汽车循环球式液压助力转向装置优化设计_仙阿曼.pdf

液压气动与密封年第期 汽车循环球式液压助力转向装置优化设计仙阿曼（咸阳职业技术学院 汽车工程学院，陕西 西安）摘 要：汽车循环球式液压助力转向装置是确保汽车行驶系统性能和安全的重要部件，针对循环球式液压助力转向装置的稳定性控制，在循环球式液压助力转向装置的系统结构基础上，对其转向灵敏度特性和回正特性进行分析，通过对循环球式液压助力转向装置进行参数优化配置，采用动态规划算法进行稳定性控制，最后在构建的模拟循环球式液压助力转向器实验环境中验证优化设计方法的可靠性和稳定性，实验结果表明，所采用的优化设计方法能够提高该装置的稳定性和可靠性。关键词：循环球式液压助力转向；稳定性；转向灵敏度特性；回正特性；动态规划中图分类号：文献标志码：文章编号：（）o o oo o （oo o o oo o，）：oo o o oo o o o oo oo o o ，o o o ，o oo o o o ，oo o oo ，o oo o o o o oo o o o ：o；o收稿日期：基金项目：咸阳职业技术学院 年度科研基金项目（）作者简介：仙阿曼（），女，陕西咸阳人，讲师，硕士，主要研究方向为汽车检测与维修技术。引言随着汽车工业技术的快速发展，对汽车转向操控的稳定性要求也逐步提高，循环球式液压助力转向装置能够确保汽车在复杂工况下的转向稳定性控制要求。循环球式液压助力转向装置在接收到驾驶员转向需求信号后，通过判断车速、转向角、液压泵压力等信息进行逻辑判断后，驱动转向器执行转向动作。由此，针对汽车转向的稳定性操控，需要对循环球式液压助力转向装置进行优化设计，无论是从结构优化设计还是针对装置的各项参数进行优化配置，亦或是对循环球式液压助力装置转向性能进行算法优化都取得了一定的成果，其中，文献利用建模语言 o，在仿真软件 o 环境下建立了详细的转向器机械子系统模型和液压子系统模型，并将所建模型与该车转向系统其余部分模型相结合，构造出完整的液压助力转向系统模型，通过参数的优化配置实现车辆的稳定运行；文献利用等效作用力矩方法对循环球式液压助力转向系统的转向灵敏性进行分析，对性能参数进行优化，从而提高循环球式的转向性能。本文针对汽车循环球式液压转向装置的稳定性控制，在其整体的系统结构基础上，分析了其转向灵敏度特性和回正特性，对相应的参数进行了优化，采用动态规划算法进行稳定性控制，在设计的实验环境中验证了优化设计方法的可靠性和准确性。液压助力转向装置系统结构汽车转向器装置的结构形式多样化且复杂，有循环球式、蜗轮蜗杆式以及齿轮齿条式结构等，其中，循环球式液压助力转向装置具有结构简单且旋转更为灵活的特点，其主要由转向螺杆、控制阀、液压缸体、液压泵、转向摇臂、转向螺母等部件构成，循环球式液压 o助力转向装置能够高效的利用液压泵、阀体的可控性来稳定的输出助力力矩，从而实现汽车的液压助力，保证汽车在不同的工况下能够具有稳定可靠的操控性，汽车循环球式液压助力转向装置系统结构如图 所示。图 循环球式液压助力转向装置系统结构汽车转向性能的重要评价指标是转向灵敏度和回正特性，转向灵敏度是指在汽车高低速运行中需要转向的过程中驾驶员能够灵敏的转向，循环球式液压助力转向就是在车辆转向过程中，负载端压力不断变化时，液压助力会在合适的阶段介入，提高转向的力矩，减少输出端的阻力，从而提高其转向灵敏度，从图 中可以看出，随着时间的推移，在时间节点 时，输出端的阻力达到最大，液压助力装置输出的力矩也达到最大 并保持一段时间以提高转向的灵敏度。图 特性分析回正特性就是回正力矩传递到转向系统输入端使其自动回至中间位置的能力，其主要与转角、车速以及车轮与地面摩擦力相关，循环球式液压助力转向装置能够充分的利用其自身的结构设计特性，快速地将回正力矩输出到转向系统进行回正。当注入一个输出力矩差为 的载荷，其端到端极限位置转至中间位置的所用时间应该是，之间的最小值，在后期的优化设计过程中需要考虑将不同区间的输出力矩差进行差分插入，对回正区间的所用时间进行滤波处理。参数优化配置液压助力转向装置是一个非常复杂且多变的控制系统，装置内部组件多且耦合严重，要实现稳定的液压助力转向需要对不同的控制参数进行优化。参数优化配置是确保循环球式液压助力转向装置稳定性控制的重要环节，对扭转刚度、阻尼系数、力矩调节系数等参数进行优化能够准确的判断相关的性能参数对装置功能特性的影响。首先，将各个传感器采集到的液压压力信号、电信号、阀体开度信号、开关信号等进行有效性的判断，有效性判断需要在初次信号更新后进行判断，出现信号的突变或者超范围或者合理性故障，需要保持之前的更新周期或者将其替换，替换的原则根据相关部件的功能特性，将有效的信号进行信号滤波。其中，对信号滤波的有效时间间隔和滤波采样的时间设置成可配置量。将外部干扰信号进行归类，对干扰信号进行抑制后，随后进行参数的优化配置，根据液压助力转向装置的动态特性分析结果，剔除影响转向灵敏度和回正特性的参数值，选取正向配置后的参数进行稳定性目标函数的最优化求解，最后通过稳定性控制算法将最优的求解路径输出后进行算法优化，参数优化后获取的目标最优解输出到液压助力的电控单元中进行液压助力的力矩输出，驱动调节阀和液压泵，从而实现循环球式液压助力转向装置的稳定性控制。图 参数优化配置 稳定性控制在传感器获取到循环球式液压助力装置系统的相关信息后，需要对相关的信息进行滤波，将有效性为有效的信号输出到参数配置模块中进行参数的优化配置，随后将优化配置后的参数进行最优化求解。本文液压气动与密封年第期采用动态规划算法作为其稳定性控制的核心算法，动态规划的实质就是将最优求解分阶段进行目标函数的最优解。利用动态规划算法可以在有序的控制步骤中将稳定性控制目标进行分解，最后通过最优化求解目标函数，实现对液压泵、阀体以及转向器等执行器件的最优化控制，继而提升汽车的液压助力转向性能。图 动态规划算法本文的稳定性控制目标就是实现液压助力转向装置在不同的工况下能够稳定地输出力矩，减少负载间的摩擦，将转向的助力达到目标力矩。汽车循环球式液压助力稳定性控制采用模块化控制，分为参数配置、动态规划以及最优路径求解模块，其中，参数配置模块负责将相关控制参数优化，配置好相应的数值或者阈值，然后将其输出到动态规划模块和最优路径模块进行目标的最优化求解；动态规划模块采用动态规划算法对目标函数进行快速的分解后求解，其将最优解输出到最优路径和参数配置模块，当解集空间的解无法满足最优目标，反馈参数给参数配置模块重新进行优化配置；最优路径模块是在动态规划模块输出的解集中通过仲裁得出最优化的稳定控制路径。在稳定性控制的过程中，也需要抑制动态规划过程中求解的界限条件，比如，液压泵输出的力矩需要在最小输出力矩和最大输出力矩之间，输出功率在最小输出功率和最大输出功率之间，将所有的抑制条件和配置参数配置好后进行动态规划最优求解，整体的稳定性控制结构如图 所示。（）式中，分别表示液压泵输出力矩、输出最大力矩、最小力矩；，分别表示输出功率、输出最大功率以及输出最小功率。实验分析为了验证循环球式液压助力装置的优化设计方法的可靠性和准确性，建立了基于汽车循环球式液压助力转向模拟装置的硬件在环实验环境，硬件在环实验环境主要由循环球式液压助力主体设备、任意波形发生器、示波器、滑动变阻器、稳压电源、数据采集模块以及上位机组成，其中任意波形发生器可以输出不同类型、不同占空比和频率的来模拟相关的工况，输出控制信息到循环球式液压助力系统控制柜中，随后驱动相关的执行器件动作，信息采集模块负责采集各个部件的输入输出信号，最终输出到上位机中。如图 所示。其中，信号发生器负责注入不同的工况模拟信号，信号采集器负责采集设备的相关信息，实验结果如图 所示。图 动态规划稳定性控制图 循环球式液压助力转向实验环境图 输出力矩实验结果从图 可以看出，先给定一个初始启动的电信号，利用变阻器模拟负载端的摩擦力，在负载摩擦力较为小且稳定的初期阶段，输出力矩一直能够提供较为稳定的输出结果，随后，循环球式液压助力转向装置一直处于较为平稳的力矩输出状态，而后将方向机的转角增大，液压泵的液力注入也随之增加，输出的力矩也能够很好的响应液压助力的需求。当在 时，突然的注入高负载时，输出力矩也能够快速的响应其助力需求，由此可见，循环球式液压助力装置的稳定性控制较为可靠。o 结束语汽车循环球式液压助力转向装置是汽车稳定转向操控性能的关键，本文针对装置的稳定性问题，通过对循环球式液压助力转向装置进行参数优化配置，采用动态规划算法进行稳定性控制，最后在构建的硬件在环实验环境中验证了优化设计方法的可靠性和准确性。参考文献 姚一珂，杨世文，岳喜凯 基于 的汽车液压限位卸载转向系统的设计及仿真 液压气动与密封，（）：王立，段慧琪，崔富华，等 商用车循环球液压助力转向器手力特性曲线调试案例分析 新技术新工艺，（）：莫以为，孙洋洋，黄伟 循环球式液压助力转向系统建模仿真分析 机床与液压，（）：，苗立东，夏长高，高翔 循环球式液压助力转向系统分析 江苏大学学报（自然科学版），（）：胡林，唐岚，李亚，等 液压助力转向器性能台架试验设计与验证 农业装备与车辆工程，（）：刘帆 汽车循环球式转向器动力特性分析与检测设备开发 杭州：杭州电子科技大学，刘荣，童亮，马彬，等 复合电源系统能量管理实验研究 实验技术与管理，（）：龚进，陈保卫，龚俊，等 基于动态规划的挖掘机混合动力系统优化与试验 机械设计与研究，（）：刘大龙 基于动态规划的冗余机械臂液压驱动系统能量优化 中国工程机械学报，（）：，引用本文：仙阿曼 汽车循环球式液压助力转向装置优化设计 液压气动与密封，（）：o o oo o ，（）：（上接第 页）执行机构的位移特征，从图 可以看出吗，在实验的初始阶段，位移一直在增加，随着加载的阶跃扰动信号，开始出现位移突变，随着 控制器的介入，在实验的后阶段，整个悬挂缸的位移在线性增加，稳定性得到了提升，系统的响应也非常迅速，没有出现超调的现象。结束语车辆液压悬挂系统是一个时变非线性的综合电控系统，面对强耦合大负载的机械特性，其稳定性的协调控制变得非常重要。本文在车辆液压悬挂系统的结构基础上，通过对其进行动力学分析，设计动态控制节点状态观测器，利用 控制器作为液压悬挂系统的稳定性控制器，实现控制节点间的协调稳定运行。最后在构建的硬件在环实验台架中对控制算法进行验证，实验结果表明采用的控制方法能够实现液压悬挂系统的稳定性控制目标，整个控制系统未出现超调和失控的现象。参考文献 徐国英，薛大兵，姚新民，等 车辆悬挂系统的研究现状和发展前景 农业装备与车辆工程，（）：朱小明，石世豪，杨丽红 模块式半挂车悬挂系统优化研究 液压气动与密封，（）：王志勇，刘凯凯，乔居斌，等 基于 o 的电控液压悬挂系统的仿真分析 机床与液压，（）：杨建伟，黄强，李伟，等 基于加速度阻尼控制的半主动悬挂研究 铁道学报，（）：张聚，刘江，王槊华 汽车悬挂系统显式模型预测控制 信息与控制，（）：赵永强，何长安 基于神经网络自适应控制的主动悬挂系统 计算机仿真，（）：雒琦 基于磁流变阻尼器的半主动悬挂系统模糊控制策略 机械研究与应用，（）：彭志召，张进秋，张雨，等 车辆半主动悬挂的频域控制算法 装甲兵工程学院学报，（）：刘国，戴松贵，竺辉 水平纵移桥架液压悬挂系统设计与均载性能分析 中国工程机械学报，（）：陈扬，陈忱，吴春慧 液压悬挂系统管路防破安全阀的分析和比较 液压气动与密封，（）：刘惠超，孔庆忠 基于 的倒立摆 控制方法的研究 机械工程与自动化，（）：引用本文：韩乐 车辆液压主动悬挂控制系统稳定性控制方法研究 液压气动与密封，（）：，o oo o o o oo ，（）：，