基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向特性研究

基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向特性研究摘要

本文研究了一種基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在多種路面條件下實(shí)現(xiàn)理想的車輛控制性能。首先，本文詳細(xì)介紹了多軸車輛動(dòng)力學(xué)模型，并從液壓泵、壓力控制閥、拉桿等方面對(duì)該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。然后，利用Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的良好控制性能和穩(wěn)定性。最后，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)多種路面條件下車輛的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有優(yōu)越的轉(zhuǎn)向性能，可以提高車輛的操控性、穩(wěn)定性和安全性。因此，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

關(guān)鍵詞：多軸車輛，電液伺服轉(zhuǎn)向，橫向拉桿，控制性能，路面條件

Abstract

Thispaperstudiesamulti-axisvehicleelectro-hydraulicservosteeringsystembasedoncontrollablelateralrod,whichcanachieveidealvehiclecontrolperformanceundermultipleroadconditions.Firstly,themulti-axisvehicledynamicsmodelisintroducedindetail,andthesteeringsystemisdesignedindetailfromaspectssuchashydraulicpump,pressurecontrolvalveandrod.Secondly,Simulinksoftwareisusedtosimulateandanalyzethesystem,andthegoodcontrolperformanceandstabilityofthesteeringsystemareverified.Finally,thesteeringcharacteristicsofthevehicleundermultipleroadconditionsarestudiedthroughtheoreticalanalysisandexperimentaltesting,andcomparedwithtraditionalsteeringsystems.Theresearchresultsshowthatthemulti-axisvehicleelectro-hydraulicservosteeringsystembasedoncontrollablelateralrodhassuperiorsteeringperformance,whichcanimprovethehandling,stabilityandsafetyofthevehicle.Therefore,thesteeringsystemhasgoodapplicationvalueandpromotionprospect.

Keywords:multi-axisvehicle,electro-hydraulicservosteering,lateralrod,controlperformance,roadconditions

正文

一、引言

多軸車輛是指同時(shí)具有多個(gè)軸的車輛，其特點(diǎn)是行駛平穩(wěn)、攜帶負(fù)載能力強(qiáng)、通行能力大等。近年來，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展和物流需求的增加，多軸車輛在運(yùn)輸業(yè)中的重要性逐漸增大。然而，由于多軸車輛存在轉(zhuǎn)彎半徑大、轉(zhuǎn)向靈活性差等缺點(diǎn)，其操控性和行駛安全性都受到了一定的制約。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，研發(fā)一種高效的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)于提高車輛的操控性和安全性，具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的多軸車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向或電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，雖然這些傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有相對(duì)較好的車輛操控性和穩(wěn)定性，但是其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，維修成本較大。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)并研究了一種基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提高了該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，本文將該系統(tǒng)應(yīng)用于多種路面條件下的車輛控制中，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

二、多軸車輛動(dòng)力學(xué)模型建立

1.汽車轉(zhuǎn)向控制模型

多軸車輛的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以分解成前后兩部分，即縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析和建模，可以得到車輛的轉(zhuǎn)向控制模型，如下圖所示：


其中，$I_z$為車輛繞垂直軸的慣性矩，$\alpha_f$為前輪側(cè)滑角，$\alpha_r$為后輪側(cè)滑角，$F_f$為前輪總軸向力，$F_r$為后輪總軸向力，$r$為車輛的曲率半徑，$a$為車輛的前懸掛距離，$b$為車輛的后懸掛距離，$m$為車輛質(zhì)量，$l$為車輛軸距，$u$為車輛速度，$G_x$為車輛在x方向的重量分力，$\delta$為前輪轉(zhuǎn)向角度，$F_Z,f$和$F_Z,r$為前后輪載荷，$t_1$和$t_2$為前后輪制動(dòng)力矩。

通過對(duì)車輛轉(zhuǎn)向控制模型中各參數(shù)的分析和計(jì)算，得到車輛轉(zhuǎn)向響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如下式所示：

$\dfrackapbvsw{dt}\Delta_p=(\dfrac{F_fa-F_rr}{I_zu}+\dfrac{aF_fsin\delta}{I_zu}-\dfrac{bF_r}{I_zu})\Delta_p-\dfrac{u+aF_fcos\delta}{I_zu}\Delta\alpha_f+\dfrac{bF_r}{I_zu}\Delta\alpha_r$

其中，$\Delta_p$為車輛側(cè)滑角，$\Delta\alpha_f$和$\Delta\alpha_r$分別為前后輪側(cè)滑角的變化量。該式子表示了多軸車輛側(cè)滑角、前輪側(cè)滑角和后輪側(cè)滑角三者之間的關(guān)系。

2.車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制模型

多軸車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括前輪懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、后輪懸架等多個(gè)部分，其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)向控制的核心部分。本文設(shè)計(jì)的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用橫向拉桿可控結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在不同的路面條件下實(shí)現(xiàn)車輛的靈活轉(zhuǎn)彎和穩(wěn)定行駛。橫向拉桿可控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的概念圖如下所示：


該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)橫向拉桿和一個(gè)可調(diào)節(jié)的拉桿連接頭，將橫向拉桿和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來。當(dāng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向角度發(fā)生變化時(shí)，拉桿連接頭可以調(diào)整橫向拉桿的長度，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。

三、多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如下圖所示：


該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括液壓泵、油箱、壓力控制閥、補(bǔ)償閥、液壓缸、橫向拉桿和拉桿可調(diào)節(jié)連接頭等多個(gè)部件。在該系統(tǒng)中，液壓泵將油液從油箱中抽取，經(jīng)過壓力控制閥的調(diào)節(jié)控制油液的壓力，進(jìn)入液壓缸中，推動(dòng)橫向拉桿并傳遞轉(zhuǎn)向力矩，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。

2.液壓泵的選擇

液壓泵是多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心部件之一，其工作性能直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文采用PBH-BB型+柱塞泵作為液壓泵，該液壓泵具有壓力高、流量大、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足多軸車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作要求。

3.壓力控制閥的設(shè)計(jì)

在多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，壓力控制閥是用于調(diào)節(jié)油液壓力的關(guān)鍵部件。本文選用MPSP壓力控制閥作為控制閥，該閥能夠通過調(diào)整壓力來控制橫向拉桿的轉(zhuǎn)向力矩大小，從而實(shí)現(xiàn)車輛的精確轉(zhuǎn)向。

四、系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性，本文采用Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。在仿真過程中，對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，得到了最優(yōu)的控制效果。

系統(tǒng)仿真結(jié)果如下圖所示：


從仿真結(jié)果中可以看出，多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性能，能夠在多種路面條件下實(shí)現(xiàn)理想的車輛控制效果。

五、車輛轉(zhuǎn)向特性研究

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文對(duì)多種路面條件下車輛的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有優(yōu)越的轉(zhuǎn)向性能，可以提高車輛的操控性、穩(wěn)定性和安全性。

六、結(jié)論

本文通過對(duì)多軸車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用Simulink軟件進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了系統(tǒng)在不同路面條件下的轉(zhuǎn)向特性和控制性能基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，本文得出以下結(jié)論：

1.多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性能，能夠在多種路面條件下實(shí)現(xiàn)理想的車輛控制效果，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.基于橫向拉桿可控的多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提高車輛的操控性、穩(wěn)定性和安全性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)向和彎道行駛有很好的效果。

3.通過對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能和適應(yīng)性，以滿足不同道路和駕駛條件下的要求。

4.盡管本文對(duì)多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了比較深入的研究和分析，但仍有待進(jìn)一步完善和拓展。例如，可以探究系統(tǒng)在復(fù)雜交通環(huán)境下的性能，以及將該系統(tǒng)與其他車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制等5.多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要考慮成本和可行性的問題，需要更加細(xì)致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)方案，以便應(yīng)用于各種汽車類型和品牌。

6.在系統(tǒng)中使用的傳感器、控制算法以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇均會(huì)對(duì)最終的車輛控制效果產(chǎn)生重要影響，因此需要進(jìn)一步探索并優(yōu)化這些參數(shù)。

7.在車輛控制系統(tǒng)中，人機(jī)交互和數(shù)據(jù)交互的問題也需要被充分考慮，在車輛內(nèi)部提供簡單易用的人機(jī)界面，以及與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為車輛駕駛者提供更好的駕駛體驗(yàn)和使用便利性。

8.多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成功開發(fā)和應(yīng)用，需要多學(xué)科領(lǐng)域的專家進(jìn)行合作，從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、電氣部件到實(shí)現(xiàn)方案都需要跨領(lǐng)域的深入研究和合作。

9.最后，本文的研究成果為車輛控制領(lǐng)域提供了新的思路和解決方案，為汽車科技的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)也為未來的深入研究提供了基礎(chǔ)和啟示，為車輛控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了推動(dòng)和方向10.在未來的發(fā)展中，多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用的廣度和深度均有望不斷擴(kuò)展。隨著汽車科技的不斷革新和人們對(duì)于駕駛體驗(yàn)的不斷追求，越來越多的車輛類型和品牌會(huì)采用該系統(tǒng)。

11.在城市交通擁堵問題日益嚴(yán)重的情況下，多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輔助駕駛功能也將更加受到關(guān)注和重視。該系統(tǒng)可以幫助駕駛員更加輕松地駕駛車輛，減少駕駛疲勞，提高行駛安全性。

12.另外，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也將成為自動(dòng)駕駛技術(shù)的重要組成部分。在自動(dòng)駕駛模式下，該系統(tǒng)可以根據(jù)車輛信息和道路狀況，實(shí)現(xiàn)車輛行駛的自主控制，提高自動(dòng)駕駛技術(shù)的精度和可靠性。

13.雖然多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)在某些車輛上得到了廣泛應(yīng)用，但仍然有許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇需要克服和把握。例如，如何減少系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更加穩(wěn)定、高效、耐用等方面的優(yōu)化，都需要進(jìn)一步的研究和深入探討。

14.此外，多軸車輛電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還需要適應(yīng)不同的機(jī)動(dòng)車輛類型和駕駛場景，例如面對(duì)不同的路況、氣候、道路標(biāo)志等情況時(shí)，如何