駛時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角較小，需求轉(zhuǎn)彎半徑大。低速行駛前輪轉(zhuǎn)角較大，需要轉(zhuǎn)彎半徑?。辉谠O(shè)計(jì)時(shí)隨著轉(zhuǎn)角的增加轉(zhuǎn)向中心距離前軸的距離應(yīng)減小。

最小轉(zhuǎn)彎半徑，其中為主銷(xiāo)軸線與地面交點(diǎn)到輪胎中心的距離。。

如圖3所示，其前橋轉(zhuǎn)向動(dòng)作和鉸接轉(zhuǎn)向動(dòng)作分別通過(guò)線控轉(zhuǎn)向電機(jī)和線控電液比例閥組實(shí)現(xiàn)，同時(shí)能整車(chē)行駛轉(zhuǎn)向操縱具備遙控化、無(wú)人化能力，前橋轉(zhuǎn)向和鉸接轉(zhuǎn)向均可以通過(guò)鎖止裝置（鎖止油缸或鎖止閥）進(jìn)行鎖定，通過(guò)程序控制可以實(shí)現(xiàn)多模式線控轉(zhuǎn)向，對(duì)于車(chē)速較高的工況，根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角線控轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)前橋線控液壓助力轉(zhuǎn)向，對(duì)于車(chē)速要求不高，工程作業(yè)工況，在線控液壓助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上同時(shí)線控電液比例閥組，以前橋轉(zhuǎn)角信號(hào)作為控制輸入，根據(jù)復(fù)合轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角關(guān)系，整車(chē)進(jìn)行線控鉸接復(fù)合轉(zhuǎn)向。結(jié)合具體需求，也可將前橋進(jìn)行鎖定，只通過(guò)線控電液比例閥，以方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)為控制輸入，整車(chē)進(jìn)行線控純鉸接轉(zhuǎn)向。

2.2 全輪線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

多軸車(chē)輛具有軸距長(zhǎng)、載荷大、質(zhì)心高等特點(diǎn)，其低速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑大、靈活性差、輪胎磨損嚴(yán)重，因此對(duì)于低速重載且在特定場(chǎng)景作業(yè)的工程車(chē)輛，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)愈發(fā)朝著多輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)方式主要有以下兩種，如圖4、圖5所示：

其兩種技術(shù)方式分別通過(guò)線控轉(zhuǎn)向閥和線控轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)，架構(gòu)一通過(guò)按照操縱意圖線控轉(zhuǎn)向閥的閥芯位移，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量的控制，從而使得系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向速度可按照工況需求調(diào)整。架構(gòu)二通過(guò)線控轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作，其實(shí)質(zhì)是全液壓轉(zhuǎn)向器從傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由人力操縱方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)操作意圖，不通過(guò)任何桿系連接，直接通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于轉(zhuǎn)向速度的控制通過(guò)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

工程車(chē)輛連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)且路面作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性，可靠性等性能提出了更高的要求，基于上文中的輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用趨勢(shì)，雖然提出了可行的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用方案，但在工程化、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化應(yīng)用上仍有幾大關(guān)鍵技術(shù)的制約。

3.1 路感模擬技術(shù)

對(duì)于非無(wú)人駕駛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，仍需駕駛員在駕駛室操縱方向盤(pán)進(jìn)行路面行駛，由于方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向車(chē)輪之間沒(méi)有機(jī)械連桿，因此駕駛員無(wú)法獲得路面行駛過(guò)程中反饋的轉(zhuǎn)向感覺(jué)，對(duì)駕駛員的操縱造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要路感模擬技術(shù)使駕駛員獲取轉(zhuǎn)向操縱的手感。路感模擬技術(shù)的目的是將車(chē)輪與路面的轉(zhuǎn)向阻力矩，以及由于輪胎側(cè)偏特性產(chǎn)生的回正力矩，同時(shí)還包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦阻力矩，慣性力與阻尼力產(chǎn)生的力矩等反饋到方向盤(pán)上，以便駕駛員了解車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法主要有傳感器測(cè)量法、動(dòng)力學(xué)計(jì)算法和函數(shù)擬合法。傳感器測(cè)量法通過(guò)測(cè)量輪胎、轉(zhuǎn)向拉桿的力和力矩或測(cè)量轉(zhuǎn)向電機(jī)的電機(jī)直接或間接獲取路感反饋力矩，動(dòng)力學(xué)計(jì)算法是通過(guò)建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及輪胎的動(dòng)力學(xué)模型，利用整車(chē)和輪胎相關(guān)參數(shù)計(jì)算路感反饋力矩；函數(shù)擬合法通過(guò)建立與路感反饋力矩相關(guān)參數(shù)的函數(shù)來(lái)模擬路感力矩，相關(guān)參數(shù)包括方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車(chē)速、側(cè)向加速度等。

3.2 故障診斷及容錯(cuò)控制技術(shù)

輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)越來(lái)越智能化，轉(zhuǎn)向動(dòng)作的執(zhí)行越來(lái)越電動(dòng)化，相較于傳統(tǒng)輪式工程車(chē)輛多采用機(jī)械連接和液壓驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)可靠性在一定程度上有所降低，尤其工程車(chē)輛多在環(huán)境惡劣的工況下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，因此對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)尤為重要，故障診斷的對(duì)象主要針對(duì)電機(jī)、傳感器以及控制器。針對(duì)診斷出的故障，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)有相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略及處理辦法[5]。容錯(cuò)控制主要包括硬件容錯(cuò)和軟件容錯(cuò)兩大內(nèi)容，當(dāng)前主要采用的是硬件容錯(cuò)，即在系統(tǒng)中增加冗余設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集，在同一位置布置多個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角傳感器，或在多個(gè)位置同時(shí)布置多個(gè)可以換算獲取轉(zhuǎn)角信號(hào)的傳感器。容錯(cuò)控制也可以采用主動(dòng)冗余或被動(dòng)冗余兩種方式，主動(dòng)冗余中備份元件與系統(tǒng)同時(shí)工作，被動(dòng)冗余只有在元件被診斷故障時(shí)進(jìn)行替代工作。

3.3 變傳動(dòng)比控制技術(shù)

未來(lái)不管是人工操縱方向盤(pán)或者無(wú)人駕駛車(chē)輛，不管是商用車(chē)或是輪式工程車(chē)輛，其線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向性能其中之一是可以自由地的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性和力傳遞特性。當(dāng)?shù)退傩旭倳r(shí)減小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，提高轉(zhuǎn)向靈敏性；高速行駛時(shí)增大轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，使轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，提高操縱性。變傳動(dòng)比控制主要包括恒定橫擺角速度的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法和隨車(chē)速或轉(zhuǎn)角變化的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法[6]，對(duì)于人工操縱方向盤(pán)且需道路行駛的輪式工程車(chē)輛，采用恒定橫擺角速度的設(shè)計(jì)方法，可以有效抑制駕駛員轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)由于車(chē)速和轉(zhuǎn)角變化而引起的側(cè)傾感，減輕駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，提高車(chē)輛轉(zhuǎn)向安全性及穩(wěn)定性。而對(duì)于低速作業(yè)的工程車(chē)輛或無(wú)人駕駛的工程車(chē)輛，可采用隨車(chē)速或轉(zhuǎn)角變化的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法，對(duì)不同車(chē)速區(qū)間和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)傳動(dòng)比控制策略，保證車(chē)輛在各區(qū)間獲得期望的轉(zhuǎn)向靈敏度。

4 總結(jié)與展望

如今，在智能化、電動(dòng)化，以及無(wú)人化技術(shù)的帶動(dòng)引領(lǐng)下，輪式工程車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不再局限于機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向和全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種主要的轉(zhuǎn)向技術(shù)，而是在傳統(tǒng)兩種轉(zhuǎn)向技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行以電驅(qū)動(dòng)為主要方式的線控化升級(jí)，其主要表現(xiàn)為精簡(jiǎn)轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)，技術(shù)落腳點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向控制策略及控制程序的設(shè)計(jì)上。轉(zhuǎn)向方式也不再局限于單一的前輪轉(zhuǎn)向、鉸接轉(zhuǎn)向或差速轉(zhuǎn)向，而趨向于根據(jù)工程作業(yè)場(chǎng)景及工程作業(yè)特點(diǎn)定制化需求的復(fù)合轉(zhuǎn)向，多輪轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向操縱的研究方向也不再局限于駕駛員操縱方向盤(pán)，而同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注輪式工程車(chē)輛特定場(chǎng)景下的無(wú)人駕駛操縱控制。而為了保障以上轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備良好的性能及工程車(chē)輛惡劣環(huán)境作業(yè)的可靠性，對(duì)路感模擬技術(shù)、故障容錯(cuò)控制技術(shù)及變傳動(dòng)比控制技術(shù)提出了新的要求。

總而言之，輪式工程車(chē)輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展出發(fā)點(diǎn)是為了提升工程作業(yè)的效率及行車(chē)的安全性，同時(shí)在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)指引下，兼顧相較于傳統(tǒng)車(chē)輛的節(jié)能和環(huán)保，同時(shí)對(duì)于駕駛員操縱方向盤(pán)的輪式工程車(chē)輛，越來(lái)越注重其工程作業(yè)轉(zhuǎn)向操縱勞動(dòng)強(qiáng)度的減輕和舒適性的提升。

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