（光学工程专业论文）汽车液压动力转向系统与整车操纵稳定性的匹配研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 操纵稳定性是汽车的重要使用性能之一，它表征着汽车的可操控性和 抵抗外界干扰的能力。为此，汽车应具有良好的操纵稳定性。而控制汽车 行驶方向的转向系统与汽车的操纵稳定性最为密切。如何设计汽车的动力 转向系统使汽车具有良好的操纵性能，始终是汽车生产厂家和科研机构的 重要的研究课题。本论文对汽车液压动力转向系统特性进行了仿真和试 验研究。研究内容主要包括： l 、在方向盘转角输入工况下利用仿真软件m a t l a b ( s i m u l i n k ) 建立 了从方向盘输入到前轮输出的液压动力转向系统的仿真模型，并对仿真模 型进行方向盘转角输入的仿真分析。通过改变液压动力转向系统中的一些 主要参数，研究了这些参数的变化对整车操纵稳定性的影响，提出了改善 车辆操纵稳定性能的方法。 2 、根据g b t6 3 2 3 1 9 9 4 汽车操纵稳定性试验方法，对某轻型 车进行了方向盘转角阶跃输入试验、方向盘转角脉冲输入试验、转向回正 试验、转向轻便性试验、蛇行试验和稳态回转试验，分析了整车的运动状 态一横摆角速度、侧向加速度、动力缸左右腔压力等参数的响心情况。 3 、最后对所建立的仿真模型进行验证，比较汽车横摆角速度和侧向 加速度响应时间的仿真结果与试验结果是否一致，验证了所建整午 仿真模 型的可行性。本文的研究为进一步改进液压动力转向系统的性能提高汽车 操纵稳定性方面提供了一定的依据。 关键词：液压动力转向系统，操纵稳定性，仿真，试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h a n d l i n ga n ds m b i l i t yi s o n eo ft h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so ft h e a u t o m o b i l e i t s i g n i f i e st h ec o n t r o l l a b i l i t ya n dr e s i s t i v i t y t ot h ee x t e r n a l i n t e r f e r eo ft h ea u t o m o b i l e f o rt h i sr e a s o n , t h ea u t o m o b i l es h o u l dh a v eg o o d h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gs y s t e ms t r o n g l y a f f e c tv e h i c l e s h a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f e t y h o wt om a k e v e h i c l e sh a v et h eg o o dh a n d l i n gb yd e s i g n i n gt h ep o w e r s t e e r i n gs y s t e mi sa n i m p o r t a n tt a s kf o rt h ev e h i c l ec o m p a n i e sa n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u f i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m t h i sp a p e ri n c l u d e st h e r e p a r t sa sf o l l o w i n g ： 1 t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mi sb u n tw i t h m a t l a b ( s i m u l i n k ) s o f t w a r eo nt h ec o n d i t i o no fs t e e r i n gw h e e ls t e pi n p u t b y c h a n g i n gs o m em a i np a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , t h e i n f l u e n c eo ft h e s ep a r a m e t e r so nv e h i c l e sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m i sa n a l y z e da n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d so fv e h i c l e sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y a r ep u tf o r w a r d 2 t h et e x ta l s op e r f o r m ss t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u tt e s t ，s t e e r i n g w h e e li m p u l s ei n p u tt e s t ，a u t o m o b i l e s - - r e t u m a b i l i t yt e s t ，s t e e r i n ge f f o r t st e s t ， p y l o nc o u r s es l a l o mt e s ta n ds t e a d ys t a t i cc i r c u l a rt e s tw i t hal i g h tv e h i c l e 江苏大学硕士学位论文 a c c o r d i n g t og b 厂i i 6 3 2 争一1 9 9 4 ( v e h i d e h 柚m i n g a n ds t a b n n yt e s t p r o c e d m e ) a n d 蛐a l y s 骼t h ev e h i d em o t i o ns t a t e 卅螂p ( m 辩o fy a w v e l 呻, l a t e r a la c c e l e r a t m na n db o d yr o l la n 毋ea n d o n 3 s i m i i l a t i o nm o d e li sv a l i d 舢c db ye x p e r i 蚰1 c n t sm e n t i o n e db e f o f e t h e s i o nm o d e li sc ( 盯c c t ，w h i c hi st e s t i f i e db yc o m p 缸i n gt h et e s tr e 洲l t s a n dt h e 删a t 的n s l l l 协o ft h er e s p h d l l t i m eo fy a wv e l o c i 哆a n dl a t e f a l a c c e l e r a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v i d et h e o f e t i c a lb 鹊i sf o rd e s i g n i n g h y d r a l l l i cp o w e rs t a b r i n gs y s t e m a n di m p r o v i n gv 曲【i c ：l c i s h a n d l i n ga n d s t a b i l i 够 k e yw o r d s ：h y & a u l i cp o w e rs t c e r i n gs y s t e m , h 孤m i n ga n ds t a b i l i 哆 s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e m m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：相脯1 舢1 卿6 月f 日 指导教师签名： 沙。压莎月，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄信砌 日期：辩b 月f f _ 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车转向系统概述 第一章绪论 在道路上行驶的各种机动车辆中，转向系统是它们必备的一个重要组成部分。汽 车的转向系就是用来改变或保持汽车行驶方向的机构，它由转向控制机构、转向传动 装置、转向轮和专用机构组成1 1 1 。汽车的转向性能是汽车的主要性能之一，它能直接 影响到汽车的操纵稳定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员 的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。 转向系统按照转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系。机械转向系是完 全靠驾驶员的手力操纵的转向系，动力转向系是借助动力来操纵的转向系【2 】。动力转 向系统又分为两种情况：一是全动力转向系统，二是助力转向系统。全动力转向系统 是只由专用机构提供转向动力的转向；助力转向是由驾驶员体力和专用机构两者共同 提供转向动力的转向，助力转向系统一般是在机械转向系的基础上加设转向加力装置 而成，这样不仅可以保证在助力转向系统中的助力部件部分或全部失效后，转向系统 仍然具有控制汽车行驶的能力；而且可以给驾驶员提供路感信息，使得驾驶员可以从 方向盘来感知路面的状况，这对于高速行驶车辆的行车安全也是至关重要的。 转向轻便性和转向灵敏性是对转向系的基本要求。转向轴荷较大的汽车上采用 机械转向系，很难协调轻便性和灵敏性二者之间的矛盾，采用变传动比的转向器只能 部分地缓和二者之间的矛盾，并不能解决根本问题，所以必须采用动力转向系统：高 级轿车为了提高操纵轻便性和保证高速行驶的安全性，也大多安装动力转向系统。液 压动力转向系统在各级各类汽车上获得广泛的应用【3 】。 液压动力转向系统又可以分为常压式和常流式两种基本类型。常压式液压动力转 向系统只被少数的重型汽车所采用，而常流式液压助力转向系统则广泛用于各种汽车 上【2 l 。 液压动力转向系统的具体型式类型也很多，比如，有的转向系统虽然也是常流式 动力转向系统，但转向控制阀既具有正开1 ：3 的阀口，又具有负开口的阀口，两种阀口 并联【4 j 。 江苏大学硕士学位论文 由电子装置控制电动机为转向系统提供动力，成为新近发展起来的助力转向系统 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称为e l s ) 。这种转向系统采用电 动机，通过减速机构来实现助力，而电动机则受到电子装置的控制【5 】。1 9 8 8 年2 月， 这种转向系统首先装在s u z u k ic o r v o 上，与此相关的论文也经常出现在国内外的文献 上。与液压动力转向系统相比，这种转向系统具有质量小，结构紧凑，安装方便，能 量消耗小，不需要密封，助力特性可变等一系列优点，被很多人看好。一些制造商， 比如德国的z f 公司，英国的卢卡斯公司，美国的德尔福公司也纷纷推出自己的 e p s 嘲。 现在国际上又在讨论纯粹的线控转向系统( s t e e r i n g - b y - w i r e ) ，即取消方向盘与转 向轮之间的机械连接，用电能实现全动力转向川 s l ，并已经有样车在欧洲展出，但现 行标准出于可靠性和安全性的考虑，不允许采用全动力转向系统，所以没有批量生产。 由博世( b o s c h ) 和采埃孚( 窈) 公司共同开发的新一代主动转向系统a f s ( a c t i v e - f r o n t - s t e e r i n g ) ，已经于2 0 0 5 年的3 月装配在宝马的新5 系上。文献9 对主 动转向系统结构及性能做了详细介绍。主动转向系统是在传统液压转向系统的基础上 做了改进设计，没有增加液压系统或部件尺寸的前提下在车辆上加以应用，实现了比 传统的液压动力转向更为有效的功能。主动转向系统可以根据驾驶和路面的情况变换 转向速比，如正常路况中低速行驶，转向趋向直接，转向力度轻，增加了车辆行驶的 灵敏性和驻车时的方便性；车辆高速行驶时，转向比加大，增加了直线稳定性。 笔者认为，电动助力转向系统是未来发展的趋势，但就目前而言，液压动力转向 系统在汽车上的应用无论在国内还是在国外都处于绝对主导地位。与发达国家相比 较，我国在该领域的研究和应用落后很多，可以肯定地说，在今后的一段时间内，国 产汽车将主要使用常流式的液压动力转向系统。本论文以后所指的动力转向系统就是 就是指汽车上采用的常流式液压动力转向系统。 1 2 汽车操纵稳定性概述 汽车的操纵稳定性是汽车的主要性能指标，是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳 的条件下，汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外 界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力【。通常认为由相互联系的两部分 组成；一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切响应驾驶员转向指令的能 2 江苏大学硕士学位论文 力；稳定性是指汽车受到外界扰动，如路面扰动或突然阵风扰动后恢复原来运动状态 的能力。两者很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常统称为操 纵稳定性。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且是决定汽车高速安 全行驶的一个主要性能。所以被人称为“高速车辆的生命线”。 汽车在行驶中，外界对它的作用包括以下三个方面：驾驶员通过操纵机构对汽车 的操作、路面通过轮胎施加给汽车的作用力以及空气作用力。就汽车的操纵稳定性而 言，驾驶员对汽车的输入所引起的响应是汽车的操纵性问题，而路面和空气对汽车的 输入所引起的的响应是汽车的稳定性问题。 汽车操纵稳定性的研究，至少己经有5 0 年的历史。在2 0 世纪年代以前，主 要以开环研究为主，所谓开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统，求出汽车曲线 行驶的时域响应和频率响应特性，对系统进行稳态和瞬态分析，用横摆角速度频率响 应特性、方向盘转角阶跃输入下的稳态响应、方向盘转角阶跃输入下的瞬态响应、不 足转向特性和过度转向特性等来表征汽车的特性嗍。按照这种方法研究汽车操纵稳定 性，需要建立精确的汽车动力学模型。1 9 5 6 年，美国康乃尔航空实验室的w h i t e c o m b ， m i l l i k e n 和s e g e l 发表了“线性二自由度”和“线性三自由度”汽车转向模型。1 9 6 5 年s c g e l 又提出了“线性四自由度”模型，到目前为止己有7 自由度、1 4 自由度、1 7 自由度乃至更多自由度的汽车数学模型【儿l0 2 1 。因为有精确数学模型，能够得出精确 的数字解，这些研究工作对车辆的设计、分析和评价车辆性能是很有价值的。计算机 的发展和对轮胎侧偏特性的深入研究，使得已经有可能对汽车的动态响应做出相当全 面而逼真的仿真，人们提出了自由度越来越多的数学力学模型，同时也提出了各种评 价指标来评价汽车的操纵稳定性。 随着仿真技术的不断发展以及仿真软件的不断成熟，汽车操纵稳定性也更多地采 用比较成熟的计算机仿真理论和高性能的仿真软件进行分析研究，同时，与计算机辅 助设计软件相结合，直接指导和参与汽车设计及参数优化。这种设计方法已经在国外 汽车设计领域得到了比较广泛的应用，国内也开始了这方面的研究，并逐步推向实用 化。 在采取计算机仿真之前，首先要建立汽车的整车动力学模型。组成汽车动力学系 统的元件有轮胎、悬架、转向系统等，它们都具有非线性特性。因此，所建立的模型 3 江苏大学硕士学位论文 也应该包括这些元件的非线性特性，整车模型应该是多自由度动力学模型。 同时，驾驶员特性对操稳性也有较大的影响，必需建立一套非常逼近实际的驾驶 员模型，将人车一路作为一闭环系统进行研究【1 3 1 f 1 4 1 。基于这种认识，一些研 究者开始进行驾驶员模型和驾驶员汽车闭环系统的研究1 1 5 l 。初期，m u r u e r 等人 做了不少飞行员飞机闭环控制的研究并推广到汽车上。但是这些工作有一个基本 的缺点，就是忽视了驾驶员的前视作用。而且，系统中不少参数只能靠大量的统计试 验来确定。在建立驾驶员模型时，早期用经典控制理论所建立起来的模型是p i d 补偿 模型、交叉模型，以后又发展了线形预测模型、二阶预测校正模型、最优预瞄控制模 型及预瞄最优曲率模型。r e d d y 和e l l i s 提出了一种模仿驾驶员行为的模型。这种模 型的基本原则是：假设驾驶员在任何时刻都注意前方距汽车的距离为d 处。为确定适 宜的方向盘转角，暂时冻结该瞬时t 下的汽车状态，进行方向盘角度寻查，试算在该 方向盘角度下经过行驶距离d 后，汽车运动轨迹与预期轨道的误差是否在允许的范围 内。如果是，则认为此时的方向盘角度就是冻结时刻t 下的方向盘角度。如果误差不 在允许的误差范围内，则继续寻查到满足允许误差为止。通过这样的逐点冻结寻查， 来模仿驾驶员的控制行为【垌。m a c a d a m 提出了另一种方法来仿真驾驶员的行为，这 种方法的思路与上述的方法类似，但采用了直接优化方法。我国学者郭孔辉院士提出 了预瞄最优曲率模型和预测跟随系统理论，理论清晰，跟随精度高，是驾驶员模 型中具有代表性的模型。 虽然采用预瞄闭环控制模型来分析汽车的操纵稳定性考虑到了驾驶员的反馈作 用。但是把驾驶员驾驶汽车的过程简单地简化为闭环反馈控制模型中的一个环节，还 是远远不够的，因为驾驶汽车的过程是一个高度智能化的过程，是一个复杂的生理、 心理活动过程。驾驶员在接受到外来信息刺激后，要完成信息的存储、加工、决策、 反馈和一系列的生理、心理和肌肉活动，从而对汽车的行驶进行控制。 另外，这些研究还忽略了人类驾驶员的自学习能力，因为驾驶员可以通过学习， 积累知识，丰富经验，操纵和驾车的技术能从不会到会，由生疏到熟练，即人脑具有 自学习、自适应的能力，这种自学习自适应的能力难以用常规的数学模型来描述。 仿真技术领域里不断出现诸如人工神经网络、最优控制、模糊控制、虚拟现实等 新技术，这些新技术逐步应用到操纵稳定性研究中必将给操稳性研究带来质的飞跃。 综上所述，随着仿真技术自身的不断发展，随着仿真技术不断渗透到操纵稳定性 4 江苏大学硕士学位论文 研究之中，必将使得建立的整车模型更逼近实车，且仿真结果、性能分析、指标评价 具有更好的实用性。 1 3 汽车转向系与操纵稳定性的关系 汽车的操纵稳定性与转向系的转向性能直接相关，随着汽车行驶车速的不断增 加，汽车在行驶时的转向性能必须受到高度重视，特别是在高速行驶时的必须具有良 好的转向性能。图1 1 是欧洲道路试验中对转向系有关的主观评价项目【1 6 1 。 图1 1 欧洲道路试验中对转向系有关的主观评价项目 具体来讲：高速行驶轿车的良好转向性能是指转向精确、直接、反应迅速、转向 力适中、有自动回正能力、驾驶员能从方向盘中感受到充分的信息等。这些就是所谓 “转向系的直接感受特性”。要达到这些要求，最重要的就是在方向盘小转角范围内， 转向车轮转角应与方向盘转角成正比关系，操舵力与方向盘转角成正比关系，操舵力 的大小适当，摩擦阻力小，系统迟滞小，回正后残留转角小。但在实际的汽车转向过 程中，汽车的转向性能很难达到上述要求，长期以来，汽车的转向系一直存在着“轻一 与“灵”的矛盾。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的背景与主要内容 转向系统的动力学研究是车辆操纵稳定性研究的重要组成部分，在车辆直线行驶 或曲线行驶过程中，转向系统应能在驾驶者所作出的紧急转向操纵控制下，具备良好 的响应性能，并且当遭遇外界干扰时，具有抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 在车辆高速行驶的过程中，转向系统的动态特性关系到车辆的操纵稳定性和行驶 安全性。液压动力转向系统在提高车辆转向轻便性的同时，也带来了一些副作用，如 响应滞后、回正性变差以及高速时路感不足等。文献1 7 对液压动力转向系统中液压 管路的压力波动以及由此产生的转向响应滞后进行了仿真与试验研究，指出在快速转 向时会出现转向控制阀的反应滞后和系统的自激振动，可以通过增大流量控制控制阀 中阻尼孔的直径来减轻响应滞后和自激振动。文献1 8 建立了转向系统的非线性模型， 仿真分析了对整车动态性能的影响，最后与试验对比有一定的误差，是由于仿真中未 考虑左右转向的差别、转向系统的刚度和摩擦。国内科研工作者对车辆液压动力转向 系统的静态研究已经取得了一定的成果，但对于其动态研究还开展的不足。关于汽车 液压动力转向系统与操纵稳定性匹配问题的相关资料，在国内还比较少。为研究液压 动力转向系统和操纵稳定性关系而进行的试验尚未见到。 随着交通条件的改善，汽车的行驶速度正日益提高，动力转向系统的动态性能越 发显得重要。对汽车液压动力转向系统进行深入的研究和探讨，了解液压动力转向系 统的动态响应规律及影响因素，从而寻求改善汽车液压动力转向系统动态特性的措 施，以提高汽车的操纵稳定性。 本文主要研究内容：建立包括整车在内的液压动力转向系统的数学模型，在数学 模型的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立系统的仿真模型。分析液压动力转向系统 参数对系统响应的影响，找出影响转向灵敏性与轻便性的敏感参数。按照 g b 厂i 6 3 2 3 _ - 舛汽车操纵稳定性试验方法标准进行汽车操纵稳定性的试验，从 中选取有价值的试验数据，建立液压动力转向系统和汽车操纵稳定性的相互关系并从 中找出一些重要参数的变化规律，最后验证仿真模型的正确性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章液压动力转向系统动态模型的建立 液压动力转向系统由机械部分与液压部分组成，比较复杂，要建立精确的模型比 较困难，本章在建立系统模型时作了一些必要的简化与假设。建模时，首先将整个液 压动力转向系统分成若干子系统，分别建立相应的子模块，然后再组合成整个系统模 型【1 9 1 。 本文所研究的液压动力转向系统主要由以下几部分组成：方向盘、转向轴、储油 罐、油泵、转阀、齿轮齿条转向器、转向横拉杆、转向节臂和车轮等，如图2 1 所示。 车轮转向节臂转向横拉杆动力缸小齿轮齿条 图2 1 液压动力转向系统结构示意图 2 1 方向盘转角输入情况下的模型建立 在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个系统，求出其响应，以此来表征 汽车的操纵稳定性能i 2 0 l1 2 1 】。在研究汽车曲线行驶的时域响应时，通常是给方向盘一 个角输入或力输入，进而考察其侧向运动响应。而动力转向系统对车辆的操纵稳定性 具有很大的影响。在本节中，作者建立从方向盘转角输入到整车横摆角速度输出的系 统模型。 7 江苏大学硕士学位论文 2 1 1 数学模型 2 1 1 1 方向盘到小齿轮的动力学方程 简化后的从方向盘n d , 齿轮的传动机构如图2 2 所示。 忽略方向盘与转向轴的传动间隙，忽略转向轴、扭杆、 小齿轮、阀芯及阀套的转动惯量，由于转向轴与扭杆传递 的转矩相等，因此： 毛( 钆- g ) 一如( 岛一岛) ( 2 1 ) 式中：钆方向盘转角 毛转向轴刚度 k 扭杆刚度 鼠扣杆上端转角 只小齿轮转角 ，、口 岛 图2 2 方向盘到 小齿轮的机构示意图 2 1 1 2 小齿轮、齿条及前轮转角之间的运动方程 这一部分主要由齿条( 以及与其相固结的活塞) 、转向横拉杆、转向节和转向轮 组成，如图2 3 所示。 图2 3 齿条到车轮的机构示意图 对于齿条及与其固结的活塞，作如下简化：活塞与液压缸壁的摩擦力忽略不计； 由于小角度转向时横拉杆与液压缸轴线夹角较小而且变化不大，因此忽略夹角的影 响。齿条及与其固结的活塞受到的作用力有：经小齿轮传来的沿齿条运动方向的力、 活塞两侧的液压力以及转向横拉杆上的作用力。有下式成立： 肼。兑- m o a s c t r + ( p l p 2 m ，一j 0 “ ( 2 2 ) 式中：肘。齿条及与其固结的活塞的总质量 艺齿条位移 肼小齿轮作用于齿条的力矩 盯- j 葺条的螺旋齿形角 8 葶 江苏大学硕士学位论文 ，小齿轮的基圆半径 p l ，p 2 动力缸进、出油腔油压 a 。活塞的有效工作面积 f 0 转向横拉杆上的作用力 齿条位移与小齿轮转角吼之间的传动关系为： 见- 毛c o s a l r ( 2 3 ) 对于转向车轮，由于转动角度较小，作如下简化：假设转向横拉杆的作用力对主 销的力臂长度不变；假设转向过程中车轮的侧偏刚度不变；假设地面对车轮的回正力 臂大小不变。有下式成立： ，艿- f 0 d k 艿一c 。艿一k e 8 ( 2 4 ) 式中：l 前轮及与其相连的转向节绕主销的转动惯量 万前轮转角 d 横拉杆推力对主销的力臂长度 七。转向系阻尼系数 c 。转向系等效刚度 墨前轮侧偏刚度( 此处取绝对值) p 地面对车轮的回正力臂 2 1 1 3 转阀的动态数学模型 本文采用四通道的转阀建立动态数学模型。由于实际车辆上的转向油泵内部装有 流量控制阀，当发动机转速超过一定值时，油泵的输出流量基本保持不变。因此转向 控制阀可视为由四个特性相同的节流阀组成的桥式回路，其等效模型如图2 4 所示。 建模时假设转阀的回油压力为零。 根据流量平衡模型，列出当转阀阀芯相对于阀套转过一个角度时的流量方程 幺q l + q 2 ( 2 5 ) q 1 一q - 现l ( 2 6 ) q 3 一q 2 - 见2 ( 2 7 ) 根据薄壁小孔的流量公式，有： q 。g a 。2 卸p ( 2 8 ) 式中：么转阀的进油流量 9 江苏大学硕士学位论文 q o - 1 2 a 4 ) 流经阀口珀q 流量 玩。，骁：动力缸的进出油流量 c 。流量系数 a 第f 个阀口的节流面积 a 以第i 个阀口两侧的压力差 p 液压油的密度 以，： 吼2 图2 4 转阀的等效模型 由式2 8 可得： q l - c d a , 4 2 0 , - p 1 ) p ( 2 9 ) q 2 - c d 彳2 砌，- p 2 ) p ( 2 1 0 ) q 3 一c # 4 3 p ( 2 1 1 ) q - c d 彳4 2 p li p ( 2 1 2 ) 由式2 5 以7 以及式2 9 - 2 1 2 ，得到： c d a 。再瓦而+ c 。a ：抠万而- q ( 2 1 3 ) c 4 a i 2 ( 见- p 1 ) ，p - c d 4 42 厮i p q n ( 2 1 4 ) c d 4 3 厮一c 4 彳2 , j 2 ( p o - p 2 ) i p 一现2 ( 2 1 5 ) 现在绝大多数的液压动力转向器中的阀1 = 1 1 2 2 1 都采用短切口形式( 宽度为彤，轴 向长度为厶) ，阀芯与阀套的预开间隙结构如图2 5 所示。 为便于推导，假设阀芯与阀套之间产生相对转角时，渐开的阀口面积为a ，渐闭 1 0 江苏大学硕士学位论文 的阀口面积为 2 。 图2 5 短切口网口结构示意图 当一r 墨b 一吼 慨+ 职) ，r 时，a w 。+ w 2 l ：+ l ：r 晚一岛) ( 2 1 6 ) 当一帆+ ) ，r 日一易幔i r 时，a - w 。l t + 即2 + l , r ( e l 一晚) ( 2 1 7 ) 当一慨+ ) ，r q 一吼 w 2 r 时， 2 = w , l 1 + w 2 l 2 一l z r 织一岛) ( 2 1 8 ) 当r t q 一岛 慨+ ) 尺时，如- 厶+ 形工：一l , r 慨一晓) ( 2 1 9 ) 由于阀的结构一般都是对称的，故a 一如，a 2 - a 4 。 式中：r 阀芯与阀套的配合半径 中位时阀口预开间隙宽度 工：阀口的轴向长度 暇短切口的宽度 厶短切口的轴向长度 2 1 1 4 液压动力缸的流量连续性方程 在不考虑油液外泄漏及油液可压缩性的情况下，有刚： ( 毛- - q 1 2 一a p 五+ c ：( n p ：) ( 2 2 0 ) 式中；c 液压缸的内泄漏系数 根据上式、a 一也、如- a , 、以及式2 1 3 - 2 1 5 ，得到关于p 1 、p 2 ，p ，的方程 组： q a 一2 ( 见一p t ) p + q a 2 2 ( p l p ：) p - q ( 2 2 1 ) c d 爿l 2 ( p j p , ) p g 彳2 、f 2 p l p a ，毫+ c ：( p l p 2 ) ( 2 2 2 ) c a a l 2 p 2 p c d a 2 2 ( 见一p 2 ) l p a ，屯+ q ( p i p 2 ) ( 2 2 3 ) 1 1 江苏大学硕士学位论文 由于以上方程组中含有根式，求解较繁琐，为此将以上各根式在平衡点( 阀芯中 位) 附近进行线性化【1 4 1 ： 舰小厮= 剖。以+ 矧。a 锄再杀菰。2 p ( p 一p m ) 一 则：压瓦丽- 办 ：= ：! ! ! ：一一= ：! ! ! ：一 4 2 p ( p ，o p l o )2 p ( p 一p l o ) 一4 2 , 0 0 坠, o - p , o ) 。，2 ， + ，2 p l 觥越9 ，面丽12 警2 ( p 如一p l o ) ，p q 1 即丽1 2 黔p2 等p 。 2 p ( p ，。一p m ) 蜴q 一 同理：丽一厶p l 4 2 p 2 p 一，p 2 t 2 细s p a | p f s ps + f b p t 将数据代入，得 一，2 - ，3 - ，m 兀一，6 令k - 则方程组2 2 1 - 2 2 3 变形为： c 。a 七( p 。一a ) + c d 如七( 见一p 2 ) - q c d a l 七p 。一p 1 ) 一c d 如i v , - a ，丸+ c j ( j 气一p 2 ) a 勿2 一c d a 2 七( p 。一p 2 ) m a v y c o + c j ( p 1 一p z ) 根据方程组2 。2 4 砣2 6 ，求得 + q 地溉一c 。地a 。丘 p = 2 一 “ ( c j a + c j a 2 + 2 c j 地如) c d k + 巳坞溉一c 。坞a ，也 p 22 面i 面i 石i 面 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 p i _ 型堕些粤塑坐婆尘燮( 2 2 9 ) r ，= = - - - - - - - - - - - - - = 一 ， a + c ；a 2 + 2 c d 地如) c 。k 2 1 1 5 二自由度车辆模型 为了研究液压动力转向对整车的侧向运动和横摆运动的影响，需要建立整车动力 学模型，本文采用了汽车线性二自由度整车模型。二自由度汽车模型可以用来研究匀 速前进汽车的侧向运动和横摆运动。建立模型时，要对实际汽车作出以下简化假设【1 1 ： ( 1 ) 汽车作小曲率运动，车轮转向角和侧偏角都不大； ( 2 ) 把整个汽车视为一个作平面运动的刚体，其侧向加速度系数，即侧向加速度 与重力加速度之比与路面摩擦系数的比值在0 3 加4 以下，轮胎侧偏特性处于线性范 围； ( 3 ) 忽略左右轮胎由于垂直载荷不同引起的侧偏特性的差别，认为左右轮侧偏角 相同； ( 4 ) 将由于悬架引起的车轮的侧倾转向角，因转向系和悬架导向杆系弹性造成的 侧向力转向角与轮胎本身的侧偏一起，视为前轮或后轮的综合侧偏角，从而可以将悬 架和转向系弹性的影响包含在前、后轮的综合侧偏刚度中； ( 5 ) 转向系的惯性和阻尼可以忽略，方向盘转角与前轮名义转角成比例关系。 二自由度汽车运动微分方程为 假+ k 2 ) + 言( 峨一b k 2 ) 哆一k i 占。( 2 3 0 )j r e ( c , + h q ) ( a k l b k ：) + 三( 4 2 墨+ b 2 k 2 ) c o a k l 8( 2 3 1 ) - i z 或 式中小整车质量 ，车辆绕z 轴的转动惯量 口车辆质心至前轴的距离 西车辆质心至后轴的距离 工车辆轴距 车速 江苏大学硕士学位论文 墨前轮侧偏刚度： k ：后轮侧偏刚度： 令 m m u l ： h 一- m ( 4 2 墨+ 6 2 k 2 ) + j ：( 墨+ k 2 ) 】， c - 舢( n 墨一6 k 2 ) + p 玉，l 鬈2 ，h ， 岛- - m u a k t ，- l k l k 2 ， 可以得到前轮转角与整车横摆角速度之间的传递函数为： 堡盟：刍兰生 艿 ) m s 2 + h s + c 前轮转角与整车侧向加速度之间的传递函数为洲： q 一q s 2 + b l k l 垦s + 距6 0 ：一= ：- ：- - - - - - - - - - ：- - - - - - - _ 二 a ( s 1 ，栉。s 2 + 凰+ c 2 1 1 6 齿条位移与前轮转角之间关系的确定 首先通过试验测出方向盘转角目0 与前轮转角万之间的对应关系。 表2 1 方向盘转角( 向左) 与车轮转角的关系 ( 2 3 2 ) 钆。 01 53 04 56 07 5 9 0 1 3 51 8 02 ：终2 7 03 1 53 6 0 屯。 0233 5t 55 567 51 01 31 4 51 6 51 9 “。 0o 512344 56 591 21 3 51 61 9 6 一r 01 2 522 7 53 7 54 7 55 2 579 51 2 51 41 6 2 51 9 表2 2 方向盘转角( 向右) 与车轮转角的关系 钆。 01 5 3 04 56 07 59 0 1 3 51 8 02 2 52 7 03 1 53 6 0 屯。 0o 51l - 52 - 533 5 5 5 8 51 0 51 2 51 4 51 7 5 。 oo 511 52 - 52 53 558 51 11 2 51 51 8 6 。 0o 511 5拍2 7 52 55 2 5踮1 0 7 51 2 51 4 7 5 1 7 7 5 根据表2 1 与表2 2 ，计算出方向盘转角的左右平均值与车轮转角的平均值，如 表2 3 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 表2 3 方向盘左右转角与车轮左右转角的平均值关系 l 氏厂 01 53 04 56 07 59 01 3 51 2 2 52 7 03 1 53 8 。 00 拭r 5l - 52 1 2 53 2 53 7 54 3 7 5 6 1 2 591 1 6 2 51 3 2 51 5 51 8 ”5 由于该车所配备的转向器的线角传动比为4 7 5 m m r ，即方向盘转角只，与齿条位 移毛之间的关系为： 瓦：丝垒 ( 2 3 4 ) 。 1 0 0 02 万 式中，艺的单位是m ，屯的单位是r a d 。 根据表2 3 及式2 4 8 ，可以通过多项式拟合得出齿条位移瓦与前轮转角万之间的 关系，如图2 6 所示。 j _i 图2 6 齿条位移与前轮转角的相互关系 由于仿真中只给方向盘0 5 r a d 的角阶跃输入，齿条的最大位移不超过o o l m ，相 应的前轮最大转角不超过o 0 7 r a d ，而在此范围内两者之间近似呈线性关系，按线性 关系来处理并不会导致过大的误差。从而得到此段曲线斜率约为7 2 5 6 9 ，又因为艺- 0 时，8 = 0 。由此得出： 8 x , = 7 2 5 6 9 ( 2 3 5 ) 2 1 1 7 系统数学模型 令p 一8 x , 在式2 2 中，令兄= m c o s a r + ( p 1 一p 2 m 。，兄为齿条所受到的主动力。 由式2 2 、2 4 及2 3 5 ，得到齿条所受主动力兄与齿条位移毛及i 狰轮转角万之间 江苏大学硕士学位论文 的传递函数： 器=一(dm+1wp)sz+k,ps+(c,+rle)p b ) 兄( s ) ( f ，+ d m 。p ) s 2 + 后。s + c ，+ k t e ( 2 3 6 ) 借助以上两式，将转向器模型与二自由度车辆模型结合起来，建立包括车辆模型 在内的液压动力转向系统模型。 2 1 2 仿真模型 本论文运用m a u a b 软件中的s i m u l i n k 模块建立液压动力转向系统的仿真模型， 对系统进行仿真分析。建模的方法是由底向上逐步完成，即先分别建立各子系统模块， 然后将其组合成整个系统【2 5 11 2 s 。 2 1 2 1 求解扭杆上端转角子模块 根据式2 1 得到扭杆上端转角： q = 酱 ( 2 3 8 ) 根据上式利用s i m u l i n k 的基本模块建立求解扭杆上端转角的子模块，框图如图 2 7 所示。其中方向盘转角口为系统输入，小齿轮转角岛根据齿条位移求出。 图2 7 求解扭杆上端转角子模堤 2 1 2 2 求解小齿轮转角子模块 根据式2 3 ，可利用s i m u l i n k 的基本模块建立求解小卤轮转角的子模块，如图2 8 所示。该子模块的的输入为齿条的位移屯。 江苏大学硕士学位论文 i i t2 8 求解小齿轮转角子模块 2 1 2 3 求解小齿轮对齿条作用力与力矩子模块 在液压动力转向系统中，齿条沿运动方向受到两个力的作用，来自小齿轮的作用 力e 。和来自与齿条固结的活塞的液压力。其中来自小齿轮的作用力与小齿轮与方向 盘之间的相对转角成正比。由于转向轴与扭杆属于串联，因此e 。还与转向轴与扭杆 的串联刚度成正比。此外f o 还与小齿轮基圆半径和齿条的螺旋齿形角有关。求解 f 与力矩j i f 的子模块如图2 9 所示。 图2 9 求解小齿轮对齿条作用力子模块 2 1 2 4 求解转阀节流面积子模块 在液压动力转向系统中，液压动力产生的原因在于转向控制阀中通向动力缸左右 两腔的节流面积的变化。节流面积与转向控制阀中阀芯和阀套之间的相对转角有关， 即与扭杆上下两端的相对转角有关。当扭杆无扭转变形时，转向控制阀通向动力缸左 右两腔的节流面积相等，当扭杆产生扭转变形时，转阀通向动力缸一腔的节流面积变 大，通向另一腔的节流面积变小。本论文中将转阀等效为由四个具有相同特性的节流 阀组成的桥路，而且转阀的结构一般都是对称的，因此节流面积 一也，如- a i 。 在实际的转阀中具有限位凸台，以限制阀芯与阀套之间的相对角位移，当渐开阀口全 开时，限位机构即实现阀芯与阀套的刚性接触。仿真子模块中利用$ i m u l i n l 【中的 1 7 江苏大学硕士学位论文 s w i t c h 模块来计算节流面积。根据式2 1 缸2 1 9 ，建立求解a 、如的子模块，如图2 1 0 、 图2 1 1 所示。 0 i t 2 1 0 求解节流面积a 子模块 图2 1 1 求解节流面积a 子模块 2 1 2 5 求解转向器油压子模块 根据式2 2 7 - 2 2 9 ，利用s i m u l i n k 提供的基本模块建立求解动力缸左、右腔压力p 1 、 江苏大学硕士学位论文 p ：与转阀进油压力见的子模块。 根据p l 、眈与p l 的求解方程式可知，转向器动力缸左、右腔压力与转阀进油压 力除了与液压系统中某些常数有关外，还与转阀节流面积a 、 以及齿条运动速度毛 这三个变量有关。a 、p ：与见的仿真框图分别如图2 1 2 、图2 1 3 与图2 1 4 所示。 图2 1 2 求解a 子模块 图2 1 3 求解见子模决 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 6 系统仿真模型 图2 1 4 求解见子模块 根据式2 3 2 、2 3 3 、2 3 6 与2 3 7 ，分别建立齿条力一齿条位移与齿条力一前轮转 角传递函数子模块，如图2 1 5 、2 1 6 所示。 l 。 p 拙w 庐帅帅州n + 唧p 瘩条力一当务位善 * 函慧 图2 1 5 齿条力一齿条位移传递函数子模块 d ( m r d ，p i - 2 +