基于負載敏感技術的HPS操縱穩定性分析

李玉光，王淑芬

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622）

基于負載敏感技術的HPS操縱穩定性分析

李玉光，王淑芬

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622）

針對傳統HPS中存在的能量消耗問題，設計了基于負載敏感技術的HPS。首先，介紹了負載敏感技術的控制原理；其次，建立了基于負載敏感技術的HPS仿真模型；最后，根據在仿真軟件AMESim中進行了瞬態橫擺響應、雙移線仿真試驗。通過仿真結果中橫擺角速度、側向加速度、側傾角的分析得出所設計的帶有負載敏感技術的HPS不僅具有較好的負載敏感特性，而且能夠滿足整車操縱穩定性的要求。

HPS；能量消耗；負載敏感；操縱穩定性

0 引言

HPS已成為目前汽車上較多采用的助力轉向系統，但是傳統HPS的液壓泵由發動機直接驅動，使得車輛在直線行駛時，液壓泵仍然在發動機的帶動下處于高速工作狀態，泵出的大量高壓油經過溢流閥回到儲油罐，造成了相當大的能量損失。因此，在HPS中如何控制液壓系統中流量和壓力兩個變量，使系統的功率得到最大利用是我們亟須解決的問題[1]。

負載敏感技術是指系統負載敏感閥能根據負載所需壓力調節泵出口壓力，使其隨負載的變化而變化，并向系統提供與負載所需相近的液壓功率，從而在泵源上降低系統的壓力損失。以此為基礎，本文設計了基于負載敏感技術的HPS操縱系統，并使用瞬態橫擺響應、雙移線兩種仿真試驗分析了帶有負載敏感技術的HPS的操縱穩定性。

1 負載敏感技術的控制原理及仿真模型

1.1 負載敏感技術的控制原理

負載敏感技術的控制原理如圖1所示。PL為負載壓力，PS為泵出口壓力，負載敏感閥的彈簧設定壓力為一定值，恒壓閥2的彈簧設定壓力為變量泵允許的最大工作壓力。通過控制閥5的進出口壓差ΔP來調節泵的排量，達到泵輸出流量與驅動負載所需流量的匹配[2]。

圖1 負載敏感技術的控制原理圖

系統處于正常工作狀態時，恒壓閥2在彈簧力的作用下處于右位。當負載壓力減小時，流量控制閥5的開口減小，此時泵出口流量大于負載所需流量，閥5的兩側壓差ΔP增大，且與負載敏感閥1的有效面積A的乘積大于彈簧預緊力，推動負載敏感閥1向右運動，左位處于工作狀態。泵出口的高壓油經負載敏感閥1左腔，恒壓閥2右腔流進變量缸大腔3，使變量泵的斜盤角減小，同時泵出口流量減小，直至與負載所需流量匹配為止；相反，當負載壓力增大時，負載敏感閥右位工作，變量缸大腔的油液經恒壓閥2右腔，負載敏感閥1右腔流回油箱，斜盤角增大，泵出口流量隨之相應增大。

當系統處于低壓待機狀態時，流量控制閥5完全關閉，負載敏感閥的閥芯在泵出的液壓油作用下向右運動，然后負載敏感閥左腔閥口打開，油液由負載敏感閥左腔流進恒壓閥右腔，再流進變量缸大腔3，使得斜盤角減小，泵以最小排量輸出[3,4]。此時泵出口壓力為負載敏感閥的彈簧設定壓力，僅產生供內部泄漏需求的流量，此時功率消耗很小，實現負載敏感控制節能的目的[5]。

當系統處于過載狀態時，負載敏感閥1在負載和彈簧預緊力的共同作用下右位工作，此時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定壓力，致使恒壓閥左位工作，油液進入變量泵大腔，斜盤角逐漸減小近至0，此時泵的排量幾乎為0，功率消耗最小。

1.2 仿真模型

為解決傳統HPS中泵流量損失問題，使用負載敏感泵代替原系統中的定量泵。通過負載敏感系統對轉向需求的反饋來泵出不同的壓力和流量，達到節能的目的。在傳統HPS的基礎上增加了負載敏感系統，其在仿真軟件AMESim中建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 基于負載敏感技術的HPS仿真模型

2 整車操縱穩定性仿真與分析

評價一個助力轉向系統的優與劣，不僅要在車輛轉彎時給駕駛人一個合適的助力，使駕駛人感到輕松的同時又不失路感，而且還要看助力轉向系統是否滿足整車操縱穩定性的要求。因此，我們需要對帶有負載敏感技術的HPS進行操縱穩定性試驗。

但由于本文考慮的是帶有負載敏感技術的HPS的操作穩定性，所以不考慮發動機與電氣設備部分，僅考慮底盤、輪胎、路面、驅動系統、制動系統、懸架系統和轉向系統，以及各傳感器。我們采用AMESim軟件中Vehicle Dynamics設計庫來進行模塊化建模，進行了瞬態橫擺響應、雙移線仿真試驗，并做了相應的分析。

2.1 瞬態橫擺響應仿真試驗與分析

目前通常用轉向盤的轉角階躍輸入來表征汽車的瞬態橫擺響應特性，即所謂的階躍轉角試驗。首先被測試驗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的速度給轉向盤一個轉角輸入，并使轉向盤保持該轉角不變，油門開度亦不變，此時汽車做圓周運動，觀察車輛由直行到轉彎的瞬態響應特性。該試驗主要測量：轉向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度、側傾角等。

按照標準設置整車模型的車速為80 km/h，以200度/s的速度給轉向盤的輸入角度為45度，如圖3所示。設仿真時間為10 s，橫擺角速度、側向加速度、側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比曲線如圖7。

圖3 轉向盤轉角變化曲線

圖4 橫擺角速度變化曲線

圖5 側向加速度變化曲線

圖6 側傾角變化曲線

圖7 泵出口壓力和液壓缸助力對比曲線

根據角階躍試驗可以得到:

(1)從圖3可看出在0~2 s內，汽車直行，所以其他參數輸出均為0。在2~2.23 s內轉向盤轉角達到45度，此時橫擺角速度、側向加速度、側傾角急劇增大，且有振蕩。

(2)從圖4可看出橫擺角速度在2.4 s時達到峰值13.8 deg/s，0.6 s后達到穩態值12.2 deg/s，超調量為13.1%。

(3)從圖5可看出側向加速度在2.8 s時達到峰值4.8 m/s2，0.3 s后達到穩態值4.75 m/s2，超調量為1.05%。

(4)從圖6可看出車身側傾角僅在非常小的范圍內波動。

由以上分析可以看出整車在瞬態橫擺響應仿真試驗中滿足操縱穩定性要求。

(5)通過圖7的泵出口壓力與液壓缸助力的對比曲線可看出，該車在45度階躍轉角的輸入下，HPS中液壓泵出口壓力能根據助力的需求大小進行迅速調節匹配，將負載敏感特性較好的體現出來。

2.2 雙移線仿真試驗與分析

雙移線試驗主要是用來評價被測車輛回避障礙的性能，現在被廣泛用于閉環操縱穩定性的評價試驗之中[4,5]。雙移線試驗要求試驗場地為干燥、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置為水平路面，車速為80 km/h，進入通道后保持車速不變。雙移線試驗轉向盤轉角變化曲線如圖8所示，車速、橫擺角速度、側向加速度、側傾角變化曲線如圖9至12所示，泵出口壓力與液壓缸助力對比曲線如圖13。

圖8 轉向盤轉角變化曲線

圖9 車速變化曲線

圖10 橫擺角速度變化曲線

圖11 側向加速度變化曲線

圖12 側傾角變化曲線

圖13 泵出口壓力與液壓缸助力對比曲線

根據規定，以通過通道的最高車速或最短通過時間作為雙移線試驗的評價標準，較小的轉角和橫擺的時間滯后會得到較好的操縱穩定性。

由圖8~12可以得到雙移線試驗的仿真結果：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，滿足要求；同時橫擺角速度的響應滯后很小，車身側傾角始終在±3°內波動，有較好的抗側傾能力；橫擺角速度、側向加速度在汽車通過雙移線后能較快地恢復到正常行駛狀態，說明該車有較好的躲避障礙的性能，滿足操縱穩定性要求。同時從圖13也可看出所設計的基于負載敏感技術的HPS的泵能根據轉向需求提供相應壓力的液壓油。

3 結論

為解決傳統HPS的能量損失問題，設計了基于負載敏感技術的HPS。介紹了負載敏感技術的控制原理，并利用仿真軟件AMESim進行了建模。為探究所設計的HPS與整車的匹配性，根據國家標準進行了試驗樣車的瞬態橫擺響應、雙移線兩種仿真試驗。

結果表明：

（1）橫擺角速度、側向加速度、側傾角的響應曲線表明基于負載敏感技術的HPS具有較好的整車操作穩定性，而且表現出較好的匹配性和負載敏感特性。

（2）基于負載敏感技術的HPS表現出較好的匹配性和負載敏感特性。

[1]黃新年,張志生,陳忠強.負載敏感技術在液壓系統中的應用[J].流體傳動與控制,2007,24(5):28-30.

[2]晉明杰,劉文武,范英,等.基于負載敏感技術的隨車起重機回轉系統仿真研究[J].煤礦機械,2015,36(2):96-99.

[3]劉小華,辛德忠,萬軍,等.基于負載敏感技術的定向鉆機給進系統研究[J].機床與液壓,2014,42(7):13-15,19.

[4]黃虎,陳光柱,蔣成林.全液壓鉆機負載敏感液壓系統設計及仿真分析[J].液壓與氣動,2015,17(03):71-74,79.

[5]張驥,張鐵柱,程聯軍,等.挖掘機負載敏感泵的AMESim動態仿真研究[J].青島大學學報:工程技術版,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：機械設計及理論