越野车液压转向系统抗冲击能力仿真

柯 为， 黄朝胜， 凌启胜， 程振青， 孙永朝， 赵 洋

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011)

越野车液压转向系统抗冲击能力仿真

柯 为， 黄朝胜， 凌启胜， 程振青， 孙永朝， 赵 洋

(中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011)

提出了一种提高液压转向系统抗冲击能力的方法.通过优化转向系统液压部件，增加车辆在越野路工况驾驶员的转向控制能力.建立基于转向系统液压动态特性的AMESim模型，通过分析影响转向系统抗冲击能力的因素，得出提高转向高压管路的刚度、缩短长度、提高转向泵流量、缩短主销偏置距等措施可以提高系统抗冲击能力.

抗冲击能力；液压转向系统；液压动态特性

车辆在坑洼不平路面行驶时，车轮受到地面的扰动，会导致转向盘抖动.路况越差抖动发生的概率越大，抖动的强度也越高.不同类型车辆经常行驶的路况不同，其发生抖动的概率也不一样.轿车、重型商用车等主要在良好路面行驶，其发生抖动的概率和强度较小，而中型越野货车需要行驶在极端恶劣路况，因此其发生转向盘抖动的概率和强度较大.此种差别不仅是由路面不平造成的，同时也与车辆转向系统本身的抗冲击能力有关.本文进行了以转向盘力矩作为评价指标的转向系统抗冲击能力的影响因素分析.

1 越野路的转向系统抗冲击能力分析

越野货车一般采用的是液压助力转向系统，当驾驶员主动操纵转向盘时，驾驶员手力和液压助力一起克服地面阻力，车轮才能转向.同理，当车辆在不平路面时，驾驶员为了保持车辆方向，握紧转向盘，此时路面的冲击造成转向力矩是由驾驶员手力和液压助力共同承担的.如果转向轮输入过大或者液压提供助力不足，会导致转向盘手力过大，驾驶员无法承担，只有松开转向盘，放弃车辆方向的控制.

以上研究未考虑液压转向系统本身特点，通过液压方面提高转向系统的抗冲击能力.图1为典型的液压转向系统，路面对车轮的冲击力为纵向力和侧向力，左右车轮所受冲击力形成合力矩，如下公式[3]所示.

Minput=rl(Fxl-Fxr)+

nk(Fyl+Fyr)+(Mzt+Mzr)，

(1)

式中：Fxl、Fxr为左右轮受到的纵向力；rl为主销偏置距；Fyl、Fyr为左右轮受到的侧向力；nk为主销偏距和轮胎拖矩之和；Mzl、Mzr为左右轮的回正力矩.

车辆在越野路面行驶，当车轮遭遇到路面的凸起时，此时Minput主要由rl(Fxl-Fxr)组成，当车轮从车辙中爬出时，nk(Fyl+Fyr)起主要作用.而文中主要分析的路面为凸起路面，因此,rl(Fxl-Fxr)起主要作用.

图1 典型液压转向系统

当车辆行驶在凸凹不平路面时，Minput与rl(Fxl-Fxr)近似成正比，由于(Fxl-Fxr)与路面状况有关，当路面状况很差时，(Fxl-Fxr)值也很大，此时如果rl大的话会造成二者乘积大，因此，对于rl过大的车辆，在不平路面容易造成转向系统逆向输入过大.因此,造成车轮逆向输入力矩太大的原因如下：路面凸凹不平或者深车辙；主销偏置距或主销拖矩大.

2 液压转向系统模型

根据图1的液压转向系统简图，不考虑转向系统杆系和转向管柱，只考虑与转向系统液压相关部分，建立包括动力转向器、转向管路、转向泵、转向盘的转向系统模型[4].模型如图2所示.该模型在转向器摇臂轴输入力矩，转向盘端输出力矩，模拟车轮受到冲击扰动时的转向盘力矩情况.模型参数如表1所示.

图2 AMESim液压转向系统模型

表1 转向系统建模部分参数

建模参数数值建模参数数值转向盘转动惯量/(kg·m2)03进油管管径(内/外)/mm23/32转向器扭杆刚度/[Nm·(°)-1]12进油管长度/m06转向器活塞直径/mm100回油管管径(内/外)/mm18/26转向器速比203回油管长度/m2481转向泵流量/(L·min-1)16泄压阀压力/MPa16高压胶管管径(内/外)/mm15/24转向器活塞质量/kg5高压胶管长度/m1612转向器泄漏量/[L·(min·bar-1)-1]003

2.1 输入力矩对转向系统输出的影响分析

在车轮处输入幅值为9 000 Nm，频率分别为0.2、1、5 Hz力矩.输出力矩结果如图3所示，输出力矩分别为6.8 Nm、7.1 Nm和35.1 Nm.结果说明，相同车轮转向力矩输入幅值下，频率越高，转向盘的输出力矩越大.图4为不同频率输入下的对应转向器高压油管压力，当频率为0.2 Hz和1 Hz时，液压系统压力能达到15.6 MPa，而当频率为5 Hz时转向系统压力只能达到14.4 MPa，显然在高频输入下，液压系统提供油压低导致此时转向盘力矩大.该项仿真说明，当车辆在坏路或者单轮过台阶时，如果力矩输入的频率过高，即使车轮的冲击力矩未超过转向器的额定输出力矩，也会造成转向盘冲击.

图3 转向系统输出力矩

图4 转向系统压力

在车轮处输入频率5 Hz，幅值分别为3 000、6 000、9 000 Nm力矩.对应的输出力矩和系统油压分别如图5和图6所示.从图5看出，当输入频率较高时，随着输入力矩降低，输出力矩也降低.当输入力矩从9 000 Nm降到6 000 Nm时，其输出力矩从35.1 Nm降低到16.8 Nm，根据公式1可知，输入力矩为输入力和力臂的乘积，因此，在无法改变输入力的大小和频率的情况下，降低输入力臂，即主销偏置距(或者拖距，视冲击类型而定)也能降低输出力矩.

步骤4：如果在分组生存期内，发送方携带数据包，直到它满足可用的相邻Relayhop，否则，丢弃包，将 报 文 发 送 给 中 继 跳 ，Transmitterid=Relayhop，id，++hop，根据上述的公式计算跳数；直到Transmitterid=sourceid.

综合考虑不同幅值和不同频率的输入可知，液压系统对于低频输入的耐受性较好，对于高频输入的耐受性较差.当车轮输入为高频，大幅值时，转向盘输出会超过驾驶员控制的极限，造成冲击.由于输入的频率降低难度较大，因此降低冲击输入力的力臂(主销偏置距或者拖距)是一种较为可行的降低输出力矩的办法.

图5 不同幅值输入时的输出力矩

图6 不同幅值输入时的转向系统压力

2.2 转向系统抗冲击能力影响因素分析

为了研究相同车轮力矩输入下，不同转向系统液压部件对转向盘输出的影响，对转向系统不同液压部件时的转向盘输出力矩和系统油压进行仿真.输入力矩皆为5 Hz，9 000 Nm.

2.2.1 管路材质对转向系统抗冲击能力影响

转向高压油管一般采用钢管或者有内部加强化层的胶管.由于胶管布置方便，因此设计师倾向于将所有的管路都采用胶管，下面分析钢管和胶管作为转向高压管路对转向系统输出的影响.在高频大幅值输入条件下，其转向盘力矩输出结果如图7所示，系统压力如图8所示.仿真结果表明，钢制管路较胶质管路输出力矩较小，转向系统压力较高，系统抗冲击能力强.因此，采用膨胀系数小的金属管可以降低转向系统遭遇冲击时的力矩输出，提高抗冲击能力.

图7 管路材质对转向系统输出的影响

图8 管路材质对转向系统压力的影响

2.2.2 高压管长度对转向系统抗冲击能力的影响

采用胶管，比较不同长度管路的转向系统输出，结果如图9和图10所示，越短的管路其输出力矩越小，对应的系统压力也越高.说明当转向管路刚度较低时，缩短管路长度可提高系统的抗冲击能力.但是由于结构布置的关系，缩短管路长度实施起来较难.比较管路的材质和长度对输出的影响可知，将橡胶管换成金属管相对于缩短长度实施更容易.

图9 管路长度对转向系统输出的影响

图10 管路长度对转向系统压力的影响

2.2.3 转向泵流量对转向系统抗冲击能力的影响

为了考察转向泵流量对转向系统抗冲击能力的影响，选取不同的转向泵流量对转向系统输出影响分析.在高频大幅值输入的条件下，其转向系统输出结果如图11所示，系统压力如图12所示.仿真结果表明，当转向泵流量由16 L/min提高到25 L/min时，系统输出力矩从35.1 Nm降低到21.7 Nm，降幅为38.2 %，降幅明显.转向泵流量提高到30 L/min时，其效果更好，但是由于转向泵流量的选取还需考虑能耗和温升因素[5]，因此需要综合考虑确定最终方案.

图11 泵流量对转向系统输出的影响

图12 泵流量对转向系统压力的影响

3 结 论

根据AMESim的转向系统液压模型，分析影响转向系统抗冲击能力的因素，研究结果表明：

1)液压转向系统对高频冲击的耐受力较差，容易造成转向盘冲击.

2)采用金属高压油管，增大转向泵流量能提高转向系统抗冲击能力.

3)通过降低主销偏置距降低转向轮受到的不平路面的力矩冲击输入，降低转向系统输出力矩，提高转向系统抗冲击能力.

[1] 姜军平，贾宝光，孙福禄，等.某车型方向盘打手原因分析[J].研究农业装备与车辆工程，2012，50(10)：47-50.

[2] Kim S，Poy J. A Control Strategy for Kickback Reduction using Electric Power Steering and Combined Chassis Control[C]. SAE Paper 2007-01-3658.

[3] 米奇克.汽车动力学[M].4版.北京：清华大学出版社，2010.

[4] 付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真参考手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5] 毕大宁.汽车转阀式动力转向器的设计与应用[M].北京：人民交通出版社，1998.

Simulation of Anti-impact Ability of Hydraulic Steering Systemfor Off Road Vehicles

KE Wei, HUANG Chao-sheng, LING Qi-sheng, CHENG Zhen-qing,SUN Yong-chao, ZHAO Yang

(China FAW Group R&D center, Changchun 130011, China)

In order to improve the anti-impact ability of its hydraulic steering system, a method is presented by optimizing the parameters of its hydraulic components for increasing the steering control ability of a vehicle in the off-road condition. An AMESIM model is established for the hydraulic dynamic characteristics of the system, and the factors affecting the anti-impact ability of the system are analyzed. The results show that such measures as improving the stiffness of its high pressure pipeline, shortening the length of the lines, increasing the flow of the steering pump, and shortening the kingpin offset can enhance the impact resistance of the system.

Anti-impact ability; hydraulic steering system; hydraulic dynamic characteristics

1009-4687(2016)04-0002-04

2016-9-1

柯 为(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为底盘性能控制.

U463.45

A