多轴车辆电液转向系统设计与应用

李 辰，李陆浩，左 霞，张宏宇

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

电液转向技术是多轴车辆转向的一种有效解决方案，它是基于多轴车辆中结构紧凑、多模式转向的需求而研制的。它能够弥补传统多轴车辆转向技术的不足，有效地改善多轴汽车转向特性，提高车辆低速行驶的机动性和高速行驶的稳定性，是多轴转向技术的发展趋势[1-5]。

关于多轴车辆的电子控制转向技术已有成功的例子。1985年，日产公司推出了全球首套双轴电液转向系统HICAS。在1995～2000年间，德国博世公司开发出电液控制的后桥主动转向系统RASEC。Phoenix公司以及巍波液压公司也分别推出了各自的电液后桥转向系统。美国奥什克什防务公司从20世纪90年代开始进行重型车电液控制转向技术研究，并于近年来应用于10×10型LVSR。利勃海尔公司新一代全路面起重机底盘全部采用了电子控制独立后桥转向技术。

三一集团在其220 t全路面起重机研制过程中，与德国HYDAC公司合作开发出用于六轴底盘的电子控制后桥转向系统。科工集团066基地在XX-21C发射车用10×8型底盘研制过程中，借鉴博世公司后桥静液转向技术，将静液传递、动液助力的后桥转向系统增加了电气控制功能。2008年，其12×10型底盘采用相同技术。近年来，066基地也开始电控转向技术研究，并已经在大件运输平板车上得到应用。

综合来看，目前我国在多轴车辆的电液转向技术领域尚不成熟，与国外仍有一定的差距，相关的系统研究报告也相对较少。因此，对电液转向技术的研究以及实现工程应用，有助于提升我国重型车辆的底盘技术，对我国军事工业的发展具有重要意义。

1 转向系统总体设计

底盘为五轴重型高机动越野车辆，其中：第1、2、4、5桥为转向桥，第3桥为非转向桥。第1、2桥采用传统的机械反馈液压助力方案，实现拉杆与转向器和方向盘之间的硬连接，确保前转向桥组的高可靠性，同时为驾驶员保留一定的路感。第4、5桥采用电控液压助力转向技术方案，每桥单独控制，其左右侧车轮采用横拉杆进行连接。转向系统总布置方案如图1所示。

图1 转向系统总布置方案

由于转向摆臂与车轮的转角关系一一对应，因此在第1桥、第4桥、第5桥左侧摆臂处各安装一个角度传感器，以读取左侧摆臂的转向角度。驾驶员操作方向盘进行转向时，第1桥角度传感器读取第1桥的当前转向角度，并将其送入控制器，结合车速、转向模式等信息进行综合判断，计算得到此时后桥目标转角，通过电子控制液压驱动的方式，完成后桥实时转角的闭环控制。电液转向控制方案如图2所示。

表1 转向模式介绍

设计3种转向模式：公路转向模式、场地转向模式、后桥锁止模式。各模式基本情况介绍见表1。

2 转向液压系统设计

后桥采用恒压变量泵作为油源，解决液压系统对正缸长时间对正要求与系统发热之间的矛盾。通过电磁阀控制后桥锁止动作与转向动作的切换，实现了锁止动作与转向动作的功能互锁，确保系统安全可靠。电液转向系统单桥回路液压系统设计原理如图3所示。

图3 电液转向单桥液压系统原理简图

后桥转向油源采用恒压变量控制方式，恒压变量泵1根据出口压力来调节自身排量，泵自身设定了系统的安全压力。当比例控制阀2.4处于中位，系统无流量要求时，泵出口压力达到设定压力，泵排量自动调至最小（仅维持泵的泄漏，保证良好润滑），处于“高压等待”状态；当泵出口压力低于安全压力时，泵排量增大，直到达到安全压力，保证泵出口为恒压状态。即：转向动作下，后桥油源处于大排量输出工作状态；锁止动作下，后桥油源处于“高压等待”状态。

助力对正控制阀块实现对助力对正缸的控制。电磁阀2.1负责控制后桥回路在转向动作和锁止动作之间切换，当电磁阀2.1失电时，高压油进入对正缸T口，同时打开两个液控单向阀2.6使助力对正缸的A、B口卸荷，将助力油缸强制对正。当电磁阀2.1得电时，液压锁3.2开锁，使对正缸的T口卸荷，同时液压锁2.5闭锁，助力对正缸A、B口与回油断开，助力对正缸在比例阀2.4的控制下进入转向动作。比例控制阀2.4与梭阀2.3和减压阀2.2组合为中位O型的三位四通比例流量阀，通过调整比例阀的控制输入信号，可以控制助力对正缸动作的方向和速度。液压锁2.5的作用是防止因轮胎的弹性变形等导致的后桥抖动现象。

后桥转向油缸采用具有对正功能的助力对正缸，助力对正缸上集成了液压锁3.2和溢流阀3.1，在系统出故障失去压力时能够可靠锁住油缸，保证系统的安全。

3 转向控制策略设计

3.1 理论目标转角设计

第4/5桥理论目标转角α4/α5分别与第1桥转角θ以及车速v相关，即：

当第1桥转角（第1桥角度传感器输出角度）为θ、车速为v时，根据当前的转向模式，按照图4和图5的曲线关系进行第4/5桥理论目标转角α4/α5的计算，具体方法如下。

（1）根据图4，计算得到在第1桥转角θ时，第4/5桥的基本目标转角β4/β5，即：

（2）根据图5，计算得到在车速v时，第4/5桥理论目标转角与基本目标转角的比值i4/i5，即：

（3）基本目标转角β4/β5与比值i4/i5的乘积，即为第4/5桥理论目标转角α4/α5，即：

式中：α4,5为第4桥、第5桥理论目标转角；β4,5为第4桥、5桥基本目标转角；i4,5为第4桥、第5桥理论目标转角与基本目标转角的比值；θ为第1桥转角；v为车速。

3.2 转向模式切换设计

图4 后桥基本目标转角

图5 后桥目标转角与基本目标转角的比值

驾驶员可以根据实际需求选择转向模式，同时为了行驶过程中车辆具有较高的操纵稳定性以及安全性，在系统中增加了逻辑判断，避免危险状况的发生，并且只有当满足转向模式切换条件后才能完成转向模式的切换[6]。转向模式切换条件见表2。

表2 转向模式切换条件

4 实际车辆应用与试验

设计的电液转向系统已在实际车辆中进行应用，并完成了相关项目的试验验证与测试。

4.1 原地转向试验

在原地转向测试试验中，对发动机高（定速）低（怠速）转速和转向模式进行组合，驾驶员以能达到的最快速率操作方向盘，进行了测试试验，试验结果如图6所示。

图6 原地转向测试试验结果

转向角度误差值见表3。

表3 原地转向测试试验转向角度误差值 （°）

由表3可知：在相同的1桥输入转角下，相对于场地转向模式，公路转向模式下的后桥目标转角较小，因此得到的转角误差值也相对较小。

4.2 车辆行驶试验

车辆在道路上以公路转向模式进行实际道路行驶试验，驾驶员按照实际驾驶习惯进行操作，结果更符合一般行驶工况。试验中，共记录了两组数据，试验结果如图7所示。

由于车辆行驶转向助力矩大约是原地转向阻力矩的1/3[7]，因此，在实际道路上进行行驶测试试验时，其转向精度高于原地转向试验。仅统计当1桥转角大于2.5°时的后桥转向角度误差值，见表4。

图7 公路转向模式实际行驶测试试验结果

表4 道路行驶测试试验转向角度误差值 （°）

以场地转向模式进行实际道路行驶试验时，由于在第10 s时发生了超速状态（车速≥15 km/h，持续3 s），系统由场地转向模式自动切换为公路转向模式，后桥转角进行等速率平滑过渡，直至达到新目标转角值。此切换过程转角曲线如图8所示，试验现象符合设计要求。

图8 转向模式自动切换过程

5 结论

根据实际使用需求和使用条件，以某五轴重型高机动越野车辆为平台，设计了多轴车辆的多模式电液转向系统。经过理论分析和试验验证，可以得到以下结论：

（1）电液转向系统具备公路转向模式、场地转向模式和后桥锁止模式，能够满足各种路况的实际使用，同时兼顾了车辆高速操纵稳定性与低速通过性的需求。

（2）通过合理、完善的控制策略设计，以及后桥转向角度的匹配，保证了车辆的行驶安全性，避免了后桥甩尾等危险工况的发生。

（3）经过试验验证，后桥转向角度控制精度较高，能够满足实际使用需求，实现了车辆的同步转向动作，转向过程平稳、可靠。

（3）此多轴车辆电液转向系统设计合理，结构布置简单，空间利用率高，便于实现工程应用。