汽車轉向缸試驗兩側輪載模擬方法
2012-04-12 00:00:00袁朝輝劉文風徐誠強董永
現代電子技術 2012年5期
摘 要：為了完成某汽車轉向缸耐久試驗中轉向缸兩側輪載的模擬加載要求，提出了兩側液壓伺服加載的方法。該方法無需真實輪胎以及重力載荷模擬系統，具有結構簡單，加載一致性好的特點。論述了該方法的原理，建立了轉向缸運動與加載系統的耦合關系數學模型，給出了解耦控制算法。經仿真和幾十萬次耐久試驗結果表明，所給出的轉向缸載荷模擬方法滿足轉向缸耐久試驗的載荷模擬要求。
關鍵詞：液壓伺服加載; 解耦控制; 耐久試驗; 汽車轉向缸
中圖分類號：
TN911.7-34; TP23
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
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Simulation method of wheel load for steering cylinder test
YUAN Zhao-hui1， LIU Wen-feng1， XU Cheng-qiang2， DONG Yong2
(1.College of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;
2.Ling-feng Hydraulic Machinery Factory， Guanghan 618300，China)
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.
Keywords： hydraulic servo loading; decoupling control; endurance test; car′s steering cylinder
收稿日期：2011-11-22
0 引 言
在汽車轉向缸的耐久試驗中，需要對轉向缸進行加載，目前采用的加載方式是：安裝真實輪胎，并對輪胎進行徑向加載模擬重力載荷以獲得相應的輪胎摩擦力［1］。
上述試驗系統結構復雜，而且在數十萬次的耐久試驗循環中，輪胎磨損會引起摩擦力的變化，不宜保證每個循環轉向缸載荷的一致性。
針對上述不足，本文采取了兩側液壓伺服加載方式，不需要安裝兩側輪胎及輪胎的徑向加載裝置。通過實際測試獲得轉向缸轉向運動時所受到的兩側載荷，然后采用兩個加載缸分別與轉向缸兩側搖臂連桿機構相連，直接模擬轉向缸兩側載荷。該方式結構簡單，耐久試驗全程載荷穩定一致，且由于液壓加載的靈活性，可對各車型、路況的摩擦力負載進行模擬，同時可以模擬側風、傾斜路面等對載荷的影響。
采用液壓伺服加載方式，需要在轉向缸運動時施加兩側載荷，存在轉向缸運動與兩側加載力控制之間的耦合問題。本文建立了試驗系統的數學模型，分析了位置運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
試驗系統總體組成框圖如圖1所示。
圖1 試驗系統組成框圖
轉向缸和加載缸控制均采用伺服控制，其原理如圖2所示。
計算機通過AD卡采集轉向缸位移和兩側加載缸輸出力傳感器反饋信號，由控制律計算出控制信號，輸出給電液伺服閥，分別對兩側加載缸的輸出力以及中間轉向缸的位移進行閉環控制。
2 試驗要求
2.1 載荷譜說明
實際系統中轉向缸軸向載荷來源于兩側輪胎與地面的摩擦，一側受拉，另一側則受壓；存在極限限位，此時，一側載荷最大，另一側載荷為零。
圖2 伺服系統示意圖
圖3所示為轉向缸(轉向缸關鍵部件)單邊活塞桿在轉向缸作循環往復運動一個周期內的試驗載荷譜。該譜是對某車型實際摩擦力載荷進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段表示運動過程中的動摩擦；D段為另一側限位時，本側空載情況；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載，即要求試驗系統在轉向缸運動過程中隨動加載，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載，實際上汽車輪胎在受到地面靜摩擦力時，會發生一定量的側向形變，受側向力Fy作用下的彈性車輪沿側向力方向發生偏轉，這種現象稱為輪胎的側偏現象，速度方向與車輪平面夾角α稱為側偏角［5］。
側偏角在小于4°~5°時，Fy與α呈近似線性關系［5］。可以表達為：
Fy=kα
(1)
式中k為輪胎的側偏剛度，單位為N/rad。
汽車在正常路面行駛側偏角一般在3°以內，本文取側偏角為2°。由此可知輪胎中心處側向偏移量，計算公式為:
ΔL=D/2tan α
(2)
式中D為輪胎直徑。
將靜摩擦負載的模擬問題轉化為加載裝置的力輸出在位移量ΔL范圍內對靜摩擦力載荷譜的跟蹤問題。經此轉化，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 載荷空間關系換算方法
由于安裝限制，力傳感器安裝于加載缸上，轉向缸左右兩側的載荷都沒有直接測量，因此需要根據臺架空間尺寸解算轉向缸的載荷與測量值的關系，如圖4所示。
通過仿真，得到轉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載荷譜，工程實際中以加載缸載荷譜為準，實施跟蹤控制。
4 耦合干擾的補償
為區分不同系統參量，規定位置系統下標帶P，加載系統下標帶F。
式中：F為擾動力即加載系統輸出力;mtP位置系統運動部分折算到缸端的總質量;BtP為粘性阻尼系數。
4.2 加載系統動力學描述
式中符號對應于式(8)~式(10)。
4.3 單邊伺服加載機構數學模型
由于位置系統的頻帶較低，一般不超過10 Hz，加載系統頻帶可以達到25 Hz左右，所以不失一般性，考慮位置系統的伺服閥為一比例環節，加載系統的伺服閥為一階慣性環節［6］。它的閥芯位移方程分別為：
由式(14)，式(15)可以看出單側加載中加載力F與位移XtP存在強關聯性即耦合性。
基于結構不變性原理的前饋解耦補償方案具有設計方法簡單、不受系統矩陣奇異性的影響、解耦網絡階次低等優點。它的解耦控制結構如圖6所示。
5 仿真驗證
根據上節所建數學模型，在Matlab/Simulink環境中對液壓伺服加載機構進行仿真實驗，得到經典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和加載系統之間的耦合問題。
6 試驗驗證
依照方案設計要求組裝試驗臺完成了各試驗項目目標，圖11為試驗臺現場照片，圖12為系統加載控制結果。對比圖6中加載缸載荷譜，該系統的控制效果基本符合要求。
7 結 論
目前，汽車轉向缸耐久試驗控制系統已研制完畢，使用本文所述的液壓伺服加載方法，在60余萬次的耐久試驗中加載穩定，載荷譜重復性好，故障率低，順利完成了耐久試驗。
本文提出的前饋解耦控制方法在試驗系統控制中有效地消減了控制過程中的耦合干擾，適用解決工程實際中被動加載問題，效果明顯。
參 考 文 獻
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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.
［5］韓愛民，周大森.汽車運用基礎［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，2006.
［6］王占林.液壓伺服控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1987.
作者簡介：
袁朝輝 男，1962年出生，安徽人，教授。主要研究方向為液壓伺服控制、測控技術。
劉文風 男，1987年出生，湖北人，碩士研究生。主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。
