周廣鳳，王鳳杰，陳清旺，孫業(yè)波

(中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南特種車有限公司，山東濟(jì)南 250117)

引言

現(xiàn)代城市中狹窄街道的老舊小區(qū)、越來(lái)越多的公路隧道安全對(duì)消防車提出了更高的要求，一旦發(fā)生火災(zāi)能更高效、更機(jī)動(dòng)、更迅速、更可靠的進(jìn)行滅火救援，有必要開發(fā)專用汽車，具有2個(gè)駕駛室，無(wú)需調(diào)頭、倒車，即可實(shí)現(xiàn)雙向行駛。4×4雙向行駛汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要一鍵切換，對(duì)中鎖止可靠，前、后橋轉(zhuǎn)角關(guān)系準(zhǔn)確，車輛的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，車輛必須能降速，前橋轉(zhuǎn)向、后橋鎖止可駛離現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)向模式切換平穩(wěn)。電控系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大地提高了車輛的舒適性[1]，液壓系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)[2]，選擇電控液壓轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)車輛在任意駕駛室駕駛時(shí)，均具有多種轉(zhuǎn)向模式以適應(yīng)不同的行駛工況[3-4]。前輪轉(zhuǎn)向(F4ws)、全輪轉(zhuǎn)向(MinR)、蟹行轉(zhuǎn)向(Crab)、自動(dòng)模式(Auto)4種模式見圖1。其中，前輪轉(zhuǎn)向后橋鎖止為常規(guī)使用模式，在任何路況、車速下均可使用；全輪轉(zhuǎn)向模式可以使車輛達(dá)到最小轉(zhuǎn)彎直徑，適用于大角度轉(zhuǎn)彎；蟹行轉(zhuǎn)向可使車輛橫向移動(dòng)，適用于有限空間車輛移位，MinR和Crab 2種模式設(shè)定車速需低于40 km/h。

圖1 4種轉(zhuǎn)向模式

1 雙向行駛汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

考慮到雙向行駛車輛有2個(gè)駕駛室，要保證同一時(shí)間只有1個(gè)駕駛室能啟動(dòng)，隨駕駛室選定確定可操縱擋位、燈光儀表等部分，綜合考慮確定使用鑰匙啟動(dòng)開關(guān)控制駕駛室選擇，在任意駕駛室內(nèi)通過(guò)鑰匙啟動(dòng)車輛后，主控ECU根據(jù)啟動(dòng)信號(hào)來(lái)源，確定此駕駛室為操縱駕駛室，接通此駕駛室內(nèi)電路、方向盤及擋位。對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言需設(shè)計(jì)2套轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，駕駛員通過(guò)方向盤控制相對(duì)前橋的轉(zhuǎn)角，其中相對(duì)前橋是指當(dāng)其中1個(gè)駕駛室作為主駕駛室時(shí)，其駕駛室下方的車橋?yàn)榍皹颍藭r(shí)遠(yuǎn)離該駕駛室的橋定義為相對(duì)后橋。

考慮到車輛使用場(chǎng)所具有單向性，挪動(dòng)空間不足的特殊性，將雙向行駛汽車設(shè)計(jì)為可全輪轉(zhuǎn)向和蟹型轉(zhuǎn)向，全輪轉(zhuǎn)向可以減小行駛阻力、降低油耗，提高車輛的行駛穩(wěn)定性[5-7]，蟹型轉(zhuǎn)向可以更好的適應(yīng)不同的工作環(huán)境[8]。2根車橋均需要實(shí)現(xiàn)：鎖止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)3種模式，使用電控液壓系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單、可靠、易操作的方式。因此4×4雙向行駛汽車采用了機(jī)械轉(zhuǎn)向加電控液壓轉(zhuǎn)向的模式。輪胎是影響車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的重要因素[9]，因此轉(zhuǎn)向時(shí)盡可能保證輪胎純滾動(dòng)具有重要意義。為保證車輛轉(zhuǎn)角精度，該系統(tǒng)的控制采用閉環(huán)控制，由角度傳感器時(shí)刻測(cè)量前后橋的轉(zhuǎn)角關(guān)系，當(dāng)后橋轉(zhuǎn)角值與設(shè)定值的誤差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制器控制閥組和轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸動(dòng)作調(diào)整后橋輪胎角度，使后橋的實(shí)際角度值和理論值偏差控制在一個(gè)合理的范圍，使車輛即使在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)也保持純滾動(dòng)，減小輪胎的磨損量，減小輪胎阻力，降低油耗，控制策略見圖2。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成[10]，本系統(tǒng)由駕駛室內(nèi)的方向盤通過(guò)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器助力、轉(zhuǎn)向直拉桿拉動(dòng)相對(duì)前橋的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。該車比較特殊的地方在于2個(gè)駕駛室各需要1套機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使每個(gè)駕駛室都能獨(dú)立控制車輛的行駛方向。設(shè)計(jì)中通過(guò)主控ECU和切換閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的切換，即機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用同一個(gè)轉(zhuǎn)向助力泵，轉(zhuǎn)向助力泵輸出的油液經(jīng)切換閥供給動(dòng)力轉(zhuǎn)向器A或者動(dòng)力轉(zhuǎn)向器B，當(dāng)進(jìn)入主駕駛室轉(zhuǎn)向模式時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器A得到高壓油，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器可助力主駕駛室下方的轉(zhuǎn)向橋輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器B無(wú)油液進(jìn)入，處于受橋反向控制狀態(tài)，當(dāng)車輛選擇全輪和蟹型2種轉(zhuǎn)向模式時(shí)，遠(yuǎn)離主駕駛室的轉(zhuǎn)向橋由橋上的轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸的動(dòng)作推動(dòng)此橋上車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器的切換原理見圖3。

圖2 控制策略

圖3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器油路分配

2.2 電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)鍵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)需保證在任何情況下，即使部分閥路故障也能保證車輛能可靠轉(zhuǎn)向。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)，除主控ECU外又設(shè)計(jì)了冗余ECU，并行設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性，通過(guò)傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)控制器進(jìn)行控制[11]。各ECU及閥、缸的動(dòng)作情況以某一特定駕駛選擇舉例。說(shuō)明如下：在駕駛室A內(nèi)啟動(dòng)車輛，此時(shí)主控ECU會(huì)根據(jù)輸入值判斷蓄能器是否充壓，并根據(jù)啟動(dòng)駕駛室，控制A橋浮動(dòng)閥工作，A橋比例閥和鎖止閥斷電，保證A橋的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向器控制。假設(shè)選擇全輪轉(zhuǎn)向模式，轉(zhuǎn)動(dòng)駕駛室A內(nèi)的方向盤，轉(zhuǎn)向器A助力轉(zhuǎn)向直拉桿拉動(dòng)駕駛室A下方的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主控ECU根據(jù)轉(zhuǎn)向模式及A橋轉(zhuǎn)角信號(hào)使B橋比例閥相應(yīng)磁鐵通電，B橋鎖止閥斷電，B橋浮動(dòng)閥斷電，執(zhí)行ECU根據(jù)A橋角度傳感器輸出值和B橋比例閥閥芯位移傳感器控制此比例閥開度，進(jìn)而控制B橋轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸的動(dòng)作及行程，B橋角度傳感器測(cè)量B橋輪胎角度值和閥芯位移傳感器同時(shí)反饋給執(zhí)行ECU，對(duì)B橋輪胎轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)節(jié)直至與理論值誤差不超過(guò)0.5°，其他轉(zhuǎn)向模式可根據(jù)電控系統(tǒng)原理圖4依次類推。

為保證車輛的安全，駕駛模式的選擇以車速做為主控ECU必要的輸入條件。當(dāng)車速低于20 km/h時(shí)，所有轉(zhuǎn)向模式均可以選擇；當(dāng)車速高于20 km/h且小于40 km/h時(shí)，可以選擇F4ws和Auto 2種模式，當(dāng)車速高于40 km/h時(shí)，只可以選擇Auto模式即2個(gè)轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸均鎖止，所有輪胎均不可轉(zhuǎn)。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最關(guān)鍵的性能是可靠行、輕便性。采用雙動(dòng)力轉(zhuǎn)向器機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可保證車輛在任何苛刻的條件下都能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，另電控液壓系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，增加冗余ECU并且采用雙線制角度傳感器，保證電路系統(tǒng)可靠及輸入正確性，因蓄能器是比較高效的儲(chǔ)能元件[12]，液壓系統(tǒng)采用蓄能器作為備用液壓源，提高液壓系統(tǒng)的可靠性，并設(shè)計(jì)了多組液壓鎖保障液壓系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)多組平衡閥穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，避免壓力沖擊對(duì)液壓系統(tǒng)的破壞，提高系統(tǒng)的壓力可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮壓力對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。則采用PID 控制算法來(lái)控制比例閥開口[14]，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸位移，實(shí)現(xiàn)車橋的精確轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向助力泵，對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言是目前相對(duì)比較成熟的產(chǎn)品，此處不再贅述，著重介紹液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具體實(shí)施方式見圖5。由圖5可以看出，該系統(tǒng)采用2套一樣的系統(tǒng)分別控制A，B 2根轉(zhuǎn)向橋，實(shí)現(xiàn)A，B駕駛室的全模式轉(zhuǎn)向。

圖4 電控系統(tǒng)原理圖

圖5 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓回路含有1個(gè)助力泵做為動(dòng)力油源，1個(gè)5 μm高壓過(guò)濾器保證系統(tǒng)油液的清潔度；1個(gè)電磁溢流閥保證系統(tǒng)工作時(shí)系統(tǒng)升壓，不工作時(shí)系統(tǒng)卸荷，節(jié)約能源[15]；2個(gè)比例閥組，由減壓閥和梭閥組成壓力補(bǔ)償器，梭閥具有流體阻力小，開閉迅速的優(yōu)點(diǎn)[16]，保證轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸按所需工況實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向或鎖止，單向閥防止蓄能器油液回流。浮動(dòng)閥保證鎖止腔的建壓、卸荷及換向腔液壓鎖的啟閉，液壓鎖保證換向腔的壓力；直動(dòng)式溢流閥保證轉(zhuǎn)向腔壓力不超載及緩解壓力沖擊。鎖止閥保證轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向腔的壓力建立及鎖止腔的壓力卸荷。2個(gè)蓄能器，吸收壓力沖擊，在油源切斷的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)保證鎖止腔或轉(zhuǎn)向腔的壓力，球閥為保證檢修安全使用。檢修時(shí)，關(guān)閉球閥，防止蓄能器高壓油液傷人。2個(gè)分別安裝在2個(gè)轉(zhuǎn)向橋上的轉(zhuǎn)向助力對(duì)中缸，起轉(zhuǎn)向助力與對(duì)中作用。

4 結(jié)論

樣車下線后，對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試分3個(gè)方面進(jìn)行：一是車速低于20 km/h轉(zhuǎn)向,各種轉(zhuǎn)向模式均可以選擇，后橋轉(zhuǎn)角稍有滯后，可迅速修正；二是低速轉(zhuǎn)向測(cè)試，在車速低于40 km/h時(shí)，車輛可進(jìn)行除了MinR和Crab轉(zhuǎn)向模式外的其他兩種轉(zhuǎn)向模式選擇及切換;三是高速測(cè)試，當(dāng)車速由20 km/h緩慢提升至40 km/h時(shí)，后橋轉(zhuǎn)角逐漸減小，直至車速40 km/h時(shí)后橋完全對(duì)中鎖止，車速大于80 km/h，后橋?qū)χ墟i止，車輛保持直線行駛。車輛的最小轉(zhuǎn)彎直徑是非常重要的通過(guò)性參數(shù)，在MinR模式下，車輛的轉(zhuǎn)彎直徑可以達(dá)到最小值，重點(diǎn)測(cè)量了全輪轉(zhuǎn)向模式下前橋轉(zhuǎn)角β與后橋轉(zhuǎn)角α的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖6所示。

圖6 MinR模式車輛后橋轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值與測(cè)量值對(duì)照關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析后橋誤差最大不超過(guò)1°，滿足設(shè)計(jì)要求，可保證駕駛室切換可靠，轉(zhuǎn)向模式切換迅速，轉(zhuǎn)向流暢，前后橋轉(zhuǎn)角關(guān)系準(zhǔn)確。對(duì)于雙頭車輛，采用機(jī)械轉(zhuǎn)向加電控液壓轉(zhuǎn)向配合的方案既能實(shí)現(xiàn)駕駛室切換，2個(gè)駕駛室內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向模式切換，又能優(yōu)化車輪間的轉(zhuǎn)角關(guān)系，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車輪都做純滾動(dòng)，降低油耗，減小輪胎磨損[17]，提高輪胎使用壽命。