搅拌车电液转向的匹配及试验研究_武金龙 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言在节能、环保、安全的汽车发展主题下，商用车驾驶过程中的操纵稳定性和燃油经济性得到越来越多的关注。转向系统作为车辆的重保系统，其功能是按照驾驶员的真实意愿实时有效地控制车辆行驶方向，转向系统性能直接影响驾驶舒适性和行驶安全性1-3。目前搅拌车辆转向普遍采用液压助力系统，但其转向助力增益与车速无关的性能逐步成为致命缺点。从驾驶性和安全性方面考虑，搅拌车辆的理想转向性能应为低速时转向轻便，中高速时有适当中心感和力矩梯度4。鉴于搅拌车的载荷较重、转向工况恶劣，如何有针对性地对其转向性能进行设计匹配，是困扰开发人员的难题。本文结合搅拌车的典型行驶工况，从随速助力和回正性能 2个方面有针对性地对搅拌车的转向手力进行调校。1 搅拌车的典型工况搅拌车是一种具有运输和搅拌混凝土双重功能的专用车辆，作业包含停车装料、满载送料、停车卸料及空车返回 4 个循环工况，其主要运输范围为城郊结合部，行驶路况非常恶劣。通过车联网后台大数据统计分析得出，搅拌车的典型行驶工况如图 1 所示，不同速度段占比如图 2 所示，其中原地怠速占比高达 46%。根据典型行驶工况，分析可得搅拌车对转向doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.012搅拌车电液转向的匹配及试验研究武金龙，谢凡（410100 湖南省 长沙市 三一汽车制造有限公司）摘要 以电液转向机的转向特性为研究对象，结合搅拌车的典型行驶工况，从随速助力和回正性能 2 个方面有针对性地对搅拌车的转向手力进行调校，并对转向系统的标定程序从主观和客观试验 2 个方面展开评价。结果表明，电液转向系统能够极大优化司机的转向感觉，提升搅拌车辆的转向性能，具有非常重要的实用价值。关键词 搅拌车；典型工况；电液转向；转向系统 中图分类号 U463.44+2 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)03-0056-04引用格式：武金龙,谢凡.搅拌车电液转向的匹配及试验研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):56-58,64.Research on design and test for mixer vehicle EHPSWU Jinlong,XIE Fan(Sany Automobile Manufacturing Co.,Ltd.,Changsha 410100,Hunan,China)Abstract The steering characteristics of EHPS was researched,combined with typical condition of mixer vehicle,the steering force was adjusted from two aspects of speed-assistance and return ability,the calibration results were evaluated based on subjective and objective tests.The results showed that EHPS could improve steering performance and optimize drivers steering feeling.It has very important practical value.Key words mixer vehicle;typical condition;EHPS(Electro-hydraulic Power Steering);steering system基金项目：三一汽车制造有限公司“专业汽车转向系统试验台架项目”收稿日期：2022-02-19图 1 四桥搅拌车的用户典型行驶工况Fig.1 Mixer vehicle user typical condition90807060 504030201000 500 1 000 1 500 2 000时间/s 车速/(km/h)图 2 不同速度段占比Fig.2 Proportion of different speed segments 原地怠速46%110 km/h6085 km/h1030 km/h3060 km/h57第 61 卷第 3 期系统的性能要求：（1）原地时，搅拌车原地怠速占比高达 46%，满载送料载荷较重、工况恶劣，因此原地转向必须足够轻便，尽量减轻驾驶员的劳动强度；（2）低速段时，送卸料工作过程需要频繁转向且工地空间狭窄，这就要求低速段转向力必须具有良好的灵活性和回正性能；（3）中高速段时，要求车辆具有一定的随速增益，从而尽量降低道路安全风险。2 电液转向机介绍电液转向机结构如图 3 所示，主要由 ECU 控制单元、电机、减速机构、循环球转向器等组成5。其基本工作原理如图 4 所示。驾驶员在车辆行驶过程中转动方向盘时，角度及扭矩传感器将实时探测到的转向角度和扭矩信号无延迟地发送给电液转向机的控制器 ECU 中。与此同时，结合 CAN 通讯中的实时车速信息，依据 EPS 助力曲线中对应的扭矩大小，控制器 ECU 发送实时指令给电机，使其输出对应的转向扭矩助力、转向助力叠加在蜗轮轴上，从而减轻驾驶员的转向手力，产生助力效果，共同实现车辆的实时转向。3 匹配过程转向手力的匹配是通过调整不同车速下的电机助力曲线来实现。转向轴载荷相同的前提下不同车速条件下的转向扭矩不同，车速越高需要的转向扭矩越小，相反车速越低转向扭矩越大，因此需要电液机 EHPS 根据不同车速下方向盘输入不同的角度及扭矩，输出与之对应的助力扭矩。结合 EHPS 的基本工作原理和搅拌车的典型行驶工况特点，搅拌车的转向性能的总体匹配方向是原地转向足够轻便、低速段良好的灵活性和回正性能、高速具有一定的随速增益。现场经多轮匹配，最终确定的 EHPS 随速助力曲线如图 5 所示。图 5 中横轴为扭矩传感器实时探测到的扭矩信号，与转向角成线性正比关系；纵轴为 EHPS 电机提供的助力扭矩。图 5 中的数值越大表明电机提供的助力扭矩越大，相同转向阻力条件下驾驶员的转向手力就越轻。EHPS 回正性能曲线如图 6 所示。图 6 中横轴为方向盘角度信息，纵轴为 EHPS 电机的扭矩信息。4 主观评价及客观测试转向系统匹配完成后，采用主观评价和客观测试 2 种方式6对其进行验证。4.1 主观评价首先选择经验丰富的驾驶员从转向力、转向响应和转向线性3个方面进行主观评价，如表1所示。评价结果如图 7 雷达图所示，具体为：（1）原地转向力较轻；（2）低速段（10 km/h）的回正性能较好，无明显残余角；（3）中速段（30 60 km/h）转向具有一定的力矩梯度，整体比较认可当前转向武金龙 等：搅拌车电液转向的匹配及试验研究图 3 结构图Fig.3 Structure chart减速机构电机 控制单元循环球转向器图 4 工作原理图Fig.4 Working principle整车信号电机转向手力方向盘蜗轮轴液压转向器 转向推拉杆 转向桥ECU控制器图 5 EHPS 随速助力曲线Fig.5 EHPS speed-assistance0 1 2 3 4 5 6 7 8扭矩信息（扭矩传感器检测）7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000助力扭矩信息 由左至右速度依次为 0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 km/h图 6 EHPS 回正性能曲线Fig.6 EHPS return ability60050040030020010000 100 200 300 400 500方向盘角度信息 助力扭矩信息 自上而下速度依次为 0，10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 km/h58农业装备与车辆工程 2023 年手力；（4）车辆直行过程中无明显跑偏，转向过程中转向系统无明显异常（抖动、异响）。整体主观评价得分在 7.5 分左右，转向性能处于优秀水平。4.2 客观评价转向系统经主观评价后，需结合搅拌车典型工况进一步进行客观测试，主要开展原地转向力、低速回正和中高速中间位置的转向力等内容测试。4.2.1 原地怠速转向力测试搅拌车怠速原地转向角度和转向力的结果如图8所示。平均转向力矩2.6 Nm，总体转向力矩较轻，且左右转向力无明显差异，符合搅拌车 46%的长时间原地怠速工况需求。4.2.2 低速回正性测试搅拌车低速回正性能结果如图 9 所示，可见，转向系统具有良好的低速回正性能，车速 8 km/h左右时，方向盘可在 4 s 内回位至中位，残余角 16，回正过程平稳、无粘滞及突变。4.2.3 中间位置转向测试搅拌车典型工况中间位置转向试验方法参考ISO 3674-1-20107和文献 8，不同车速（10，30，50 km/h），侧向加速度为 0g 和 0.1g 时方向盘力矩如表 2 所示。结果表明，随着车速的逐渐提高，方向盘力矩逐渐增加，具有适当的力矩梯度。表 2 转向性能客观评价内容Tab.2 Objective evaluation of steering performance侧向加速度/g方向盘力矩/(Nm)车速 10 km/h车速 30 km/h车速 50 km/h01.41.92.60.12.22.93.8表 2 中，侧向加速度 0 g 代表直线行驶转向盘中间位置的转向力大小，0.1g 代表日常驾驶过程中的常用小角度转向（45）的转向力。图 7 转向性能主观评价雷达图Fig.7 Steering performance subjective evaluation radar chart987654中心位置转向力的建立正常行驶转向力 驻车和低速转向力 转向干扰 转向响应 转向回正性能图 8 原地转向力测试结果Fig.8 Steering force test result-400 -200 0 200 400 600 800角度/()1050-5力矩/(Nm)表 1 转向性能主观评价内容Tab.1 Steering performance subjective evaluation content序号项目评价方式1驻车和低速转向力低速工况时转向力大小，转向力有无突变、抖动、摩擦感。2正常行驶转向力整车行驶时的转向力大小是否适中。3转向力的建立转向力大小随车速和侧向加速度变化的线性程度，是否存在转向力不规则的变化。4中心位置车辆正常行驶，方向盘输入较小角度使之维持车辆行驶方向不变，方向盘中间位置的精准度及力矩死区的大小。5转向回正性能感受车辆在（低、中、高速）3 种速度状态下输入转向操作后转向系统恢复到直线行驶位置的能力，转向回正是否迅速、均匀，是否存在超调。6转向响应转向盘输入小角度（1015）和大角度（3050）时，感受转向响应是否及时和侧向角速度、横摆角速度的响应是否渐进。7转向干扰当路面存在冲击（小凸起）和车辆处于中高侧向加速度工况时，感受在转向盘处造成能够感觉到的方向盘转角和力矩的扭转振动是否剧烈，车辆是否易于控制。图 9 低速回正测试结果Fig.9 Low speed correction test results线性（左转车速）线性（右转车速）1 0008006004002000-200-400-600-8001086420方向盘转角/()0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0时间/s行驶车速/(km/h)左侧残余角 8.1 右侧残余角-16 左转回正角度右转回正角度（下转第 64 页）64农业装备与车辆工程 2023 年2 高翔,张涛.视觉SLAM十四讲M.北京:电子工业出版社,2017.3 CHEN Y,MEDIONI G.Object modelling by registration of multiple range imagesJ.Image and vision computing,1992,10(3):145-155.4 CENSI A.An ICP variant using a point-to-line metricC/2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA 2008),2008.5 LOW K L.Linear least-squares optimization for point-to-plane ICP surface registrationR.Chapel Hill:University of North Carolina,2004.6 SERAFIN J,GRISETTI G.NICP:Dense normal based point cloud registrationC/2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS).IEEE,2015:742-749.7 DESCHAUD J E.IMLS-SLAM:scan-to-model matching based on 3D dataC/2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA).IEEE,2018:2480-2485.8 SEGAL A,HAEHNEL D,THRUN S.Generalized-icpC/Robotics:science and systems.2009,2(4):435.9 BIBER P,STRASSER W.The normal distributions transform:A new approach to laser scan matchingC/Proceedings 2003 IEEE/RSJ 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