液壓控制系統(tǒng)分析論文本科論文

液壓控制系統(tǒng)分析論文PAGEPAGE9目錄第一章緒論 11.1研究的目的及意義 11.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展及狀況 11.3被測(cè)零件分析 31.4量?jī)x技術(shù)要求 41.5機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案 51.6方案原理論證 61.7測(cè)控系統(tǒng)概述 61.7.1測(cè)控系統(tǒng)功能組成 61.7.2測(cè)控系統(tǒng)硬件組成 71.8軟件系統(tǒng)概述 81.8.1測(cè)量的基本程序模塊 81.8.2功能模塊分析 91.9測(cè)量方式論證 91.10本章小結(jié) 12第二章機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 132.1傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 132.1.1主軸的設(shè)計(jì) 132.1.1滾珠絲杠副 142.2直行滑架方案制定 172.3直行滑架傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)和計(jì)算 182.3.1傳動(dòng)鏈的選擇 182.3.2計(jì)算滑臺(tái)重量 182.3.3滾珠絲杠螺旋副的初步計(jì)算 182.3.4作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷 192.3.5計(jì)算最大靜載荷 202.3.6滾珠絲杠螺旋副的選型 202.3.7滾珠絲杠副傳動(dòng)效率計(jì)算 212.3.8絲杠軸向剛度驗(yàn)算 212.3.9壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 222.4反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)選用 222.4.1初選電機(jī)型號(hào) 222.4.2力矩計(jì)算 242.4.3步進(jìn)電機(jī)工作頻率范圍計(jì)算 252.4.4主要結(jié)構(gòu)尺寸確定 252.4.5滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)計(jì)算 262.5本章小結(jié) 27第三章直行滑架測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 283.1AT89C52擴(kuò)展系統(tǒng)單片機(jī)的設(shè)計(jì) 283.2石英晶體振蕩器 303.3看門狗電路 313.4鍵盤與LED數(shù)顯電路模塊介紹 323.5A/D卡的設(shè)計(jì)電路 333.5.1轉(zhuǎn)換芯片的選擇 333.5.2采樣控制方案選擇 343.5.3A/D卡主電路的設(shè)計(jì) 343.6附加電路設(shè)計(jì) 353.7檢測(cè)電路及信號(hào)處理 373.7.1位移傳感器的檢測(cè)電路 373.7.2光柵尺分頻計(jì)數(shù)電路 383.8步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng) 383.8.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選用 383.8.2驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程 393.9本章小結(jié) 39第四章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 404.1主模塊 404.2中斷模塊 404.2.1報(bào)警、急停處理中斷模塊 404.2.2鍵盤、顯示定時(shí)掃描管理模塊 404.3程序清單 424.3.1鍵盤、顯示系統(tǒng)主程序 424.4本章小結(jié) 43第五章評(píng)價(jià)被測(cè)零件及誤差補(bǔ)償 445.1公差帶和誤差定義 445.1.1圓度公差帶和圓度誤差的概念 445.1.2圓柱度公差帶和圓柱度誤差的概念 445.1.3同軸度公差帶和同軸度誤差的概念 455.2誤差補(bǔ)償技術(shù) 465.3評(píng)價(jià)被測(cè)零件 475.4本章小結(jié) 48第六章結(jié)論 49致謝 50參考文獻(xiàn) 51第一章緒論1.1研究的目的及意義在工程領(lǐng)域和軍用運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)Υ笮蛙囕v的需求越來(lái)越大，并且對(duì)其承載量和靈活性提出了更高的要求。因此大型車輛通過(guò)增加軸數(shù)提高其承載量，通過(guò)引入多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)來(lái)提高其靈活性-多軸車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)caj-。如下圖1-1所示為全地面大型起重機(jī)，其具有9個(gè)橋。大型輪式車輛的轉(zhuǎn)向橋一般都在三橋以上，轉(zhuǎn)向性能直接影響整車的機(jī)動(dòng)靈活性、操縱穩(wěn)定性以及使用經(jīng)濟(jì)性，隨著車輛噸位越來(lái)越大，車輛的橋數(shù)也越來(lái)越多，常用的機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向，但是其機(jī)動(dòng)靈活性差、模式單一，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成不同轉(zhuǎn)向軸上的輪胎轉(zhuǎn)角之間相互影響，導(dǎo)致輪胎非正常磨損，會(huì)大幅降低輪胎壽命，且造成整車轉(zhuǎn)向桿系受力增大，轉(zhuǎn)向性能降低，進(jìn)而影響行駛安全性。圖1-1全地面大型起重機(jī)以往的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重制約了大型輪式車輛的發(fā)展，加之國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛技術(shù)性能、車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量等進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，對(duì)車輛軸荷的限制提高了，而大型輪式底盤自重或載重量的不斷增加，只能增加橋數(shù)以符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而多數(shù)大型輪式車輛均工作在礦山、油田、工程建設(shè)或者山區(qū)等條件極其惡劣的施工現(xiàn)場(chǎng)，使得大型輪式底盤必須具有轉(zhuǎn)向靈敏、轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向模式多樣和通過(guò)性強(qiáng)等優(yōu)良性能，而我國(guó)在這方面起步較晚，由于大型輪式車輛的多橋轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用在很多軍事裝備如大型導(dǎo)彈運(yùn)輸車和發(fā)射平臺(tái)上，國(guó)外一直對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，所以研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的且性能優(yōu)良的大型輪式車輛底盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已刻不容緩【1】。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀1.2.1助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述車輛在行駛過(guò)程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂車輛轉(zhuǎn)向，而輪式車輛轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過(guò)一套專設(shè)機(jī)構(gòu)使車輛轉(zhuǎn)向橋上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對(duì)于車輛縱軸線偏轉(zhuǎn)一定的角度。在車輛直線行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時(shí)駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使車輛恢復(fù)原來(lái)的行駛方向，這一套用來(lái)改變或恢復(fù)車輛行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)稱為車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著工程車輛對(duì)工作效率、操縱輕便、安全舒適、節(jié)能環(huán)保和可靠耐用等方面的要求越來(lái)越高，且由于現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出許多種如機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。1、機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：采用轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系。中連接前后橋轉(zhuǎn)向裝置之間的機(jī)構(gòu)型式有搖臂式、凸輪式、齒輪式等，在大型輪式車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中常采用轉(zhuǎn)向搖臂加轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠，傳動(dòng)效率高，造價(jià)低廉。缺點(diǎn)：占用空間大，布置復(fù)雜，轉(zhuǎn)向阻力很大。應(yīng)用領(lǐng)域：轉(zhuǎn)向操縱力不大、對(duì)操控性能要求不高的微型轎車、農(nóng)用車上。2、液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向缸產(chǎn)生液壓作用力，增大駕駛員操縱轉(zhuǎn)向力，可使駕駛員輕便靈活的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高行駛安全性。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)布置方便、操縱輕便靈活。缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，液壓泵需隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，增大了燃油的消耗應(yīng)用領(lǐng)域：部分乘用車、大部分商用車特別是重型車輛。3、電控電動(dòng)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：是指采用電子控制、電動(dòng)助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由控制器、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)與后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，可根據(jù)需要調(diào)控電流值來(lái)改變力矩，從而方便的改善助力程度和路感，零件少、重量輕、安裝緊湊、工作可靠，低溫工作性能優(yōu)良，更環(huán)保。缺點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)的性能決定控制系統(tǒng)的性能，與電動(dòng)助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配將影響到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩特性、轉(zhuǎn)向路感等問(wèn)題，而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)力小，重型車輛應(yīng)用時(shí)驅(qū)動(dòng)力不夠。應(yīng)用領(lǐng)域：已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍還會(huì)逐步擴(kuò)大。4、電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：主要由控制器、傳感器、液壓控制閥、助力液壓缸等組成。常見(jiàn)的電控液壓式系統(tǒng)中，首先從液壓泵出來(lái)的高壓油經(jīng)過(guò)流量分配進(jìn)入各液壓控制閥，如電磁換向閥、比例閥、液控單向閥等，控制器接收到相應(yīng)的轉(zhuǎn)角信號(hào)即對(duì)轉(zhuǎn)向橋進(jìn)行控制，控制器輸出相應(yīng)指令給比例閥，油液經(jīng)過(guò)控制閥后進(jìn)入轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向助力缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，控制器通過(guò)轉(zhuǎn)角傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角并與指令轉(zhuǎn)角比較，進(jìn)行閉環(huán)控制最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向橋的精確轉(zhuǎn)向，根據(jù)液壓控制閥中主要控制元件的類型可分為比例轉(zhuǎn)向和伺服轉(zhuǎn)向。比例轉(zhuǎn)向使用比例閥進(jìn)行控制，一般比例閥具有零位死區(qū)且頻響不高，使得動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向精度不高；而伺服轉(zhuǎn)向使用伺服比例閥或伺服閥進(jìn)行控制，無(wú)零位死區(qū)且頻響較高，最終可實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向精度。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)向精度高，驅(qū)動(dòng)力大。缺點(diǎn)：效率低、耗能大、成本高。應(yīng)用領(lǐng)域：大型工程車輛如全地面汽車起重機(jī)、重型越野車輛和軍用車輛如導(dǎo)彈運(yùn)輸車等特別適用，其應(yīng)用范圍較廣泛。還有一些電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將液壓助力泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了傳統(tǒng)液壓助力泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。電控液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)的控制策略通過(guò)控制電磁閥，使得動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著車速的變化而變化，在汽車大轉(zhuǎn)角或低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向輕便，在中、高速行駛時(shí)，能獲得一定手感的轉(zhuǎn)向力，能較好的兼顧低速轉(zhuǎn)向的輕便性和高速轉(zhuǎn)向時(shí)的路感。1.2.2電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相關(guān)研究現(xiàn)狀由于汽車不同速度行駛時(shí)對(duì)助力特性的要求不同，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)很難做到這一點(diǎn)，而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合行成了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅在小型車上有廣泛使用，在大型輪式車輛上應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，由于大型輪式車輛轉(zhuǎn)向阻力很大，用機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者電控電動(dòng)式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均不能很好的滿足要求，故電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是大型輪式車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的首選。德國(guó)薩爾蘭德大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型的電液控制閉中心助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩個(gè)閉中心的比例閥對(duì)轉(zhuǎn)向助力缸進(jìn)行控制，且油源結(jié)合蓄能器能實(shí)現(xiàn)較高的供油效率，建立了系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型并分析了參數(shù)對(duì)閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性的影響且進(jìn)行了優(yōu)化，閉環(huán)控制器具有級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)向助力的閉環(huán)控制而外環(huán)為轉(zhuǎn)向力矩的閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)在不同車速上大量的臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)，該控制策略可使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有很好的性能。2005年后國(guó)內(nèi)對(duì)電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究才開始逐漸增多，并有望向可以應(yīng)用的成熟產(chǎn)品邁進(jìn)，大部分是將電動(dòng)機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，將電動(dòng)機(jī)參與控制實(shí)現(xiàn)電液控制轉(zhuǎn)向，但對(duì)大型輪式車輛而言，由于轉(zhuǎn)向阻力很大，這種用電動(dòng)機(jī)參與的電液控制很難滿足力矩要求，還是只能用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，而控制部分采用電控，不僅可以實(shí)現(xiàn)大型輪式車輛的靈活轉(zhuǎn)向，也可以滿足其助力要求，故這種電液控制方式較適合大型輪式車輛。1.3本章小結(jié)本章主要闡述了對(duì)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的進(jìn)行研究的目的和意義，分析了目前幾種比較成熟的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，并且簡(jiǎn)單的介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究。第二章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能對(duì)于大型輪式車輛而言，由于其轉(zhuǎn)向時(shí)負(fù)載阻力矩很大，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較難達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)向助力又由于大型輪式車輛一般需有多種轉(zhuǎn)向模式且有時(shí)需要模式切換，采用一般的機(jī)械式液壓助力轉(zhuǎn)向的方式很難有效的實(shí)現(xiàn)各種轉(zhuǎn)向模式的切換，所以大型輪式車輛只能采用電控的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前見(jiàn)于文獻(xiàn)與產(chǎn)品的類似系統(tǒng)均采用比例閥來(lái)實(shí)現(xiàn)電液控制轉(zhuǎn)向，而比例閥的頻響較低、死區(qū)與滯環(huán)性能不高，限制了電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的提高，那么有必要對(duì)采用伺服比例閥或者伺服閥的電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行研究。2.2單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)于大型輪式車輛而言，既要保證行駛的安全性，又要保證行駛的靈活性，一般這種大型輪式車輛均為多橋結(jié)構(gòu)，且前橋大多采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以盡可能保證行駛的安全性、后橋采用電液控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以盡可能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性。為了使大型輪式車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向靈活，單橋的靈活轉(zhuǎn)向是實(shí)現(xiàn)整車靈活轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)，只要單橋能按照要求準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)向，整車即可以實(shí)現(xiàn)各轉(zhuǎn)向功能與模式，所以單橋的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)之前，需對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)有所了解，且對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析也是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2.3單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖2-1雙轉(zhuǎn)向助力梯形機(jī)構(gòu)實(shí)物圖對(duì)于大型輪式車輛而言，為了保證左右側(cè)輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，一般采用轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行約束，且應(yīng)用轉(zhuǎn)向助力缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形并帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)向，如圖2-1所示是雙轉(zhuǎn)向助力梯形機(jī)構(gòu)實(shí)物圖。左右側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角主要是通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫向拉桿和輪轂等連接件來(lái)約束左右側(cè)輪胎的轉(zhuǎn)角關(guān)系，而液壓助力形式是用兩個(gè)轉(zhuǎn)向助力缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這與電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向的齒輪齒條等轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或是單轉(zhuǎn)向助力缸的轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)都是不同的，這種雙轉(zhuǎn)向助力梯形機(jī)構(gòu)具有更大力，因此廣泛應(yīng)用在大型工程車輛上。2.4電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.4.1單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部分原理在了解轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部分原理如圖2-2所示，伺服轉(zhuǎn)向、電液鎖定和應(yīng)急手動(dòng)功能介紹如下：1伺服比例閥2電磁換向閥3電磁換向球閥4、5液控單向閥6、7溢流閥8、9轉(zhuǎn)向助力缸10轉(zhuǎn)角傳感器圖2-2單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖1、伺服轉(zhuǎn)向功能：當(dāng)需要跟蹤前橋進(jìn)行伺服轉(zhuǎn)向時(shí)，電磁換向閥2和3均處在常位，此時(shí)高壓油控制液控單向閥4和5處于液控開的狀態(tài)，此時(shí)伺服比例閥可以控制進(jìn)入轉(zhuǎn)向助力缸的油液使轉(zhuǎn)向助力缸運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角傳感器10檢測(cè)到轉(zhuǎn)角信號(hào)并與指令轉(zhuǎn)角信號(hào)比較，并依此偏差信號(hào)對(duì)伺服比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，最終控制輪胎轉(zhuǎn)到所需位置；2、電液鎖定功能：當(dāng)需要轉(zhuǎn)向橋電液鎖定時(shí)，如在后橋不轉(zhuǎn)向鎖定模式即需要將轉(zhuǎn)向橋鎖定，此時(shí)使電磁換向閥3從失電變?yōu)榈秒姞顟B(tài)，使液控單向閥工作，同時(shí)將伺服比例閥1回復(fù)到失效O型位，則此時(shí)液控單向閥即可將轉(zhuǎn)向橋鎖定在所需位置；3、應(yīng)急手動(dòng)功能：針對(duì)大型工程車輛（以某7橋車輛為例），當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中伺服比例閥或電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，后四橋的輪胎可能偏離中間位置，為了使其回到中間位置并電液鎖定使大型輪式車輛可以依靠前三橋機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)行駛到安全地帶或維修站，而不至于停在原地，此時(shí)先將伺服比例閥斷電使其處于失效O型位，且電磁閥3處于失電位，可以用隨車配套的手動(dòng)控制盒對(duì)電磁換向閥2進(jìn)行控制，來(lái)微調(diào)輪胎的轉(zhuǎn)向角度，直到調(diào)整到所需位置，這一功能對(duì)大型輪式車輛的使用者而言是非常重要的，可以大大提高車輛的機(jī)動(dòng)靈活性；4、另外電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的溢流閥6和7作為安全閥用，保護(hù)轉(zhuǎn)向助力缸不受高壓沖擊的損害。2.4.2電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)輪胎的精確轉(zhuǎn)向，需設(shè)計(jì)合適的電控系統(tǒng)，電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制框圖如圖2-3所示，電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)角傳感器、PLC控制器、單橋伺服轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)、動(dòng)力油源、車速傳感器等構(gòu)成。圖2-3電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制框圖PLC將計(jì)算好的目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號(hào)輸出給伺服轉(zhuǎn)向控制器，同時(shí)伺服轉(zhuǎn)向控制器也接受到橋的實(shí)際轉(zhuǎn)角，目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角信號(hào)比較，控制伺服比例閥動(dòng)作，高壓油液進(jìn)入轉(zhuǎn)向助力缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，直到實(shí)際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角一致，形成轉(zhuǎn)向角度的閉環(huán)控制，這個(gè)調(diào)整過(guò)程是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的；橋的轉(zhuǎn)角信號(hào)也一并傳送給PLC實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，由于伺服轉(zhuǎn)向控制器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制速度是很快的，且誤差應(yīng)在所要求范圍之內(nèi)，當(dāng)PLC檢測(cè)到的橋?qū)嶋H轉(zhuǎn)角信號(hào)與目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號(hào)之差超出一定數(shù)值時(shí)，即電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能存在故障，此時(shí)提示司機(jī)減速停車以排查故障，可增大電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能以及單橋電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且對(duì)廣泛應(yīng)用在大型工程車輛的雙轉(zhuǎn)向助力梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，對(duì)電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)原理及控制框圖的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。第三章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與分析3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)建模與分析對(duì)于多橋大型重汽而言，各橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是基本一致的，僅是由于轉(zhuǎn)角關(guān)系的區(qū)別存在轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)前置與后置之分或各幾何尺寸略有區(qū)別，此處轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的單橋?yàn)槔M(jìn)行分析，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。3.1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析整車轉(zhuǎn)向最理想的工況是能夠保證所有的輪胎都是依據(jù)轉(zhuǎn)向瞬心的阿克曼定理進(jìn)行轉(zhuǎn)向，保證所有輪胎都處在純滾動(dòng)工況，使輪胎不會(huì)處在側(cè)滑等磨損工況，但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般并非是對(duì)每個(gè)輪胎進(jìn)行單獨(dú)控制，一般單橋的左右兩側(cè)輪胎靠轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行約束連接，故很難保證左右兩側(cè)均能滿足阿克曼定理，本文由于轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)（采用角度傳感器），其誤差是很小的，可以忽略。3.1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，左右側(cè)輪胎連同各自的輪轂和轉(zhuǎn)向節(jié)均繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向節(jié)臂又與轉(zhuǎn)向節(jié)固結(jié)，橫向拉桿連接兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，若不考慮各機(jī)械元件間的間隙，可以看出對(duì)轉(zhuǎn)向而言單軸的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅有一個(gè)自由度。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化成三部分：一是左側(cè)輪胎、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞左側(cè)主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)；二是右側(cè)輪胎、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞右側(cè)主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)；三是中間的橫向拉桿的運(yùn)動(dòng)且此運(yùn)動(dòng)可看做是平面運(yùn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)高度的非線性，且系統(tǒng)上的廣義力應(yīng)主要包括轉(zhuǎn)向助力缸的液壓驅(qū)動(dòng)力和路面施加給輪胎的阻力。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行線性簡(jiǎn)化為單自由度的二階微分方程，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，即要控制轉(zhuǎn)向助力缸的液壓力丘和兵，動(dòng)力學(xué)部分也是整個(gè)控制系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，為了考慮這個(gè)動(dòng)力學(xué)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，將其分解為如（3-1）（3-2）（3-3）、分別為左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的力；、分別為左右兩側(cè)輪胎所受到地面的阻力矩；為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等效阻尼；為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等效剛度。固有頻率和阻尼比可以看出，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是很大的，頻率一般比較低，對(duì)于阻尼比而言，由于系統(tǒng)中僅考慮了左右兩側(cè)輪轉(zhuǎn)向節(jié)等機(jī)構(gòu)繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)處的阻尼，如果阻尼比很小，系統(tǒng)閉環(huán)控制時(shí)就極易振蕩，而實(shí)際系統(tǒng)中各處的機(jī)械連接部分都是有阻尼的。3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制系統(tǒng)建模與分析由圖2-3所示的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框圖而言，為了建立電液控制系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可建立如圖3-1所示的系統(tǒng)簡(jiǎn)化控制框圖。圖3-1電液伺服轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化控制框圖3.2.1伺服比例閥電液位置伺服系統(tǒng)中可采用伺服閥、比例閥或者伺服比例閥作為液壓控制元件。伺服閥根據(jù)其液壓放大器的不同，主要分為噴嘴擋板式伺服閥和射流管式伺服閥。伺服閥具有體積小、功率放大率高、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但它功率損失大、對(duì)油液過(guò)濾要求高、制造和維護(hù)費(fèi)用高使之在工業(yè)上難以大范圍使用。由于比例閥固有的死區(qū)特性，它不能很好的用于常運(yùn)行于零位附近的位置閉環(huán)控制。隨著液壓工業(yè)的發(fā)展，在吸取比例閥與伺服閥兩者的優(yōu)勢(shì)后，伺服比例閥(高頻響閥)得到了廣泛的認(rèn)可。控制的觀點(diǎn)看，伺服比例閥是一個(gè)頗為復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，盡管通過(guò)分析并經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化后的伺服比例閥傳遞函數(shù)可能高于二階，但從實(shí)測(cè)的伺服比例閥動(dòng)態(tài)特性曲線伯德圖得出起主導(dǎo)作用的是一對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)，則將伺服比例閥的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)不僅合理且能滿足模型精度要求，故可列伺服比例閥傳遞函數(shù)如下：（3-4）為伺服比例閥增益；為伺服比例閥的固有頻率；為伺服比例閥的阻尼比。由于系統(tǒng)所使用的伺服比例閥為零開口的四邊滑閥，且閥的窗口是匹配和對(duì)稱的，回油壓力較小忽略不計(jì)，假定閥節(jié)流口流量系數(shù)相等、假定各節(jié)流窗口處的面積梯度相等。式中：（3-5）（3-6）為伺服比例閥各節(jié)流口的流量系數(shù)；為伺服比例閥各節(jié)流窗口的面積梯度；為伺服比例閥的開口量，向左移為正方向即向平行位方向移動(dòng)為正方向；為液壓油密度；為伺服比例閥P口的進(jìn)油壓力；為伺服比例閥A口的工作壓力；為伺服比例閥B口的工作壓力；1為流入兩轉(zhuǎn)向助力缸的流量；2流出兩轉(zhuǎn)向助力缸的流量。3.2.2流量連續(xù)性方程對(duì)于伺服比例閥A、B口處的流量方程如下：（3-7）（3-8）式中：為伺服比例閥A口流向左右兩側(cè)管路的流量；為左右兩側(cè)管路流向伺服比例閥B口的流量；為伺服比例閥A口流向左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔的流量；為伺服比例閥A口流向右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔的流量；為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔流向伺服比例閥B口的流量；為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔流向伺服比例閥B口的流量。而對(duì)轉(zhuǎn)向助力缸部分，建立流量的連續(xù)性方程如下：（3-9）（式中：、分別為左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸活塞的位移，向左移為正；為由連接管路進(jìn)入左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔的流量；為由連接管路進(jìn)入右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔的流量；為由左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸有桿腔進(jìn)入連接管路的流量；為由右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔進(jìn)入連接管路的流量；、分別為轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔和有桿腔的面積；為轉(zhuǎn)向助力缸內(nèi)泄漏系數(shù)；為轉(zhuǎn)向助力缸外泄漏系數(shù)；、分別為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力；、分別為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力；、分別為左側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔和有桿腔容積；、分別為右側(cè)轉(zhuǎn)向助力缸無(wú)桿腔和有桿腔容積。3.2.3控制策略建模被控對(duì)象的不同，控制策略可以有很多種，而工程上大多采用PID控制方式，一般情況下可以基本滿足被控對(duì)象的控制要求，PID的基本模型如下：（3-10）（3-11）式中：為目標(biāo)轉(zhuǎn)角；為實(shí)際轉(zhuǎn)角；為目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角之差；為偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)校正后所得控制信號(hào)；、、分別比例增益、積分增益和微分增益。式為目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值方程，它下面的式為目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制策略如PID進(jìn)行校正后，所得信號(hào)與偏差信號(hào)的頻域關(guān)系。3.3本章小結(jié)本章主要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制框圖簡(jiǎn)化以及部分?jǐn)?shù)學(xué)建模與分析。第四章電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析從圖3-1可以看出此模型依然具有很強(qiáng)的非線性，很難進(jìn)行明確的理論分析，為了應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行分析，需要對(duì)上述模型再次進(jìn)行簡(jiǎn)化與線性化處理。并且對(duì)閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸性能分析4.1液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化在對(duì)電液伺服轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行性能分析之前，需要進(jìn)行相關(guān)的假設(shè)，以使模型的主要因素凸顯，忽略次要因素，進(jìn)而用線性控制理論分析主要特性，各種次要因素可以在后續(xù)仿真建模分析中加以考慮，將系統(tǒng)相應(yīng)參量和模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化如下：1、液壓能源是理想的恒壓源，即供油壓力Ps為常數(shù)，且假設(shè)回油壓力為零；2、伺服比例閥與轉(zhuǎn)向助力缸之間的連接管路忽略，由于管路的模型較復(fù)雜，納入頻率模型分析后極其復(fù)雜，由于本文研究的電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的伺服比例閥與轉(zhuǎn)向助力缸間的管路較短僅約為1m，其影響是次要因素，故先將其簡(jiǎn)化進(jìn)行分析；3、當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，需要考慮到泄漏和油液壓縮性的影響，而由于液壓缸外泄漏和壓縮性的影響，使流入轉(zhuǎn)向助力缸的流量和流出轉(zhuǎn)向助力缸的流量不相等，但為了簡(jiǎn)化分析有下公式：（4-1）（4-2）將式(4-1)和(4-2)代入(3-5)或(3-6)，則有伺服比例閥的理想零開口四邊滑閥的流量-壓力方程如下：（4-3）對(duì)上式在零位進(jìn)行線性化處理并拉普拉斯變換可得：（4-4）式中：、、分別為、、的拉式變換；為伺服比例閥的流量增益；為伺服比例閥的流量壓力系數(shù)。聯(lián)合公式，經(jīng)過(guò)求導(dǎo)和拉普拉斯變換可以得到：（4-5）（4-6）式中：、分別為、的拉式變換；為轉(zhuǎn)向助力缸的總泄漏系數(shù)。上述簡(jiǎn)化分析即可得出負(fù)載流量、負(fù)載壓力與左右側(cè)轉(zhuǎn)向力缸的位移和的簡(jiǎn)化拉式變換關(guān)系式。4.2傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化及分析對(duì)電液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸的簡(jiǎn)化模型即式可畫出框圖如圖4．21所示。對(duì)于簡(jiǎn)化模型框圖做如下分析處理：1、對(duì)上圖所示的閥控雙轉(zhuǎn)向助力缸頻域框圖，消除中間變量，求得閥芯輸入位移和轉(zhuǎn)向阻力矩同時(shí)作用時(shí)輪胎的轉(zhuǎn)向角度；2、對(duì)于伺服比例閥控制雙轉(zhuǎn)向助力缸的系統(tǒng)而言，由于控制閥采用的伺服比例閥零位的流量壓力系數(shù)比較小，且助力缸的內(nèi)外泄露也比較小，所以總流量壓力系數(shù)很小，雖然轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有一定的粘性阻尼力，但相乘后數(shù)量級(jí)仍然很小，也就是說(shuō)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)粘性阻尼力引起的泄漏流量而產(chǎn)生的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)角速度一般是很小的可以忽略不計(jì)；3、把系統(tǒng)分解為典型環(huán)節(jié)后，再將傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化成一階慣性環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)后，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的公式。標(biāo)準(zhǔn)的公式：（4-7）為液壓系統(tǒng)泄漏的總壓力增益；為一階慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；為一階慣性環(huán)節(jié)的微分頻率。對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的等效剛度和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度而言，當(dāng)它們的關(guān)系滿足或者兩種特殊情況時(shí)，可以對(duì)公式進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，討論如下：(1)的情況當(dāng)出現(xiàn)時(shí)，也就是說(shuō)液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部分的等效剛度而言是很小的，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部分的等效剛度起主導(dǎo)作用，則有如下近似：（4-8）(2)的情況當(dāng)出現(xiàn)，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部分的等效剛度相對(duì)于液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度而言是很小的，液壓彈簧產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剛度起主導(dǎo)作用，則有如下近似：（4