商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真_江浩斌

Abstract ： Models of HPS mechanical subsystem，hydraulic subsystem and the 3 － DOF whole vehicle were established，in order to analyze the influence of main parameters of the commercial vehicle HPS on the steering handling performance． Taking the commercial vehicle equipped with GY80 ECHPS as example，the effects of oil supply of HPS and the torsion stiffness on the whole vehicle yaw velocity，lateral acceleration，body roll angle and roll angular velocity caused by the steering wheel step input were analyzed based on MATLAB / Simulink． The simulation results indicate that steering sensitivity can be improved by taking the steady state value of body roll angle and response rate into account and increasing the oil supply of HPS and torsion stiffness properly． But when the oil supply of HPS and torsion stiffness are increased excessively，both the steering stability and ride comfort are degraded． Keywords： Commercial vehicle； Hydraulic power steering system； Oil supply； Torsion stiffness； Handling performance
式中 ： J lg 为转向螺杆的等效转动惯量 ， kg · m ； B lg 为转向螺杆的黏性阻尼系数 ， N · m / （ rad / s ） ； F 为 转向螺杆的轴向工作载荷 ， N； L 为转向螺杆力中心 距 ，m。 2. 1. 3 转向螺母 － 摇臂轴齿扇模型 转向螺母与摇臂轴齿扇之间的运动为齿扇齿条传 ， 动 转向螺母相当于齿条 ，其运动微分方程为 ： ¨ lm + B lm x lm = F + F a － F cs m lm x （ 3） 式中 ： m lm 为转向螺母的质量 ， kg； x lm 为转向螺母的 位移 ，m； B lm 为助力缸的阻尼系数 ， N · s / m； F a 为 液压系统提供的助力 ，N； F cs 为传递到摇臂轴齿扇上 的力 ，N。 2. 1. 4 摇臂轴齿扇 － 摇臂轴输出端模型 运动微分方程为 ： ¨ cs + B cs θ cs = F cs r cs － T P J cs θ （ 4）
车 HPS 系统的优化设计提供理论依据 。
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循环球式 HPS 转向系统结构组成和工作原理
循环球式 HPS 系统结构如图 1 所示 ， 主要包括 转向盘 、转向轴 、循环球式转向器总成 、液压泵 、 转 向车轮等 。
图1
循环球式 HPS 系统结构示意图
中重型商用车 HPS 系统通常采用转阀作为液压
收稿日期： 2012 － 01 － 09 基金项目： 江苏省属高校自然科学研究重大项目 （ 11KJA580001 ） ； 江苏省道路载运工具新技术应用重点实验室开放课题 （ BM2008206003 ） mail： shen871022@ 126. com。 作者简介： 江浩斌，男，博士，教授，博士生导师。通信作者： 史益朋，E-
第3 期
江浩斌 等： 商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真
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控制阀 ，在发动机驱动下 ， 液压泵从储油罐中吸出 液压油向转阀供油 。 汽车直线行驶时 ， 转阀处于中 位 ，此时活塞液压缸两端压力保持平衡 ，油液通过转 阀直接流回储油罐 。当汽车转向时 ，驾驶员给方向盘 输入转向力矩 ，在弹性扭杆作用下 ， 转向轴 （ 阀芯 ） 与螺杆轴 （ 阀套 ） 产生相对夹角 ， 转阀阀口一侧油 路渐开 ，另一侧油路渐闭 ，液压缸两端产生压差 ，从 而推动活塞移动 ，实现助力转向 。
根据薄壁小孔的流量公式 ，有： Qi = Cd Ai 槡 2 Δp i / ρ （ 6） 式中： Q s 为转阀的进油流量 ； Q i （ i = 1 ，2 ，3 ，4 ） 为流经阀口 i 的 流 量； Q L1 、 Q L2 分 别 为 动 力 缸 的 进 、 出油流量 ； A i 为第 i 个阀口的节流面积 ； Δp i 为第 i 个阀口两侧的压力差 ； ρ 为液压油的密度 。 阀芯与阀套的预开间隙结构如图 3 所示 。
2 式中 ： J cs 为齿扇的等效转动惯量 ， kg · m ； θ cs 为齿 扇 的 转 角 ， rad ； B cs 为 齿 扇 的 黏 性 阻 尼 系 数 ， N·m / （ rad / s） ； r cs 为 齿 扇 的 节 圆 半 径 ， m； T P 为 转 向阻力等效到摇臂轴上的力矩 ，N·m。
Modeling for the Hydraulic Power Steering System of Commercial Vehicles and Handling Performance Simulation for the Whole Vehicle
JIANG Haobin，SHI Yipeng，GENG Guoqing，DONG Jiayin （ School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013 ，China）
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外泄漏及油液可压缩性有 ： a / 4 + C i （ p1 － p2 ） Q L1 = Q L2 = πd2 x
机床与液压 表1 仿真模型中的主要参数
第 41 卷
（ 11 ）
江浩斌，史益朋，耿国庆，董家寅
（ 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013 ）
摘要： 为了分析商用车液压助力转向系统 （ HPS） 主要参数对整车转向操纵性能的影响 ， 建立了 HPS 机械子系统、 液 压子系统和整车三自由度转向动力学模型 ， 基于 MATLAB / Simulink 建立 HPS 系统及整车转向操纵性仿真模型 。 以装有 GY80 型液压助力转向器的商用车为例 ，仿真分析 HPS 系统供油量和扭杆刚度对方向盘阶跃输入工况的整车横摆角速度 、 侧向加速度、车身侧倾角和侧倾角速度的影响 。结果表明： 考虑车身侧倾角稳态值以及响应速率等因素 ， 适度增大 HPS 系 统供油量和扭杆刚度可以改善转向灵敏性 ，若过度增大供油量和扭杆刚度 ，则转向行驶稳定性及乘坐舒适性变差 。 关键词： 商用车； 液压助力转向系统； 供油量； 扭杆刚度； 操纵性能 中图分类号： U463. 4 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2013 ） 3 － 102 － 4
近年来 ，随着汽车技术的不断发展 ，汽车上广泛 使用各类助力转向系统 。乘用车负载较小 ，对速度性 能要求较高 ，通常采用齿轮齿条式 EPS 以及 EHPS 转 向系统 ； 而由于前轮载荷较大 、电机功率以及加工工 艺方面的因素制约 ， 商用车通常采用循环球式 HPS 系统提供助力 。目前研究人员针对乘用车齿轮齿条式 电动 助 力 转 向 系 统 （ EPS ） 、 电 控 液 压 转 向 系 统 （ EHPS） 的动态特性已经做了大量的研究［1 － 6］， 而针 对商用车循环球式液压助力转向系统 （ HPS ） 的研究 甚少 ，并且在建模过程中较少考虑转向系统与整车之 ［5 ］ 间的联系 ，主要采用二自由度汽车动力学模型 来分 析整车的转向运动特性 。 文中在建立 HPS 机械子系统和液压子系统数学 模型及整车线性三自由度动力学模型的基础上 ，基于 MATLAB / Simulink 进行整车转向性能仿真 ，对影响车 辆转向性能的 HPS 主要参数进行定量分析 ， 为商用
2. 1
2. 1. 1
HPS 机械子系统模型
转向盘 － 转向螺杆轴模型 ， “转向盘 － 转向轴 ” 的 根据牛顿第二运动定律 运动微分方程为 ： ¨ d + Bc θ d + k2 （ θ d － θ lg ） = T d Js θ （ 1）
{
图2
转阀等效模型工作原理图
Q s = Q1 + Q2 Q1 － Q4 = Q L1 Q3 － Q2 = Q L2 （ 5）
2013 年 2 月 第 41 卷 第 3 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Feb. 2013 Vol. 41 No. 3
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2013. 03. 029
商用车液压助力转向系统建模及整车转向操纵性能仿真
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图3
短切口阀口结构示意图
当 － W 2 / R ≤ θ1 － θ2 ＜ （ W 1 + W 2 ） / R 时 ： A 1 = W 1 L 1 + W 2 L 2 + L 2 R （ θ1 － θ2 ）
（ 7）
当 － （ W 1 + W 2 ） / R ＜ θ1 － θ2 ＜ － W 2 / R 时 ： A 1 = W 1 L 1 + W 2 L 1 + L 1 R （ θ1 － θ2 ） （ 8） 当 － （ W 1 + W 2 ） / R ＜ θ1 － θ2 ≤ W 2 / R 时 ： A 2 = W 1 L 1 + W 2 L 2 － L 2 R （ θ1 － θ2 ） 当 W 2 / R ＜ θ1 － θ2 ＜ （ W 1 + W 2 ） / R 时 ： A 2 = W 1 L 1 + W 2 L 1 － L 12 式中 ： J s 为转向盘 － 转向柱等效转动惯量 ， kg · m ； θ d 为 转 向 盘 转 角 ， rad； B c 为 黏 性 阻 尼 系 数 ， N·m / （ rad / s） ； k2 为 扭 杆 的 刚 度 系 数 ， N · m / rad ； θ lg 为转向螺杆转角 ， rad； T d 为驾驶员作用在转向盘 上的转矩 ，N· m。 2. 1. 2 螺杆轴 － 转向螺母模型 由于转向螺杆 － 转向螺母之间是螺旋传动 ，其运 动微分方程为 ： ¨ lg + B lg θ lg = K （ θ d － θ lg ） － FL J lg θ （ 2）