液壓控制系統(tǒng)分析論文本科論文

液壓控制系統(tǒng)分析論文PAGEPAGE9目錄第一章緒論 11.1研究的目的及意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展及狀況 11.3被測零件分析 31.4量儀技術(shù)要求 41.5機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案 51.6方案原理論證 61.7測控系統(tǒng)概述 61.7.1測控系統(tǒng)功能組成 61.7.2測控系統(tǒng)硬件組成 71.8軟件系統(tǒng)概述 81.8.1測量的基本程序模塊 81.8.2功能模塊分析 91.9測量方式論證 91.10本章小結(jié) 12第二章機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 132.1傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 132.1.1主軸的設(shè)計 132.1.1滾珠絲杠副 142.2直行滑架方案制定 172.3直行滑架傳動部分設(shè)計和計算 182.3.1傳動鏈的選擇 182.3.2計算滑臺重量 182.3.3滾珠絲杠螺旋副的初步計算 182.3.4作用在滾珠絲杠上的最大動負荷 192.3.5計算最大靜載荷 202.3.6滾珠絲杠螺旋副的選型 202.3.7滾珠絲杠副傳動效率計算 212.3.8絲杠軸向剛度驗算 212.3.9壓桿穩(wěn)定性驗算 222.4反應(yīng)式步進電機選用 222.4.1初選電機型號 222.4.2力矩計算 242.4.3步進電機工作頻率范圍計算 252.4.4主要結(jié)構(gòu)尺寸確定 252.4.5滾動導軌設(shè)計計算 262.5本章小結(jié) 27第三章直行滑架測控系統(tǒng)設(shè)計 283.1AT89C52擴展系統(tǒng)單片機的設(shè)計 283.2石英晶體振蕩器 303.3看門狗電路 313.4鍵盤與LED數(shù)顯電路模塊介紹 323.5A/D卡的設(shè)計電路 333.5.1轉(zhuǎn)換芯片的選擇 333.5.2采樣控制方案選擇 343.5.3A/D卡主電路的設(shè)計 343.6附加電路設(shè)計 353.7檢測電路及信號處理 373.7.1位移傳感器的檢測電路 373.7.2光柵尺分頻計數(shù)電路 383.8步進電機控制與驅(qū)動 383.8.1步進電機驅(qū)動電路的選用 383.8.2驅(qū)動電路工作過程 393.9本章小結(jié) 39第四章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 404.1主模塊 404.2中斷模塊 404.2.1報警、急停處理中斷模塊 404.2.2鍵盤、顯示定時掃描管理模塊 404.3程序清單 424.3.1鍵盤、顯示系統(tǒng)主程序 424.4本章小結(jié) 43第五章評價被測零件及誤差補償 445.1公差帶和誤差定義 445.1.1圓度公差帶和圓度誤差的概念 445.1.2圓柱度公差帶和圓柱度誤差的概念 445.1.3同軸度公差帶和同軸度誤差的概念 455.2誤差補償技術(shù) 465.3評價被測零件 475.4本章小結(jié) 48第六章結(jié)論 49致謝 50參考文獻 51第一章緒論1.1研究的目的及意義在工程領(lǐng)域和軍用運輸領(lǐng)域?qū)Υ笮蛙囕v的需求越來越大，并且對其承載量和靈活性提出了更高的要求。因此大型車輛通過增加軸數(shù)提高其承載量，通過引入多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)來提高其靈活性-多軸車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)caj-。如下圖1-1所示為全地面大型起重機，其具有9個橋。大型輪式車輛的轉(zhuǎn)向橋一般都在三橋以上，轉(zhuǎn)向性能直接影響整車的機動靈活性、操縱穩(wěn)定性以及使用經(jīng)濟性，隨著車輛噸位越來越大，車輛的橋數(shù)也越來越多，常用的機械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向，但是其機動靈活性差、模式單一，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計不合理，就會造成不同轉(zhuǎn)向軸上的輪胎轉(zhuǎn)角之間相互影響，導致輪胎非正常磨損，會大幅降低輪胎壽命，且造成整車轉(zhuǎn)向桿系受力增大，轉(zhuǎn)向性能降低，進而影響行駛安全性。圖1-1全地面大型起重機以往的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)嚴重制約了大型輪式車輛的發(fā)展，加之國家標準對車輛技術(shù)性能、車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量等進行了嚴格規(guī)定，與舊標準相比，對車輛軸荷的限制提高了，而大型輪式底盤自重或載重量的不斷增加，只能增加橋數(shù)以符合國家標準的規(guī)定，而多數(shù)大型輪式車輛均工作在礦山、油田、工程建設(shè)或者山區(qū)等條件極其惡劣的施工現(xiàn)場，使得大型輪式底盤必須具有轉(zhuǎn)向靈敏、轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向模式多樣和通過性強等優(yōu)良性能，而我國在這方面起步較晚，由于大型輪式車輛的多橋轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用在很多軍事裝備如大型導彈運輸車和發(fā)射平臺上，國外一直對我國進行技術(shù)封鎖，所以研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的且性能優(yōu)良的大型輪式車輛底盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已刻不容緩【1】。1.2國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀1.2.1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述車輛在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂車輛轉(zhuǎn)向，而輪式車輛轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)機構(gòu)使車輛轉(zhuǎn)向橋上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對于車輛縱軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度。在車輛直線行駛時，往往轉(zhuǎn)向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時駕駛員也可以利用這套機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使車輛恢復原來的行駛方向，這一套用來改變或恢復車輛行駛方向的專設(shè)機構(gòu)稱為車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著工程車輛對工作效率、操縱輕便、安全舒適、節(jié)能環(huán)保和可靠耐用等方面的要求越來越高，且由于現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出許多種如機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控電動式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。1、機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：采用轉(zhuǎn)向拉桿機構(gòu)實現(xiàn)各輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系。中連接前后橋轉(zhuǎn)向裝置之間的機構(gòu)型式有搖臂式、凸輪式、齒輪式等，在大型輪式車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中常采用轉(zhuǎn)向搖臂加轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠，傳動效率高，造價低廉。缺點：占用空間大，布置復雜，轉(zhuǎn)向阻力很大。應(yīng)用領(lǐng)域：轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上。2、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：借助于汽車發(fā)動機的動力驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動動力轉(zhuǎn)向缸產(chǎn)生液壓作用力，增大駕駛員操縱轉(zhuǎn)向力，可使駕駛員輕便靈活的實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，減輕勞動強度，提高行駛安全性。優(yōu)點：系統(tǒng)布置方便、操縱輕便靈活。缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復雜，液壓泵需隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)，增大了燃油的消耗應(yīng)用領(lǐng)域：部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛。3、電控電動式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：是指采用電子控制、電動助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由控制器、傳感器、步進電機、減速機與后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)等組成。優(yōu)點：控制簡單、響應(yīng)快，可根據(jù)需要調(diào)控電流值來改變力矩，從而方便的改善助力程度和路感，零件少、重量輕、安裝緊湊、工作可靠，低溫工作性能優(yōu)良，更環(huán)保。缺點：電動機的性能決定控制系統(tǒng)的性能，與電動助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配將影響到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩特性、轉(zhuǎn)向路感等問題，而且電機驅(qū)動力小，重型車輛應(yīng)用時驅(qū)動力不夠。應(yīng)用領(lǐng)域：已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還會逐步擴大。4、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：主要由控制器、傳感器、液壓控制閥、助力液壓缸等組成。常見的電控液壓式系統(tǒng)中，首先從液壓泵出來的高壓油經(jīng)過流量分配進入各液壓控制閥，如電磁換向閥、比例閥、液控單向閥等，控制器接收到相應(yīng)的轉(zhuǎn)角信號即對轉(zhuǎn)向橋進行控制，控制器輸出相應(yīng)指令給比例閥，油液經(jīng)過控制閥后進入轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向助力缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，控制器通過轉(zhuǎn)角傳感器檢測轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角并與指令轉(zhuǎn)角比較，進行閉環(huán)控制最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)向橋的精確轉(zhuǎn)向，根據(jù)液壓控制閥中主要控制元件的類型可分為比例轉(zhuǎn)向和伺服轉(zhuǎn)向。比例轉(zhuǎn)向使用比例閥進行控制，一般比例閥具有零位死區(qū)且頻響不高，使得動態(tài)轉(zhuǎn)向精度不高；而伺服轉(zhuǎn)向使用伺服比例閥或伺服閥進行控制，無零位死區(qū)且頻響較高，最終可實現(xiàn)較高的動態(tài)轉(zhuǎn)向精度。優(yōu)點：轉(zhuǎn)向精度高，驅(qū)動力大。缺點：效率低、耗能大、成本高。應(yīng)用領(lǐng)域：大型工程車輛如全地面汽車起重機、重型越野車輛和軍用車輛如導彈運輸車等特別適用，其應(yīng)用范圍較廣泛。還有一些電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將液壓助力泵由電機驅(qū)動，取代了傳統(tǒng)液壓助力泵由發(fā)動機驅(qū)動的方式。電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)的控制策略通過控制電磁閥，使得動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著車速的變化而變化，在汽車大轉(zhuǎn)角或低速行駛時，轉(zhuǎn)向輕便，在中、高速行駛時，能獲得一定手感的轉(zhuǎn)向力，能較好的兼顧低速轉(zhuǎn)向的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時的路感。1.2.2電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相關(guān)研究現(xiàn)狀由于汽車不同速度行駛時對助力特性的要求不同，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很難做到這一點，而隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合行成了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅在小型車上有廣泛使用，在大型輪式車輛上應(yīng)用也相當廣泛，由于大型輪式車輛轉(zhuǎn)向阻力很大，用機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者電控電動式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均不能很好的滿足要求，故電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是大型輪式車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的首選。德國薩爾蘭德大學設(shè)計了一種新型的電液控制閉中心助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩個閉中心的比例閥對轉(zhuǎn)向助力缸進行控制，且油源結(jié)合蓄能器能實現(xiàn)較高的供油效率，建立了系統(tǒng)主要元件的數(shù)學模型并分析了參數(shù)對閉環(huán)動態(tài)特性的影響且進行了優(yōu)化，閉環(huán)控制器具有級聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)向助力的閉環(huán)控制而外環(huán)為轉(zhuǎn)向力矩的閉環(huán)控制，經(jīng)過在不同車速上大量的臺架試驗和實車試驗，該控制策略可使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很好的性能。2005年后國內(nèi)對電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究才開始逐漸增多，并有望向可以應(yīng)用的成熟產(chǎn)品邁進，大部分是將電動機替代發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，將電動機參與控制實現(xiàn)電液控制轉(zhuǎn)向，但對大型輪式車輛而言，由于轉(zhuǎn)向阻力很大，這種用電動機參與的電液控制很難滿足力矩要求，還是只能用發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，而控制部分采用電控，不僅可以實現(xiàn)大型輪式車輛的靈活轉(zhuǎn)向，也可以滿足其助力要求，故這種電液控制方式較適合大型輪式車輛。1.3本章小結(jié)本章主要闡述了對車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的進行研究的目的和意義，分析了目前幾種比較成熟的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點和應(yīng)用領(lǐng)域，并且簡單的介紹了目前國內(nèi)外對電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究。第二章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能對于大型輪式車輛而言，由于其轉(zhuǎn)向時負載阻力矩很大，采用電動機驅(qū)動的電動液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較難達到所需要的轉(zhuǎn)向助力又由于大型輪式車輛一般需有多種轉(zhuǎn)向模式且有時需要模式切換，采用一般的機械式液壓助力轉(zhuǎn)向的方式很難有效的實現(xiàn)各種轉(zhuǎn)向模式的切換，所以大型輪式車輛只能采用電控的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前見于文獻與產(chǎn)品的類似系統(tǒng)均采用比例閥來實現(xiàn)電液控制轉(zhuǎn)向，而比例閥的頻響較低、死區(qū)與滯環(huán)性能不高，限制了電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的提高，那么有必要對采用伺服比例閥或者伺服閥的電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行研究。2.2單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于大型輪式車輛而言，既要保證行駛的安全性，又要保證行駛的靈活性，一般這種大型輪式車輛均為多橋結(jié)構(gòu)，且前橋大多采用機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以盡可能保證行駛的安全性、后橋采用電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以盡可能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性。為了使大型輪式車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向靈活，單橋的靈活轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)整車靈活轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)，只要單橋能按照要求準確可靠的轉(zhuǎn)向，整車即可以實現(xiàn)各轉(zhuǎn)向功能與模式，所以單橋的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵，在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，需對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構(gòu)有所了解，且對轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的運動學與動力學分析也是進行控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。2.3單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖2-1雙轉(zhuǎn)向助力梯形機構(gòu)實物圖對于大型輪式車輛而言，為了保證左右側(cè)輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，一般采用轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)進行約束，且應(yīng)用轉(zhuǎn)向助力缸驅(qū)動轉(zhuǎn)向梯形并帶動輪胎轉(zhuǎn)向，如圖2-1所示是雙轉(zhuǎn)向助力梯形機構(gòu)實物圖。左右側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角主要是通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫向拉桿和輪轂等連接件來約束左右側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角關(guān)系，而液壓助力形式是用兩個轉(zhuǎn)向助力缸進行驅(qū)動，這與電動液壓助力轉(zhuǎn)向的齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機構(gòu)或是單轉(zhuǎn)向助力缸的轉(zhuǎn)向助力機構(gòu)都是不同的，這種雙轉(zhuǎn)向助力梯形機構(gòu)具有更大力，因此廣泛應(yīng)用在大型工程車輛上。2.4電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.4.1單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部分原理在了解轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部分原理如圖2-2所示，伺服轉(zhuǎn)向、電液鎖定和應(yīng)急手動功能介紹如下：1伺服比例閥2電磁換向閥3電磁換向球閥4、5液控單向閥6、7溢流閥8、9轉(zhuǎn)向助力缸10轉(zhuǎn)角傳感器圖2-2單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖1、伺服轉(zhuǎn)向功能：當需要跟蹤前橋進行伺服轉(zhuǎn)向時，電磁換向閥2和3均處在常位，此時高壓油控制液控單向閥4和5處于液控開的狀態(tài)，此時伺服比例閥可以控制進入轉(zhuǎn)向助力缸的油液使轉(zhuǎn)向助力缸運動，轉(zhuǎn)角傳感器10檢測到轉(zhuǎn)角信號并與指令轉(zhuǎn)角信號比較，并依此偏差信號對伺服比例閥進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，最終控制輪胎轉(zhuǎn)到所需位置；2、電液鎖定功能：當需要轉(zhuǎn)向橋電液鎖定時，如在后橋不轉(zhuǎn)向鎖定模式即需要將轉(zhuǎn)向橋鎖定，此時使電磁換向閥3從失電變?yōu)榈秒姞顟B(tài)，使液控單向閥工作，同時將伺服比例閥1回復到失效O型位，則此時液控單向閥即可將轉(zhuǎn)向橋鎖定在所需位置；3、應(yīng)急手動功能：針對大型工程車輛（以某7橋車輛為例），當轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中伺服比例閥或電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，后四橋的輪胎可能偏離中間位置，為了使其回到中間位置并電液鎖定使大型輪式車輛可以依靠前三橋機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行駛到安全地帶或維修站，而不至于停在原地，此時先將伺服比例閥斷電使其處于失效O型位，且電磁閥3處于失電位，可以用隨車配套的手動控制盒對電磁換向閥2進行控制，來微調(diào)輪胎的轉(zhuǎn)向角度，直到調(diào)整到所需位置，這一功能對大型輪式車輛的使用者而言是非常重要的，可以大大提高車輛的機動靈活性；4、另外電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的溢流閥6和7作為安全閥用，保護轉(zhuǎn)向助力缸不受高壓沖擊的損害。2.4.2電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控系統(tǒng)為了實現(xiàn)輪胎的精確轉(zhuǎn)向，需設(shè)計合適的電控系統(tǒng)，電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制框圖如圖2-3所示，電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)角傳感器、PLC控制器、單橋伺服轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)、動力油源、車速傳感器等構(gòu)成。圖2-3電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制框圖PLC將計算好的目標轉(zhuǎn)角信號輸出給伺服轉(zhuǎn)向控制器，同時伺服轉(zhuǎn)向控制器也接受到橋的實際轉(zhuǎn)角，目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角信號比較，控制伺服比例閥動作，高壓油液進入轉(zhuǎn)向助力缸驅(qū)動轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)帶動輪胎轉(zhuǎn)動，直到實際轉(zhuǎn)角與目標轉(zhuǎn)角一致，形成轉(zhuǎn)向角度的閉環(huán)控制，這個調(diào)整過程是動態(tài)進行的；橋的轉(zhuǎn)角信號也一并傳送給PLC實現(xiàn)監(jiān)控，由于伺服轉(zhuǎn)向控制器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制速度是很快的，且誤差應(yīng)在所要求范圍之內(nèi)，當PLC檢測到的橋?qū)嶋H轉(zhuǎn)角信號與目標轉(zhuǎn)角信號之差超出一定數(shù)值時，即電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能存在故障，此時提示司機減速停車以排查故障，可增大電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能以及單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且對廣泛應(yīng)用在大型工程車輛的雙轉(zhuǎn)向助力梯形機構(gòu)進行了簡單的分析，對電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)原理及控制框圖的設(shè)計進行了介紹。第三章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學建模與分析3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)建模與分析對于多橋大型重汽而言，各橋的轉(zhuǎn)向機構(gòu)是基本一致的，僅是由于轉(zhuǎn)角關(guān)系的區(qū)別存在轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)前置與后置之分或各幾何尺寸略有區(qū)別，此處轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的單橋為例進行分析，轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行相應(yīng)簡化運動學與動力學分析。3.1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動學分析整車轉(zhuǎn)向最理想的工況是能夠保證所有的輪胎都是依據(jù)轉(zhuǎn)向瞬心的阿克曼定理進行轉(zhuǎn)向，保證所有輪胎都處在純滾動工況，使輪胎不會處在側(cè)滑等磨損工況，但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般并非是對每個輪胎進行單獨控制，一般單橋的左右兩側(cè)輪胎靠轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行約束連接，故很難保證左右兩側(cè)均能滿足阿克曼定理，本文由于轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計（采用角度傳感器），其誤差是很小的，可以忽略。3.1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學分析由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，左右側(cè)輪胎連同各自的輪轂和轉(zhuǎn)向節(jié)均繞主銷轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向節(jié)臂又與轉(zhuǎn)向節(jié)固結(jié)，橫向拉桿連接兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，若不考慮各機械元件間的間隙，可以看出對轉(zhuǎn)向而言單軸的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅有一個自由度。轉(zhuǎn)向機構(gòu)的運動可以簡化成三部分：一是左側(cè)輪胎、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞左側(cè)主銷的轉(zhuǎn)動；二是右側(cè)輪胎、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞右側(cè)主銷的轉(zhuǎn)動；三是中間的橫向拉桿的運動且此運動可看做是平面運動。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學高度的非線性，且系統(tǒng)上的廣義力應(yīng)主要包括轉(zhuǎn)向助力缸的液壓驅(qū)動力和路面施加給輪胎的阻力。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行線性簡化為單自由度的二階微分方程，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終要實現(xiàn)閉環(huán)控制，即要控制轉(zhuǎn)向助力缸的液壓力丘和兵，動力學部分也是整個控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，為了考慮這個動力學環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，將其分解為如（3-1）（3-2）（3-3）、分別為左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的力；、分別為左右兩側(cè)輪胎所受到地面的阻力矩；為轉(zhuǎn)向機構(gòu)等效轉(zhuǎn)動慣量；為轉(zhuǎn)向機構(gòu)等效阻尼；為轉(zhuǎn)向機構(gòu)等效剛度。固有頻率和阻尼比可以看出，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，頻率一般比較低，對于阻尼比而言，由于系統(tǒng)中僅考慮了左右兩側(cè)輪轉(zhuǎn)向節(jié)等機構(gòu)繞主銷轉(zhuǎn)動處的阻尼，如果阻尼比很小，系統(tǒng)閉環(huán)控制時就極易振蕩，而實際系統(tǒng)中各處的機械連接部分都是有阻尼的。3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)建模與分析由圖2-3所示的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框圖而言，為了建立電液控制系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)學模型，可建立如圖3-1所示的系統(tǒng)簡化控制框圖。圖3-1電液伺服轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)簡化控制框圖3.2.1伺服比例閥電液位置伺服系統(tǒng)中可采用伺服閥、比例閥或者伺服比例閥作為液壓控制元件。伺服閥根據(jù)其液壓放大器的不同，主要分為噴嘴擋板式伺服閥和射流管式伺服閥。伺服閥具有體積小、功率放大率高、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但它功率損失大、對油液過濾要求高、制造和維護費用高使之在工業(yè)上難以大范圍使用。由于比例閥固有的死區(qū)特性，它不能很好的用于常運行于零位附近的位置閉環(huán)控制。隨著液壓工業(yè)的發(fā)展，在吸取比例閥與伺服閥兩者的優(yōu)勢后，伺服比例閥(高頻響閥)得到了廣泛的認可?？刂频挠^點看，伺服比例閥是一個頗為復雜的閉環(huán)系統(tǒng)，盡管通過分析并經(jīng)過適當簡化后的伺服比例閥傳遞函數(shù)可能高于二階，但從實測的伺服比例閥動態(tài)特性曲線伯德圖得出起主導作用的是一對復數(shù)極點，則將伺服比例閥的傳遞函數(shù)簡化為一個二階振蕩環(huán)節(jié)不僅合理且能滿足模型精度要求，故可列伺服比例閥傳遞函數(shù)如下：（3-4）為伺服比例閥增益；為伺服比例閥的固有頻率；為伺服比例閥的阻尼比。由于系統(tǒng)所使用的伺服比例閥為零開口的四邊滑閥，且閥的窗口是匹配和對稱的，回油壓力較小忽略不計，假定閥節(jié)流口流量系數(shù)相等、假定各節(jié)流窗口處的面積梯度相等。式中：（3-5）（3-6）為伺服比例閥各節(jié)流口的流量系數(shù)；為伺服比例閥各節(jié)流窗口的面積梯度；為伺服比例閥的開口量，向左移為正方向即向平行位方向移動為正方向；為液壓油密度；為伺服比例閥P口的進油壓力；為伺服比例閥A口的工作壓力；為伺服比例閥B口的工作壓力；1為流入兩轉(zhuǎn)向助力缸的流量；2流出兩轉(zhuǎn)向助力缸的流量。3.2.2流量連續(xù)性方程對于伺服比例閥A、B口處的流量方程如下：（3-7）（3-8）式中：為伺服比例閥A口流向左右兩側(cè)管路的流量；為左右兩側(cè)管路流向伺服比例閥B口的流量；為伺服比例閥A口流向左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔的流量；為伺服比例閥A口流向右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔的流量；為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔流向伺服比例閥B口的流量；為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔流向伺服比例閥B口的流量。而對轉(zhuǎn)向助力缸部分，建立流量的連續(xù)性方程如下：（3-9）（式中：、分別為左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸活塞的位移，向左移為正；為由連接管路進入左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔的流量；為由連接管路進入右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔的流量；為由左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔進入連接管路的流量；為由右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔進入連接管路的流量；、分別為轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔和有桿腔的面積；為轉(zhuǎn)向助力缸內(nèi)泄漏系數(shù)；為轉(zhuǎn)向助力缸外泄漏系數(shù)；、分別為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔和有桿腔壓力；、分別為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔和有桿腔壓力；、分別為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔和有桿腔容積；、分別為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無桿腔和有桿腔容積。3.2.3控制策略建模被控對象的不同，控制策略可以有很多種，而工程上大多采用PID控制方式，一般情況下可以基本滿足被控對象的控制要求，PID的基本模型如下：（3-10）（3-11）式中：為目標轉(zhuǎn)角；為實際轉(zhuǎn)角；為目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角之差；為偏差信號經(jīng)過校正后所得控制信號；、、分別比例增益、積分增益和微分增益。式為目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差值方程，它下面的式為目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差信號經(jīng)過相應(yīng)的控制策略如PID進行校正后，所得信號與偏差信號的頻域關(guān)系。3.3本章小結(jié)本章主要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學進行了分析，對控制系統(tǒng)進行了控制框圖簡化以及部分數(shù)學建模與分析。第四章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析從圖3-1可以看出此模型依然具有很強的非線性，很難進行明確的理論分析，為了應(yīng)用線性控制理論進行分析，需要對上述模型再次進行簡化與線性化處理。并且對閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸性能分析4.1液壓控制系統(tǒng)簡化在對電液伺服轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)數(shù)學模型進行性能分析之前，需要進行相關(guān)的假設(shè)，以使模型的主要因素凸顯，忽略次要因素，進而用線性控制理論分析主要特性，各種次要因素可以在后續(xù)仿真建模分析中加以考慮，將系統(tǒng)相應(yīng)參量和模型進行適當簡化如下：1、液壓能源是理想的恒壓源，即供油壓力Ps為常數(shù)，且假設(shè)回油壓力為零；2、伺服比例閥與轉(zhuǎn)向助力缸之間的連接管路忽略，由于管路的模型較復雜，納入頻率模型分析后極其復雜，由于本文研究的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的伺服比例閥與轉(zhuǎn)向助力缸間的管路較短僅約為1m，其影響是次要因素，故先將其簡化進行分析；3、當進行動態(tài)分析時，需要考慮到泄漏和油液壓縮性的影響，而由于液壓缸外泄漏和壓縮性的影響，使流入轉(zhuǎn)向助力缸的流量和流出轉(zhuǎn)向助力缸的流量不相等，但為了簡化分析有下公式：（4-1）（4-2）將式(4-1)和(4-2)代入(3-5)或(3-6)，則有伺服比例閥的理想零開口四邊滑閥的流量-壓力方程如下：（4-3）對上式在零位進行線性化處理并拉普拉斯變換可得：（4-4）式中：、、分別為、、的拉式變換；為伺服比例閥的流量增益；為伺服比例閥的流量壓力系數(shù)。聯(lián)合公式，經(jīng)過求導和拉普拉斯變換可以得到：（4-5）（4-6）式中：、分別為、的拉式變換；為轉(zhuǎn)向助力缸的總泄漏系數(shù)。上述簡化分析即可得出負載流量、負載壓力與左右側(cè)轉(zhuǎn)向力缸的位移和的簡化拉式變換關(guān)系式。4.2傳遞函數(shù)簡化及分析對電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸的簡化模型即式可畫出框圖如圖4．21所示。對于簡化模型框圖做如下分析處理：1、對上圖所示的閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸頻域框圖，消除中間變量，求得閥芯輸入位移和轉(zhuǎn)向阻力矩同時作用時輪胎的轉(zhuǎn)向角度；2、對于伺服比例閥控制雙轉(zhuǎn)向助力缸的系統(tǒng)而言，由于控制閥采用的伺服比例閥零位的流量壓力系數(shù)比較小，且助力缸的內(nèi)外泄露也比較小，所以總流量壓力系數(shù)很小，雖然轉(zhuǎn)向機構(gòu)有一定的粘性阻尼力，但相乘后數(shù)量級仍然很小，也就是說由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)粘性阻尼力引起的泄漏流量而產(chǎn)生的輪胎轉(zhuǎn)動角速度一般是很小的可以忽略不計；3、把系統(tǒng)分解為典型環(huán)節(jié)后，再將傳遞函數(shù)簡化成一階慣性環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)后，轉(zhuǎn)化為標準的公式。標準的公式：（4-7）為液壓系統(tǒng)泄漏的總壓力增益；為一階慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；為一階慣性環(huán)節(jié)的微分頻率。對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效剛度和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度而言，當它們的關(guān)系滿足或者兩種特殊情況時，可以對公式進行相應(yīng)的簡化，討論如下：(1)的情況當出現(xiàn)時，也就是說液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度相對于轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分的等效剛度而言是很小的，轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分的等效剛度起主導作用，則有如下近似：（4-8）(2)的情況當出現(xiàn)，也就是說轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分的等效剛度相對于液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度而言是很小的，液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度起主導作用，則有如下近似：（4