李玉光，王淑芬

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS操縱穩(wěn)定性分析

李玉光，王淑芬

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

針對(duì)傳統(tǒng)HPS中存在的能量消耗問題，設(shè)計(jì)了基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS。首先，介紹了負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理；其次，建立了基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS仿真模型；最后，根據(jù)在仿真軟件AMESim中進(jìn)行了瞬態(tài)橫擺響應(yīng)、雙移線仿真試驗(yàn)。通過仿真結(jié)果中橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角的分析得出所設(shè)計(jì)的帶有負(fù)載敏感技術(shù)的HPS不僅具有較好的負(fù)載敏感特性，而且能夠滿足整車操縱穩(wěn)定性的要求。

HPS；能量消耗；負(fù)載敏感；操縱穩(wěn)定性

0 引言

HPS已成為目前汽車上較多采用的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)HPS的液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，使得車輛在直線行駛時(shí)，液壓泵仍然在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下處于高速工作狀態(tài)，泵出的大量高壓油經(jīng)過溢流閥回到儲(chǔ)油罐，造成了相當(dāng)大的能量損失。因此，在HPS中如何控制液壓系統(tǒng)中流量和壓力兩個(gè)變量，使系統(tǒng)的功率得到最大利用是我們亟須解決的問題[1]。

負(fù)載敏感技術(shù)是指系統(tǒng)負(fù)載敏感閥能根據(jù)負(fù)載所需壓力調(diào)節(jié)泵出口壓力，使其隨負(fù)載的變化而變化，并向系統(tǒng)提供與負(fù)載所需相近的液壓功率，從而在泵源上降低系統(tǒng)的壓力損失。以此為基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS操縱系統(tǒng)，并使用瞬態(tài)橫擺響應(yīng)、雙移線兩種仿真試驗(yàn)分析了帶有負(fù)載敏感技術(shù)的HPS的操縱穩(wěn)定性。

1 負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理及仿真模型

1.1 負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理

負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理如圖1所示。PL為負(fù)載壓力，PS為泵出口壓力，負(fù)載敏感閥的彈簧設(shè)定壓力為一定值，恒壓閥2的彈簧設(shè)定壓力為變量泵允許的最大工作壓力。通過控制閥5的進(jìn)出口壓差ΔP來調(diào)節(jié)泵的排量，達(dá)到泵輸出流量與驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需流量的匹配[2]。

圖1 負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理圖

系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，恒壓閥2在彈簧力的作用下處于右位。當(dāng)負(fù)載壓力減小時(shí)，流量控制閥5的開口減小，此時(shí)泵出口流量大于負(fù)載所需流量，閥5的兩側(cè)壓差ΔP增大，且與負(fù)載敏感閥1的有效面積A的乘積大于彈簧預(yù)緊力，推動(dòng)負(fù)載敏感閥1向右運(yùn)動(dòng)，左位處于工作狀態(tài)。泵出口的高壓油經(jīng)負(fù)載敏感閥1左腔，恒壓閥2右腔流進(jìn)變量缸大腔3，使變量泵的斜盤角減小，同時(shí)泵出口流量減小，直至與負(fù)載所需流量匹配為止；相反，當(dāng)負(fù)載壓力增大時(shí)，負(fù)載敏感閥右位工作，變量缸大腔的油液經(jīng)恒壓閥2右腔，負(fù)載敏感閥1右腔流回油箱，斜盤角增大，泵出口流量隨之相應(yīng)增大。

當(dāng)系統(tǒng)處于低壓待機(jī)狀態(tài)時(shí)，流量控制閥5完全關(guān)閉，負(fù)載敏感閥的閥芯在泵出的液壓油作用下向右運(yùn)動(dòng)，然后負(fù)載敏感閥左腔閥口打開，油液由負(fù)載敏感閥左腔流進(jìn)恒壓閥右腔，再流進(jìn)變量缸大腔3，使得斜盤角減小，泵以最小排量輸出[3,4]。此時(shí)泵出口壓力為負(fù)載敏感閥的彈簧設(shè)定壓力，僅產(chǎn)生供內(nèi)部泄漏需求的流量，此時(shí)功率消耗很小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感控制節(jié)能的目的[5]。

當(dāng)系統(tǒng)處于過載狀態(tài)時(shí)，負(fù)載敏感閥1在負(fù)載和彈簧預(yù)緊力的共同作用下右位工作，此時(shí)變量缸大腔與油箱連通，斜盤角增大，泵出口壓力PS增大，直至大于恒壓閥彈簧設(shè)定壓力，致使恒壓閥左位工作，油液進(jìn)入變量泵大腔，斜盤角逐漸減小近至0，此時(shí)泵的排量幾乎為0，功率消耗最小。

1.2 仿真模型

為解決傳統(tǒng)HPS中泵流量損失問題，使用負(fù)載敏感泵代替原系統(tǒng)中的定量泵。通過負(fù)載敏感系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向需求的反饋來泵出不同的壓力和流量，達(dá)到節(jié)能的目的。在傳統(tǒng)HPS的基礎(chǔ)上增加了負(fù)載敏感系統(tǒng)，其在仿真軟件AMESim中建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS仿真模型

2 整車操縱穩(wěn)定性仿真與分析

評(píng)價(jià)一個(gè)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)與劣，不僅要在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)給駕駛?cè)艘粋€(gè)合適的助力，使駕駛?cè)烁械捷p松的同時(shí)又不失路感，而且還要看助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否滿足整車操縱穩(wěn)定性的要求。因此，我們需要對(duì)帶有負(fù)載敏感技術(shù)的HPS進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)。

但由于本文考慮的是帶有負(fù)載敏感技術(shù)的HPS的操作穩(wěn)定性，所以不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與電氣設(shè)備部分，僅考慮底盤、輪胎、路面、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及各傳感器。我們采用AMESim軟件中Vehicle Dynamics設(shè)計(jì)庫來進(jìn)行模塊化建模，進(jìn)行了瞬態(tài)橫擺響應(yīng)、雙移線仿真試驗(yàn)，并做了相應(yīng)的分析。

2.1 瞬態(tài)橫擺響應(yīng)仿真試驗(yàn)與分析

目前通常用轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角階躍輸入來表征汽車的瞬態(tài)橫擺響應(yīng)特性，即所謂的階躍轉(zhuǎn)角試驗(yàn)。首先被測試驗(yàn)車在平整的路面以最高車速的70%的速度直行，然后以不小于200度/s的速度給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)轉(zhuǎn)角輸入，并使轉(zhuǎn)向盤保持該轉(zhuǎn)角不變，油門開度亦不變，此時(shí)汽車做圓周運(yùn)動(dòng)，觀察車輛由直行到轉(zhuǎn)彎的瞬態(tài)響應(yīng)特性。該試驗(yàn)主要測量：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角等。

按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置整車模型的車速為80 km/h，以200度/s的速度給轉(zhuǎn)向盤的輸入角度為45度，如圖3所示。設(shè)仿真時(shí)間為10 s，橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角的變化曲線如圖4、5、6所示；泵出口壓力和液壓缸助力對(duì)比曲線如圖7。

圖3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線

圖4 橫擺角速度變化曲線

圖5 側(cè)向加速度變化曲線

圖6 側(cè)傾角變化曲線

圖7 泵出口壓力和液壓缸助力對(duì)比曲線

根據(jù)角階躍試驗(yàn)可以得到:

(1)從圖3可看出在0~2 s內(nèi)，汽車直行，所以其他參數(shù)輸出均為0。在2~2.23 s內(nèi)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到45度，此時(shí)橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角急劇增大，且有振蕩。

(2)從圖4可看出橫擺角速度在2.4 s時(shí)達(dá)到峰值13.8 deg/s，0.6 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值12.2 deg/s，超調(diào)量為13.1%。

(3)從圖5可看出側(cè)向加速度在2.8 s時(shí)達(dá)到峰值4.8 m/s2，0.3 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值4.75 m/s2，超調(diào)量為1.05%。

(4)從圖6可看出車身側(cè)傾角僅在非常小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

由以上分析可以看出整車在瞬態(tài)橫擺響應(yīng)仿真試驗(yàn)中滿足操縱穩(wěn)定性要求。

(5)通過圖7的泵出口壓力與液壓缸助力的對(duì)比曲線可看出，該車在45度階躍轉(zhuǎn)角的輸入下，HPS中液壓泵出口壓力能根據(jù)助力的需求大小進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)匹配，將負(fù)載敏感特性較好的體現(xiàn)出來。

2.2 雙移線仿真試驗(yàn)與分析

雙移線試驗(yàn)主要是用來評(píng)價(jià)被測車輛回避障礙的性能，現(xiàn)在被廣泛用于閉環(huán)操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)試驗(yàn)之中[4,5]。雙移線試驗(yàn)要求試驗(yàn)場地為干燥、平坦且清潔的水泥或柏油路面，并且道路任意方向上的坡度不大于2%。因此在路面模型上設(shè)置為水平路面，車速為80 km/h，進(jìn)入通道后保持車速不變。雙移線試驗(yàn)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線如圖8所示，車速、橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角變化曲線如圖9至12所示，泵出口壓力與液壓缸助力對(duì)比曲線如圖13。

圖8 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線

圖9 車速變化曲線

圖10 橫擺角速度變化曲線

圖11 側(cè)向加速度變化曲線

圖12 側(cè)傾角變化曲線

圖13 泵出口壓力與液壓缸助力對(duì)比曲線

根據(jù)規(guī)定，以通過通道的最高車速或最短通過時(shí)間作為雙移線試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，較小的轉(zhuǎn)角和橫擺的時(shí)間滯后會(huì)得到較好的操縱穩(wěn)定性。

由圖8~12可以得到雙移線試驗(yàn)的仿真結(jié)果：通過通道的最高車速為79.19km/h，最低車速在79.12km/h，誤差在±1 km/h內(nèi)，滿足要求；同時(shí)橫擺角速度的響應(yīng)滯后很小，車身側(cè)傾角始終在±3°內(nèi)波動(dòng)，有較好的抗側(cè)傾能力；橫擺角速度、側(cè)向加速度在汽車通過雙移線后能較快地恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)，說明該車有較好的躲避障礙的性能，滿足操縱穩(wěn)定性要求。同時(shí)從圖13也可看出所設(shè)計(jì)的基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS的泵能根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供相應(yīng)壓力的液壓油。

3 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)HPS的能量損失問題，設(shè)計(jì)了基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS。介紹了負(fù)載敏感技術(shù)的控制原理，并利用仿真軟件AMESim進(jìn)行了建模。為探究所設(shè)計(jì)的HPS與整車的匹配性，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試驗(yàn)樣車的瞬態(tài)橫擺響應(yīng)、雙移線兩種仿真試驗(yàn)。

結(jié)果表明：

（1）橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角的響應(yīng)曲線表明基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS具有較好的整車操作穩(wěn)定性，而且表現(xiàn)出較好的匹配性和負(fù)載敏感特性。

（2）基于負(fù)載敏感技術(shù)的HPS表現(xiàn)出較好的匹配性和負(fù)載敏感特性。

[1]黃新年,張志生,陳忠強(qiáng).負(fù)載敏感技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制,2007,24(5):28-30.

[2]晉明杰,劉文武,范英,等.基于負(fù)載敏感技術(shù)的隨車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真研究[J].煤礦機(jī)械,2015,36(2):96-99.

[3]劉小華,辛德忠,萬軍,等.基于負(fù)載敏感技術(shù)的定向鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓,2014,42(7):13-15,19.

[4]黃虎,陳光柱,蔣成林.全液壓鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析[J].液壓與氣動(dòng),2015,17(03):71-74,79.

[5]張?bào)K,張鐵柱,程聯(lián)軍,等.挖掘機(jī)負(fù)載敏感泵的AMESim動(dòng)態(tài)仿真研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版,2015,30(1):99-104.

Vehicle Handling Stability Analysis with HPS of Load Sensitive Technology

LI Yu-guang,WANG Shu-fen
(College of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China)

There are serious loss of pressure and flow in the hydraulic pump of traditional HPS.There for,the HPS based on load-sensitive technology was designed.Firstly,the control principle of load-sensitive technology was introduced.Secondly,the simulation model of HPS based on load-sensitive technology was established in AMESim.Finally,two kinds of simulation test including transient yaw response test and double lane test were finished according to national standards.From the aspects of yaw angular velocity,lateral acceleration and roll angle,the simulation results showed that the HPS based on load-sensing technology not only have a better load-sensitive characteristics,but also meet the requirements of vehicle handling and stability.

HPS;loss of pressure load sensitivity;sensitivity under loading;vehicle handling stability analysis

TH137

：A

：1008-2395(2016)06-0001-05

2016-11-15

李玉光（1963-），男，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論