兩種重型汽車后橋主動轉向系統的分析

徐江

（中國重型汽車集團有限公司汽車研究總院，山東 濟南 250102）

0 引言

隨著重型汽車在轉彎半徑及承載要求上的不斷提升，近幾年來應用后橋主動轉向的車型越來越多[1]，與此同時底盤主動安全技術也越來越受到重視，而多軸轉向系統是主動底盤安全技術的重要組成部分[2]。傳統轉向桿系傳動機構桿系復雜，難以繼續滿足多軸轉向的要求，特別是車輛車體長，受道路條件制約大[3]，轉向性能尤其是轉彎半徑受到了嚴重制約，因而主動后橋轉向系統的應用迫在眉睫[4]。目前來看主動轉向主要分為液壓主動轉向系統和電控液主動轉向系統。

本文從后橋主動轉向的結構、原理、控制邏輯方面對液壓主動轉向系統和電控液主動轉向系統進行分析，并以實例介紹電控液主動轉向系統的設計開發，為后橋主動轉向系統車型的開發提供參考。

1 液壓主動轉向系統

1.1 結構

液壓主動轉向系統結構原理見圖1，主要包括轉向器、控制缸、對中缸、液壓管路、儲能器。

1.2 原理

當車輛處于直行位置時，控制缸2和對中缸3都處于中位，此時B1、B2腔通過單向閥與A2、A3腔相連，同時A2腔通過液壓管路與B3腔相連，A3腔通過液壓管路與B4腔相連，此時整個后橋液壓回路中的壓力即儲能器中的壓力。對中缸3中B1、B2腔都設計有浮動活塞，車輛直行時靠儲能器中壓力將B1、B2腔中的浮動活塞壓緊，使對中缸處于中位，即后橋車輪處于直行狀態。

當向右轉向時，轉向器高壓油注入控制缸A1腔，A1腔體積增大，使控制缸活塞后移，進而推動一橋節臂后移，實現一橋右轉，此時A2腔體積減小，將液壓油推入B3腔，B3腔體積增大，B4腔體積減小，其中的液壓油通過液壓管路進入A3腔，對中缸活塞桿外伸，實現車輪左轉。如系統中建立的油壓過高，會通過控制缸內置的壓力安全閥進行泄壓。

1.3 技術難點

由于該系統管路及管接頭很多，液壓油的滲漏很難避免，很容易造成一橋與后橋轉向不協調的情況，造成輪胎的異常磨損。因此在控制缸活塞桿處設置通油切口，在一橋±5度以內轉角時A2、A3腔相通，后橋處于直行狀態，這樣每進行一次轉向操作，在一橋將要回正時，后橋在儲能器的壓力作用下提前回正[5]，進行一次矯正，從而避免一橋已經回正，后橋車輪還偏斜的情況。此外儲能器還使液壓回路內部存在一定的壓力，消除管路的膨脹所帶來的后輪轉向滯后，也就相當于保證系統具有合理的剛度。

液壓主動轉向系統售后維護比較繁瑣，由于后橋轉向液壓回路為封閉回路且需要儲能器保壓，因此需要定期使用專用壓油設備和油壓表進行壓力測試并補油，且補油的同時還需進行排氣操作。

2 電控液主動轉向系統

2.1 結構

電控液主動轉向系統結構原理見圖2，主要包括轉向器、電控單元、電控助力缸等。其中電控單元集成了ECU、油泵、油罐。

2.2 原理

動力單元接收到安裝在轉向管柱上轉向角度傳感器的信號，油泵工作輸出高壓油到電控助力缸，通過電控助力缸上的位置傳感器精確控制電控助力缸的伸縮量，從而實現一橋與五橋轉角的精確匹配。

為實現一橋與后橋轉角的精確匹配，需向系統輸入方向盤轉角與一橋轉角、一橋轉角與后橋轉角、后橋轉角與助力缸伸縮量的邏輯曲線關系，每條曲線由15個點連接而成，如圖3、圖4、圖5。

電控液主動轉向系統還可以定義一些功能參數，如車速超過一定數值后，為避免高速轉向帶來的危險，使后橋無轉向并對中，如后橋為提升橋，可設置提升后車輪不轉向等。

2.3 技術難點

電控液主動轉向系統需要整車CAN提供所需的各種報文，其中前橋轉角報文和車速報文是重要報文，報文信號傳輸的穩定性關系到后橋的轉向情況，因此CAN線負載、報文控制器的安全等級顯得至關重要。為安全起見，需要兩個轉角信號及兩個車速信號，兩不同源信號進行校驗，一旦校驗失敗，則采取措施使后橋強行對中，保證安全[6]。

電控液主動轉向系統需要復雜的功能安全釋放，包括常規釋放試驗和故障注入試驗，釋放周期長。

3 電控后橋五橋車設計

以某后橋轉向五橋車設計為例，該車型1、2、5橋為轉向橋，3、4橋為驅動橋，該系統運用電控液后橋轉向系統。

3.1 五橋轉角理論計算

該車型軸距為1950+3200+1400+1400，軸距分布及轉角示意圖如圖6，根據阿克曼公式計算1、2、5橋理論轉角如表1。根據計算數據及三維數模進行方向盤轉角與一橋轉角、一橋轉角與后橋轉角、后橋轉角與助力缸伸縮量的邏輯曲線關系編制。

表1 1、2、5橋阿克曼轉角關系計算

阿克曼轉角公式：

tanθ1/ tanθ2=L1/L2

tanθ1/ tanθ5=L1/L3

3.2 系統所需報文

（1）制動信號報文由發動機發出。

（2）前橋車速報文由EBS發出；為電控后橋提供車速信息，為重要報文，車速超過設定值后，五橋不轉向。

（3）發動機轉速報文由發動機發出，該報文作用為激活后橋轉向系統。

（4）EBS轉角信號報文由轉向角度傳感器發出，為電控轉向系統提供轉角信號，為重要報文。

（5）方向盤處轉角信號報文由轉向角度傳感器發出，為電控轉向系統提供轉角信號，為重要報文。

（6）車速信號報文由儀表發出，為電控轉向系統提供車速信息，為重要報文。

（7）里程信息報文，由儀表發出，為電控轉向系統提供里程信息，為診斷報文。

（8）時間報文，由儀表發出，為電控轉向系統提供時間信息，為診斷報文。

（9）車架報文，為電控轉向系統提供車輛信息，為診斷報文。

3.3 轉角檢驗

通過測量5橋理論轉角與實際轉角的對比曲線，分析5橋轉角的正確性，如圖7，理論值與實際值曲線重合度較好，說明5橋按設定的轉角曲線進行轉向。

3.4 潛在故障模式

（1）五橋不轉向，主要原因為所需報文缺失、報文質量差、CAN通訊負載率高等因素，出現該故障需要截取報文進行分析，對引起故障的報文進行針對性提升整改。另外，電源、線束的故障同樣可引起五橋不轉向，需對電源及線束進行排查。如報文、電源、線束都不存在問題，則考慮主動轉向系統硬件故障。

（2）五橋跟隨性差，該故障的主要原因為液壓傳動油中的空氣未排出或五橋油罐中的油液油位不足，該故障需要排空氣操作并及時補油。

（3）五橋轉向出現抖動，該故障的主要原因為角度傳感器標定錯誤或漏標。

4 總結

液壓主動轉向系統結構及布置復雜，液壓管路及管接頭眾多，液壓油存在滲漏泄壓的風險，且售后維護繁瑣，但系統釋放簡單。電控液主動轉向系統結構及布置簡單，功能多，后橋轉角精確，但是控制邏輯和系統釋放較復雜，對報文穩定性要求高，售后維修較困難。

目前國內外重型汽車正在向電控化方向發展，電控液主動轉向系統是未來后橋主動轉向的發展趨勢。