應(yīng)用AMESim雙轉(zhuǎn)向器全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析

劉傳慧，孫玉鳳，介石磊，呂寶占

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 引言

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)重載車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，其具有良好的負(fù)載敏感性，系統(tǒng)流量不會(huì)因?yàn)樨?fù)載變化而出現(xiàn)抖動(dòng)，適應(yīng)能力強(qiáng)。對(duì)于超大噸位自卸車(chē)流量大的特點(diǎn)，為了解決超大排量轉(zhuǎn)向問(wèn)題，可設(shè)置雙轉(zhuǎn)向器方案，分別設(shè)置流量泵，滿(mǎn)足整體要求［1］；從原理上來(lái)看該方案是可行的，但是雙轉(zhuǎn)向器并聯(lián)控制流量放大器勢(shì)必為影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，因此，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析以便確認(rèn)系統(tǒng)的可行性。與此同時(shí)，系統(tǒng)需要滿(mǎn)足負(fù)載敏感性的要求，即在系統(tǒng)具有較高操作靈敏度的同時(shí)，不受負(fù)載變化的影響，通過(guò)整體分析，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)［2］對(duì)單轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析，獲取關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［3］對(duì)全液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器開(kāi)度一定時(shí)，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化的大小，對(duì)閥一液壓馬達(dá)組合的阻尼系數(shù)和速度剛性影響進(jìn)行分析；文獻(xiàn)［4］基于數(shù)學(xué)模型對(duì)負(fù)載流量為零時(shí)，單位輸入位移所引起的負(fù)載壓降變化的大小進(jìn)行分析，以獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；文獻(xiàn)［5］基于AMESim搭建液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，分析各個(gè)閥口壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，以獲取最優(yōu)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的研究以單轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究為主，對(duì)雙轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的分析較少。

根據(jù)某自卸車(chē)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)單轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，獲取各參數(shù)的數(shù)值；根據(jù)車(chē)輛轉(zhuǎn)向參數(shù)的需求，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力損失和溫升進(jìn)行校核，以驗(yàn)證系統(tǒng)可否滿(mǎn)足需求；根據(jù)前述分析，采用AMESim搭建分析模型，通過(guò)轉(zhuǎn)角輸入驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證負(fù)載、輸入變化對(duì)系統(tǒng)特性的影響；基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)輸出特性分析，對(duì)前述設(shè)計(jì)和分析模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析

系統(tǒng)采用雙缸交叉連接方式布置轉(zhuǎn)向液壓缸，如圖1所示。

圖1 雙缸交叉連接方式布置示意圖Fig.1 Layout Diagram of Double Cylinder Cross Connection Mode

2.1 轉(zhuǎn)向阻力矩

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的負(fù)載主要為阻力矩，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向阻力矩Fig.2 Schematic Diagram of Steering Resistance Torque

根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算相關(guān)公式可得：

式中：Gs—轉(zhuǎn)向橋負(fù)荷。

轉(zhuǎn)向過(guò)程最大值無(wú)法準(zhǔn)確獲得，一般為原地時(shí)的三倍［8］，因此液壓系統(tǒng)計(jì)算選型時(shí)，通常用最大轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行計(jì)算，以保證系統(tǒng)的安全性。

2.2 轉(zhuǎn)向液壓缸面積

可寫(xiě)作：

式中：d—轉(zhuǎn)向液壓缸的桿徑。

對(duì)于所研究的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，超載是隨時(shí)可能發(fā)生的，因此轉(zhuǎn)向缸壓力設(shè)計(jì)為系統(tǒng)安全壓力的30%。

2.3 全液壓轉(zhuǎn)向器

式中：m—方向盤(pán)圈數(shù)；m太小，會(huì)使轉(zhuǎn)向器排量增大，造成選型困難；m太大，會(huì)使駕駛員操作疲憊感增加，因此m的選取必須綜合考慮各種因素的影響。結(jié)合以上各式計(jì)算結(jié)果，可以確定全液壓轉(zhuǎn)向器排量及流量放大器倍數(shù)。

2.4 蓄能器

式中：Ps2—最高值；Ps0—充氣壓力。

選型時(shí)一般還需考慮整車(chē)布置情況、使用環(huán)境及成本因素，根據(jù)容積靈活選用蓄能器數(shù)量。當(dāng)工作溫度太低時(shí)，必須選用活塞式蓄能器。

3 雙轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

基于AMESim搭建選用轉(zhuǎn)向器和流量放大器的超級(jí)元件，搭建分析模型，如圖3所示。

圖3 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation Model of Full Hydraulic Steering System

3.1 轉(zhuǎn)角斜坡信號(hào)輸入

系統(tǒng)的輸入信號(hào)，如圖4所示。獲得分析結(jié)果，如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)Fig.4 Corner Curve

圖5 各參數(shù)變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation Curve of Each Parameter

由圖中分析結(jié)果可知，對(duì)于所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，雖然轉(zhuǎn)速降低了一半，但是系統(tǒng)的油液流量卻基本未發(fā)生明顯變化；這就表明，轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入的變化，并未影響系統(tǒng)流量的變化，基本維持不變，系統(tǒng)的輸出也保持了基本不變。

3.2 轉(zhuǎn)向負(fù)載變化影響

改變系統(tǒng)的負(fù)載，得到的分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向負(fù)載變化影響曲線(xiàn)Fig.6 Influence Curve of Steering Load Change

由圖中分析結(jié)果，系統(tǒng)的負(fù)載雖然發(fā)生了變化，但是轉(zhuǎn)向缸的輸入流量基本未發(fā)生變化，保持不變，僅在初始階段存在一定的超調(diào)震蕩情況，隨著負(fù)載增大，時(shí)間也增長(zhǎng)了；結(jié)果表明，負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)液壓油液流量基本無(wú)影響。

3.3 入口流量變化對(duì)系統(tǒng)影響

輸入斜坡信號(hào)，改變泵的轉(zhuǎn)速使得流量發(fā)生變化，獲得分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)向負(fù)載變化影響曲線(xiàn)Fig.7 Influence Curve of Steering Load Change

由圖中分析結(jié)果可知，入口流量的變化引起的系統(tǒng)變化趨勢(shì)與負(fù)載變化的趨勢(shì)基本一致，系統(tǒng)都未發(fā)生明顯的變化，僅在開(kāi)始階段出現(xiàn)了一定的波動(dòng)調(diào)整，對(duì)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生了一定的影響，其他未發(fā)生變化；可以，入口流量對(duì)系統(tǒng)基本無(wú)影響。

4 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

基于全液壓轉(zhuǎn)向器的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試平臺(tái)，采用LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖8所示。

同前文的分析工況，對(duì)控制方向盤(pán)施加角速度階躍信號(hào)，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)輸入和輸出結(jié)果Fig.9 Test Tnput and Output Results

由圖中結(jié)果可知，系統(tǒng)接收到方向盤(pán)的階躍角速度信號(hào)后，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部分閥芯和閥套發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)負(fù)載大于輸出，導(dǎo)致開(kāi)始階段L和LS均出現(xiàn)了負(fù)值，但時(shí)間極短，隨著輸入的穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力快速升高，并趨于穩(wěn)定，動(dòng)作結(jié)束后，系統(tǒng)壓力迅速降低，后逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，這與前述仿真分析結(jié)果一致，穩(wěn)定壓力為18.7bar，仿真分析為19.4bar，誤差控制在3%以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

（1）雙轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)壓力損失滿(mǎn)足要求，最高溫升控制在56.8℃，控制在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)；（2）影響雙轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)輸出特性和油液流量的因素主要是方向盤(pán)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)負(fù)載，其他因素基本無(wú)影響，僅對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生影響；（3）試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)獲取的角速度階躍輸入下的，轉(zhuǎn)向器輸出口壓力、流量放大器輸出口流量與仿真分析結(jié)果誤差控制在5%以?xún)?nèi)，表明分析模型和結(jié)果的可靠性，為此類(lèi)分析設(shè)計(jì)提供參考。