基于AEMSim的汽车液压限位卸载转向系统的设计及仿真.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e Ms ／ No ． 0 2 ． 2 01 4 基于 AE MS i m的汽车液压限位卸载转向系统的 设计及仿真 姚 一珂 ， 杨世文 ， 岳喜 凯 中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原0 3 0 0 5 1 摘要 该文在分析常用转 向系统的结构原理和技术特 性的基础上 ， 设计 了一种转 向极限状态卸荷 的液压系统 ， 诣在解 决常用液压转 向系统机械杆系受力变形 、 轮胎磨损 、 液压元件烧坏等不利问题 ， 提高转 向系统 的操纵稳定性和安全性。 基于多学科 领域复杂系统建模 仿真平 台 A ME S i m软件建立汽车液压转 向系统 的仿真模型 。仿真结果表 明系统可解决一些常用转向系统的机械杆系受力变形等 问 题 ． 有效提 高了转 向系统 的安全性 和汽 车操纵稳定性 ． 具有一定的经济系效益和安全 效益 。 关键词 A ME S i m； 转 向系统 ； 卸荷 ； 操纵稳定性 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 4 l 一 0 4 De s i g n a nd S i mu l a t i o n o f Au t o mo b i l e S t e e r i n g S y s t e m wi t h Hy d r a u hc L i mi t Un l o a d i n g Ba s e d o n AMES i m Y A0 Yi k e ， Y ANG S h i - we n g， YU E Xi - k a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f c o mmo n s t r u c t u r a l p ri n c i p l e a n d t e c h n i c al c h a r a c t e ri s t i c s o f s t e e ri n g s y s t e m， h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n o f a s t e e ri n g l i mi t s t a t e u n l o a d i n g ， i s me a n t t o d e a l wi t h c o mmo n h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m me c h a n i c al l i n k a g e d e f o r ma t i o n ， t i r e w e a l；“ h y d r a u l i c e l e me n t b u r n a d v e r s e p r o b l e ms ， i mp rov e t h e s t e e ri n g s t a b i l i t y a n d s e c u ri t y c o n t r o l s y s t e m． Mu h i d i s e i p l i n a r y f i e l d o f c o mp l e x s t e e ri n g s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l o f v e h i c l e h y d r a u l i c s y s t e m mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n p l a t f o rm i s e s t ab l i s h e d b a s e d o n AMES i m s o f t wa r e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t the s y s t e m c a n s o l v e s o me c o mmo n s t e e rin g me c h ani c al l i n k a g e s y s t e m b y t h e p r o b l e m o f f o r c e d e f o rm a t i o r i mp r o v e t h e s t e e rin g s t a b i l i t y o f s y s t e m s e c u ri t y a n d c a 4 “ w i t l l e c o n o mi c b e n e fi t a n d s a f e t y b e n e fi t c e r t a i n ． Ke y wo r d s AME S i m； s t e e rin g s y s t e m； u n l o a d i n g ； h a n d l i n g s t ab i l i t y 0 引言 汽车的操纵稳定性是汽车 的重要性能之一 ．它决 定 了汽车 的操控性 、 行驶安全性 和抗外界干扰能力 ， 而 作为改变汽车行驶方 向的转向系统与汽车操纵稳定性 关系最为密切。不论是转 向系 自身的内部结构参数 ， 还 是驾驶员作用于转 向系的外部使用参数 ．均对整车操 纵稳定性有着极大 的影响 转 向系统 的研究在汽车操 纵稳定性研究中起着关键作用 ．特别是液压 助力转向 系统的研究更为普遍和重要常用汽车转 向系统在功能 上可分为机械杆系和液压助力系统 ．我们知道常用汽 车机械杆系主要功能有两点 。一为控制方向盘至转向 轮的传动 比．二为通过转 向器控制液压系统卸荷和工 作状态的机械反馈控制 基金项 目 山西 省高等学校科技项 目 项 目编号 2 0 1 2 0 0 2 0 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 1 8 作者简介 姚一珂 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河北保定 人 ， 在读硕士研究生 ， 研究 方 向 汽车 的操纵稳定性研究 。 A ME S i m是法 国 i m a g i n e公司设计 的用于汽车 、 航 空航天等领域系统仿真 的开发平 台． 与其他仿真平台相 比， 该仿真软件具有更完善的机械 、 电机和控制信号元 件库 ， 可 以直接建立系统 ， 而不需要建立经过简化的抽 象数学模型 ， 仿真结果可直接用于实际系统。该软件平 台提供了友好 的用户界面， 可以方便地修改控制参数 。 目前汽车制造企业虽然对转 向系统的设计都有 自 己成熟 的技术 ． 但当转 向轮达到极限状态 ． 即机械 限位 起作用时 ． 液压系统处于满负荷状态 ． 机械杆系受力大 甚至变形 ． 导致各转向轮不在一个转弯瞬心 ． 轮胎滑动 磨损 ， 同时 ， 液压系统发热 ， 引发液压元件烧坏等现象。 本文对此 问题进行专项研究和分析． 目的是设计出一种 能用 国产半整体式转向器解决以上不足之处的简单又 实用的液压控制系统 1 常用汽车转向系统的结构原理及受力 分 析 本文 以常用汽车转 向系统为例 ．针对新型设计涉 41 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 4年 第 0 2期 及范 围．对常用转向系统的机械杆系和液压助力系统 进 行 相应 的介 绍 。 1 ． 1 机械 转 向系统 结构 原理 机械转 向系统结构原理如 图 1 所示 ．转 向系统是 与非独立悬架配合使用的 ．由转 向器输 出的力和运动 通过摇臂 、转 向直拉杆和转向节臂传至左转向节使其 绕主销转动 为使右转 向节及其支承的右转向轮随之 偏转相应角度 ． 还设置了转 向梯形。 1 一 转 向 盘2 一 转 向 轴3 一 转 向万 向节4 一 转 向传 动轴5 一 转 向 器 6 一 转向摇臂7 一 转 向直拉杆8 一 转 向节臂9 一 轮胎 l O、 l 2 一 梯形臂1 1 - 转 向横拉杆 图 1 机械转 向系统结构示意 图 1 ． 2转 向液压 助 力 系统 常用转向液压系统 的结构原理如图 2所示 ．汽车 发动机带动油泵 2向转向液压系统提供动力 ．转 向器 分配阀 4控制汽车直线和左右转向方向 ．即系统卸荷 和工作 汽车直线行驶卸荷液压油直接回油箱 8 ． 转 向 时 ． 转 向器内滑阀偏离 中间位置 ． 油液经转向器分配阀 4 ． 进入转向油缸 5 执行元件 。 实现汽车转向。 1 一 发 动 机 转 矩 输 出端2 一 液 压 油泵3 一 精 滤 器4 一 转 向器 分 配 阀 5 一 油缸6 一 溢 流阀7 一 粗滤器8 一 油箱 图 2常用转向液压系统结构 原理示意图 1 ． 3常用汽 车 转 向系统 的受 力分 析 根据常用汽车转 向系统结构及工作原理。 对转向机 械反馈杆系和液压系统进行转 向极限状态 的运动和受 力分析。当汽车转向达到最小转弯半径。即车桥机械限 位 图 1 所示 接触时 ， 如果方 向盘继续受转动扭矩 ， 转 向液压系统压力迅速达到额定工作压力 ， 助力油缸处于 最大工作压力。 此时 。 可能出现两种不 良现象 ， 一是 由于 杆系各联接节点运动副磨损产生的间隙、 球头缓冲行程 以及杆类件的变形导致车桥转 向轮过度转 向， 转向轮滚 42 动瞬心与最小转 向圆瞬心不重合 ， 容易出现轮胎滑动磨 损现象 ； 二是液压系统发热升温， 密封件变质失效 ， 容易 出现管路渗漏油。甚至液压元件烧坏等现象 2 汽车液压 限位卸 载转 向系统设 计 该 系统在常用转 向系统结构及工作原理基础上 ． 合理加设极限位置卸载装置 ， 装置 由电磁溢流阀、 卸荷 缓冲阀、 电磁换向阀组成 。 系统在直线和非极限状态f j E 最小转弯转 向状态1 ．工作模式与常用汽车转向状态相 同； 在极 限状态 最小转 弯转 向状态 ， 车桥机械 限位处 通过可调式机构安装电磁距离感应传感器 ．当转向轮 达到最大转角时，电磁距离感应传感器感应到轮胎最 大转角 ．向液压方 向控制 阀发出信号 ．使液压系统卸 荷 ， 反 向转 向时 电磁距离感应传感器断 电． 系统恢复系 统压力。系统液压原理见图 3 ， 详细叙述如下 。 1 一 发 动 机 转 矩 输 出端2 一 油泵3 一 精 滤 器4 一 转 向器 分 配 阀 5 一 转 向油缸6 一 电磁压 力控制阀 6 ． 1 一电磁溢流阀 ； 6 ．2 一 卸荷缓 冲阀； 6 ． 3 一 电磁换 向阀 7 - 粗滤器8 一 油箱 图 3汽车液压 限位卸载转 向系统 极限限位机械机构和距离感应传感 器安装调整 极限限位机械机构和距离感应传感器均对称安装在车 桥左右两侧转 向横拉杆臂内侧 ．在车桥上有 与该机构 运动轨迹相应的对应面。调整时距离感应传感器1 限位 作用转角比机械限位螺栓稍微大 ．即当转向轮最大转 角时。 距离感应传感器感应发出信号 ． 使转 向液压系统 卸载。 汽车在右极限转 向和左极限转向时 ．该状态转 向 轮轮转角最大 ， 横拉杆臂接近车桥 ， 系统人有效距离 区 域后起限位作用 ， 往下控制路线与左极限转 向状一致 ． 使系统卸荷 系统工作过程关键特性 在极限转 向状态液压系 统卸荷 ．避免机械杆系受力 、变形引起的轮胎滑动磨 损 ． 避免液压 系统长时间高压状态工作 ， 系统发热带来 的液压元件烧坏 ； 在极 限转向状态反向转 向时 ， 使卸荷 的液压系统恢复正常 ， 反向转 向顺利 。 3 汽车液压限位卸载转向系统 A ME S i m 仿真模型的建立 在对液压系统的仿真研究时，对大多数元件而言 ， Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 2 ．2 0 1 4 没有直接给出虚拟的元件模型 ．需要通过该软件 中的 H C D液压元件设计库来 自行建立 ． HC D库大大地增强 了模 型的功能 ， 根据所设计系统 的结构和工作原理 ， 通 过 H C D库对 图 3进行模型建立如图 4所示。 液压动力转向系统 图 4汽 车 液 压 限位 卸 载 转 向 系统 AMESi m 仿 翼 模 型 4 仿 真及结果分析 以已开发的液压转 向系统为研究对象 ．其具体参 数如下 齿轮齿条 比为 4 9 ． 8 m m ／ r ， 齿条力 为 0 ～ 6 2 0 0 N， 转 向盘角速度为 0 ． 8 0 0 ／ s 。 车速 0 ～ 1 5 0 k m ／ h ． 电机转速为 1 3 3 3 ～ 5 O 0 0 r ／ s ． 电动齿轮泵排量为 1 ． 5 c m 3 。 电动齿轮泵 流量为 2 5 ． 7 L ／ m i n ．电动齿轮泵压力为 0 ～ 1 0 ． 4 MP a 。 液 压缸受力面积为 6 ． 0 2 4 x 1 0 ． 6 m2 。 算法函数采用文献【 7 】 中 的研究成果 ． 仿真结果如下 图 5为转向油缸 内活塞 的 移动位移变化 ， 图 6为车速对助力曲线的影响。 图 5 转 向油缸 内活塞 的 移动位移变化 曲线 图 6不 同车速 下 助力特性曲线 转 向盘输入扭矩 为正 弦信号 ． 幅度为 7 N m， 周 期 为 4 s 。 匀速转动 ， 依据相应算法 ， 由车速变化形成了多 条助力特性曲线 ， 见 图 6 ， 在低车速段 ． 助力 电机转速较 高 。 提供较 大的助力 。 随着车速的加 快 。 提供 的助力越 来越小 。 这保证了低车速转 向时轻便 。 高车速行驶时提 供较小转 向助力 ． 而且助力死区变大 ， 防止转 向盘 “ 发 飘” ． 说明所设计的限位卸荷液压转 向系统可 以提高行 车“ 路感 ” 和行车安全 图 7是限位卸荷时系统压力 的变化 ．汽车在右极 限转 向和左极限转 向时 。 该状态转 向轮轮转角最大 ． 横 拉杆臂接近车桥 ， 系统人有效距离区域后起限位作用 ， 往下控制路线与左极 限转 向状一致 ， 使系统卸荷 ； 卸荷 时系统转 向油缸 的压力变化 曲线如图 7所示 ．在卸荷 的过程 中， 压力值快速 的变小 ， 说 明所涉及 限位卸荷液 压转向系统的卸荷性能是可行有效地。 4 0 急 3 9 姜 出3 9 粪 3 9 3 9 3 8 时 间f ／ 0 图 7 限位卸荷时系统压 力的变化 曲线 在某一车速时 ． 有、 无转向盘角速度控制的助力特 性 曲线 的对 比效果见 图 8 ． 可以看 出， 加入转 向盘角速 度控制后 ． 助力曲线 的助力效果更 明显 ． 增强了控制系 统 的跟随性 ． 在相 同转向盘扭矩下 ． 助力特性曲线和 回 正 曲线之差较小 ． 提高了系统 的回正性 能． 转 向盘角速 度参与控制后 ． 角速度的值如图 9所示 。 有角速度控制 时． 其值 明显大于无角速度控制 ． 表明提高了系统 的转 向助力效果和 回正性能， 有利于解决 了汽车在极 限转向 状态的机械杆系受力 、 变形引起 的轮胎滑动磨损 。 液压 系统高压状态系统发热等不足的问题 圣 媒 姐 图 8 有 、 无转 向盘角速度控制时助力特性 曲线 T 穗 援 一 1 0 0 l 0 2．0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 ．0 扭矩／ Nm 图 9 有 无转 向盘角速度控制时转 向盘角速度 5 结论 本文根据 汽车常用 转 向液 压系统 工作原理 和功 43 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 2期 基于 A ME S i m 的 F DD 1 2 5 ／ 4 0 型液控单向锁仿真研究 S t u d y o n Dy n a mi c S i mu l a t i o n o f F DD 1 2 5 ／ 4 0 Pi l o t o p e r a t e d Che c k Va l v e Ba s e d o n A ，I ES i m 王相亭 ， 张久雨 ， 牛 辉 WANG Xi a n g - t i n g a ， Z HANG J i u - y u 2 , NI U Hu i 1 ． 安徽省矿业机 电装备有限责任公司 ， 安徽 淮北2 3 5 0 4 7 ； 2 ． 中国矿业大学 机电工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 为 了 F D D1 2 5 ／ 4 0型液控单向锁的优化选用 ， 该文首先介绍 了 F D D1 2 5 ／ 4 0型液控单 向锁 的结构和工作 原理 ． 然后利用 A ME S i m 软件建立 了液控单 向锁 的模型并依据 MT 4 1 9 1 9 9 5 标 准中的建议试验 油路 ， 建立 了液控单 向锁的仿真试验油路 ． 最后进行仿真分析测 定液控单 向锁 的正 、 反向开启 压力并对 液控单 向锁 的反 向卸荷性能进行 了仿真 ， 仿真结果表 明液控单 向锁 的反 向卸荷性能较好 。 关键词 A ME S i m； 液控单 向锁 ； 仿 真分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 4 4 0 3 0 引言 建立准确的液控单 向锁数学模 型是对其进行仿真 的关键点也是难点 由于建立液压系统的数学模型需 考虑的因素较多 ． 而变得非常复杂 。 所 以模型建立的正 确与否直接关系到仿真结果 的好坏 ．不准确 的模型有 可能导致最后得 出相反的结论 ．但建立者又无法对仿 真结果 的正确与否做出判断 ．这样可能会造成 巨大的 经济损失 基于建模过程中的复杂性给仿真带来的不 便 ．近些年在国外尤其是欧洲陆续研制出了一些更加 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 8 作者简介 王相亭 1 9 7 4 一 ， 男 ， 安徽淮北人 ， 工程师 ， 学士 ， 从事液压支 架 及液压支架用 阀的设计研究 工作 。 实用 的液压机械仿真软件 ．并在实际生产 中获得 了成 功的应用 ， A ME S i m就是其 中杰出的代表 。为了研究液 控单 向锁的动态性能 ．本文对 F D D 1 2 5 ／ 4 0型液控单 向 锁在 A ME S i m环境下进行了建模 ．并对所建模 型按照 MT 4 1 9 9 5标准 ． 进行 了模型性能检验 1 液控单 向锁 的结构及 工作 原理 F D D 1 2 5 ／ 4 0型液控单 向锁的结构如图 1 所示 单向 锁包括阀体 、 螺套 、 0形圈、 挡圈、 小弹簧 、 阀芯、 阀垫 、 阀 座、 顶杆 、 大弹簧、 阀套、 形圈、 挡圈、 螺堵、 塑料堵等结构。 液控单 向锁正向工作时 油液从 P 1 H进人 阀体 ， 在单 向锁的 P 1口进液腔形成压力 ． 并推动阀芯 向右移 动 ， 促使 P 1 进液 口与 P 2口导通 ， P 2口出液 。 用 在分析常用液压转 向系统 的结构原理和工作特性 的基 础上 ． 提 出一 种 限位卸 荷液压转 向系统 ． 且运用 A ME S i m软件建立了仿真模型。仿真结果表明 所设计 的限位卸荷液压转 向系统的卸荷功能是有效可行 的 当车速和转 向盘角速度共同参与控制时 ．既能提高系 统的快速响应性 ． 改善回正性能 ． 又能满足转向的轻便 性和安全性 解决了汽车在极限转 向状态 的机械杆系 受力 、 变形引起的轮胎滑动磨损 ， 液压系统高压状态系 统发热等不足的问题 参考文 献 [ 1 1 贺海洋 ． 李 建朝 ． 基 于A ME S i m 的全 液压 转 向系统 的仿 真分 44 析J R ] ． 桂林 2 0 1 2 年 L M S中国用户大会 。 2 0 1 2 ． 『 2 1 安 四元． 基 于 A ME S i m和 S i mu l i n k多轴线车转 向系统 联合仿 真研究[ J ] ． 煤矿机 电， 2 0 1 2 ， 5 1 2 1 5 ． 【 3 】 任彦恒， 吕建刚． 某 履带车辆 液压 转向操纵 系统仿真[ R 】 ． 桂林 2 0 1 2年 L MS中国用户大会 ． 2 0 1 2 ． 『 4 1 陈勇， 何 仁． 电动液压助 力转 向系统仿真 及试验研 究[ J ] ． 液压 与气动， 2 0 0 9 ， 1 0 2 9 3 3 ． [ 5 ] 李婷， 黄明泉． 超重型 特种汽车 转 向液压 系统设计 [ J ] ． 液压与 气动， 2 0 0 7 ， 1 0 1 2 ． [ 6 】 李静， 赵娜． 重型特种 汽车带应 急泵转 向液压 系统设计 [ J ] ． 液 压 与气 动， 2 0 1 0 ， 3 1 8 1 9 ． 【 7 】 许 阳坡 ． 电动 液压助力 转 向系统 控制策 略研究 与实现[ D 】 ． 天 津 天津大学 ， 2 0 0 6 ．