液压动力转向车辆的蛇行试验与仿真.pdf

第 9期 2 0 1 1 年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 61 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 1 6 1 0 3 液压动力转向车辆的蛇行试验与仿真 冰 刘志 强杨 磊张 国栋 江苏大学 汽车与交通工程学院， 镇江 2 1 2 0 1 3 P y l o n c o u r s e s l a l o m t e s t a n d s i mu l a t i o n o f t h e h y dr a u l i c p o wer s t e e r i n g s y s t e m v e h i c l e LI U Zh i -q i a n g， YANG Le i ， ZHANG Gu o d o n g S c h o o l o f A u t o m o b i l e a n d T r a f f i c E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a 【 摘要】 汽车的操纵稳定性决定了汽车的操控性、 行驶安全}生 和抗外界干扰能力， 而转向系统与 汽车操纵稳定性关 系最为密切。为研究液压动力转向车辆 的操纵稳定性， 利 用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k建立 了 液压动力转向系统以及整车三 自由度状态方程的仿真模型 ， 在使用试验数据验证仿真模型正确性的基 础上， 对模型进行了蛇行试验的操纵稳定性仿真， 分析了液压动力转向系统的系统结构参数对蛇行试 验的影响， 仿真结果的分析为动力转向系统的设计和提 高车辆操纵稳定性提供 了依据。 关键词 液压动力转向； 蛇行试验； 操纵稳定性 ； 仿真 【 A b s t r a c t 】 H a n d l i n g a n d s t a b i l i t y s i g n ifie 3 v e h i c l e ’ S c o n t r o l l abi l i t y ， S t y a n d r e s i s t i v i t y t o t h e e x t e r - n a i n t e 咖 r e ． e s t e e r i n g s y s t e m s h a v e c l o s e r e l a t i o n s h i p w i t h v e h i c l e ’ S h a n d l i n g a n d s t abi l i t y ． 1 n o r d e r t o r e s e a r c h t h e h a n d l i n g a n d s t abi l i t y o f t h e HP S v e h i c l e ， Ma t l a b ／ S i m u l i n k i s a p p l i e d t o b u i l d t h e H P S m o d e l and t h e t h r e e d e g r e e o f - f r e e d o m v e h i c l e m o d e 1 ． F r o m t h e t e s t ， t h e s i mu l a t i o n m o d e l i s t e s t ifie d c o r r e c t ． T h e n a n a l y z e t h e i n flu e n c e ofs o m e s t r u c t u r al p a r a me t e r s o n v e h i c l e ’ s h a n d l i n g a n d s t abi l i t y t h r o u g h t h e h a n d l i n g and s t abi l i t y s i m u l ati o n ． e s t u d y oft h e s o l u t i o n p r o v i d e b a s i s f o r t h e s t e e r i n g s y s t e m’ S d e s i g n a n d t h e i m- p r o v e me n t o fv e h i c l e ’ S h and l i n g and s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s HPS ； P y l o n c o u r s e s l a l o m t e s t ； Ha n d l i n g a n d s t a b i l i t y； S i mu l a t i o n 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 为提高车辆的操纵稳定性， 目前车辆上广泛采用各类助力转向 系统， 其中液压动力转向系统以其出力大、 转向感觉平顺、 安全可靠 等优 Ⅲ ， 为大多数车辆所应用。在评价汽车的操纵陛、 侧倾程度和避 免事故能力的试验中， 蛇形试验最为典型， 故选其进行研究。建立了 转阀式液压动力转向系统的仿真模型， 并结合三自由度操纵稳定性 模型， 利用蛇行试验数据验证了模型的正确陛。在此基础上， 对模型 进行了蛇行试验的仿真， 并且对仿真结果进行了对比与分析。 2液压动力转向系统及整车的数学和仿 真模型 2 ． 1转阀的数学模型 对于液压动力转阀， 采用四通道的转阀建立动态数学模型， 建模时假设转阀的回油压力为零， 其等效模型， 如图 1 所示。 图 1转阀等效模型示意图 根据流量平衡模型及薄壁小孔流量方程，推算出当转阀阀 芯相对于阀套转过一个角度时的流量方程为 Q ’ Q GA ， 、 ／ 2 ／,o GA 、 ／ 2 一 ／p 1 Q 。 一 A ． 、 ／ 2 一 |p 1 ／p 、 ／ 2 P l ，p 2 Q ‘ Q 3 -- Q 2 G A ， 、 ／ 2 尸 I ／p q a 、 ／ 2 _ 尸 2 ，p 3 式中 Q 一转阀进油流量 ； Q 一流经 阀口的流量 ； Q Q ， 液压动 力缸的进、 出油流量； J D ． 、 一动力缸进、 出油腔油压 ； 尸一 控制阀人 口处的供油压力； C d 一流量系数； p 一液压油的密 度； 第 i 个阀口的节流面积， 其中， i 1 ， 2 ， 3 ， 4 。 例中的液压动力转向器阀口为短切口形式，阀芯与阀套的 预开间隙结构，如图2所示。假设两者之间出现相对转角 O i - O z 时， 渐开的阀口面积为A ， 渐闭的阀口面积为 。 ⋯0 I { l ’ 图 2短切 口阀口结构示意图 当一 ／ R _O 一 时， A】 ； l I 2 ， J 2 2 R 0 l 一 0 2 当一 l ／ R O 。 一 ／ R时， A l 1 L l 2 I l R 0 l 一 ★来稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 1 5 ★基金项 目 科技部 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B A K 3 5 B 0 2 4 5 1 6 2 刘志强等 液压动力转向车辆的蛇行试验与仿真 第 9期 当一 ， I V 2 I R O 。 s ／ R时， A 2 IV L ， IF 2 L 2 - L 2 R 0 一 6 当 2 ／ R 8 。 。 2 时， A 2 IFl L l 2 L 1 - L l R 1 一 7 由阀体结构的对称性得 A ， ， A 。 式中 一阀芯与阀套的配合半径； ， 一中位时阀E l 预开间隙宽 度； 一阀E l 的轴向长度； ～短切口的宽度； ， J 短切 口 的轴向长度； ， 扭杆上端转角； 一小齿轮转角。 2 ． 2液压动力缸的流量连续性方程 在不考虑油液外泄漏及油液可压缩性的情况下，根据液压 动力转向工作原理有 Q L Q ‘ A 叠 c 【 | p I P 1 1 8 式中 C 液压缸的内泄漏系数 ； ～齿条位移； 一活塞有效工 作面积。 2 ． 3仿真系统的 S i mu l i n k模型 根据上述转阀以及动力缸流量的数学模型，将转向器总成 模型与整车三 自由度状态方程 集成， 利用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k “引 建立 如图3 所示的系统仿真模型。 转 向 角输 图 3液压动力转向系统 的仿真模型 3验证系统模型的正确性 在以往的各类文献中， 验证模型的正确性通常使用虚拟信 号作为仿真模型的输入， 这种检验方法精度较低且与系统实际工 作情况差别较大， 采用实测试验数据作为系统输入来验证以提高 检验准确度。 根据车辆操纵稳定性试验国家标准， 对国内某轻型客车经 行蛇行试验问 。试验测得的车辆转向盘转角时域响应 ， 如图 4所 示。将其作为系统模型的输入进行仿真， 仿真时系统的各项参数 参照该车的技术规范 。 得到车辆横摆角速度、 侧向加速度以及车 身侧倾角的时域响应 ， 将仿真结果与实验结果进行对比， 如图4 a ～ d 所示， 发现两者曲线走势吻合度高， 曲线基本重合， 充分 证明了所建立的模型是正确的。 t ／ a 转 向盘转角时域响应 t ／ s b 试验与仿真的横摆角速度比 较 I ， s c 试验与仿真的侧 向加速度比较 t ／ s d 试验与仿真的车身侧倾角比较 图4试验与仿真曲线比 较 4系统仿真及结果对比分析 在验证模型正确性的基础上，改变液压缸内泄漏系数 G和 转阀供油量 对上述系统进行蛇行试验的仿真。为了使仿真更 接近实际工况， 其输入采用如图4 a 所示的实测转向盘转角时 域响应 ， 仿真时间为 2 0 s ， 结果如图所示。 4 ． 1仿真结果及数据处理 当分别为 4 ． 5、 6 ． 5和 8 5时， 得到的仿真曲线， 如图 5 a 一 c 所示； 当分别为 0 ． 0 0 0 1 5、 0 ． 0 0 0 2和 0 ．0 0 0 2 5时得到的仿真曲 线， 如图5 d ～ f 所示。根据蛇形试验国家标准， 取仿真图中的 中间两个波峰与波谷， 分别计算出平均横摆角速度， 平均侧向加 速度和平均车身侧倾角， 结果如表 1 、 表 2所示， 以便于进行比较 分析。 t ， s a 不同 G数值下的横摆角速度 No ． 9 S e p ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 1 6 3 b 不同 G数值下 的侧向加速度 c 不同 数值下的车身侧倾角 d 不同Q 数值下的横摆角速度 e 不同 数值下的侧 向加速度 f 不同 数值下的车身侧倾角 图5不同系统参数下的车辆动态响应曲线 表 1 G数值对蛇行试验的影响 4 _ 2仿真结果的对比与分析 由图5 a ～ c 可知， 随着 c | 数值的升高， 系统的响应速度有 所降低， 横摆角速度、 侧向加速度和车身侧倾角的峰值均有所下 降； 根据表 1 所示， 随着 G数值的升高， 平均横摆角速度、 平均侧 向加速度和平均车身侧倾角的数值均有所下降。由此可以认为 适当提高液压缸内泄漏系数， 可以提高车辆的操纵稳定性。 由图5 d f 可知 ， 当 Q 数值较大时， 系统的响应速度较 快， 横摆角速度、 侧向加速度和车身侧倾角的峰值均有所提高； 根 据表 2所示， 当 数值增大时， 平均横摆角速度、 平均侧向加速 度和平均车身侧倾角的数值均增大。 由此可以认为 适当降低转阀供油量 ， 可以提高车辆的操 纵稳定性 。 5结论 利用 M a t l a b ／ S i m u l i n k 建立了液压动力转向系统及整车操纵 稳定性模型， 并利用试验数据作为模型输入， 将仿真结果与试验 结果作对比， 发现两者吻合度较高， 充分证明了模型的正确性。 在此基础上通过仿真可知 适当提高液压缸内泄漏系数 ， 适 当降低转阀供油量， 可以提高车辆的操纵稳定性。 仿真结果的对比与分析 ， 为设计、 改进转向器提供参考， 为 提高车辆的操纵稳定性以及研究车辆操纵稳定性的主观评价提 供了一定的依据。 参考文献 l 1 ] K e l j i S u z u k i ， Y o s h i h a r uI n a g u ma ， K y o s u k e Ha g a ， e t a 1 ．I n t e g r a t e d e l e c t r o - h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g s y s t e m wi t h l o w- e l e c t r i c e n e r g y c o n s u mp t i o n [ c] ． S AEP a p e r 9 5 0 5 8 0 ， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 喻凡 ， 林逸 ．汽车系统动力学[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 7 ． f 3 ] 薛定宇 ， 陈阳泉． 基于 MA T L A B ／ S i mu l i n k的系统仿真技术与应用[ M 3 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 4 ． [ 4 ] 国家质量监督检验检疫总局．G B ／ T 6 3 2 3 9 4 汽车操纵稳定性试验方法 [ M] ．北京 中国标准 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 5 ] 江铃福特全顺轻型客车技术规范[ M 3 ． 江苏 江铃汽车股份有限公司， 2 0 0 2 ． [ 6 ] Ha q u e ， M．A， a n d S a i f ， M． T ． A ．S t r a i n gra d i e n t e f f e c t i n n a n o s c a l e t h i n f i l ms [ J ] _A c t a Ma t e r i a l l a ， 2 0 0 3 ， 5 1 3 0 5 3 3 0 6 1 ．