后橋主動轉向在多軸車輛中的應用

賈超　賈鵬飛　羅志文　田文軍

摘 要：本文介紹了后橋主動轉向的系統組成和工作原理，以及在8X8重型高機動車輛上的應用情況，對整車性能的提升。經過整車計算，該系統符合全輪轉向技術指標，達到車輛使用要求。

關鍵詞：后橋主動轉向 電控液壓 全輪轉向

1 引言

隨著經濟的快速發展，物流重型車輛和軍用重型車輛需求不斷增加，同時對重型車輛的機動性能要求也不斷提高。重型運輸車一般軸數多，噸位大，車體長，質心高且路況較為惡劣，通常是前橋轉向，轉彎半徑很大，后輪輪胎磨損嚴重，高速轉向易甩尾有側傾風險。后橋主動轉向技術可以減小車輛最小轉彎直徑，提高車輛機動性、操縱穩定性和通過性，是改善重型車輛機動性的重要手段。

本文以8X8重型高機動車輛為目標車型，設計了基于電控液壓原理的后橋主動轉向系統，該系統可以對車橋轉向進行獨立的模塊化控制，根據不同工況，車輛可以實現前橋轉向、全輪轉向、蟹形轉向三種轉向模式。當車輛在有限空間轉彎或倒車時，采用全輪轉向模式，可顯著減少車輛轉彎半徑;當車輛在狹小場地調整位置時，可采用蟹形轉向模式進行平移，快速就位;當車輛在高速行駛時，后輪轉向鎖止，自動切換為前橋轉向保持車輛行駛平穩性。

2 后橋主動轉向系統的組成

本文的后橋主動轉向系統方案是采用電控液壓的驅動方式，整個系統主要由轉向梯形機構、電控液壓系統、轉向控制系統等部件構成，見圖1。

其中該車為8X8驅動，懸架為雙橫臂獨立懸架結構，轉向梯形機構采用雙搖臂、斷開式轉向梯形機構。前2橋為轉向梯形組合;后2橋為轉向梯形組合。后2橋有1個轉向助力油缸和1個轉向對中油缸。轉向助力油缸用于驅動梯形機構進行轉向，對中油缸用于各種模式下轉向梯形機構的對中、鎖死。該車的后兩橋的車輪轉角可以分別進行獨立控制。

電控液壓系統為轉向助力油缸和轉向對中油缸提供用于伸縮的液壓動力源。液壓動力源采用電機驅動液壓泵。該液壓系統帶儲能器，用于應急轉向和快速轉向時的流量需求。

轉向控制系統接收整車VCU發出的轉向模式和轉角要求等信號，并根據方向盤轉角信號信號，轉向控制器控制電磁閥的開關和比例閥的開度等，控制轉向助力缸能否伸縮，以及助力缸伸縮的方向及長度，以及轉向對中缸浮動、對中或者鎖止，從而控制梯形機構的轉動方向和速度，并通過冗余的角度傳感器感知轉向梯形機構的轉動情況，進行閉環控制。

當轉向結束后，整車控制器發出的轉角信號為0，轉向控制器控制液壓系統，使轉向梯形機構回正，然后對中鎖止。此外轉向控制系統還可實現故障診斷、應急轉向等功能。

3 后橋主動轉向系統的工作原理

3.1 轉向液壓系統

圖2是后2橋主動轉向液壓原理圖。8X8的前兩橋轉向機構采用傳統機械-液壓助力方式，由方向盤直接控制，作為前橋轉向。三、四橋采用電控液壓的方式，滿足整車全輪轉向模式需求。

1.液壓泵 2.過濾器 3.單向閥 4.比例流量閥 5.三位四電磁換向閥 6.兩位四通電磁閥 7.兩位三通電磁閥 8.節流閥 9.壓力傳感器 10溢流閥

液壓系統工作原理說明如下：

正常轉向：當助力缸需要動作時，兩位三通電磁閥（7）得電，對中缸卸荷隨動對中狀態解除，助力缸可以控制轉向輪轉向。通過三位四通電磁換向閥（5）控制轉動方向，比例流量閥（4）根據控制器的控制信號調整轉向速度，助力缸內帶有位移傳感器，車輪處有角度傳感器，通過兩種傳感器反饋信號與比例閥形成閉環控制精確控制車輪擺角，當擺角角度到位并需要長時間保持時兩位三通電磁閥（6）得電，可鎖止轉向助力缸。

轉向對中：需要對中時，三位四通電磁換向閥（5）與兩位四通電磁閥（6）斷電此時助力缸卸荷隨動;兩位三通電磁閥（7）斷電，對中缸上壓對中，梯形機構對中鎖死;調節節流閥（8）可以調整對中速度。

強制對中：當控制器故障所有電磁閥斷電時，各閥全部處于零位狀態，此時助力缸強制處于浮動狀態，對中缸強制處于對中狀態，此時轉向輪迅速回正，確保安全行駛。

3.2 轉向控制系統

電控系統工作原理說明如下：

轉向控制器通過CAN總線接收VCU發出的轉向模式信號，當全輪轉向模式時，開啟3橋助力缸控制閥。轉向控制器通過CAN總線接收VU發出的轉向信號時，結合車速信息，換算后兩橋所需的轉向角度，控制兩個橋的各個閥組動作，并實時采集轉向角度傳感器和位移傳感器雙冗余信號，計算出助力缸比例閥的占空比，實現精準控制;轉向控制器采集油路的壓力傳感器值，當壓力小于閥值或者需要大油壓助力時，通過CAN總線發送控制信號給電機驅動器，使電機高速運行;相反，當壓力處在正常范圍并且不需要助力時，控制電機低速運行，以節省電源消耗。轉向控制器可實時檢測各個傳感器、電磁閥、油泵電機和控制器的工作狀態，當出現故障時，將故障分級并通過CAN總線報文發出;當出現嚴重故障時，轉向控制器將對助力缸控制閥斷電，待對中缸將轉向軸回正后進行鎖死，不再參與轉向，從而保證車輛安全行駛。

4 后橋主動轉向系統在8X8車輛中的應用

將后橋主動轉向技術應用在8X8重型運輸車輛上，對比前橋轉向和全輪轉向的最小轉彎半徑如下：

4.1 前橋（1、2橋）轉向最小轉彎半徑的計算

所謂理想轉向，就是不考慮輪胎的側向偏離，輪胎做純滾動的轉向。如圖 4 的關系，可得8X8車輛前橋（1、2橋）轉向的最小轉彎半徑為：

式中：

是前橋（1、2橋）轉向的最小轉彎半徑;

是車輪轉臂;

是車輛總軸距;

是轉向中心到第四橋的距離;

是第一橋外輪的最大轉角;

代入相關參數，由上式得8X8車輛前橋（1、2橋）轉向的最小轉彎半徑為13330.8mm。

4.2 全輪轉向最小轉彎半徑的計算

假設8X8車輛動力轉向分為2組，1、2橋為前組，3、4橋為后組，所有車橋等距分布，轉彎瞬時中心處在整車軸距中心垂線的延長線上，如圖5的關系，可得8X8車輛全輪轉向的最小轉彎半徑為：

式中：

是全輪轉向的最小轉彎半徑;

是車輪轉臂;

是車輛總軸距;

是第一橋外輪的最大轉角。

代入相關參數，由上式得8X8車輛全輪轉向的最小轉彎半徑為7664.6mm。

4.3 小結

8X8車輛在前橋（1、2橋）轉向、全輪轉向是的最小轉彎半徑分別為13330.8mm、7664.6mm。可見，后橋主動轉向可大幅減少最小轉彎半徑，提升多軸車輛的通過性。

8X8車輛最小轉彎半徑為7664.6mm。

由圖4可見，8X8車輛前橋（1、2橋）轉向時，由于3、4橋為非轉向橋，車輛走出8條車轍。由圖5可見，8X8車輛全輪（1、2、3、4橋）轉向時，由于所有車橋都是轉向橋，車輛走出4條車轍，相比前橋（1、2橋）轉向的8條車轍，因車轍減少可減小行駛阻力，也有利于減少輪胎磨損。

5 結論

本文研究了后橋主動轉向系統的組成和工作原理，通過電控液壓系統實現對后橋的轉角控制，滿足整車全輪轉向和蟹行行走的要求。通過計算對比，全輪轉向的轉彎半徑大幅減小，是提升整車的通過性的一個重要手段，方案經過實車驗證，系統設計有效。

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