静液压驱动车辆下坡速度控制策略研究

引言

当前,静液压驱动回路已广泛应用于工程机械、农业机械、平板运输车、履带式步战车等重型装备。以单泵单马达回路为例,其一般原理示意如图1所示。

该类型车辆在下坡工况中,尤其是重载陡下坡时,由于拖转力矩易使发动机超速,增加速度控制的难度,这就需要在传动系统上增加一个辅助制动力矩,并配合相应控制策略,从而实现更大域内的速度控制,从而减小风险。

1发动机超速的成因与危害

1.1发动机超速的产生机理

车辆以速度V在与水平成α角的路面匀速行驶,在质心O处对车辆重力mg进行力分解,产生沿坡面平行方向的牵引力F_X:F_X=mgsin α:与坡面垂直的分力F_Y:F_Y=mgcos α,如图2(a）所示。

简化模型,将质量重心0置于驱动轮驱动半径边缘位置,如图2(b）所示。

计车辆与路面摩擦系数为α,则重力分力产生牵引阻力F_f:F_f=mgαcos α:驱动轮驱动半径计为ī,则由牵引阻力F_f产生阻力矩M_f:M_f=mgαīcos α:由牵引力F_X产生牵引力矩Mt:Mt=mgīsin α。

简化驱动轮模型,以其几何中心为参考点,对驱动轮进行受力分析,如图2(c）所示:M_e0+M_f=M_t,其中M_e0为轮边马达产生的阻转扭矩。

由此可知,在此过程中液压马达与闭式泵功能互换。

现以单泵单马达回路为例(图1）,设定发动机在某一转速、车辆的某一档位下,闭式泵排量为p₁,液压马达排量为p₂,马达与泵的容积效率、机械效率均忽略不计,则可得出此时马达两侧压差为△P:△P=M_e0/(p₂×I₁）,那么此时闭式泵输出扭矩M_o:Mo=△P×p₁:闭式泵对发动机产生拖转力矩M_e:M_e=M_oxI₂=△P×p₁×I₂,方向与发动机旋向保持一致。

注:轮边传动机构速比为I₁,闭式泵与发动机输出轴间速比为I₂。

发动机制动是一种成本较低、使用可靠的辅助制动方法,主要有发动机排气制动和发动机缓速器制动两种,文中主要考虑发动机缓速器制动。发动机缓速器制动又叫发动机减压辅助制动,其本质是利用发动机的倒拖消耗车辆的动能,是发动机的一种特殊工况。

图3示意性地给出了发动机转速W_e及其转动所产生的制动力矩T_e之间的关系,该数值的大小随着发动机转速的升高而增加。发动机的制动力矩可以通过线性方程近似表达为:T_e=C₁×W_e+C₂,方向与发动机旋向相反。

注:C₁、C₂为常数。

由图4可知:

(1）当M_e<T_e时,发动机速度降低:

(2）当M_e=T_e时,发动机输出转速保持不变:

(3）当M_e>T_e时,发动机输出转速增加,超速产生。

1.2应对超速的手段局限

当前该类型车辆多采用带档怠速下坡的方式,此时,Me必须小于Te,否则发动机将超速,导致车辆加速下坡。为保证速度可控,道路坡度及行车速度将被强行限制在较小的范围内,极大地降低了车辆的使用效率。为此,该类型重型车辆下长坡时多采用边行车边制动的方式,以使车速可控。但相比于乘用车来说,重型车辆的重量非常大,导致制动器温升过高,制动器的热衰退性也会导致车辆制动系统失效。在车辆运行过程中,正确选用制动方式,及时准确地进行制动,不仅可以控制车速避免事故,还可以提高车辆的平均运动速度,充分发挥其机动性能。

2辅助制动原理及控制策略

2.1辅助制动原理简述

结合超速成因的分析,通过在车辆下坡过程中采用增加辅助制动的方式,可以有效提高车辆使用效率并显著降低刹车失效的风险。以单泵单马达回路为例,其原理示意如图5所示。

(1）控制器根据档位控制机构的实时档位信息确认车辆处于前进还是后退状态。

(2）此时静液压驱动回路中的检测元件将相应油路压力数值分别记为P1、P2,并传送至控制器。

(3）控制器通过比对P1与P2数值的大小确定车辆是否处于下坡状态(暂定:前进档位状态下,AP=(P1-P2）>0时,车辆下坡）。

(4）车辆当前行进速度v的确定:控制器通过采集到安装在液压马达输出轴上的转速检测元件检测到的转速N,结合传动机构的速比I1,驱动轮运动周长L,经处理即可得到车辆实时行进速度v(v=N×I1×L）。

(5）确认车辆处于下坡状态后,控制器根据闭式泵的实时排量数值p1,与AP相乘,即可得到拖转力矩Tf:Tf=p1×AP。

(6）控制器通过扭矩检测元件与转速检测元件分别得到发动机的实时输出扭矩T1、转速N及在此转速下发动机可提供的最大阻力矩Te。

注:发动机在闭式泵拖转工况时,其输出扭矩T1可为正(即与其输出轴旋向一致）,亦可为负(即与其输出轴旋向相反）,且为负值时不得大于Te。

(7）控制器通过处理以上信息,计算得出缓速器所需产生的阻力矩Tx:Tx=T1＋Tf,并将其对应控制信号发送到缓速器,直至车速稳定。

(8）车辆下坡速度的实时调整有两种方法:1）驾驶员通过切换档位控制,控制器接收到档位指令后相应地调节液压马达的排量,进而实现对车辆实时速度v的调整:2）驾驶员通过改变油门踏板的开度,直接改变发动机的输出转速与扭矩,控制器将从扭矩检测元件与转速检测元件处检测到的数值,根据相应关系直接调整闭式泵的实时排量p1,进而实现对车辆实时速度v的调整。

注:当闭式泵产生的拖转力矩Tf与此转速下发动机可提供的最大阻力矩Te大于辅助制动器所能提供的最大阻力矩时,控制器强制对闭式泵进行排量限制。

2.2下坡过程速度控制策略

根据上述辅助制动原理,其下坡过程速度控制策略如图6所示。

3具体应用

在200t多轴线运输车项目中,车辆载重200t、总重260t,沿8%坡度下坡,坡道长度2km。在此项目中,以"定量泵＋比例溢流阀＋电风扇"的方式构成辅助制动器,其具体液压原理示意图如图7所示。

其关键件参数为:

齿轮泵:排量100m+/r,额定压力25MPa,最高转速3000r/min,泊姆克。

比例溢流阀:DBE20-30/31.5系列,上海立新。

电冷却器:4924.063系列油冷(含直流电机）AKG。

按上述控制策略,通过调整比例溢流阀的控制信号,车辆下坡速度可在3～8km/h范围内调整,在不刹车的情况下实现了下坡速度的可控与无级调整,减少了风险,拓展了传统多轴线车重载下坡的安全使用边界。同时,油温控制系统也实现了整个回路的热平衡,该策略经受住了考验。

4结论

(1）在静液压驱动车辆下坡时,当闭式泵产生的拖转力矩Me大于此转速下发动机的制动力矩Te时,发动机输出转速增加,超速产生。

(2）在本文所述速度控制策略下,通过采用合适的辅助制动形式,可以实现更大域内的速度控制,并减小风险。