基于AMESim車輛轉向系統液壓油缸工作特性分析

郭曉聰，李 寧

（鄭州經貿學院，河南 鄭州 451191）

1 引言

轉向系統液壓油缸是全液壓轉向車輛的最重要動作執行單元，轉向液壓油缸內由于壓差實現油液的流動，進而帶動活塞桿的收縮運動，實現車輛的左右轉向。液壓轉向液壓油缸的工作特性將直接影響到轉向系統的響應速度和可靠性［1］。不同工況的轉向輸入，需要得到轉向系統的快速響應，轉向液壓缸迅速執行到位，同時也需要轉向液壓缸能夠迅速實現調整，并在實現轉向動作后，恢復到穩定狀態。因此，通過對系統結構和工作原理的分析，對系統的特性進行分析，尋找影響因素，為此類設計優化提供參考，具有重要的應用價值。

檢索文獻，可以發現學者們對此開展了一定的研究：文獻［2］以轉向液壓缸的動作時間作為優化目標，對方向盤的安裝位置進行優化，以傳遞效率作為指標，對轉向系統結構參數進行優化；文獻［3］基于Matlab建立轉向液壓缸的數學模型，對系統進行運動分析和設計，以獲取最優設計參數；文獻［4］采用正交網格對轉向液壓缸的動力傳遞函數進行設計，以最小二乘法進行求解，獲取最優設計；文獻［5］采用多體動力模型，以轉向半徑誤差最小最為目標，對轉向液壓缸進行優化設計，獲取最優設計結果。以某一項指標作為目標，對系統的參數進行優化設計，而對系統準確的建模及參數影響分析較少，這里重點對此開展研究。

針對全液壓轉向系統的重要組成單元轉向液壓缸進行結構和工作原理進行分析，對承載和關鍵參數進行分析，獲取數學模型；對轉向液壓缸的靜態和動態工作特性進行分析，獲取數學模型；根據數學模型，基于AMESim搭建轉向液壓油缸工作特性分析模型；選取系統的斜坡輸入和階躍輸入等兩種信號輸入，分析系統的響應；分析等效質量對系統響應的影響。基于全液壓轉向系統試驗臺，對轉向液壓缸的階躍輸入響應特性進行分析，驗證前述分析模型的準確性。

2 轉向液壓油缸結構分析

轉向液壓油缸工作示意圖，如圖1所示。當方向盤左轉時，從轉向器L口排出的油液進入右側轉向液壓油缸的無桿腔和左側轉向液壓油缸的有桿腔，使轉向液壓油缸活塞移動［6］。由于轉向系統中連桿機構作用，使得車輪向左傾斜，故車輛會向左轉動，右轉向時原理相似。

圖1 轉向液壓油缸工作示意圖Fig.1 Working Diagram of Steering Cylinder

轉向液壓油缸結構示意圖，如圖2所示。液壓缸的結構尺寸與整個工作結構有密切的關系，設計時需要確定結構類型、安裝形式、安裝空間，根據負載力、速度和行程確定結構尺寸［7］。

圖2 轉向液壓油缸結構圖Fig.2 Structure Diagram of Steering Cylinder

3 轉向液壓油缸工作特性分析

3.1 靜態特性分析

轉向液壓油缸工作時的簡化結構，如圖3所示。

圖3 轉向液壓油缸簡化結構圖Fig.3 Simplified Structure of Steering Cylinder

液壓缸每一個工作腔的流量連續性方程為：

式中：q1—流入轉向液壓油缸的流量；q2—流出轉向液壓油缸的流量；p1、p2—轉向液壓油缸進、回油腔壓力；V1、V2—進、回油腔容積；Cip—液壓缸內部泄露系數；Cep—液壓缸外部泄露系數。由上可得：

式中：Ap—油缸總有效面積；Yp—活塞桿移動平均速度。

將上式合并計算，則：

式中：Q1—負載流量；pL=p1-p2—負載壓力；Ctp—油缸總泄漏系數。忽略液動力和粘性阻力［10］，則系統承載的力平衡方程寫作：

式中：Fm—摩擦力；FL—承載力。

3.2 轉向液壓油缸動態特性分析

流入油缸的油液流量，可以寫作：

流出油缸的油液流量，可以寫作：

將以上兩式合并計算，則得到：

轉向液壓油缸的力平衡方程，可以寫作：

式中：mp—車輛轉動傳動機構的等效質量；Bp—阻尼系數；K—油缸等效剛度。

3.3 轉向缸仿真分析模型

模型中轉向液壓油缸活塞上的外部載荷力經由輸入信號轉換成力加載到轉向液壓油缸的活塞上，信號形式可以根據需要設定［10］。油缸總有效面積Ap為雙缸交叉連接方式布置轉向液壓缸的有桿腔面積與無桿腔面積之和，則：

油缸的位移，則可以根據車輛轉向液壓缸等效換算而來，換算關系為：

式中：s1—右轉向時內側油缸位移；s2—右轉向時外側油缸位移；s3—等效油缸油缸位移。

根據上述數學分析過程，獲取了轉向液壓缸模型，基于AMESim搭建分析模型，如圖4所示。

圖4 轉向液壓油缸模型Fig.4 Simulation Model of Steering Cylinder

4 特性仿真分析

4.1 輸入階躍信號

當轉向系統接收到50°階躍信號后，分析轉向液壓油缸的響應，如圖5所示。由圖中分析結果可知，系統接收到信號后，轉向缸位移經過短暫的波動調整后，迅速趨于穩定狀態，時間約為0.23s；而整個過程中速度卻劇烈波動，主要因為轉向缸的復雜壓力隨著時間不斷發生了變化，使得整個過程中活塞的運行速度不斷調整。

圖5 轉向缸響應曲線Fig.5 Response Curve of Steering Cylinder

4.2 輸入斜坡信號

對轉向系統輸入斜坡信號，如圖6（a）所示。對此工況下，系統的響應進行分析，如圖6所示。

圖6 階躍輸入響應Fig.6 Step Input Response

由圖中分析結果可知，當系統開始運行，接收到斜坡信號后，轉向缸內油液流量和壓力均存在一定的調整過程，同時數值存在一定的超調，但經過較短的時間即恢復到轉速平衡狀態下各參數的值。轉閥轉子以恒定轉速轉動，由于計量馬達的反饋作用，使轉閥閥套也以相同的轉速轉動，從而使得閥口保持一定開度，使輸出流量保持一恒定值。通過圖7（c）中的活塞速度變化可以看出，變化比較劇烈，主要由于承載壓力隨時間發生的較大的變化，使得其內部不斷調整，進而呈現出波動變化的現象，隨著負載的穩定，而逐漸呈現穩定狀態。

圖7 等效質量的影響Fig.7 Equivalent Mass Effect

4.3 等效質量mp的影響

改變等效質量取值，分析轉向液壓缸的動態響應曲線，如圖7所示。

由圖中的響應曲線可以看出，當轉向系統缸體負載質量逐漸增大時，系統的超調量也呈現增大，同時系統調整的時間也變長。因此，在進行轉向系統設計時，需要盡量減小轉向液壓油缸的負載，以此來提高系統響應速度和可靠性。

5 試驗平臺測試

基于液壓轉向系統的工作原理，在實驗室搭建測試平臺，包括動力單元、控制單元及測試單元，重點布置了油源、加載模塊、負載模塊、信號控制模塊等，各控制回路布置流量和壓力傳感器，采用LMS SCADAS數據采集系統，系統的結構原理圖和實物圖，如圖8所示。

圖8 試驗平臺總體結構Fig.8 Overall Structure of Test Platform

同前文的分析工況，對控制方向盤施加角速度階躍信號，得到液壓缸輸出壓力和流量變化結果，如圖9所示。

由圖中結果可知，系統接收到階躍角速度信號后，系統迅速發生動作，壓力迅速升高，流量增大，經過調整并逐漸趨于穩定，動作結束后系統壓力迅速降低，后逐漸恢復平穩，這與前述仿真分析結果一致，穩定壓力為76.7bar，仿真分析為79.4bar，誤差控制在3.5%以內，仿真分析結果是可靠的。

6 結論

（1）轉向液壓缸接受到輸入斜坡信號和階躍信號后，經過迅速調整，均能趨于穩定狀態；（2）當轉向負載質量逐漸增大時，超調量增大，調整時間變長，因此在設計時，需要盡量減小轉向液壓油缸的負載來提高系統響應；（3）試驗測試結果的壓力和流量變化趨勢與前述仿真分析保持一致，經過調整后達到穩定狀態，穩定后的壓力為76.7bar，仿真分析為79.4bar，誤差在3.5%以內；表明前述分析模型和分析結果的準確性為此類設計研究提供參考。