车辆电控式液压转向系统动态特性仿真与分析

陈　绍

摘要：利用液压控制理论和MSC.EASY5仿真系统，以某型三轴车辆液压动力转向系统为例，仿真车辆电控式液压动力转向系统的动态特性，仿真结果为设计液压动力转向机构提供理论依据。研究结果表明：提高系统的压力可以提高系统的响应灵敏度，但增加负载对系统的影响不大；高速时液压系统对车辆横摆角速度的影响明显，使系统有明显的振荡，低速时对车辆的横摆角速度的影响并不明显。

关键词：液压转向系统；动态特性；MSC.EASY5仿真

中图分类号：U463文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）05-0007-02

车辆液压转向系统的动态仿真对于改进液压动力转向系统的设计，提高液压转向系统的可靠性都具有重要意义，本文将运用MSC.EASY5软件包，以某型三轴车辆液压动力转向系统为例，建立电控液压转向系统动态模型，并对系统的动态响应进行仿真和分析。

一、电控式液压转向系统原理

电控液压转向系统是指采用电子控制，以液压缸作为执行机构的车辆转向系统，它主要由传感器、电控单元、控制阀、动力油缸等组成。系统中计算机根据前轮转角传感器收集前轮转角信号，依照预定程序计算出整车达到最佳行驶轨迹时后轮最佳转角，然后通过比例液压装置控制转向油缸，同时计算机通过后轮转角传感器采集后轮实际转角信号，通过与理论计算值比较进而对后轮转角进行跟踪补偿控制，保证整车按驾驶员意图正确行驶。

二、转向系统仿真与分析

（一）仿真环境介绍

MSC.EASY5是波音公司几十年工程实践的结晶，它可以用来建立动态系统模型，同时对其进行仿真分析。EASY5具有完善的图形化建模环境、强大的仿真分析能力和连接其它多种工程软、硬件的开放结构，可以用来仿真各种由微分、差分和代数方程描述的动态系统，可以有效地帮助用户对各类系统进行参数选定、功能评价、响应分析或控制逻辑设计等。

（二）转向系统仿真模型建立

以某型三轴车辆液压转向系统为建模对象，液压转向机械结构如图1所示。两个液压缸由梯形机构相连接。所有转向轮由同一个液压泵供油，溢流阀控制系统的压力。各个转向机构的转向液压缸由单独的比例阀进行控制。

液压转向系统其实就是通过一系列阀门的通断、开度大小、阀芯位移等来控制液体的压力、流量、温度等来实现转向系统的稳定性。本文在EASY5软件平台上来模拟当输入转角信号改变时真实流体的压力、质量流量等的变化，研究系统的稳定性和可行性。

在EASY5集成环境中，从液压库(Hydraulic Library)hb及共用库（General Purpose）gp等库中选取以下组件（Component）添加到工作区里：FP（流体属性）、PH（泵）、RF（安全阀）、TN（油箱）、VG（比例阀）、AC（油缸）、T1（时间函数）、GB（控制器）、LA（惯性环节）、MC（求和器）、Spring（弹簧）等器件，并将各组件连接成如图2所示：

在图2所示的液压系统仿真模型中，溢流阀RF作为安全阀使用，调节系统压力，使系统避免高压出现，延长系统液压元件的运行寿命。T1为输入的信号，经过加法器MC，PI控制器，惯性环节LA，来控制换向阀VG阀芯的运动。换向阀VG属于典型位置控制系统，阀体与液压缸固结在一起，构成了反馈控制。在控制过程中，首先由计算机给定输入指令，推动电液比例阀的阀芯，液压油进行液压缸，推动其运动。液压缸的输出位移和输出力能够不断地回输到阀体上，与滑阀的输入位移相比较，得出两者之间的位置偏差，即滑阀的开口量。由于开口量的存在，油源的压力油就要进入液压缸，驱动液压缸运动，由于反馈的存在，使阀的开口量（偏差）减小，直至输出位移与输入位移相一致时为止。可以看出，这个系统就是利用反馈得到偏差信号，控制液压能源输入系统的能量（流量和压力），使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符，即以偏差来消除偏差。轮胎阻力由弹簧代替(弹簧刚度为1200N/cm)。在建模过程中，为了增加仿真的可操作性和简洁性，对控制液压缸压力的液压元件进行包装，组成一个新的液压元件，它是由溢流阀组成。它的作用是调节进入液压缸的压力，对液压缸起到保护的作用。

（三）系统仿真结果与分析

点击仿真按钮，进行仿真。根据实际的仿真效果，可以适当调节仿真步长，观察液压缸的动作顺序及相应速度，在仿真过程中，三组液压缸可以同时动作，各个液压缸都有相应的比例阀控制。

当输入函数为阶跃函数时，在1s时同时给一桥、二桥、三桥一个转向信号，在3s时达到转向要求。通过PID控制和惯性环节来控制比例方向阀的开口，控制液压油缸的活塞位移，以达到转向的目的。由于每个桥的转向半径不同，所以每个桥的液压缸的活塞位移也不同。

对液压系统模型进行仿真分析，通过控制系统比例阀阀芯的位移来控制油缸活塞杆伸缩运动。在时间0～1s过程中，阀开口关闭，活塞杆件不运动，在1～3s中，阀口开启，活塞趋于线性运动；在3～10s中，活塞位移趋于稳定。

由于每个桥在转向时的转向半径在变化，所以要求输出的控制信号也变化，来达到转向的目的，当车辆转弯时，方向盘给一个输入信号，活塞位移作为反馈信号，控制每个桥的转向半径。在开始时，比例方向阀的阀芯处于中位，没有液压油流过，液压油液体经过安全溢流阀流回油箱，所以活塞位移为零。溢流阀起安全阀调节系统压力的作用。当在1s时方向盘给一个转角信号，阀口慢慢打开，流量变大，活塞开始运动，进入液压缸的压力突然增大，由于有位移反馈，活塞始在处于震荡，但震荡的幅度不大，符合实际情况。

1．系统压力与负载压力的变化。在不同系统供油压力和不同负载压力的情况下，输入转向信号（阶跃信号）来分析活塞杆位移的变化曲线。当系统的供油压力由18MPa升到22MPa，弹簧的弹性刚度为1200N/cm时，系统的动态相应曲线如图3(a)、(b)所示。当系统供油压力为18MPa，弹簧弹性刚度增加到1800N/cm时，系统的动态相应曲线如图3（b）、（c）所示：

从上图可以看出，当系统压力提高时，系统响应上升时间缩短了0.0021s，提高了系统的响应灵敏度。而当负载压力增大时，响应上升时间略有增加，超调量减小，即系统的响应灵敏度略有下降。

2．液压系统对整车性能影响。以三轴车辆为例对液压系统进行验证，阶跃信号为输入，进行仿真分析，分析液压对车辆动态特性的影响，高速时取速度50km/h，低速时取速度20km/h。结果如图4所示：

由图4以看出，无论在低速和高速时，车辆侧偏角超调量都有所增加，这是因为增加液压系统使系统的阻尼变小，产生了一定的振荡，但过渡时间并没有加大的变化，且液压系统并没有改变车辆的稳态特性。

由图5可以看出，高速时液压系统对车辆横摆角速度的影响非常明显，使系统有明显的振荡；低速时液压系统

对车辆的横摆角速度的影响并不明显，没有改变其稳态值。

三、结语

本文通过Esay5建立某型三轴车辆电控液压转向系统模型，并通过仿真研究，分析了系统压力和负载的变化对系统的影响规律，以及液压系统对整车性能的影响。结果表明，提高系统的压力可以提高系统的响应灵敏度，但增加负载对系统的影响不大；另外，高速时液压系统对车辆横摆角速度的影响明显，使系统有明显的振荡，低速时对车辆的横摆角速度的影响并不明显。

参考文献

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