一種機液伺服車輛轉向系統的設計與建模

李永安

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006)

車輛動力轉向系統一般都采用隨動系統。液壓隨動系統具有質量輕、結構緊湊、工作寧靜及對地面能起緩沖作用、動作迅速、啟動平穩等優點而應用廣泛［1］。無論是液壓助力轉向還是全液壓轉向，其基本原理都是保證方向盤旋轉給定一個轉向信號，轉向油缸 (或轉向輪)隨動一個輸出量，信號消失，轉向結束。運煤車受井下巷道尺寸因素的影響，要求轉向系統反應靈敏，且駕駛操作空間小，要求司機完成車輛轉向動作幅度小。由于井下工況惡劣且有防爆要求，制約了電控或電液控制轉向方案在礦用車輛上的應用。因此，在借鑒現有同類車輛轉向系統技術特點的基礎上，自行設計了一套機液伺服轉向系統。

1 運煤車機液伺服轉向系統的原理

圖1為機液伺服系統的原理圖，當司機操作手柄2繞銷軸Ⅰ順時針旋轉θr角度時，在連桿7的帶動下，轉向控制閥閥芯位移Xr，此時輸出流量Q，轉向油缸輸出位移Xp;由于軟軸的作用，油缸活塞桿帶動反饋塊4繞銷軸逆時針旋轉θi，此時，由于銷軸Ⅰ與反饋塊4相對固定，則轉向手柄也繞銷軸Ⅰ逆時針旋轉θi。此時閥芯位移為Xf;當Xf和Xr兩者相互抵消為0時，控制閥關閉，一個轉向隨動過程結束。要想改變輪胎轉向角度，只有重新扳動轉向手柄。

圖1 機液伺服反饋控制系統原理圖

根據轉向系統的組成和原理，可以繪制機液伺服轉向系統工作原理方框圖，見圖2。

圖2 機液伺服轉向系統工作原理方框圖

2 運煤車機液伺服轉向系統數學模型的建立

圖3為機液伺服機構運動的幾何關系圖。為了便于理解，認為手動手柄θr角度后，閥芯位移量為Xr，而由于慣性、管路等因素，油缸活塞不能馬上動作，經過一瞬間后，輸入點即操作手柄不動了，活塞開始運動，活塞的運動通過反饋機構又使閥芯反向移動而使閥口關小，某一時刻，當油缸位移Xp時，閥芯反向位移量Xf，閥芯絕對位移量為

圖3 機構運動幾何關系圖

根據圖3，在機液伺服機構中，方向控制閥閥芯9、連桿7和轉向手柄2組成一個三連桿機構，所以閥芯位移Xr和手柄轉角θr為非線性關系，但由于閥芯位移較小，閥芯位移可以近似等效看成銷軸6質點的位移，則閥芯輸入位移

當油缸位移Xp時，反饋塊逆時針轉動θi，閥芯反向位移Xf

由于擺動角度小，可近似認為L4=L1+L2，且θi=Xp/L3，根據式 (3)

根據式 (1)、式 (2)和式 (4)，閥芯絕對位移

圖4 轉向油缸液壓連接原理圖

為了簡化圖面，圖1中只出現了一個非對稱轉向油缸，實際車輛轉向系統中有兩個轉向油缸，分別位于車體兩側，液壓連接方式如圖4所示。正是基于此種連接方式，所以兩個非對稱油缸可以等效成一個新的對稱油缸，所以該系統的閥控液壓缸數學模型可以按閥控對稱油缸處理。由于閥控液壓缸傳遞函數推導較為繁瑣，且閥控對稱液壓缸數學模型已經十分完善［2－3］，由文獻 ［4－5］ 可知，油缸位移Xp對輸入指令Xv的傳遞函數為:

根據式(1)—(6)可以繪出系統的方塊圖，見圖5。

圖5 機液伺服統的方塊圖

令G(s)為前向通道傳遞函數，H(s)為反饋通道傳遞函數，由圖5所示方塊圖可得系統開環傳遞函數:

式中:Kv為開環放大系數 (也稱速度放大系數)，Kv=(L1+L2)Kq/ApL3;ωh為液壓系統固有頻率;ζh為液壓系統阻尼比。

其中:βe為油液體積彈性模量，可查資料獲得;Ap、Vt、mt分別為兩個轉向油缸的等效活塞面積、等效總壓縮容積、等效折算到活塞上的總質量。當轉向油缸設計完成后Ap、Vt、mt就可以確定，所以ωh可以求得。

轉向閥的流量增益系數kq可通過產品樣本獲得。

液壓阻尼比ζh一般介于0.1～0.2之間，Kv＜(0.2 ～0.4) ωh［4－5］。綜合考慮液壓阻尼比 ζh、開環放大系數Kv、連桿機構空間尺寸以及控制系統的穩定性要求等因素可以確定L1、L2、L3的值，完成設計。

3 結論

設計了一種機液伺服液壓轉向系統，具有結構簡單、工作可靠、易于維護等優點，對井下惡劣的工況具有很好的適應性。建立該伺服系統的數學模型和傳遞函數，為進一步分析系統相關參數對轉向系統性能的影響以及系統的優化設計提供理論指導。

［1］同濟大學.工程機械地盤構造與設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，1980.

［2］王占林.近代液壓控制［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［3］蒙爭爭.四通閥控非對稱液壓缸傳遞函數的分析和建立［J］.合肥學院學報:自然科學版，2006，16(2):23 －27.

［4］王春行，徐淥.液壓控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［5］李洪人.液壓控制系統［M］.北京:國防工業出版社，1990.