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新型电动液压转向系统建模及耦合分析 A n ew t ype el ect r o- hydr aul i c s t eer i ng s ys t em m odel i ng and coupl i ng anal y si s 瞿桂鹏，落领，左仕林 QU Gu i ． p e n g。L AO L i n g ，ZUO Sh i ． 1 i n 江西理工大学 机电工程学院，赣州 3 4 1 0 0 0 摘要以轿车液压转向系统为研究对象，引进了一种具有主动转向和助力转向功能的新型电动液压转 向系统。利用C A T I A 软件建立了新型电动液压转向系统的数字化三维模型，分析了该转向系 统的结构和功能。并采用一种基于转向盘角速度和车速的附加主动转向活塞杆位移的变传动 比控制策略，建立了从方向盘到车轮转向角的数学模型。最后应用AME S i m 软件完成了新型电 动液压转向系统的建模，并对助力转向系统和主动转向系统同时工作时的高压油腔内的流量 和压力进行了动态仿真分析。仿真结果表明 ，两系统同时工作时的流量压力特性相互影响很 小 ，即在改变助力大小的同时主动转向系统给主动转向活塞杆的附加位移几乎不受影响，在 改变主动转向活塞杆附加位移的同时齿条助力的大小也基本不受影响。故该新型电动液压转 向系统能够较好的实现力和角位移的分工协同控制 ，对转向系统设计和开发具有一定的指导 意义。 关键词主动前轮转向；C AT I A；AME S i m；耦合分析 中图分类号U 4 6 1 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 O l 5 1 0 上 -0 0 7 8 -0 5 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 5 ． 1 9． 2 2 0 引言 电动液压助力转 向系统 E l e c t r o ． Hy 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， E HP S ，一般采用直流 电机驱动液压 助力转 向泵，并能根据汽车行驶状态主动调节 电机转速 进而控制转 向助 力的大 小，使 得汽 车在低速 时转 向轻 便，高速时转向稳重Ⅲ。 前轮主动转 向系统 Ac t i v e F r o n t S t e e r i n g ，AF S， 通过改变转向传动比和主动转 向干预 ，使轮胎侧 向力始 终置于线性区，因此相比传统 的助力转向系统，具有前 轮主动转 向系统的汽车低速时转 向更轻便 、灵敏，而高 速时转 向更加稳重、精准 l 。 目前，E H P S 不能实现变传动 比控制和通过主动转 向干预对车辆实施稳定性控制，且现有的A F S 多采用在 转向盘和齿轮齿条转向器之间的转向柱上集成了一套双 行星齿轮机构，用于向前轮提供叠加转 向角，从而实现 变传动比转向功能并提高车辆 高速行驶稳定性，结构比 较 复杂，需要增加蜗轮蜗杆减速装置 ，制造精度要 求 高，成本大b 】 。本文在E HP S 和AF S 的基础上引入了一种 新型的电动液压转向系统该转向系统因采用二级伸缩式 的液压缸的结构实现助力转向和主动转 向 ，故在原理 上相 比传统 的行星齿轮 式机构简单 ，结构上也更加紧 凑，通过控制助力转向电机转速的高低实现助力大小的 改变 ，而通过控制主动转向电机的转速 的高低实现主动 转 向变传动 比的改变。但是由于转 向系统的高度集成， 两系统同时工作时，助力转 向和主动转 向油路之 间，液 压元件之间耦合对整个转向系统的性能产生的影响是性 能分析 中必须考虑的问题 】 。通过采用控制变量法对 比 仿真分析了助力转 向和主动转 向高压油腔的压力与流量 时域特性，结果显示两系统之间的液压耦合作用对助力 与主动功能影响较小，这表明该新型液压转向系统能够 很好的实现力与角位移的协同控制 】 。 1 新型转向系统结构及原理 1 ． 1转 向系统三维模型 C AT I A是法 国达索公司开发的一款高档C AD／ CA E ／ CAM一体化软件 ，因其强大的曲面设计功能，先进的 混合建模技术等优点在汽车行业得到了广泛的应用。利 用C A T I A软件建立的新型电动液压转向系统三维模型如 图l 所示 】 。该转向系统将助力转 向系统和主动转向系 统集成在一个转向器中，采用两个无刷直流 电机作为动 力源 ，分别驱动助力转 向油泵和主动转 向油泵为助力转 向动力缸和主动转向动力缸供油 ，以实现助力和主动转 向。其中助力转 向油路的控制仍采用助力阀完成，主动 转向油路的控制则采用精度较高的液压伺服 阀控制 ，并 且助力转向和主动转 向共用一个储油罐 ，利于节省空间 和降低开发成本。 收稿日期2 0 1 5 - 0 6 - 2 3 作者简介瞿桂鹏 1 9 8 8一，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为汽车动力学与智能控制。 [ 7 8 1 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 - 1 0 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1 新型电动液压转 向系统 三维模型 1 ． 2转向器结构 转 向器部分由一个双活塞杆的两级伸缩油缸和一个 齿轮齿条机构组成 ，并通过间隙补偿器将转向齿条压紧 在转 向小齿轮上，以保证转 向稳定可靠 。其中第一级活 塞杆油缸为主动转 向动力缸，第二级活塞杆油缸为助力 转向动力缸。转向器的内部结构如图2 所示。 1 ． 主动转 向动 力缸外 油孔；2 ．助力转 向活塞杆 ；3 ．转向器壳体端盖 ；4 ． 助力转向动力缸油 孔 ；5 ．助力转 向动力缸油腔；6 ．主动转 向动力缸油腔；7 ．主动转 向活塞杆8 ．主动转 向动 力缸 内油孔 ；9 ．辅向墨壳体 ；l 0 ．衄陈补偿器；n ．转向小齿轮{l 2 带 向齿条 图2 转向器主要结构图 1 ． 3 转向系统工作原理 结合图1 和图2 ，当系统仅工作在助力转向模式时， 主动转 向油腔 内处于高保压状态 ，转动方向盘 ，通过传 动轴驱动助力阀和转向器 的转向小齿轮 ，助力阀首先打 开，油液从助力转向动 力缸油孔4 进入助力转 向动力缸 的腔室5 ，推动助力转向活塞杆2 ，并带动横拉杆、车轮 的运动，实现转向轻便。当系统仅工作在主动转向模式 时，液压伺服阀处于工作位，通过电机调节主动转 向油 泵 的供油量，油液从主动转 向动力缸外油孔1 进入主动 转 向活塞杆 内的空心 油路后从主动转 向动力缸 内油孔8 进入主动转向动力缸油腔6 ，再推动主动转 向活塞杆7 左 移或右移 ，从而带动横拉杆和车轮的附加转动 ，实现变 传动比转向。当系统同时处于这两种工作模式时，这时助 力阀和液压伺服阀都处于工作状态，因此横拉杆的位移是 两种操纵位移的叠加，故此种状态下操纵稳定性最好。 1 ． 4转向系统控制策略设计 新 型 的 电动 液 压转 向系 统通 过 双伸 缩 液压 缸 将 E H P S 和A F S 高度集 成在一起 ，存在助力转 向与主动转 向液压油路之间的耦合 问题 。因此控制的关键技术是如 何实现力和角位移的分工协 同控制n 。这对于改善汽车 操纵稳定性 ，提高行驶安全有着重要 的意义。针对集成 式的新型电动液压转 向系统结构特 点及功能要求，提出 一 种基于转向盘角速度和车速 的附加主动转向活塞杆位 移的变传动比协 同控制策略，附加位移是通过主动转向 动力缸的定流量控制实现 哆 ] 。 1 ． 4 ． 1 附加位移与车速的关系 根据新型转向系统的助力要求和车速 的关系 ，当车 速比较低 时或原地转 向时，需要较大 的传动 比，即同样 的转向盘角速度下车轮转角要相对大一些 ，这样可以提 高转向轻便性和驾驶 员的舒适性 ，减小作用在方 向盘上 的力矩，即减轻手力。车速较高时，转 向系统需要有较 小的传动比，即在同样的转 向盘转角下，车轮转角要小 一 些 ，从而在保证驾驶员转向路感的情况下提高整车行 驶稳定性 ，其函数表达式如下 I S l 0 ≤ V V 0 1 Vq V Vt I ； J 式中，S m a x l 为紧急状况或泊车转 向时的主动转向活 塞杆最大附加位移，S ta i n 为主动转 向活塞杆最小附加位 移，S v 是与v 相关的非线性递减函数。 1 ． 4 ． 2 附加位移与转向盘角速度的关系 在车 速一定的条件下 ，车辆主动转 向活塞杆 的位 移会随着转向盘角速度 的增大而增大，同时转向力矩也 会增大 。转向盘角速度越大附加位移越大，既满足汽车 急转向和泊车时对转向助力的要求，又满足 了助力跟随 性，其函数表达式如下 f 0 0 国 ≤ C O o S { 2 I to ≥ q 式中， 6 0 为转 向盘角速度 ，s ∞ 是与转 向盘角速 度相关的非线性递增 函数，S m 2 为高速避障或紧急转弯 时主动转向系统提供 的最大补偿位移。 2 系统数学模型建立 2 ． 1方向盘到转向小齿轮的数学模型 不考虑传动轴和方向盘的传动间隙，轴套与转 向轴 间的摩擦 ，忽略液动力对阀芯、扭杆的影响，可得到 l c O k d 一 口 1 M ． { 一X C O S O t 3 L ， D k 十 f 0 - 三 1 C O S O 。 一 P 2 P 4 ， ， 式中j 是方向盘转动惯量，c 是转向器的等效阻尼 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 -1 0 上 [ 7 0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 系数 ，k 是转 向轴中扭杆 的刚度 ，0 是方向盘转角 ，e 是小齿轮转角，x 是齿条的位移，m 是齿条等效质量，D 是液压缸阻尼系数 ，k 是等效外界刚度 ，r 是小齿轮 的基 圆半径 ， 是齿条的螺旋齿形角，P 。 、p 是动力缸的进 出腔的油液压力，A 。 是活塞 的有效面积 。 2 ． 2 电机数学模型 电机输出转矩 TK2 I 5 电机转速 N 一 M I ] ／ K 6 其中，T 为电机输出扭矩； 为电机转矩系数；I 为电 机电流N 为电机转速；E 为供 电电压；R c 为供电电压到电 机之间的电阻；R M 为电机电枢电阻；K l 为电机转速系数。 2 ． 3 系统流量压力数学模型 转 向器入 口流量 一 7 式中， 为转向阀流到转 向器的供油量；q 为油泵排 量；T 1 为油泵容积效率；Q r 为转向阀流回油泵的流量。 以液压缸流量为研究对象 Q L 妄 老 8 式 中，C i 为液压缸总泄露系数；V 为液压缸容积 ； p 为油液弹性模量。 液压缸力平衡方程 F 0 A 1 M 妄 K x F L 9 式中，F 0 为负载力为M活塞和负载 的总质 量；B 。 为 粘性阻尼系数；K 为负载弹性刚度；F L 为液压缸助力 。 2 ． 4 齿条位移与车轮转角之间的关系 6 s in I s in 5 1 6 1 o 6 R - s in I s in k 亭I一 6 f 1 1 式中，L 、6 6 6 、x 分别为转向节臂的长度、 左右轮 的转角、初始偏移角 转 向节臂与车轮中心面的 夹角和齿条位移。 由上述 公式可以看出，控制 电机 的转速控制进入主 动转向动力缸的油量，就可以控制主动转向活塞杆的位 移，从而控制附加车轮转向角。 3 系统仿真建模 3 ． 1建模主要参数 根据转 向系统设计要求和参考某款轿车部分参考 ， 【 8 o 】 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 -1 0 上 建模主要参数如下整车质量1 5 3 3 k g ，前轴载荷6 2 8 k g ，助 力齿轮泵排量为l k r e v ,主动转向油泵排量为0 ． 1 c c ／ r e v ，设 定主动转向动力缸整体尺寸为3 0 m m1 6 m m3 0 m m 外径／ 内径／ 行 程 ，助 力转 向动 力缸整 体尺寸 为 5 0 mm4 0 mm1 5 0 mm 外径／ 内径／ 行程 ，转向扭 杆刚度为2 ． 5 N ． m ／ d e g r e e ，车轮 单边阻力为2 2 0 0 N，主动 转 向油泵 工作排量2 ml ／ r e v ，助力转 向油泵 工作排量 1 0 ml ／ r e v ，溢流阀压力调 定为l 5 MP a 。 3 ． 2 仿真模型 A ME S i m是比利时I MS 公司的一款多学科领域复杂系 统建模仿真专用软件，因其基于可视化的物理建模技术、 内部具有丰富的应用库、面向工程应用的定位等诸多优点 使其成为在汽车、液压、航空领域的理想选择 。根据新 型电动液压转向系统 的结构和工作原理，在A ME S i m中 选取相应的液压元件模型将助力转 向和主动转 向结合到 一 起，按照机械液压传递原理搭建整个转向系统的仿真 模型，并设置相关元件参数，模型如图3 所示 。 ④ E l e e t r o - I- ly c lr a u l i P o w e r M_Ⅳ 自 F r l t S t e e r i n g S y s t e m 图3 新型电动液压转向系统仿真模型 4 系统动态流量压力特性分析 当单独实现助力或主动转 向功能时，即只有一个 系 统工作时，另外一个系统的油路处于相对封闭的状态 ， 故主动油路与助力油路之间的相互影响作用很小，可 以 不加考虑。而在助力转 向和主动转 向同时工作时，两者 之间因液压油路能量之间的互相影响，导致助力与附加 位移传递的误差。为了分析 出两者之间的影响程度 ，采 用了控制变量法研究两系统同时工作时各个系统的流量 压力时域变化特性 。具体分成如下两种情况讨论 1 在不同助力大小下，主动转 向高压油腔 的流量 压力特性变化 方向盘给定阶跃信号，使得方向盘转速为2 0 r e v ／ m i n 。 控制主动转 向直流电机的转速为5 0 0 r e v ／ m i n ，分别设置助 力转向电机转速为2 0 X lr e v h n i n ，v ／ m i n ，3 0 r e v ／ m i n ， 设置仿真时间2 s ，采用b a t c h 仿真模式。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图4 表明，助力转 向动力缸的高压油腔的稳 定压力 随着 电机 的转速的增加而增加，并且压力稳定时间都足 够 小，助力响应快速平顺 。图5 所示 的是助力转 向动力 缸高压油腔时域流量特性，随着 电机转速的提高，系统 的流量超调会 降低，因此一定范围内提高电机的转速可 以改善驾驶员的操纵手感 。图6 与 图7 是改变助力转向电 机转速后 的主动转 向动力缸高压油腔 时域流 量压力特 性 ，可 以看到主动转 向动力缸高压油腔的流量和压力基 本上不受助力 电机转速的改变而改变 ，都能快速达到的 稳定状态。但随着助力电机的转速的提高，系统压力和 流量的最大超调量会有所降低 ，而这对于提高系统的稳 定性是很有利 的。 饕 卸 ≈ i 曩 l l l 。 5 O r 一 日口 m “ a - e v ／ ． a n O 血t T ， - “ 时■ 【 - 】 图4 助力转向动力缸高压油腔压力 曲线 图5 助力转 向动 力缸高压 油腔流 量曲线 i 6 0 l 4 0 1 2 0 l。伽 ；8 o 出6 0 帅 2 0 0 图6 主动转 向动力缸高压油腔压 力曲线 棚 图7 主动转 向动 力缸高压油腔流量 曲线 2 不同附加位移下，助力转 向高压油腔的流量压 力特性变化 附加位移是通过主动转 向电机驱动油泵往主动转向 动力缸中泵入定量的流量控制的，故一定时间内泵入主 动转 向动力缸的流量与主动转 向的电机转速是线性递增 的关系，因此，控制助力转向电机的转速为2 0 0 0 r e v ／ m i n ， 分别设置主动转 向电机转速为3 0 0 r e v ／ mi n ，5 0 0 r e v ／ m i n ， 7 0 0 r e v ／ m i n ，其他仿真参数不变，这里主要分析附加位移 对助力转向动力缸压力和流量特性的影响。 图8 和图9 表明，随着主动转向电机转速 的提高，助 力转向动力缸的压力和流量特性并没有 明显受到附加位 移变化的影响。助力转 向动力缸 内压力超调量很小，在 0 ． 1 s 内就达 到稳定值 。而助力转 向动力缸的流量因受到 主动转 向系统的影响，开始超调量 比较大 ，但0 ． 1 2 s 内 也很快达到稳定状态 。图1 0 和 图1 1 是主动转 向动力缸高 压油腔的压力和流量时域特性。很明显随着主动转 向电 机的转速 的提高，进入主动转向高压油腔的流量随之提 高，因此附加位移也会随之增加 ，从而改变车轮叠加转 角实现变传动比。图1 0 还表明，随着主动转向电机的转速 的增加，系统的流量会增加且流量的超调量也会比较大， 但是系统流量能很快在0 ． 1 2 s 内达到稳定。图1 l 也表明主动 转向电机转速的提高会增加其高压油腔的稳定压力。 3 o 2 5 2 0 皇 如 奋 ，。 5 0 I 3 0 血e v ／ m i n 5 e a t e r ／ ran 一 7 ∞ r e v ／ ■1 n 时一【 0 】 图8 助力转向动力缸高压油腔压力 曲线 图9 助力 转向动力缸高压油腔流量曲线 舶瞻鲫 n 郁 竹， I i 矗 ． 竹／ - i 矗 甘■ C l 】 图1 0 主动转向动力缸高压油腔流量曲线 【 下转第9 9 页】 第3 7 卷第1 0 期2 0 1 5 - 1 0 上 【 8 1 】 5 O 5 O 6 0 5 O 5 O 5 4{3 3 2 2 I I O 0 n - {1 1一 ， 【 ． 置 ， 1 _ _ ■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 ． 3 工程应用 基 于U G N X系统设计 了装置的全3 D模型，首套装 置制造完成后 ，安装并进行制浆与充填实验。通过半年 1 0 0 多小时的充填采煤实验，对制浆装置进行 了多次结 构与尺寸改进 ，完善了制浆装置的功能，提高了其性能 与可靠性 ，最后确定了产品的结构与尺寸 ，装置工程应 用如图7 所示 。 图7 制浆装置工程 应用 4 结束语 1 在浆体膨胀复合材料的 “ 原料配制、浆体制 各”等领域进行了深入研究，开发出适应于高产矿井充 填采煤需要的充填浆体制备装置，并提出了全新 的充填 浆体制备工艺，可实现充填浆体的连续、高产制备，节 能环保，减少投资； 2 今后改进方 向进 一步提高制浆装置的 自动化 水平，实现浆体浓度检测与调节的 自动化 ；进一步调研 各地煤矿 的充填采煤需求 ，合理制定产品的规格型号 ， 实现制浆装置的系列化 。 参考文献 【 1 】钱鸣高．煤炭的科学开采[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 4 5 2 9 5 3 4 ． 【 2 ]钱鸣高， 许家林． 煤炭工业发展面临几个问题的讨论【 J 】 ． 采矿与 安全工程学报， 2 0 0 6 ， 2 3 2 1 2 7 ． 1 3 2 ． [ 3 】3 许家林 ，轩 大洋 ， 朱卫兵． 充填采煤 技术现 状与展望【 J 】 ． 采矿技 术， -广 、 2 0 1 1 ． 1 1 3 2 4 3 0 ． 【 4 】邢继亮， 杨宝贵， 李永亮， 等． 煤矿充填开采技术的发展方向探讨 [ J j ． 煤矿安全，2 0 1 0 ，4 4 1 2 1 8 9 1 9 1 ． 【 5 】我国煤矿充填开采技术及其发展趋势【 J 】 ． 煤炭科学技术， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 1 - 5 ． [ 6 】 刘 建功， 赵庆彪 ． 综合机械 化充填采煤 [ J 】 ． 煤炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 9 1 4l 3 ． 1 4 1 8． [ 7 】 张文海， 张吉雄， 赵计生， 等． 矸石充填采煤工艺及配套设备研究 【 J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 7 ，2 4 1 7 9 8 3 ． [ 8 】8 缪协兴， 张吉雄， 郭广礼， 等． 综合机械化固体充填采煤方法与技 术研究[ J 】 ． 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 6 ． [ 9 】 龙东平， 谭建平， 周亮． 大型粉料储罐系统有限元分析[ J 】 ． 建筑机 械，2 0 0 5 ， 1 0 7 7 ． 7 9 ． I 蠡‘ ． 毒 生‘ 岛●妇． 鑫‘ j岛● ． 妇．j矗‘ 囊 ． 囊‘ 毫I {蠢 盘 蠡● 蠡● 岛‘ 国‘． 出‘ 重‘ ●蠢● ●矗‘ 【 上接第8 1 页】 图1 1 主动转向动力缸高压油腔压力 曲线 5 结论 本文通过 引进一种 同时具备助力转向和主动转向功 能的新型 电动液压转 向系统 ，并通过C A T I A软件完成了 三维数字化建模 ，采用 了一种基于转 向盘角速度和车速 的附加主动转 向活塞杆位移的变传动 比控制策略 ，并利 用A ME S i m软件完成了系统模型的建立 ，通过对两种转 向系统 同时工作的情况，利用控制变量法讨论 了两种不 同的工况。仿真表 明，在不同助力大小下，主动转向高 压油腔的流量压力特性变化几乎不受影响；在不同附加 位移下，助力转 向高压油腔的流量压力特性变化影响也很 小。这说明了该新型电动液压转向系统的助力转向的力控 制和主动转向的角位移控制之间相互耦合作用影响较小， 即能够很好的同时实现助力转向与主动转向功能。 参考文献 【 1 ] J ． Hu r ． De v e l o p me n t o f a l l e l e c t r i c mo t o r d r i v e n p u mp u n i t f o r e l e c t r o - 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