薛敏;范卫兵;汪振晓;郑贤文;卢运;高岗
【摘 要】介绍了一种新型后桥电控液压主动转向系统的组成及其工作特点.创新设计的集成式液压缸配合液压油路,提高了后桥转向的可靠性.经整车搭载验证,该系统符合设计要求,达到使用目的.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】5页(P93-97)
【关键词】后桥转向;液压驱动;液压冗余设计
【作 者】薛敏;范卫兵;汪振晓;郑贤文;卢运;高岗
【作者单位】东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058;东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058;东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058;东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058;东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058;东风汽车公司 技术中心,湖北 武汉 430058
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137
随着近年来越野汽车先进技术的发展，越野汽车以轴数增加、吨位提高为发展方向，其中，底盘主动安全技术越来越受到重视，而多轴转向系统是主动底盘安全技术的重要组成部分[1]。传统转向杆系传动机构杆系复杂，难以继续满足多轴转向的要求，特别是车辆车体越长，受道路条件的制约越大[2]，转向性能尤其是转弯直径受到了严重制约，因而亟需设计一种后桥主动转向系统[3]，以减小大型车辆的最小转弯直径、提高车辆机动性、操纵稳定性及通过性等重要指标。
本研究基于某大型越野汽车设计了一种后桥电控液压主动转向系统。该系统取消了传统转向系统的机械杆系连接，通过液压油路驱动转向动作，可以对后桥转向进行独立控制，并可根据不同行驶工况实现不同的转向模式。其优点是在转向时从控制策略上能够保持车辆的质心侧偏角基本为零，可以大幅度的提高车辆动态响应特性，并在低速时极大的减少汽车转弯半径[4]，提升车辆的机动性能。该系统还集成了完善的安全控制策略，通过模块化设计，可移植至其他转向桥从而实现多轴转向。
本研究具体介绍了上述电控液压后桥转向系统中液压系统的组成及应用情况。创新设计的集成式液压缸配合液压油路的不同时序，可以实现前后车轮同相位、异相位转向，并解决了转向回正对中问题，提高了后桥转向的可靠性，是一种补充现有转向技术缺陷的创新方案。
1.1 总体布置
该越野车辆前后均为双横臂式独立悬架，前桥转向系统采用传统的循环球式动力转向系统，其动力源由发动机驱动的液压泵提供。后桥转向系统采用前馈式电液主动转向系统，该系统由控制单元、传感器、液压系统、后桥转向机构以及动力单元组成，其中动力单元包含一个液压泵，可以由发动机驱动或直流电机驱动。
总体布置如图1所示。
1.2 后桥转向机构
为方便整车布置，提高底盘空间紧凑性，本系统设计了一种新型集成式液压缸来驱动后桥转向，可使后桥转向的角度达到前桥同等水平。具体转角设计值根据整车需要,通过液压缸的内部结构设计来保证，如图2所示。
集成式液压缸具有两个互相平行的液压缸筒，如图2，包括负责主动转向功能的驱动缸和负责对中回正功能的对中缸。两液压缸全部独立封闭，可避免后轮由于受道路冲击而带来的意外转向动作。
驱动缸中配有驱动缸连杆，对中缸中配有对中缸连杆，如图3所示。横拉杆与驱动缸连杆、对中缸连杆一端固连，以实现同步线性运动关系。该转向机构相比传统与独立悬架匹配的双摆臂式转向机构，具有重量轻，布置方便和输出力大等优点。
1.3 液压系统
该系统具有液压回路冗余设计[5]，包括主动转向回路和应急对中回路，液压油路原
理示意图如图4所示。
主动转向回路负责系统正常时的主动转向和回位；应急对中回路负责系统故障时使后桥立即对中并锁死，此时整车恢复成只有前轮转向的应急转向模式。该系统中的伺服比例换向阀为核心部件，通过比例阀可以实现液压流量的调节，从而改善后轮偏转的速度。通过对PWM的标定[6]可设置阀的开度，以达到兼顾转向动作响应速度和转向冲击力小等系统特点。
为方便介绍，将图1中的三位四通比例阀、主动回路中的二位四通短路阀都分解为单一阀位，如图4所示。本液压系统的阀位时序关系如表1所示。
本系统分十种工况，“+”表示上电，“-”表示下电，“×”表示保持前一状态。
本研究设定将向右打满方向回正，再向左打满方向回正视为一个转向满循环，一个满循环下主动液压缸的动作顺序如图5所示。
该系统同时也是一个间歇、高压和节能的液压系统，可以有效降低能源的消耗。在每个回路中均设置了高压蓄能器，使系统动力单元无论是采用发动机驱动还是电机驱动，都具备良好的节能效应。在系统压力未降低至设定值时，主动转向回路的动力源均由高压蓄能器储存的能量提供，此时液压泵并不需要与常规车辆一样常上电空转。当车辆在较好路面(如高速公路)上行驶，无大转角转向状态，一次蓄能即能满足长时间的转向动作需求。
通过系统压力计算，一次蓄能可满足2次满循环动作。
1.4 传感器的应用
该后桥转向系统采用的传感器主要包括：
(1) 前轮角度传感器，安装在前桥转向管柱上，采用同现主流电动转向系统(EPS)上相同的非接触型霍尔元件传感器；
(2) 后桥位移传感器。为布置方便搭载车型安装了非接触式位移传感器，直接测量横拉杆的行程并换算成后轮的实际转角；
(3) 主油路压力传感器和应急油路压力传感器，实时监测并发送实际压力至控制器；
(4)电动泵温度传感器，集成在电动泵动力单元中，对电机温度实时监测。
1.5 控制器单元
本系统设计的机械液压系统，能保证后轮转向的安全可靠性，同时也极大降低了控制器开发的工作量，控制系统原理图如图6所示，为前馈型控制系统。
控制器将采集的方向盘转角、车速信号根据前后轮转向关系图转化为液压阀的电信号，控制各关断阀及控制阀的开闭，驱动液压缸作相应的动作，从而实现实时控制整车期望的转向动作。同时后轮转角信号反馈至控制器进行对比修正。控制器同时也采集油壶液面高度，主、回正油路的压力及电动泵的压力信号，确保系统工作正常。若系统出现异常，启动故障模式，控制主油路断开，回正油路工作，后轮回正锁死不再进行转向，保证行车安
全。
该后桥转向系统采用液压伺服系统驱动后轮转向，驾驶员转动方向盘，通过控制器采集信号转化为电信号控制后轮液压系统工作，创新设计的集成式液压缸加连杆机构可以很好的解决后轮回正对中问题。该系统可以全系移植到多种吨位、轴距车型上，突破了电动转向系统不能满足大载荷车辆后轮转向的弊端，其主要特点如下：
(1) 低速时改善转弯半径提升车辆机动性，高速时改善车辆操纵稳定性；
(2) 具备良好的燃油经济性：在液压回路中设计的蓄能器使系统成为一个间歇、高压和节能的液压系统，可以有效降低能源的消耗；
(3) 提高底盘空间紧凑性。新设计的液压转向系统相比传统液压转向系统，具有重量轻，布置方便和输出力大等优点；
(4) 机械液压系统的驱动方式，较纯电动控制后轮转向更安全、更可靠。
3.1 系统仿真分析
在低速、高速工况分别对车辆的侧向角速度、质心侧偏角、横摆角速度、侧倾角、侧倾角速度等操纵稳定性参数进行仿真，如图7、图8所示。
本系统采用零质心侧偏角前馈型控制策略，故转向时质心侧偏角较前桥两轮转向时大幅度降低，较小的质心侧偏角能使汽车更好地跟踪路径，有效控制车身姿态[7]。
低速工况时，前后轮异相转动，从图7仿真数据可知侧向角速度、横摆角速度稳态值较两轮转向有所增加，减少了车辆的不足转向特性，即在大弯道下增加了车辆的转向能力，提高了车辆的操纵性能。
同时，从仿真数据可以看出，后桥转向车辆各参数达到稳态的时间较短，说明车辆的瞬态响应品质有所提升。
高速工况时，前后轮同相转动，从图8仿真数据可知侧向角速度、横摆角速度稳态值较前桥两轮转向有所减小，趋于增加了车辆的不足转向特性，即在高速大弯道下降低了车辆的转向灵敏度，提高了车辆的高速操纵安全性；同时，侧向加速度、侧倾角也较前桥两轮转向有所降低，即提高了车辆高速转弯时抗侧翻的能力，增加了汽车的行驶安全性[8]。
3.2 整车搭载最小转弯直径测试
通过对传感器进行标定，并对控制器的基本功能进行测试后。将本研究设计的后桥转向系统搭载于某大型越野车后桥进行标定调试试验。通过对整车线束及车身的改造，经调试车辆可正常运行，后桥转向系统可顺利完成后桥转向动作，后桥转向最大角度可达20多度，且无回正冲击。
在车辆运行低速状态，对前桥转向和前、后桥均转向进行最小转弯直径进行测量。如图9所示，为搭载车辆未开启后桥转向与开启后桥转向行驶最小转弯直径情况对比。只前桥转向时该车辆最小转弯直径为14.3 m，后桥参与转向后，最小转弯直径为9.98 m，转弯直径降低约33%。
3.3 储能器保压时间测试
本系统通过控制液压泵的启停来保持液压系统的压力在一定范围内，经标定调试，后桥转向系统工作2个满循环，液压泵需启动一次为蓄能器充压。当车辆在良好道路上行驶时，转向动作幅度较小、频率较低，液压泵启动间隔时间较长，从而达到节能效果。
经实际测试，蓄能器充满压力后24 h内的压力保持均能满足后桥转向系统的使用，即车辆停放一天以内本系统均可满足行车要求，不需要额外对蓄能器加压。
如图10为蓄能器保压试验测量数据。
由于越野车辆底盘布置空间紧凑，本系统新型集成式液压执行机构的设计摒弃了复杂的杆系结构，可以很好的解决布置空间问题；同时液压油路的设计，节能环保，同时也大大降低了控制器开发的工作量，并使整个电控系统更安全可靠。经实车搭载测试，本系统可以很好的满足车辆的使用要求，所设计车辆的最小转弯直径也达到了系统设计要求，提高了车辆机动性。
本后桥主动转向液压系统的成功开发，创新性设计的转向液压驱动系统，为越野车辆未来转向系统的发展打开了新的方向。
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