靜液壓驅(qū)動車輛下坡速度控制策略研究

引言

當前,靜液壓驅(qū)動回路已廣泛應用于工程機械、農(nóng)業(yè)機械、平板運輸車、履帶式步戰(zhàn)車等重型裝備。以單泵單馬達回路為例,其一般原理示意如圖1所示。

該類型車輛在下坡工況中,尤其是重載陡下坡時,由于拖轉(zhuǎn)力矩易使發(fā)動機超速,增加速度控制的難度,這就需要在傳動系統(tǒng)上增加一個輔助制動力矩,并配合相應控制策略,從而實現(xiàn)更大域內(nèi)的速度控制,從而減小風險。

1發(fā)動機超速的成因與危害

1.1發(fā)動機超速的產(chǎn)生機理

車輛以速度V在與水平成α角的路面勻速行駛,在質(zhì)心O處對車輛重力mg進行力分解,產(chǎn)生沿坡面平行方向的牽引力F_X:F_X=mgsin α:與坡面垂直的分力F_Y:F_Y=mgcos α,如圖2(a）所示。

簡化模型,將質(zhì)量重心0置于驅(qū)動輪驅(qū)動半徑邊緣位置,如圖2(b）所示。

計車輛與路面摩擦系數(shù)為α,則重力分力產(chǎn)生牽引阻力F_f:F_f=mgαcos α:驅(qū)動輪驅(qū)動半徑計為ī,則由牽引阻力F_f產(chǎn)生阻力矩M_f:M_f=mgαīcos α:由牽引力F_X產(chǎn)生牽引力矩Mt:Mt=mgīsin α。

簡化驅(qū)動輪模型,以其幾何中心為參考點,對驅(qū)動輪進行受力分析,如圖2(c）所示:M_e0+M_f=M_t,其中M_e0為輪邊馬達產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)扭矩。

由此可知,在此過程中液壓馬達與閉式泵功能互換。

現(xiàn)以單泵單馬達回路為例(圖1）,設(shè)定發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速、車輛的某一檔位下,閉式泵排量為p₁,液壓馬達排量為p₂,馬達與泵的容積效率、機械效率均忽略不計,則可得出此時馬達兩側(cè)壓差為△P:△P=M_e0/(p₂×I₁）,那么此時閉式泵輸出扭矩M_o:Mo=△P×p₁:閉式泵對發(fā)動機產(chǎn)生拖轉(zhuǎn)力矩M_e:M_e=M_oxI₂=△P×p₁×I₂,方向與發(fā)動機旋向保持一致。

注:輪邊傳動機構(gòu)速比為I₁,閉式泵與發(fā)動機輸出軸間速比為I₂。

發(fā)動機制動是一種成本較低、使用可靠的輔助制動方法,主要有發(fā)動機排氣制動和發(fā)動機緩速器制動兩種,文中主要考慮發(fā)動機緩速器制動。發(fā)動機緩速器制動又叫發(fā)動機減壓輔助制動,其本質(zhì)是利用發(fā)動機的倒拖消耗車輛的動能,是發(fā)動機的一種特殊工況。

圖3示意性地給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速W_e及其轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的制動力矩T_e之間的關(guān)系,該數(shù)值的大小隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而增加。發(fā)動機的制動力矩可以通過線性方程近似表達為:T_e=C₁×W_e+C₂,方向與發(fā)動機旋向相反。

注:C₁、C₂為常數(shù)。

由圖4可知:

(1）當M_e<T_e時,發(fā)動機速度降低:

(2）當M_e=T_e時,發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速保持不變:

(3）當M_e>T_e時,發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速增加,超速產(chǎn)生。

1.2應對超速的手段局限

當前該類型車輛多采用帶檔怠速下坡的方式,此時,Me必須小于Te,否則發(fā)動機將超速,導致車輛加速下坡。為保證速度可控,道路坡度及行車速度將被強行限制在較小的范圍內(nèi),極大地降低了車輛的使用效率。為此,該類型重型車輛下長坡時多采用邊行車邊制動的方式,以使車速可控。但相比于乘用車來說,重型車輛的重量非常大,導致制動器溫升過高,制動器的熱衰退性也會導致車輛制動系統(tǒng)失效。在車輛運行過程中,正確選用制動方式,及時準確地進行制動,不僅可以控制車速避免事故,還可以提高車輛的平均運動速度,充分發(fā)揮其機動性能。

2輔助制動原理及控制策略

2.1輔助制動原理簡述

結(jié)合超速成因的分析,通過在車輛下坡過程中采用增加輔助制動的方式,可以有效提高車輛使用效率并顯著降低剎車失效的風險。以單泵單馬達回路為例,其原理示意如圖5所示。

(1）控制器根據(jù)檔位控制機構(gòu)的實時檔位信息確認車輛處于前進還是后退狀態(tài)。

(2）此時靜液壓驅(qū)動回路中的檢測元件將相應油路壓力數(shù)值分別記為P1、P2,并傳送至控制器。

(3）控制器通過比對P1與P2數(shù)值的大小確定車輛是否處于下坡狀態(tài)(暫定:前進檔位狀態(tài)下,AP=(P1-P2）>0時,車輛下坡）。

(4）車輛當前行進速度v的確定:控制器通過采集到安裝在液壓馬達輸出軸上的轉(zhuǎn)速檢測元件檢測到的轉(zhuǎn)速N,結(jié)合傳動機構(gòu)的速比I1,驅(qū)動輪運動周長L,經(jīng)處理即可得到車輛實時行進速度v(v=N×I1×L）。

(5）確認車輛處于下坡狀態(tài)后,控制器根據(jù)閉式泵的實時排量數(shù)值p1,與AP相乘,即可得到拖轉(zhuǎn)力矩Tf:Tf=p1×AP。

(6）控制器通過扭矩檢測元件與轉(zhuǎn)速檢測元件分別得到發(fā)動機的實時輸出扭矩T1、轉(zhuǎn)速N及在此轉(zhuǎn)速下發(fā)動機可提供的最大阻力矩Te。

注:發(fā)動機在閉式泵拖轉(zhuǎn)工況時,其輸出扭矩T1可為正(即與其輸出軸旋向一致）,亦可為負(即與其輸出軸旋向相反）,且為負值時不得大于Te。

(7）控制器通過處理以上信息,計算得出緩速器所需產(chǎn)生的阻力矩Tx:Tx=T1＋Tf,并將其對應控制信號發(fā)送到緩速器,直至車速穩(wěn)定。

(8）車輛下坡速度的實時調(diào)整有兩種方法:1）駕駛員通過切換檔位控制,控制器接收到檔位指令后相應地調(diào)節(jié)液壓馬達的排量,進而實現(xiàn)對車輛實時速度v的調(diào)整:2）駕駛員通過改變油門踏板的開度,直接改變發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速與扭矩,控制器將從扭矩檢測元件與轉(zhuǎn)速檢測元件處檢測到的數(shù)值,根據(jù)相應關(guān)系直接調(diào)整閉式泵的實時排量p1,進而實現(xiàn)對車輛實時速度v的調(diào)整。

注:當閉式泵產(chǎn)生的拖轉(zhuǎn)力矩Tf與此轉(zhuǎn)速下發(fā)動機可提供的最大阻力矩Te大于輔助制動器所能提供的最大阻力矩時,控制器強制對閉式泵進行排量限制。

2.2下坡過程速度控制策略

根據(jù)上述輔助制動原理,其下坡過程速度控制策略如圖6所示。

3具體應用

在200t多軸線運輸車項目中,車輛載重200t、總重260t,沿8%坡度下坡,坡道長度2km。在此項目中,以"定量泵＋比例溢流閥＋電風扇"的方式構(gòu)成輔助制動器,其具體液壓原理示意圖如圖7所示。

其關(guān)鍵件參數(shù)為:

齒輪泵:排量100m+/r,額定壓力25MPa,最高轉(zhuǎn)速3000r/min,泊姆克。

比例溢流閥:DBE20-30/31.5系列,上海立新。

電冷卻器:4924.063系列油冷(含直流電機）AKG。

按上述控制策略,通過調(diào)整比例溢流閥的控制信號,車輛下坡速度可在3～8km/h范圍內(nèi)調(diào)整,在不剎車的情況下實現(xiàn)了下坡速度的可控與無級調(diào)整,減少了風險,拓展了傳統(tǒng)多軸線車重載下坡的安全使用邊界。同時,油溫控制系統(tǒng)也實現(xiàn)了整個回路的熱平衡,該策略經(jīng)受住了考驗。

4結(jié)論

(1）在靜液壓驅(qū)動車輛下坡時,當閉式泵產(chǎn)生的拖轉(zhuǎn)力矩Me大于此轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的制動力矩Te時,發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速增加,超速產(chǎn)生。

(2）在本文所述速度控制策略下,通過采用合適的輔助制動形式,可以實現(xiàn)更大域內(nèi)的速度控制,并減小風險。