多轴车辆线控液压转向系统设计及转角控制

　　摘要：为减小多轴转向车辆货厢部位的第三轴转向轮转向磨损，要求该车轮与驾驶室部位的前转向轮转角关系满足阿克曼转向原理。针对某型号 8×2 四轴重型车辆，设计出一种第三轴线控液压转向系统，并建立其动力学模型，设计了基于指数趋近律的滑模控制器对第三轴转向轮转角进行控制，选取典型工况对所设计的控制器进行了仿真分析，并进行实车试验验证。结果表明：基于指数趋近律的滑模控制比基于比例切换函数的滑模控制及开环控制响应更快速、趋近目标值时间及超调持续时间更短、稳态差值更小;与采用机械液压转向系统相比，安装基于该控制器的线控液压转向系统不仅能显著提高第三轴轮胎的转向抗磨损性能，同时也改善了整车的转向性能。

　　刘俊; 石朝欢; 林贝清; 黄鹤， 中国机械工程 发表时间：2021-09-29

　　关键词：多轴车辆;线控液压转向系统;滑模控制;转向磨损

　　0 引言

　　多轴转向车辆具有运动灵活、自由度多、通过性好等优点。目前多轴车辆的转向研究，主要集中在以下几个方面：车辆的转向模式研究[1];转向系统结构优化设计[2-3];液压转向系统的研究[4]等。多轴车辆液压转向系统主要以全液压转向和液压助力转向为主，随着现代电子技术的发展，有学者提出了将线控转向和全液压转向技术 相结合，开发了线控液压转向系统。线控液压转向系统由于抛弃了机械转向传动轴，通过电子控制单元(ECU)、传感器及阀控转向推力油缸对车辆实现线控转向，且可以根据车速及方向盘转角的变化对转向力实现柔性控制等优点，一般应用于产量较少的多轴导弹运输车或超多轴平板车(轴数多于 8)等高端车型以及重型农业车上[5]。目前，国内商用车生产厂家为了降低研发及制造成本，针对一般性的多轴重型车辆多采用机械液压转向，即通过转向传动杆系将驾驶室前转向轴的液压转向力传递到货厢后转向轴并控制后转向轴转向轮的转动角度实现与前转向轴转向轮的随动转向[6]。由于位于车辆后部的货厢部位的后转向轴与驾驶室的前转向轴距离较长，转向传动杆系刚度较小，随着车辆载货量的增加，杆系发生变形，后轴的转向轮转角误差不断加大，使得前后轴间转向不协调，导致后转向轴转向轮容易发生磨损。此外，在车辆高速行驶或在不平路面行驶时，较长的杆系容易发生摆振，也会导致后转向轴转向轮过多的磨损。所以，生产厂家迫切需要一种技术解决方案，在保留前转向轴机械液压转向系统前提下，能够减少货厢后转向轮的转向磨损。

　　本文研究的某型号 8×2 四轴重型车辆，位于驾驶室的双前桥(轴)为机械液压助力转向系统，第四轴不参与转向为驱动轴。位于货厢部位的第三轴为转向轴，为控制成本，不改变轮胎转向磨损较小的一、二轴转向系统，在第三轴采用线控液压转向，解决第三轴转向轮由于转向不协调造成的磨损，使第三轴在转向时能以设定的角度跟随第一轴转向。目前，线控液压转向的研究多集中在低速重型农业车及其转向力、转向路感控制策略方面[7-8]。根据公开的文献资料，对于重型车辆线控液压转向系统及转角控制方面的研究很少。

　　本文首先设计了某型号 8×2 四轴重型车辆第三轴线控液压转向系统，并建立其动力学模型，设计了滑模闭环反馈控制器，对第三轴转向轮转角进行控制，通过仿真分析和实车试验验证了基于滑模控制器的转角控制的转向抗磨损性能以及效果。

　　1 线控液压转向系统

　　设计的总体目标是开发出性价比好，性能稳定的后轴线控液压转向系统。该转向系统抛弃掉从前转向轴到后转向轴的转向纵拉杆，通过传感器从前第一转向轴获取转向信息，并完全依靠液压力推动后第三转向轴随前转向轴协调转向。

　　1.1 线控液压转向系统设计

　　为了实现第三轴的线控液压转向，利用传统的液压助力转向系统，在原有的基础上装配电控单元、转角传感器、车速传感器和各种控制阀等。为防止第三轴轮胎在直线行驶时路面冲击导致转向轮偏转而造成轮胎磨损，执行机构采用对方向盘中位实现机械定位及自锁功能的对中自锁油缸，如图 1 所示。钢球在弹簧圈的作用下与活塞杆以及缸筒内壁压紧。当没有液压油输入油缸，活塞杆在其他外力作用下有移动趋势时，其运动方向侧钢球与活塞杆以及缸筒之间压力加大，实现自锁;有液压油输入油缸时，油液推动可移动活塞，其凸缘推动逆移动方向侧钢球沿斜面下落实现解锁。

　　图 2 所示为第三轴线控液压转向系统的总体设计。第一轴转角信号和车速信号被传感器采集后传至电控单元，电控单元经设定的控制算法得到第三轴车轮的目标转向角度，通过电液比例阀的电压信号，控制对中自锁油缸的活塞位移，进而控制第三轴车轮转动，与此同时利用转角传感器将第三轴车轮实际转角反馈给电控单元，构成闭环反馈控制跟踪第三轴目标转角，从而实现抗第三轴转向轮转向磨损的线控转向。

　　正常情况下，电磁阀 3 置左位、电磁阀 4、5 置右位，使冗余系统油路关闭，通过比例阀 1 和比例阀 2 控制对中自锁油缸实现转向。第三轴左转时，溢流阀按设定压力要求处于闭合状态，比例阀开始动作，此时阀 1 处于左位，阀 2 处于右位，油液由两端的 A1、B2 流入对中自锁油缸，由中间的 A2、B1 流出，油缸动作将第三轴转向横拉杆向右拉回，则车轮进行左转。右转同理。第三轴处于某个转角不动时，阀 1 阀 2 处于中位截止状态，此时系统压力会迅速增大，当超过调定压力时，溢流阀开启，液压油从油箱经粗滤器、液压泵由溢流阀溢回油箱，对中自锁油缸处于自锁状态。当电控单元检测到故障时，比例阀 1 及 2 回到中位，该转向工作油路断开，冗余系统的三个电磁阀打开，阀 3 置右位，阀 4 及阀 5 置左位，使左缸油液由 A2 流入、 B2流出，右缸油液由 A1 流入、B1 流出，最终左缸活塞运动到左缸最左端面、右缸活塞运动到右缸最左端面，对中自锁油缸达到中位，从而第三轴转向轮对中，此时第三轴转向轮不跟随第一轴转向轮转向。由于活塞到达极限位置而不再移动，此时油路压力增大，超过溢流阀的设定压力后，溢流阀开启，实现油压卸荷。

　　1. 2 实车安装

　　为便于安装，根据总体设计图设计了液压集成阀块。集成阀块的结构如图 3 所示，安装如图 4(b)所示。将对中自锁油缸安装到车辆第三转向轴后方，其右端与车桥相连，左端通过连杆与转向横拉杆相连，如图 4(a)，将四个油口分别与集成阀块的 A1、B1、A2、B2相连。速度传感器安装在车辆变速箱输出轴上，转角传感器分别安装在第一轴和第三轴同侧转向主销顶端。

　　2 线控液压转向系统动力学模型

　　2. 1 电液比例阀系统模型

　　电液比例对阀系统主要由电液比例阀(配套放大器)和对中自锁油缸(阀控缸)组成。

　　电液比例阀配置有位移反馈，根据其运动学特性可得出传递函数为：