液压助力转向系统的仿真分析

摘 要 本文主要对转阀式整体液压助力转向器进行仿真研究。通过分析转向的过程和原理,建立了汽车液压助力转向系统的物理模型和数学模型，利用Matlab/Simulink软件建立了汽车液压助力转向系统的仿真模型，得出实际的液压助力转向器的各项性能的估计结果以及各个因素对转向性能和效率的影响，为转向器总成动态性能的优化打下理论基础。

关键词 液压助力转向系统；Matlab/Simulink；仿真

中图分类号G 648.7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）72-0183-02

0 引言

液压助力系统HPS（Hydraulic Power Steering）是动力转向系统的一种，由于其工作压力大、尺寸小、无噪声、工作滞后时间短等特点，近年来在各类汽车获得了广泛的应用。液压助力转向系统一般由基本的机械转向装置和液压助力装置组成，液压装置的动力通常有发动机输出的一部分功率供给。而为了简化汽车结构，减少动力损失，现阶段转向系统也常常与制动系统共用液压装置。

本文的主要内容是综合考虑，将液压助力转向器中的机械子系统与液压子系统结合到一起，通过建立数学和物理模型，运用Matlab/ Simulink仿真手段。对液压系统供油量、扭杆弹簧的刚度和转向油缸工作面积选择不同的参数进行仿真；并对仿真结果进行对比和分析，从而总结出本次仿真实验对实际的液压助力转向器的各项性能的估计结果。

1 液压助力转向系统的物理模型与数学模型建立

1）动力学方程： ；

2）小齿轮转角与齿条位移之间存在关系：；

3）齿条的运动微分方程：；

4）简化后的转向控制阀的动态数学机构 。

转阀通常采用具有对称结构的可控节流通道，用四通道的转阀建立动态数学模型，它相当于几个并联的恒流源正开口四通道滑阀，做出下述假设：

1）假定液压泵至转阀入口处的压力 ps 恒定；2）忽略转阀的内、外泄露及液动力的影响；3）假定总成系统的回油压力p0为零2. 它的等效模型如下图

转阀式转向控制阀中的阀体绕其轴线来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀，简称转阀。该转阀具有4个互相连通的进油道A，通道B.C分别与动力缸的左，右腔连通，中空的阀体1与储油罐相连。当阀体顺时针转过一个很小的角度时，通道C与进油道A相同，而与回油道D相隔断，来自油泵的压力油经通道A流入通道C，继而进入动力缸的一个腔内；同时，通道B与进油道A相隔断而与回油道D相通，动力缸另一腔的低压油在活塞的推动下经通道B，回油道D和中空的阀体流回储油罐。

2 液压助力转向系统中仿真模型

2.1液压助力转向系统中模型的建立

2.2仿真模块功能说明

该模块为示波器，它的作用是获得仿真图形。

该模块的作用是在多个模块输入之间进行切换。

该模块的作用是为子系统或外部输入创建一个输出端口

该模块的作用是为子系统或外部输入创建一个输入端口。

该模块的作用是对两个或多个输入信号进行求积运算。

该模块的作用是输入常用数学运算函数，这里指对输入的信号进行倒数运算。

该模块为输入信号微分模块。它的作用是将信号进行微分运算。

2.3 模型中参数的取值

转向盘转动惯量 I=0.029kg·m，齿条、活塞及当量负载的总质量:M=60kg；控制阀入口处的供油压力 Ps=1.5×105pa；转向柱刚度:k1=1241.85Nm/rad ；扭杆刚度:k2=71.8Nm/rad；等效刚度:k3=6.53×10-4N/m；等效阻尼:D=420Ns/m；活塞工作面积:Ap=7.5×10-4m2；节流孔的流量系数:Cd=0.62；主动小齿轮的基圆半径:r=12.33×10-3m2；液压油的密度:ρ=900k g/m"；齿条的齿形角:at=0.349rad ；阀口预开间隙的轴向长度:W2=0.018m；阀芯与阀套的配合半径:R=0.0111m ；预开间隙的宽度:L2=0.0005m；动力缸内泄漏系数:Ci=6.5x10-11/(Pa·s)。

4 运行结果和改变参数的结果比较

4.1 供油流量时的曲线比较

曲线1的为液压泵恒流流量为0.4×10-3m3/s；曲线2的为0.1×10-3m3/s可见恒流流量越大,响应速度越快。

4.2 扭杆刚度影响时曲线比较

曲线1的扭杆刚度为200 ；曲线2的扭杆刚度为100。

4.3 不同活塞面积时曲线比较

曲线1液压缸有效面积为40×10-4m2 ；曲线2液压缸有效面积为10×10-4m2 ，可见液压缸有效面积增大系统波动程度减小,响应速度减小,稳定时间变短。

4.4 参数的比较结果结论

综上所述，利用Matlab 软件中的Simulink 环境来对转阀及转向器总成的动态特性进行仿真，其输入方式是采用图形输入的方式，然后采用信号的流程图（即传递函数）来完成仿真过程。

可知该模型分析系统供油流量、扭杆的刚度以及活塞的有效工作面积,对齿条位移响应的影响。从齿条位移的动态响应来看，系统的供油流量和油缸活塞面积影响比较大，而扭杆的刚度对齿条位移的动态响应影响比较小，在进行液压助力转向器设计或改进时应该注意。最后对它们的稳定性及动态性能进行评价，这为以后转向器总成动态性能的优化打下理论基础，并为研究操纵性能的工程师进一步提高汽车的转向性能提供理论借鉴。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]齐晓杰，安永东. 汽车液压液力与气压传动技术[M].化学机械出版社，2005.

[3]高翔等.液压助力转向系统的仿真分析[J].江苏大学学报，2003，24(6).