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液压控制系统分析论文

目　录

第一章绪论

1.1研究的目的及意义

在工程领域和军用运输领域对大型车辆的需求越来越大，并且对其承载量和灵活性提出了更高的要求。

因此大型车辆通过增加轴数提高其承载量，通过引入多轴转向技术来提高其灵活性-多轴车辆转向系统caj-。

如下图1-1所示为全地面大型起重机，其具有9个桥。

大型轮式车辆的转向桥一般都在三桥以上，转向性能直接影响整车的机动灵活性、操纵稳定性以及使用经济性，随着车辆吨位越来越大，车辆的桥数也越来越多，常用的机械式液压助力转向系统，虽然能够实现全轮转向，但是其机动灵活性差、模式单一，如果转向系统设计不合理，就会造成不同转向轴上的轮胎转角之间相互影响，导致轮胎非正常磨损，会大幅降低轮胎寿命，且造成整车转向杆系受力增大，转向性能降低，进而影响行驶安全性。

图1-1全地面大型起重机

以往的转向系统已经严重制约了大型轮式车辆的发展，加之国家标准对车辆技术性能、车辆外廓尺寸、轴荷及质量等进行了严格规定，与旧标准相比，对车辆轴荷的限制提高了，而大型轮式底盘自重或载重量的不断增加，只能增加桥数以符合国家标准的规定，而多数大型轮式车辆均工作在矿山、油田、工程建设或者山区等条件极其恶劣的施工现场，使得大型轮式底盘必须具有转向灵敏、转弯半径小、转向模式多样和通过性强等优良性能，而我国在这方面起步较晚，由于大型轮式车辆的多桥转向技术应用在很多军事装备如大型导弹运输车和发射平台上，国外一直对我国进行技术封锁，所以研制出具有自主知识产权的且性能优良的大型轮式车辆底盘的转向系统已刻不容缓【1】。

1.2国内外发展研究现状

1.2.1助力转向系统概述

车辆在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓车辆转向，而轮式车辆转向的方法是，驾驶员通过一套专设机构使车辆转向桥上的车轮（转向轮）相对于车辆纵轴线偏转一定的角度。

在车辆直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。

此时驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使车辆恢复原来的行驶方向，这一套用来改变或恢复车辆行驶方向的专设机构称为车辆转向系统。

随着工程车辆对工作效率、操纵轻便、安全舒适、节能环保和可靠耐用等方面的要求越来越高，且由于现代汽车技术的迅猛发展，车辆的转向系统已经发展出许多种如机械式转向系统、液压式助力转向系统、电控电动式助力转向系统、电控液压式助力转向系统等。

1、机械式转向系统：

采用转向拉杆机构实现各轮的转角关系。

中连接前后桥转向装置之间的机构型式有摇臂式、凸轮式、齿轮式等，在大型轮式车辆的转向系统中常采用转向摇臂加转向梯形机构。

优点：

结构简单、工作安全可靠，传动效率高，造价低廉。

缺点：

占用空间大，布置复杂，转向阻力很大。

应用领域：

转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上。

2、液压式转向系统：

借助于汽车发动机的动力驱动系统，驱动动力转向缸产生液压作用力，增大驾驶员操纵转向力，可使驾驶员轻便灵活的实现转向，减轻劳动强度，提高行驶安全性。

优点：

系统布置方便、操纵轻便灵活。

缺点：

系统结构比较复杂，液压泵需随发动机运转，增大了燃油的消耗应用领域：

部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆。

3、电控电动式转向系统：

是指采用电子控制、电动助力的转向系统，主要由控制器、传感器、步进电机、减速机与后轮转向机构等组成。

优点：

控制简单、响应快，可根据需要调控电流值来改变力矩，从而方便的改善助力程度和路感，零件少、重量轻、安装紧凑、工作可靠，低温工作性能优良，更环保。

缺点：

电动机的性能决定控制系统的性能，与电动助力式转向系统的匹配将影响到转向系统力矩特性、转向路感等问题，而且电机驱动力小，重型车辆应用时驱动力不够。

应用领域：

已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展，随着电子技术的发展，其应用范围还会逐步扩大。

4、电控液压式转向系统：

主要由控制器、传感器、液压控制阀、助力液压缸等组成。

常见的电控液压式系统中，首先从液压泵出来的高压油经过流量分配进入各液压控制阀，如电磁换向阀、比例阀、液控单向阀等，控制器接收到相应的转角信号即对转向桥进行控制，控制器输出相应指令给比例阀，油液经过控制阀后进入转向桥的转向助力缸实现转向，控制器通过转角传感器检测转向桥的转角并与指令转角比较，进行闭环控制最终实现转向桥的精确转向，根据液压控制阀中主要控制元件的类型可分为比例转向和伺服转向。

比例转向使用比例阀进行控制，一般比例阀具有零位死区且频响不高，使得动态转向精度不高；而伺服转向使用伺服比例阀或伺服阀进行控制，无零位死区且频响较高，最终可实现较高的动态转向精度。

优点：

转向精度高，驱动力大。

缺点：

效率低、耗能大、成本高。

应用领域：

大型工程车辆如全地面汽车起重机、重型越野车辆和军用车辆如导弹运输车等特别适用，其应用范围较广泛。

还有一些电控液压式转向系统是将液压助力泵由电机驱动，取代了传统液压助力泵由发动机驱动的方式。

电控液压式转向系统依据相应的控制策略通过控制电磁阀，使得动力转向系统随着车速的变化而变化，在汽车大转角或低速行驶时，转向轻便，在中、高速行驶时，能获得一定手感的转向力，能较好的兼顾低速转向的轻便性和高速转向时的路感。

1.2.2电液转换系统相关研究现状

由于汽车不同速度行驶时对助力特性的要求不同，液压助力转向系统很难做到这一点，而随着电子技术和计算机技术的发展，液压助力转向技术与电子技术相结合行成了电控液压助力转向系统，这种系统不仅在小型车上有广泛使用，在大型轮式车辆上应用也相当广泛，由于大型轮式车辆转向阻力很大，用机械式助力转向系统或者电控电动式助力转向系统均不能很好的满足要求，故电液控制转向系统是大型轮式车辆转向系统的首选。

德国萨尔兰德大学设计了一种新型的电液控制闭中心助力转向系统，系统采用两个闭中心的比例阀对转向助力缸进行控制，且油源结合蓄能器能实现较高的供油效率，建立了系统主要元件的数学模型并分析了参数对闭环动态特性的影响且进行了优化，闭环控制器具有级联结构，内环为转向助力的闭环控制而外环为转向力矩的闭环控制，经过在不同车速上大量的台架试验和实车试验，该控制策略可使转向系统具有很好的性能。

2005年后国内对电液控制转向系统的研究才开始逐渐增多，并有望向可以应用的成熟产品迈进，大部分是将电动机替代发动机驱动液压泵，将电动机参与控制实现电液控制转向，但对大型轮式车辆而言，由于转向阻力很大，这种用电动机参与的电液控制很难满足力矩要求，还是只能用发动机驱动液压泵，而控制部分采用电控，不仅可以实现大型轮式车辆的灵活转向，也可以满足其助力要求，故这种电液控制方式较适合大型轮式车辆。

1.3本章小结

本章主要阐述了对车辆转向系统的进行研究的目的和意义，分析了目前几种比较成熟的转向系统的优缺点和应用领域，并且简单的介绍了目前国内外对电液控制转向系统的研究。

第二章电液伺服转向系统设计

2.1转向系统功能

对于大型轮式车辆而言，由于其转向时负载阻力矩很大，采用电动机驱动的电动液压式助力转向系统较难达到所需要的转向助力又由于大型轮式车辆一般需有多种转向模式且有时需要模式切换，采用一般的机械式液压助力转向的方式很难有效的实现各种转向模式的切换，所以大型轮式车辆只能采用电控的液压助力转向系统。

目前见于文献与产品的类似系统均采用比例阀来实现电液控制转向，而比例阀的频响较低、死区与滞环性能不高，限制了电液控制转向系统性能的提高，那么有必要对采用伺服比例阀或者伺服阀的电液控制转向系统进行研究。

2.2单桥电液伺服转向系统

对于大型轮式车辆而言，既要保证行驶的安全性，又要保证行驶的灵活性，一般这种大型轮式车辆均为多桥结构，且前桥大多采用机械式转向系统以尽可能保证行驶的安全性、后桥采用电液控制转向系统以尽可能保证转向系统的灵活性。

为了使大型轮式车辆转向系统实现整车转向灵活，单桥的灵活转向是实现整车灵活转向的基础，只要单桥能按照要求准确可靠的转向，整车即可以实现各转向功能与模式，所以单桥的电液伺服转向系统是设计的关键，在设计控制系统之前，需对转向系统的机械执行机构有所了解，且对转向执行机构的运动学与动力学分析也是进行控制系统设计的基础。

2.3单桥电液伺服转向系统机械结构

图2-1双转向助力梯形机构实物图

对于大型轮式车辆而言，为了保证左右侧轮的转角关系，一般采用转向梯形机构进行约束，且应用转向助力缸驱动转向梯形并带动轮胎转向，如图2-1所示是双转向助力梯形机构实物图。

左右侧轮胎的转角主要是通过转向节臂、横向拉杆和轮毂等连接件来约束左右侧轮胎的转角关系，而液压助力形式是用两个转向助力缸进行驱动，这与电动液压助力转向的齿轮齿条等转向机构或是单转向助力缸的转向助力机构都是不同的，这种双转向助力梯形机构具有更大力，因此广泛应用在大型工程车辆上。

2.4电液伺服转向系统控制系统

2.4.1单桥电液伺服转向系统液压部分原理

在了解转向梯形机构的基础上，针对单桥电液伺服转向系统液压部分原理如图2-2所示，伺服转向、电液锁定和应急手动功能介绍如下：

1伺服比例阀2电磁换向阀3电磁换向球阀4、5液控单向阀6、7溢流阀8、9转向助力缸10转角传感器

图2-2单桥电液伺服转向系统液压原理图

1、伺服转向功能：

当需要跟踪前桥进行伺服转向时，电磁换向阀2和3均处在常位，此时高压油控制液控单向阀4和5处于液控开的状态，此时伺服比例阀可以控制进入转向助力缸的油液使转向助力缸运动，转角传感器10检测到转角信号并与指令转角信号比较，并依此偏差信号对伺服比例阀进行调节，形成闭环控制，最终控制轮胎转到所需位置；

2、电液锁定功能：

当需要转向桥电液锁定时，如在后桥不转向锁定模式即需要将转向桥锁定，此时使电磁换向阀3从失电变为得电状态，使液控单向阀工作，同时将伺服比例阀1回复到失效O型位，则此时液控单向阀即可将转向桥锁定在所需位置；

3、应急手动功能：

针对大型工程车辆（以某7桥车辆为例），当转向系统中伺服比例阀或电控系统出现故障时，后四桥的轮胎可能偏离中间位置，为了使其回到中间位置并电液锁定使大型轮式车辆可以依靠前三桥机械转向系统行驶到安全地带或维修站，而不至于停在原地，此时先将伺服比例阀断电使其处于失效O型位，且电磁阀3处于失电位，可以用随车配套的手动控制盒对电磁换向阀2进行控制，来微调轮胎的转向角度，直到调整到所需位置，这一功能对大型轮式车辆的使用者而言是非常重要的，可以大大提高车辆的机动灵活性；

4、另外电液伺服转向系统中的溢流阀6和7作为安全阀用，保护转向助力缸不受高压冲击的损害。

2.4.2电液伺服转向系统电控系统

为了实现轮胎的精确转向，需设计合适的电控系统，电液伺服转向系统的控制框图如图2-3所示，电液伺服转向系统主要由转角传感器、PLC控制器、单桥伺服转向控制器、转向梯形机构、动力油源、车速传感器等构成。

图2-3电液伺服转向系统控制框图

PLC将计算好的目标转角信号输出给伺服转向控制器，同时伺服转向控制器也接受到桥的实际转角，目标转角与实际转角信号比较，控制伺服比例阀动作，高压油液进入转向助力缸驱动转向梯形机构带动轮胎转动，直到实际转角与目标转角一致，形成转向角度的闭环控制，这个调整过程是动态进行的；桥的转角信号也一并传送给PLC实现监控，由于伺服转向控制器实现的转角闭环控制速度是很快的，且误差应在所要求范围之内，当PLC检测到的桥实际转角信号与目标转角信号之差超出一定数值时，即电液伺服转向系统可能存在故障，此时提示司机减速停车以排查故障，可增大电液伺服转向系统的安全性。

2.5本章小结

本章主要介绍了转向系统的功能以及单桥电液伺服转向系统，并且对广泛应用在大型工程车辆的双转向助力梯形机构进行了简单的分析，对电液伺服转向系统液压控制系统原理及控制框图的设计进行了介绍。

第三章电液伺服转向系统数学建模与分析

3.1转向系统机械结构建模与分析

对于多桥大型重汽而言，各桥的转向机构是基