摘 要：為了完成某汽車轉(zhuǎn)向缸耐久試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向缸兩側(cè)輪載的模擬加載要求，提出了兩側(cè)液壓伺服加載的方法。該方法無需真實(shí)輪胎以及重力載荷模擬系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，加載一致性好的特點(diǎn)。論述了該方法的原理，建立了轉(zhuǎn)向缸運(yùn)動與加載系統(tǒng)的耦合關(guān)系數(shù)學(xué)模型，給出了解耦控制算法。經(jīng)仿真和幾十萬次耐久試驗(yàn)結(jié)果表明，所給出的轉(zhuǎn)向缸載荷模擬方法滿足轉(zhuǎn)向缸耐久試驗(yàn)的載荷模擬要求。

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關(guān)鍵詞：液壓伺服加載; 解耦控制; 耐久試驗(yàn); 汽車轉(zhuǎn)向缸

中圖分類號：

TN911.7-34; TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Simulation method of wheel load for steering cylinder test

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YUAN Zhao-hui1， LIU Wen-feng1， XU Cheng-qiang2， DONG Yong2

(1.College of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China; 

2.Ling-feng Hydraulic Machinery Factory， Guanghan 618300，China)

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Abstract：

In order to complete the load simulation requirement for endurance test of a vehicle steering cylinder， the method of hydraulic servo loading on both sides of the steering cylinder is presented. The structure without real tires and gravity load simulation system， is simpler than before. The principle of the method is discussed， and the mathematical model of coupled relation between the steering cylinders′ hydraulic servo position system and the loading system is set up. The results of simulation and test show that the cylinder load simulation method can meet the requirements of endurance test.

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Keywords： hydraulic servo loading; decoupling control; endurance test; car′s steering cylinder

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收稿日期：2011-11-22

0 引 言

在汽車轉(zhuǎn)向缸的耐久試驗(yàn)中，需要對轉(zhuǎn)向缸進(jìn)行加載，目前采用的加載方式是：安裝真實(shí)輪胎，并對輪胎進(jìn)行徑向加載模擬重力載荷以獲得相應(yīng)的輪胎摩擦力［1］。

上述試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在數(shù)十萬次的耐久試驗(yàn)循環(huán)中，輪胎磨損會引起摩擦力的變化，不宜保證每個循環(huán)轉(zhuǎn)向缸載荷的一致性。

針對上述不足，本文采取了兩側(cè)液壓伺服加載方式，不需要安裝兩側(cè)輪胎及輪胎的徑向加載裝置。通過實(shí)際測試獲得轉(zhuǎn)向缸轉(zhuǎn)向運(yùn)動時所受到的兩側(cè)載荷，然后采用兩個加載缸分別與轉(zhuǎn)向缸兩側(cè)搖臂連桿機(jī)構(gòu)相連，直接模擬轉(zhuǎn)向缸兩側(cè)載荷。該方式結(jié)構(gòu)簡單，耐久試驗(yàn)全程載荷穩(wěn)定一致，且由于液壓加載的靈活性，可對各車型、路況的摩擦力負(fù)載進(jìn)行模擬，同時可以模擬側(cè)風(fēng)、傾斜路面等對載荷的影響。

采用液壓伺服加載方式，需要在轉(zhuǎn)向缸運(yùn)動時施加兩側(cè)載荷，存在轉(zhuǎn)向缸運(yùn)動與兩側(cè)加載力控制之間的耦合問題。本文建立了試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了位置運(yùn)動和力控制的耦合原理，提出了解耦控制策略。

1 伺服加載方案

試驗(yàn)系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

轉(zhuǎn)向缸和加載缸控制均采用伺服控制，其原理如圖2所示。

計(jì)算機(jī)通過AD卡采集轉(zhuǎn)向缸位移和兩側(cè)加載缸輸出力傳感器反饋信號，由控制律計(jì)算出控制信號，輸出給電液伺服閥，分別對兩側(cè)加載缸的輸出力以及中間轉(zhuǎn)向缸的位移進(jìn)行閉環(huán)控制。

2 試驗(yàn)要求

2.1 載荷譜說明

實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向缸軸向載荷來源于兩側(cè)輪胎與地面的摩擦，一側(cè)受拉，另一側(cè)則受壓；存在極限限位，此時，一側(cè)載荷最大，另一側(cè)載荷為零。

圖2 伺服系統(tǒng)示意圖

圖3所示為轉(zhuǎn)向缸(轉(zhuǎn)向缸關(guān)鍵部件)單邊活塞桿在轉(zhuǎn)向缸作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動一個周期內(nèi)的試驗(yàn)載荷譜。該譜是對某車型實(shí)際摩擦力載荷進(jìn)行綜合后得到的理想化譜值，A段表示在極限位置時的載荷，其大小由油源壓力決定；B段表示反向起始時刻受到的靜摩擦載荷；C段表示運(yùn)動過程中的動摩擦；D段為另一側(cè)限位時，本側(cè)空載情況；E段為在另一極限位置反向時的靜摩擦；F段表示動摩擦。另一邊活塞桿的載荷譜與此相同，兩者相位差180°。

圖3 單邊載荷譜

2.2 摩擦力載荷模擬方法

C段、F段載荷皆為動摩擦負(fù)載，即要求試驗(yàn)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向缸運(yùn)動過程中隨動加載，這是一個典型的被動加載問題［2-4］，主要需解決力與位移控制的耦合干擾。

B段、E段載荷皆為靜摩擦負(fù)載，實(shí)際上汽車輪胎在受到地面靜摩擦力時，會發(fā)生一定量的側(cè)向形變，受側(cè)向力Fy作用下的彈性車輪沿側(cè)向力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象，速度方向與車輪平面夾角α稱為側(cè)偏角［5］。

側(cè)偏角在小于4°~5°時，Fy與α呈近似線性關(guān)系［5］。可以表達(dá)為：



Fy=kα

(1)



式中k為輪胎的側(cè)偏剛度，單位為N/rad。

汽車在正常路面行駛側(cè)偏角一般在3°以內(nèi)，本文取側(cè)偏角為2°。由此可知輪胎中心處側(cè)向偏移量，計(jì)算公式為:



ΔL=D/2tan α

(2)



式中D為輪胎直徑。

將靜摩擦負(fù)載的模擬問題轉(zhuǎn)化為加載裝置的力輸出在位移量ΔL范圍內(nèi)對靜摩擦力載荷譜的跟蹤問題。經(jīng)此轉(zhuǎn)化，可知電液伺服控制方案可以很好地完成靜動摩擦力載荷譜的模擬、輸出。

3 載荷空間關(guān)系換算方法

由于安裝限制，力傳感器安裝于加載缸上，轉(zhuǎn)向缸左右兩側(cè)的載荷都沒有直接測量，因此需要根據(jù)臺架空間尺寸解算轉(zhuǎn)向缸的載荷與測量值的關(guān)系，如圖4所示。

通過仿真，得到轉(zhuǎn)向缸和加載缸載荷的對照圖如圖5所示。

由此可得到加載缸所需跟蹤的目標(biāo)載荷譜，工程實(shí)際中以加載缸載荷譜為準(zhǔn)，實(shí)施跟蹤控制。

4 耦合干擾的補(bǔ)償

為區(qū)分不同系統(tǒng)參量，規(guī)定位置系統(tǒng)下標(biāo)帶P，加載系統(tǒng)下標(biāo)帶F。

式中：F為擾動力即加載系統(tǒng)輸出力;mtP位置系統(tǒng)運(yùn)動部分折算到缸端的總質(zhì)量;BtP為粘性阻尼系數(shù)。

4.2 加載系統(tǒng)動力學(xué)描述



式中符號對應(yīng)于式(8)~式(10)。

4.3 單邊伺服加載機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

由于位置系統(tǒng)的頻帶較低，一般不超過10 Hz，加載系統(tǒng)頻帶可以達(dá)到25 Hz左右，所以不失一般性，考慮位置系統(tǒng)的伺服閥為一比例環(huán)節(jié)，加載系統(tǒng)的伺服閥為一階慣性環(huán)節(jié)［6］。它的閥芯位移方程分別為：

由式(14)，式(15)可以看出單側(cè)加載中加載力F與位移XtP存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性即耦合性。

基于結(jié)構(gòu)不變性原理的前饋解耦補(bǔ)償方案具有設(shè)計(jì)方法簡單、不受系統(tǒng)矩陣奇異性的影響、解耦網(wǎng)絡(luò)階次低等優(yōu)點(diǎn)。它的解耦控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。



5 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上節(jié)所建數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink環(huán)境中對液壓伺服加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到經(jīng)典PID控制和前饋解耦PID控制效果比較如圖7~圖10所示，可見前饋解耦能夠有效解決位置系統(tǒng)和加載系統(tǒng)之間的耦合問題。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

依照方案設(shè)計(jì)要求組裝試驗(yàn)臺完成了各試驗(yàn)項(xiàng)目目標(biāo)，圖11為試驗(yàn)臺現(xiàn)場照片，圖12為系統(tǒng)加載控制結(jié)果。對比圖6中加載缸載荷譜，該系統(tǒng)的控制效果基本符合要求。

7 結(jié) 論

目前，汽車轉(zhuǎn)向缸耐久試驗(yàn)控制系統(tǒng)已研制完畢，使用本文所述的液壓伺服加載方法，在60余萬次的耐久試驗(yàn)中加載穩(wěn)定，載荷譜重復(fù)性好，故障率低，順利完成了耐久試驗(yàn)。

本文提出的前饋解耦控制方法在試驗(yàn)系統(tǒng)控制中有效地消減了控制過程中的耦合干擾，適用解決工程實(shí)際中被動加載問題，效果明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王永梅．汽車試驗(yàn)平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.哈爾濱軸承，2010，31(3)：59-62.

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［2］JIAO Zong-xia， GAO Jun-xia， HUA Qing， et al．The velo-city synchronizing control on the electro-hydraulic load simulator \\[J\\]. Chinese Journal of Aeronautics， 2004， 17(1): 39-46.

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［4］ZHANG Wei， YUAN Chao-hui， ZHANG Wei-guo， et al. Hybrid control of helicopter main rotor concordant load system \\[C\\]. \\[S.l.\\]: 2008 Asia Simulation Confernce-7th International Conference on System Simulation and Scientific Computing， 2008.

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［6］王占林.液壓伺服控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1987.

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作者簡介：

袁朝輝 男，1962年出生，安徽人，教授。主要研究方向?yàn)橐簤核欧刂啤y控技術(shù)。

劉文風(fēng) 男，1987年出生，湖北人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。