基于负载敏感技术的HPS操纵稳定性分析

李玉光，王淑芬

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

基于负载敏感技术的HPS操纵稳定性分析

李玉光，王淑芬

（大连大学 机械工程学院，辽宁 大连 116622）

针对传统HPS中存在的能量消耗问题，设计了基于负载敏感技术的HPS。首先，介绍了负载敏感技术的控制原理；其次，建立了基于负载敏感技术的HPS仿真模型；最后，根据在仿真软件AMESim中进行了瞬态横摆响应、双移线仿真试验。通过仿真结果中横摆角速度、侧向加速度、侧倾角的分析得出所设计的带有负载敏感技术的HPS不仅具有较好的负载敏感特性，而且能够满足整车操纵稳定性的要求。

HPS；能量消耗；负载敏感；操纵稳定性

0 引言

HPS已成为目前汽车上较多采用的助力转向系统，但是传统HPS的液压泵由发动机直接驱动，使得车辆在直线行驶时，液压泵仍然在发动机的带动下处于高速工作状态，泵出的大量高压油经过溢流阀回到储油罐，造成了相当大的能量损失。因此，在HPS中如何控制液压系统中流量和压力两个变量，使系统的功率得到最大利用是我们亟须解决的问题[1]。

负载敏感技术是指系统负载敏感阀能根据负载所需压力调节泵出口压力，使其随负载的变化而变化，并向系统提供与负载所需相近的液压功率，从而在泵源上降低系统的压力损失。以此为基础，本文设计了基于负载敏感技术的HPS操纵系统，并使用瞬态横摆响应、双移线两种仿真试验分析了带有负载敏感技术的HPS的操纵稳定性。

1 负载敏感技术的控制原理及仿真模型

1.1 负载敏感技术的控制原理

负载敏感技术的控制原理如图1所示。PL为负载压力，PS为泵出口压力，负载敏感阀的弹簧设定压力为一定值，恒压阀2的弹簧设定压力为变量泵允许的最大工作压力。通过控制阀5的进出口压差ΔP来调节泵的排量，达到泵输出流量与驱动负载所需流量的匹配[2]。

图1 负载敏感技术的控制原理图

系统处于正常工作状态时，恒压阀2在弹簧力的作用下处于右位。当负载压力减小时，流量控制阀5的开口减小，此时泵出口流量大于负载所需流量，阀5的两侧压差ΔP增大，且与负载敏感阀1的有效面积A的乘积大于弹簧预紧力，推动负载敏感阀1向右运动，左位处于工作状态。泵出口的高压油经负载敏感阀1左腔，恒压阀2右腔流进变量缸大腔3，使变量泵的斜盘角减小，同时泵出口流量减小，直至与负载所需流量匹配为止；相反，当负载压力增大时，负载敏感阀右位工作，变量缸大腔的油液经恒压阀2右腔，负载敏感阀1右腔流回油箱，斜盘角增大，泵出口流量随之相应增大。

当系统处于低压待机状态时，流量控制阀5完全关闭，负载敏感阀的阀芯在泵出的液压油作用下向右运动，然后负载敏感阀左腔阀口打开，油液由负载敏感阀左腔流进恒压阀右腔，再流进变量缸大腔3，使得斜盘角减小，泵以最小排量输出[3,4]。此时泵出口压力为负载敏感阀的弹簧设定压力，仅产生供内部泄漏需求的流量，此时功率消耗很小，实现负载敏感控制节能的目的[5]。

当系统处于过载状态时，负载敏感阀1在负载和弹簧预紧力的共同作用下右位工作，此时变量缸大腔与油箱连通，斜盘角增大，泵出口压力PS增大，直至大于恒压阀弹簧设定压力，致使恒压阀左位工作，油液进入变量泵大腔，斜盘角逐渐减小近至0，此时泵的排量几乎为0，功率消耗最小。

1.2 仿真模型

为解决传统HPS中泵流量损失问题，使用负载敏感泵代替原系统中的定量泵。通过负载敏感系统对转向需求的反馈来泵出不同的压力和流量，达到节能的目的。在传统HPS的基础上增加了负载敏感系统，其在仿真软件AMESim中建立的仿真模型如图2所示。

图2 基于负载敏感技术的HPS仿真模型

2 整车操纵稳定性仿真与分析

评价一个助力转向系统的优与劣，不仅要在车辆转弯时给驾驶人一个合适的助力，使驾驶人感到轻松的同时又不失路感，而且还要看助力转向系统是否满足整车操纵稳定性的要求。因此，我们需要对带有负载敏感技术的HPS进行操纵稳定性试验。

但由于本文考虑的是带有负载敏感技术的HPS的操作稳定性，所以不考虑发动机与电气设备部分，仅考虑底盘、轮胎、路面、驱动系统、制动系统、悬架系统和转向系统，以及各传感器。我们采用AMESim软件中Vehicle Dynamics设计库来进行模块化建模，进行了瞬态横摆响应、双移线仿真试验，并做了相应的分析。

2.1 瞬态横摆响应仿真试验与分析

目前通常用转向盘的转角阶跃输入来表征汽车的瞬态横摆响应特性，即所谓的阶跃转角试验。首先被测试验车在平整的路面以最高车速的70%的速度直行，然后以不小于200度/s的速度给转向盘一个转角输入，并使转向盘保持该转角不变，油门开度亦不变，此时汽车做圆周运动，观察车辆由直行到转弯的瞬态响应特性。该试验主要测量：转向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、侧倾角等。

按照标准设置整车模型的车速为80 km/h，以200度/s的速度给转向盘的输入角度为45度，如图3所示。设仿真时间为10 s，横摆角速度、侧向加速度、侧倾角的变化曲线如图4、5、6所示；泵出口压力和液压缸助力对比曲线如图7。

图3 转向盘转角变化曲线

图4 横摆角速度变化曲线

图5 侧向加速度变化曲线

图6 侧倾角变化曲线

图7 泵出口压力和液压缸助力对比曲线

根据角阶跃试验可以得到:

(1)从图3可看出在0~2 s内，汽车直行，所以其他参数输出均为0。在2~2.23 s内转向盘转角达到45度，此时横摆角速度、侧向加速度、侧倾角急剧增大，且有振荡。

(2)从图4可看出横摆角速度在2.4 s时达到峰值13.8 deg/s，0.6 s后达到稳态值12.2 deg/s，超调量为13.1%。

(3)从图5可看出侧向加速度在2.8 s时达到峰值4.8 m/s2，0.3 s后达到稳态值4.75 m/s2，超调量为1.05%。

(4)从图6可看出车身侧倾角仅在非常小的范围内波动。

由以上分析可以看出整车在瞬态横摆响应仿真试验中满足操纵稳定性要求。

(5)通过图7的泵出口压力与液压缸助力的对比曲线可看出，该车在45度阶跃转角的输入下，HPS中液压泵出口压力能根据助力的需求大小进行迅速调节匹配，将负载敏感特性较好的体现出来。

2.2 双移线仿真试验与分析

双移线试验主要是用来评价被测车辆回避障碍的性能，现在被广泛用于闭环操纵稳定性的评价试验之中[4,5]。双移线试验要求试验场地为干燥、平坦且清洁的水泥或柏油路面，并且道路任意方向上的坡度不大于2%。因此在路面模型上设置为水平路面，车速为80 km/h，进入通道后保持车速不变。双移线试验转向盘转角变化曲线如图8所示，车速、横摆角速度、侧向加速度、侧倾角变化曲线如图9至12所示，泵出口压力与液压缸助力对比曲线如图13。

图8 转向盘转角变化曲线

图9 车速变化曲线

图10 横摆角速度变化曲线

图11 侧向加速度变化曲线

图12 侧倾角变化曲线

图13 泵出口压力与液压缸助力对比曲线

根据规定，以通过通道的最高车速或最短通过时间作为双移线试验的评价标准，较小的转角和横摆的时间滞后会得到较好的操纵稳定性。

由图8~12可以得到双移线试验的仿真结果：通过通道的最高车速为79.19km/h，最低车速在79.12km/h，误差在±1 km/h内，满足要求；同时横摆角速度的响应滞后很小，车身侧倾角始终在±3°内波动，有较好的抗侧倾能力；横摆角速度、侧向加速度在汽车通过双移线后能较快地恢复到正常行驶状态，说明该车有较好的躲避障碍的性能，满足操纵稳定性要求。同时从图13也可看出所设计的基于负载敏感技术的HPS的泵能根据转向需求提供相应压力的液压油。

3 结论

为解决传统HPS的能量损失问题，设计了基于负载敏感技术的HPS。介绍了负载敏感技术的控制原理，并利用仿真软件AMESim进行了建模。为探究所设计的HPS与整车的匹配性，根据国家标准进行了试验样车的瞬态横摆响应、双移线两种仿真试验。

结果表明：

（1）横摆角速度、侧向加速度、侧倾角的响应曲线表明基于负载敏感技术的HPS具有较好的整车操作稳定性，而且表现出较好的匹配性和负载敏感特性。

（2）基于负载敏感技术的HPS表现出较好的匹配性和负载敏感特性。

[1]黄新年,张志生,陈忠强.负载敏感技术在液压系统中的应用[J].流体传动与控制,2007,24(5):28-30.

[2]晋明杰,刘文武,范英,等.基于负载敏感技术的随车起重机回转系统仿真研究[J].煤矿机械,2015,36(2):96-99.

[3]刘小华,辛德忠,万军,等.基于负载敏感技术的定向钻机给进系统研究[J].机床与液压,2014,42(7):13-15,19.

[4]黄虎,陈光柱,蒋成林.全液压钻机负载敏感液压系统设计及仿真分析[J].液压与气动,2015,17(03):71-74,79.

[5]张骥,张铁柱,程联军,等.挖掘机负载敏感泵的AMESim动态仿真研究[J].青岛大学学报:工程技术版,2015,30(1):99-104.

Vehicle Handling Stability Analysis with HPS of Load Sensitive Technology

LI Yu-guang,WANG Shu-fen
(College of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China)

There are serious loss of pressure and flow in the hydraulic pump of traditional HPS.There for,the HPS based on load-sensitive technology was designed.Firstly,the control principle of load-sensitive technology was introduced.Secondly,the simulation model of HPS based on load-sensitive technology was established in AMESim.Finally,two kinds of simulation test including transient yaw response test and double lane test were finished according to national standards.From the aspects of yaw angular velocity,lateral acceleration and roll angle,the simulation results showed that the HPS based on load-sensing technology not only have a better load-sensitive characteristics,but also meet the requirements of vehicle handling and stability.

HPS;loss of pressure load sensitivity;sensitivity under loading;vehicle handling stability analysis

TH137

：A

：1008-2395(2016)06-0001-05

2016-11-15

李玉光（1963-），男，教授，研究方向：机械设计及理论