柯 為， 黃朝勝， 凌啟勝， 程振青， 孫永朝， 趙 洋

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011)

越野車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力仿真

柯 為， 黃朝勝， 凌啟勝， 程振青， 孫永朝， 趙 洋

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011)

提出了一種提高液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的方法.通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部件，增加車輛在越野路工況駕駛員的轉(zhuǎn)向控制能力.建立基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓動態(tài)特性的AMESim模型，通過分析影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的因素，得出提高轉(zhuǎn)向高壓管路的剛度、縮短長度、提高轉(zhuǎn)向泵流量、縮短主銷偏置距等措施可以提高系統(tǒng)抗沖擊能力.

抗沖擊能力；液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；液壓動態(tài)特性

車輛在坑洼不平路面行駛時，車輪受到地面的擾動，會導致轉(zhuǎn)向盤抖動.路況越差抖動發(fā)生的概率越大，抖動的強度也越高.不同類型車輛經(jīng)常行駛的路況不同，其發(fā)生抖動的概率也不一樣.轎車、重型商用車等主要在良好路面行駛，其發(fā)生抖動的概率和強度較小，而中型越野貨車需要行駛在極端惡劣路況，因此其發(fā)生轉(zhuǎn)向盤抖動的概率和強度較大.此種差別不僅是由路面不平造成的，同時也與車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身的抗沖擊能力有關.本文進行了以轉(zhuǎn)向盤力矩作為評價指標的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的影響因素分析.

1 越野路的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力分析

越野貨車一般采用的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當駕駛員主動操縱轉(zhuǎn)向盤時，駕駛員手力和液壓助力一起克服地面阻力，車輪才能轉(zhuǎn)向.同理，當車輛在不平路面時，駕駛員為了保持車輛方向，握緊轉(zhuǎn)向盤，此時路面的沖擊造成轉(zhuǎn)向力矩是由駕駛員手力和液壓助力共同承擔的.如果轉(zhuǎn)向輪輸入過大或者液壓提供助力不足，會導致轉(zhuǎn)向盤手力過大，駕駛員無法承擔，只有松開轉(zhuǎn)向盤，放棄車輛方向的控制.

以上研究未考慮液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身特點，通過液壓方面提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的抗沖擊能力.圖1為典型的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，路面對車輪的沖擊力為縱向力和側(cè)向力，左右車輪所受沖擊力形成合力矩，如下公式[3]所示.

Minput=rl(Fxl-Fxr)+

nk(Fyl+Fyr)+(Mzt+Mzr)，

(1)

式中：Fxl、Fxr為左右輪受到的縱向力；rl為主銷偏置距；Fyl、Fyr為左右輪受到的側(cè)向力；nk為主銷偏距和輪胎拖矩之和；Mzl、Mzr為左右輪的回正力矩.

車輛在越野路面行駛，當車輪遭遇到路面的凸起時，此時Minput主要由rl(Fxl-Fxr)組成，當車輪從車轍中爬出時，nk(Fyl+Fyr)起主要作用.而文中主要分析的路面為凸起路面，因此,rl(Fxl-Fxr)起主要作用.

圖1 典型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

當車輛行駛在凸凹不平路面時，Minput與rl(Fxl-Fxr)近似成正比，由于(Fxl-Fxr)與路面狀況有關，當路面狀況很差時，(Fxl-Fxr)值也很大，此時如果rl大的話會造成二者乘積大，因此，對于rl過大的車輛，在不平路面容易造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逆向輸入過大.因此,造成車輪逆向輸入力矩太大的原因如下：路面凸凹不平或者深車轍；主銷偏置距或主銷拖矩大.

2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡圖，不考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿系和轉(zhuǎn)向管柱，只考慮與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓相關部分，建立包括動力轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管路、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型[4].模型如圖2所示.該模型在轉(zhuǎn)向器搖臂軸輸入力矩，轉(zhuǎn)向盤端輸出力矩，模擬車輪受到?jīng)_擊擾動時的轉(zhuǎn)向盤力矩情況.模型參數(shù)如表1所示.

圖2 AMESim液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模部分參數(shù)

建模參數(shù)數(shù)值建模參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)03進油管管徑(內(nèi)/外)/mm23/32轉(zhuǎn)向器扭桿剛度/[Nm·(°)-1]12進油管長度/m06轉(zhuǎn)向器活塞直徑/mm100回油管管徑(內(nèi)/外)/mm18/26轉(zhuǎn)向器速比203回油管長度/m2481轉(zhuǎn)向泵流量/(L·min-1)16泄壓閥壓力/MPa16高壓膠管管徑(內(nèi)/外)/mm15/24轉(zhuǎn)向器活塞質(zhì)量/kg5高壓膠管長度/m1612轉(zhuǎn)向器泄漏量/[L·(min·bar-1)-1]003

2.1 輸入力矩對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的影響分析

在車輪處輸入幅值為9 000 Nm，頻率分別為0.2、1、5 Hz力矩.輸出力矩結(jié)果如圖3所示，輸出力矩分別為6.8 Nm、7.1 Nm和35.1 Nm.結(jié)果說明，相同車輪轉(zhuǎn)向力矩輸入幅值下，頻率越高，轉(zhuǎn)向盤的輸出力矩越大.圖4為不同頻率輸入下的對應轉(zhuǎn)向器高壓油管壓力，當頻率為0.2 Hz和1 Hz時，液壓系統(tǒng)壓力能達到15.6 MPa，而當頻率為5 Hz時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力只能達到14.4 MPa，顯然在高頻輸入下，液壓系統(tǒng)提供油壓低導致此時轉(zhuǎn)向盤力矩大.該項仿真說明，當車輛在壞路或者單輪過臺階時，如果力矩輸入的頻率過高，即使車輪的沖擊力矩未超過轉(zhuǎn)向器的額定輸出力矩，也會造成轉(zhuǎn)向盤沖擊.

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力

在車輪處輸入頻率5 Hz，幅值分別為3 000、6 000、9 000 Nm力矩.對應的輸出力矩和系統(tǒng)油壓分別如圖5和圖6所示.從圖5看出，當輸入頻率較高時，隨著輸入力矩降低，輸出力矩也降低.當輸入力矩從9 000 Nm降到6 000 Nm時，其輸出力矩從35.1 Nm降低到16.8 Nm，根據(jù)公式1可知，輸入力矩為輸入力和力臂的乘積，因此，在無法改變輸入力的大小和頻率的情況下，降低輸入力臂，即主銷偏置距(或者拖距，視沖擊類型而定)也能降低輸出力矩.

步驟4：如果在分組生存期內(nèi)，發(fā)送方攜帶數(shù)據(jù)包，直到它滿足可用的相鄰Relayhop，否則，丟棄包，將 報 文 發(fā) 送 給 中 繼 跳 ，Transmitterid=Relayhop，id，++hop，根據(jù)上述的公式計算跳數(shù)；直到Transmitterid=sourceid.

綜合考慮不同幅值和不同頻率的輸入可知，液壓系統(tǒng)對于低頻輸入的耐受性較好，對于高頻輸入的耐受性較差.當車輪輸入為高頻，大幅值時，轉(zhuǎn)向盤輸出會超過駕駛員控制的極限，造成沖擊.由于輸入的頻率降低難度較大，因此降低沖擊輸入力的力臂(主銷偏置距或者拖距)是一種較為可行的降低輸出力矩的辦法.

圖5 不同幅值輸入時的輸出力矩

圖6 不同幅值輸入時的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力影響因素分析

為了研究相同車輪力矩輸入下，不同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部件對轉(zhuǎn)向盤輸出的影響，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同液壓部件時的轉(zhuǎn)向盤輸出力矩和系統(tǒng)油壓進行仿真.輸入力矩皆為5 Hz，9 000 Nm.

2.2.1 管路材質(zhì)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力影響

轉(zhuǎn)向高壓油管一般采用鋼管或者有內(nèi)部加強化層的膠管.由于膠管布置方便，因此設計師傾向于將所有的管路都采用膠管，下面分析鋼管和膠管作為轉(zhuǎn)向高壓管路對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的影響.在高頻大幅值輸入條件下，其轉(zhuǎn)向盤力矩輸出結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)壓力如圖8所示.仿真結(jié)果表明，鋼制管路較膠質(zhì)管路輸出力矩較小，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力較高，系統(tǒng)抗沖擊能力強.因此，采用膨脹系數(shù)小的金屬管可以降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)遭遇沖擊時的力矩輸出，提高抗沖擊能力.

圖7 管路材質(zhì)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的影響

圖8 管路材質(zhì)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力的影響

2.2.2 高壓管長度對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的影響

采用膠管，比較不同長度管路的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出，結(jié)果如圖9和圖10所示，越短的管路其輸出力矩越小，對應的系統(tǒng)壓力也越高.說明當轉(zhuǎn)向管路剛度較低時，縮短管路長度可提高系統(tǒng)的抗沖擊能力.但是由于結(jié)構(gòu)布置的關系，縮短管路長度實施起來較難.比較管路的材質(zhì)和長度對輸出的影響可知，將橡膠管換成金屬管相對于縮短長度實施更容易.

圖9 管路長度對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的影響

圖10 管路長度對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力的影響

2.2.3 轉(zhuǎn)向泵流量對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的影響

為了考察轉(zhuǎn)向泵流量對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的影響，選取不同的轉(zhuǎn)向泵流量對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出影響分析.在高頻大幅值輸入的條件下，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出結(jié)果如圖11所示，系統(tǒng)壓力如圖12所示.仿真結(jié)果表明，當轉(zhuǎn)向泵流量由16 L/min提高到25 L/min時，系統(tǒng)輸出力矩從35.1 Nm降低到21.7 Nm，降幅為38.2 %，降幅明顯.轉(zhuǎn)向泵流量提高到30 L/min時，其效果更好，但是由于轉(zhuǎn)向泵流量的選取還需考慮能耗和溫升因素[5]，因此需要綜合考慮確定最終方案.

圖11 泵流量對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出的影響

圖12 泵流量對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力的影響

3 結(jié) 論

根據(jù)AMESim的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓模型，分析影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力的因素，研究結(jié)果表明：

1)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對高頻沖擊的耐受力較差，容易造成轉(zhuǎn)向盤沖擊.

2)采用金屬高壓油管，增大轉(zhuǎn)向泵流量能提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力.

3)通過降低主銷偏置距降低轉(zhuǎn)向輪受到的不平路面的力矩沖擊輸入，降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抗沖擊能力.

[1] 姜軍平，賈寶光，孫福祿，等.某車型方向盤打手原因分析[J].研究農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50(10)：47-50.

[2] Kim S，Poy J. A Control Strategy for Kickback Reduction using Electric Power Steering and Combined Chassis Control[C]. SAE Paper 2007-01-3658.

[3] 米奇克.汽車動力學[M].4版.北京：清華大學出版社，2010.

[4] 付永領，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[5] 畢大寧.汽車轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的設計與應用[M].北京：人民交通出版社，1998.

Simulation of Anti-impact Ability of Hydraulic Steering Systemfor Off Road Vehicles

KE Wei, HUANG Chao-sheng, LING Qi-sheng, CHENG Zhen-qing,SUN Yong-chao, ZHAO Yang

(China FAW Group R&D center, Changchun 130011, China)

In order to improve the anti-impact ability of its hydraulic steering system, a method is presented by optimizing the parameters of its hydraulic components for increasing the steering control ability of a vehicle in the off-road condition. An AMESIM model is established for the hydraulic dynamic characteristics of the system, and the factors affecting the anti-impact ability of the system are analyzed. The results show that such measures as improving the stiffness of its high pressure pipeline, shortening the length of the lines, increasing the flow of the steering pump, and shortening the kingpin offset can enhance the impact resistance of the system.

Anti-impact ability; hydraulic steering system; hydraulic dynamic characteristics

1009-4687(2016)04-0002-04

2016-9-1

柯 為(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為底盤性能控制.

U463.45

A