商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真.pdf

2 0 1 3 年 2月 第4 1 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI C S Fe b ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 2 9 商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真 江浩斌，史益朋，耿国庆，董家寅 江苏大学汽车与交通工程 学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要为了分析商用车液压助力转向系统 H P S 主要参数对整车转向操纵性能的影响，建立了 H P S机械子系统、液 压子系统和整车三自由度转 向动力学模型，基 于 MA T L A B ／ S i m u l i n k建立 H P S系统及整车转向操纵性仿真模型。以装有 G Y S 0型液压助力转向器的商用车为例 ，仿真分析 H P S系统供油量和扭杆刚度对方向盘阶跃输入工况的整车横摆角速度、 侧向加速度、车身侧倾角和侧倾角速度的影响。结果表明考虑车身侧倾角稳态值以及响应速率等因素，适度增大 H P S系 统供油量和扭杆刚度可以改善转向灵敏性，若过度增大供油量和扭杆刚度，则转向行驶稳定性及乘坐舒适性变差。 关键词商用车；液压助力转向系统； 供油量 ； 扭杆刚度 ； 操纵性能 中图分类号U 4 6 3 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 3 1 0 2 4 M o de l i n g f o r t he Hy dr a u l i c Po we r S t e e r i n g S y s t e m o f Co mme r c i a l Ve hi c l e s a nd Ha n d l i ng Pe r f o r ma n c e Si mu l a t i O n f l0 r t he W ho l e Ve h i c l e J I ANG Ha o b i n，S HI Yi p e n g，G ENG Gu o q i n g，DO NG J i a y i n 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 J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Mo d e l s o f HP S me c h a n i c a l s u b s y s t e m，h y d r a u l i c s u b s y s t e m a n d t h e 3一DO F w h o l e v e h i c l e w e r e e s t a bl i s h e d，i n o r d e r t o a n a l y z e t h e i n fl u e n c e o f ma i n p a r a me t e r s o f t h e c o mme r c i a l v e h i c l e HP S o n t h e s t e e ri n g h a n d l i n g p e rf o r ma n c e ．T a k i n g t h e c o mme r c i a l v e h i c l e e q u i p p e d wi t h G Y8 0 E C HP S a s e x a mp l e ，t h e e f f e c t s o f o i l s u p p l y o f HP S a n d t h e t o r s i o n s t i f f n e s s o n t h e w h o l e v e h i c l e y a w v e l o c i t y ， l a t e r a l a c c e l e r a t i o n， b o d y r o l l a n g l e a n d r o l l a n g u l a r v e l o c i t y c a u s e d b y t h e s t e e ri n g w h e e l s t e p i n p u t we r e a n a l y z e d b a s e d o n MAT L AB ／ S i mu l i n k ． T h e s i mu l a t i o n r e s u t t s i n d i c a t e t h a t s t e e rin g s e n s i t i v i t y C an b e i mp r o v e d b y t a k i n g t h e s t e a d y s t a t e v a l u e o f b o d y r o l l a n g l e a n d r e s p o n s e r a t e i n t o a c c o u n t a n d i n c r e a s i n g t h e o i l s u p p l y o f HP S a n d t o r s i o n s t i f f n e s s p r o p e r l y ． B u t wh e n t h e o i l s u p p l y o f H P S a n d t o rs i o n s t i f f n e s s a r e i n c r e a s e d e x c e s s i v e l y ，b o t h t h e s t e e ri n g s t a b i l i t y a n d r i d e c o m f o r t are d e g r a d e d ． Ke y wo r d s C o mme r c i a l v e h i c l e ； Hy d r a u l i c p o w e r s t e e ri n g s y s t e m； Oi l s u p p l y；T o r s i o n s t i f f n e s s ； Ha n d l i n g p e r f o rm a n c e 近年来 ，随着汽车技术的不断发展，汽车上广泛 使用各类助力转向系统。乘用车负载较小，对速度性 能要求较高，通常采用齿轮齿条式 E P S以及 E H P S 转 向系统；而由于前轮载荷较大、电机功率以及加工工 艺方面的因素制约 ，商用车通常采用循环球式 H P S 系统提供助力。 目前研究人员针对乘用车齿轮齿条式 电动助 力转 向系统 E P S 、电控液 压转 向系 统 E H P S 的动态特性已经做了大量的研究 ，而针 对商用车循环球式液压助力转向系统 H P S 的研究 甚少，并且在建模过程中较少考虑转向系统与整车之 间的联系 ，主要采用二 自由度汽车动力学模型 来分 析整车的转向运动特性。 文中在建立 H P S机械子系统和液压子系统数学 模型及整车线性三 自由度动力学模型的基础上，基于 MA T L A B ／ S i m u l i n k 进行整车转向性能仿真，对影响车 辆转向性能的 H P S主要参数进行定量分析，为商用 车 H P S系统的优化设计提供理论依据。 1 循环球式 H P S转 向系统结构组成和工作原理 循环球式 H P S系统 结构 如 图 1 所 示 ，主 要包 括 转向盘、转向轴、循环球式转向器总成、液压泵、转 向车轮等。 液压 图 1 循环球式 H P S系统结构示意图 中重型商用车 H P S系统通常采用转阀作为液压 收稿 日期2 0 1 2 0 1 0 9 基金项目江苏省属高校自然科学研究重大项 目 1 1 K J A 5 8 0 0 0 1 ；江苏省道路载运工具新技术应用重点实验室开放课题 B M 2 0 0 8 2 0 6 0 0 3 作者简介 l 、江浩斌，男，博士，教授，博士生导师。通信作者史益朋，E - m a i l s h e n 8 7 1 0 2 2 1 2 6 ． c o m。 第 3 期 江浩斌 等 商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真 1 0 3 控制阀，在发动机驱动下 ，液压泵从储油罐中吸 出 液压油向转 阀供油。汽车直线行驶时，转阀处于 中 位 ，此时活塞液压缸两端压力保持平衡，油液通过转 阀直接流回储油罐。当汽车转向时 ，驾驶员给方向盘 输入转向力矩，在弹性扭杆作用下 ，转 向轴 阀芯 与螺杆轴 阀套 产生相对夹角，转阀阀口一侧油 路渐开，另一侧油路渐闭，液压缸两端产生压差，从 而推动活塞移动 ，实现助力转 向。 2 转 向系统数学模型的建立 为便于分析，将 H P S系统分为机械子系统和液 压子系统分别进行建模。机械模块包括转向盘、转向 轴 、螺杆轴、转向螺母 、摇臂轴等部分。液压模块包 括转阀、活塞液压缸等部分。 2 ． 1 HP s机械 子系统模型 2 ． 1 ． 1 转向盘 一 转向螺杆轴模型 根据牛顿第二运动定律，“ 转 向盘 一转向轴”的 运动微分方程为 t ， dB dk 2 d一0 l T d 1 式中．， 为转向盘 一转向柱等效转动惯量 ，k g m ； 为 转 向 盘 转 角，r a d ；B 为 黏 性 阻 尼 系 数 ， N m ／ r a d ／ s ；k ， 为 扭 杆 的 刚 度 系 数 ，N m ／ r a d ； 为转向螺杆转角 ，r a d ；T d 为驾驶员作用在转 向盘 上的转矩 ，N 11 1 。 2 ． 1 ． 2 螺杆轴 一 转向螺母模型 由于转向螺杆 一 转向螺母之间是螺旋传动，其运 动微分方程为 J 1 B 。 K d 。 一F L 2 式中．， 1 为转向螺杆的等效转动惯量 ，k g m ；B 为转向螺杆的黏性阻尼系数 ，N m ／ r a d ／ s ；F为 转向螺杆的轴 向工作载荷，N；L为转 向螺杆力中心 距 ，i n 。 2 ． 1 ． 3 转向螺母 一 摇臂轴齿扇模型 转向螺母与摇臂轴齿扇之间的运动为齿扇齿条传 动 ，转向螺母相当于齿条，其运动微分方程为 ， n l 互 l B l l FF 一F 3 式中m 为转向螺母的质量 ，k g ； 为转向螺母 的 位移 ，m；B 为助力缸的阻尼系数，N s ／ m；F 为 液压系统提供的助力 ，N；F 为传递到摇臂轴齿扇上 的力 ，N 。 2 ． 1 ． 4 摇臂轴齿扇 一摇臂轴输出端模型 运动微分方程为 J c s。 B 。 。 F r 。 一 4 式中J c s 为齿扇 的等效转动惯量 ，k g m ； 。 为齿 扇 的 转 角 ，r a d ；B 为 齿 扇 的 黏 性 阻 尼 系 数， N i n ／ r a d ／ s ；r 为齿扇的节 圆半径，i n ；T p为转 向阻力等效到摇臂轴上的力矩 ，N n l 。 2 ． 2液压 子 系统 模 型 2 ． 2 ． 1 转阀数学模型 转阀采用对称结构，可等效为几个恒流源并联的 四通道滑阀模型，如图2所示。 接进 接 左 腔 Q L 1 图2 转阀等效模型工作原理图 rQ 。 Q Q 2 { Q 一 Q Q 5 【 Q 一Q Q m 根据薄壁小孔的流量公式 ，有 Q C A ／ 2 卸 ／ p 6 式 中 Q 。 为转 阀 的进油 流 量 ；Q i 1 ，2 ，3 ，4 为流经阀口i 的流量 ；Q Q 分别为动力缸 的进、 出油流量 ；A 为第 i 个 阀口的节流面积；△ p 为第 i 个阀口两侧的压力差 ； P为液压油的密度。 阀芯与阀套的预开间隙结构如图3所示。 图3 短切 口阀口结构示意图 当 一 ／ ≤ 1 一 1 ／ R时 A W L 。 2 R 。 一0 2 7 当 一 ／ R 一 一 ／ 时 A 1 W 。 1 。 l R l 一 2 8 当 一 。 r2 ／ R 1 一 2 ≤ ／ R时 A 2 W 1 L 1 2一 2 R 1 一 9 当 ， 2 ／ R l 一 2 W ／ R时 A Wl L 一 R 。 一 1 0 由于转阀的结构对称，则有A A ， A A 。 式中R为阀芯与阀套 的配合半径； 为中位时阀 口预开间隙； 为阀口的轴 向长度 ；WI 为短切口的 宽度；L 为短切口的轴向长度。 2 ． 2 ． 2 活塞液压缸数学模型 假设回油 口压力 系统背压为0 ，不考虑油液 1 0 4 机床与液压 第 4 1 卷 外泄漏及油液可压缩性有 Q L IQ I 2“r r d x ／ 4C i P 1 一 P 2 I 1 式 中 C 为液压缸 的内泄漏系数 ；d为活塞缸直径 。 3 整车线性三自由度模型 为了研究 H P S对整车转向操纵性和稳定性的影 响，考虑了前轮转角对侧向加速度、侧倾 自由度影 响，采用整车线性三自由度动力学模型进行分析 ] ， 如图 4 。 力 q 侧 同 力 图4 整车三自由度动力学模型 根 据 达 朗 贝 尔 原 理 ，可 导 出 以 下 3个 微 分 方 程 mm。 ／ ／ , m [ ／ Z一 ] 一 2 K 。 6 2 K 2 6 2 1 2 2 b K 。 6 。 一2 口 6 1 3 一 m [ u h一 ]， 材 一 D。 D 一 C 。 C 一m h g 1 4 式中6 、6 分别为前后轮侧偏角；f．O 为横摆角速 度 ； 卢为质心侧偏角； 为侧倾角速度； 为车身侧 倾角；C 。 、C 分别为前后悬架侧倾角刚度 ；D 、D 分别为前后悬架侧倾角阻尼；m为整车质量；／ 7 ／ , 为 簧载质量； 为车辆绕 z 轴的转动惯量； 为簧载质 量绕z 、 两轴的惯性积 ；t 为簧上质量绕过车身质 心的纵轴的转动惯量 ；h为侧倾力臂；1 7 , 、b 分别为车 辆质心至前后轴的距离 ；u为车速；K 、K 2 分别为前 后轮侧偏刚度。 4 H P S对整车转 向操纵性的影响 4 ． 1 仿真工况及模型参数 基于上述 H P S系统模型及整车三 自由度数学模 型，在 S i m u l i n k中建立整车转 向操纵特性仿真模型。 为了定量分析 H P S系统主要参数对整车转向操纵性 能的影响，以装有 G Y 8 0液压动力转向器的某商用车 作为研究对象。设定的仿真工况为当汽车 以 5 0 k m ／ h 直线行驶突遇障碍物时，驾驶员瞬时给方 向盘 施加 1 r a d转角 给联合仿真模型施加阶跃信号，假 定驾驶员反应时间为 1 S ，仿真时间设置为 3 S 。仿 真模型中的主要参数列于表 1 。 表 1 仿真模型中的主要参数 整车质量 m ／ k g 簧载质量 m ／ k g 车辆质心至前轴的距离 a ／ m 车辆质心至后轴的距离 b ／ m 前后轮侧偏刚度 、 ／ N r a d 系统供油量 Q ／ m s 流量系数 C 液压油密度p ／ k g m 扭杆的刚度系数k 2 ／ N m r a d 活塞缸直径 d ／ m 4 ． 2 仿真结果分析 供油量 、扭杆刚度是 H P S系统的重要设计参数， 对供油量和扭杆刚度分别设置不 同的参数值进行仿 真，通过对比分析整车横摆角速度、侧向加速度、车 身侧倾角等指标的时域响应，可以找出供油量和扭杆 刚度对整车转向操纵特性的影响规律。 4 ． 2 ． 1 H P S供油量对整车动态性能的影响 H P S供油量 Q 分别取 6 L ／ ra i n 0 ． 0 0 0 1 m ／ s 、 1 2 I M m i n 0 ． 0 0 0 2 m 。 ／ s 与 1 8 L ／ m i n 0 ． 0 0 0 3 m ／ s ， 其他参数不变，图5为整车横摆角速度与侧向加速度 的时域仿真结果，图6为车身侧倾角和侧倾角速度的 时域仿真结果。 6 5 4 目 3 2 1 0 t ／ s t ／ s a 供油量对横摆角速度影响 b 供油量对侧向加速度的影响 a 供油 量对 车 身侧 倾 角的 影响 b 供 油 量对 侧倾 角速 度 的影 响 图 6 车身侧倾角和侧倾角速度的时域仿真结果 由图5可知随着系统供油量的增大，横摆角速 度与侧向加速度的响应速率、峰值和稳态值均有明显 的增大，反应时间和峰值 响应时间变化不大。显然 ， 适当提高系统的供油量可以提高车辆的转向灵敏性。 O O 6 4 一● Z ． ● m ∞ ∞ - ． n 9●O 第 3期 江浩斌 等 商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真 1 0 5 由图6可知 随着系统供油量的增大，车身侧倾 角的峰值和稳态值也随之增大，其响应速率增大更明 显 ，侧倾角速度的峰值和响应速率亦增大 ，说明增大 系统供油量会使车辆的转向行驶稳定性及乘坐舒适性 变差。 4 ． 2 ． 2 扭杆刚度 k 对整车动态性能的影响 为研究扭杆刚度对系统动态响应的影响，扭杆刚 度 k ， 分别取 8 0 、1 0 0 、1 2 0 N m ／ r a d ，其他参数不 变，仿真结果如图7和图8所示。 1 8 1 6 1 4 e1 2 二 l 0 8 6 4 2 0 t f s a 扭杆刚度对横摆角速度的影响 t ／ s b 扭杆刚度对侧向加速度的影响 图7 扭杆刚度对横摆角速度和侧向加速度的影响 3 ． 5 3 2． 5 f 、2 1 ． 5 1 0 ． 5 0 t l s a 扭杆刚度对车身侧倾角的影响 t l s b 扭杆刚度对侧倾角速度的影响 图8 扭杆刚度对车身倾角和侧倾角速度的影响 由图 7 a 可知当扭杆刚度 k 取值较大时， 横摆角速度的响应速率、峰值和稳态值均较大；与取 值较小时的曲线作比较，曲线的超调量、峰值反应时 间和达到稳态所需的反应时间均变化不大 ，基本保持 一 致。由图7 b 可知当扭杆刚度 k 取值较大时， 侧向加速度稳态值较大，与 k 取值较小时的曲线作 比较 ，达到峰值 的响应时间基本一致。通过分析可 知 ，适当提高扭杆刚度可以提高车辆的转向灵敏性。 由图8可知当扭杆刚度取值较大时，车身侧倾 角的响应速率、峰值和稳态值也随之增大 ，侧倾角速 度的峰值和响应速率也较大，说明在扭杆刚度 k 取 值较大时，车辆 的转 向行驶 稳定性及乘 坐舒适性 变差 。 5结束语 建立了商用车循环球式 H P S数学模型，基于整 车三 自由度转向动力学模型和联合仿真计算 ，分析了 H P S系统 的供油量和扭杆刚度对整车转 向操纵特性的 影响，为 H P S 系统的优化设计及整车性能匹配提供 了理论依据 。 参考文献 【 1 】申荣卫， 林逸， 台晓虹， 等． 电动助力转向系统建模与补 偿控制策略[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 7 6 9 ． 【 2 】解后循， 高翔． 电控／ 电动液压助力转向控制技术研究现 状与展望[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 1 1 1 7 81 8 2 ． 【 3 】施国标， 申荣卫 ， 林逸． 电动助力转向系统的建模与仿真 技术[ J ] ． 吉林大学学报 5 1 2 学版， 2 0 0 7 1 3 1 3 6 ． 【 4 】石培吉， 施国标 ， 林逸 ， 等． 转阀式液压助力转向系统建 模与仿真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 2 3 73 8 ． 【 5 】高翔， 赵金才 ， 王若平 ， 等． 液压助力转向系统的仿真分 析[ J ] ． 江苏大学学报 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 4 6 3 4 3 8 ． 【 6 】王若平， 杨信刚， 高翔． 汽车液压助力转向系统对操纵稳 定性影响的试验研究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 7 1 2 1 1 91 20． 【 7 】郭孔辉． 汽车操纵动力学[ M] ． 长春 吉林科学技术出版 社 ， 1 9 9 1 ． 【 8 】 Y A M A M O T O M a s a k i ． A c t i v e C o n t r o l S t r a t e g y f o r I m p r o v e d H a n d l i n g a n d S t a b i l i t y [ R] ． S A E S 0 1 4 87 1 9 1 ， 1 9 9 1 】 63 81 6 48． 上接第 1 0 1页 应学习鲁棒 自适应跟踪控制对于移动机器人的导航技 术具有较大的价值。 参考文献 【 1 】张毅， 罗元， 郑太雄 ， 等． 移动机器人技术及其应用[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】张晓琴． 基于改进 B P神经网络的移动机器人寻线控制 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 1 0 ， 2 3 6 5 9 6 0 ． 【 3 】丛爽． 面向 M A T L A B工具箱的神经网络理论与应用 [ M] ． 合肥 中国科技大学出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 4 】何玉彬， 李新忠． 神经 网络控制技术及其应用[ M] ． 北 京 科学出版社， 2 0 0 0 ． 【 5 】 方建军， 刘仕 温室移动机器人运动控制器设计与实 现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 3 4 6 - 4 7 ． 【 6 】李秀珍， 孔纪名， 李朝凤． 基于 M a t l a b的 B P神经网络在 你泥石流危 险性评价 中的应用 [ J ] ． 工程勘察， 2 0 1 0 1 4 7 5 0 ． 【 7 】 周求湛， 吴丹娥， 王淼石， 等． 基于微控制器的新型智能 车灯控制系统的设计与实现[ J ] ． 吉林大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 9 2 4 8 0 4 8 3 ． 【 8 】X I E Y o u h u i ， D A I We n j u n ， D A I Y o n g t a o ． A M e t h o d o f P h a s e T r a c k i n g B a s e d O f t N e u r a l N e t w o r k [ C] ／ ／ 2 0 0 9 I n t e ma t i o n a l J o i n t Co n f e r e n c e O n Ar t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e ， 2 0 0 9 3 8 13 8 4 ． 4 2 l 8 6 4 2 D 2 糍 激 呲 一 ． ． 口 矗 一 、