第一節(jié)　液壓載重車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

一、閉式液壓系統(tǒng)介紹

液壓載重車動(dòng)力艙置于車輛的中端,驅(qū)動(dòng)組件置于車輛的兩端,距離很遠(yuǎn),整車形態(tài)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸跨度很大。模塊車在行駛過(guò)程中外負(fù)載慣性大,且正反向換向及制動(dòng)比較頻繁,是適合于負(fù)荷變化劇烈和前進(jìn)、倒退、制動(dòng)頻繁的工程機(jī)械負(fù)荷工況,以及對(duì)速度要求嚴(yán)格控制的作業(yè)機(jī)械。

1.閉式系統(tǒng)構(gòu)成

自行式液壓載重車最理想的傳動(dòng)方式是采用閉式泵?馬達(dá)減速器的閉式回路。按布局形態(tài)可分為“整體式”和“分置式”兩類;按液壓馬達(dá)與行走裝置之間的連接,有“高速方案”和“低、中速方案”;按泵、馬達(dá)數(shù)量可分為單泵單馬達(dá)、單泵多馬達(dá)、多泵多馬達(dá)等。

采用雙向變量液壓泵,通過(guò)泵的變量改變主油路中的流量大小和方向,實(shí)現(xiàn)車輛的變速與換向。閉式系統(tǒng)的主泵上通軸附設(shè)一小排量齒輪(或內(nèi)齒輪)補(bǔ)油泵,補(bǔ)油溢流閥和補(bǔ)油單向閥多集成于主泵,沖洗冷卻閥集成在馬達(dá)上。補(bǔ)油溢流閥調(diào)定補(bǔ)油壓力,補(bǔ)油單向閥選擇補(bǔ)油方向,向主油路低壓側(cè)補(bǔ)油,以補(bǔ)償由于泵、馬達(dá)容積損失及由沖洗冷卻閥泄漏掉的流量。由于系統(tǒng)是閉式回路,馬達(dá)出口的油液大部分又進(jìn)入閉式泵的進(jìn)油口,而不是回油箱,所以油溫通常很高,必須在系統(tǒng)回路上安裝沖洗閥,使馬達(dá)低壓側(cè)的一部分熱油通過(guò)沖洗閥,經(jīng)冷卻后流回油箱,油箱的冷卻油通過(guò)補(bǔ)油泵重新進(jìn)入系統(tǒng)中。沖洗閥可以集成在馬達(dá)上,也可以單獨(dú)安裝在系統(tǒng)中。由于油液發(fā)熱的原因,需要有部分冷卻油不斷地流入系統(tǒng),補(bǔ)充沖洗掉的熱油,補(bǔ)油泵的存在使系統(tǒng)增加了一部分很小的穩(wěn)定的附加損失。但其排量和壓力相對(duì)于主泵均很小,因此其附加功率損失通常僅為傳動(dòng)裝置總功率的1%~2%,可以忽略不計(jì)(其原理如圖4?1所示)。

2.閉式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

① 閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,變量泵均為集成式構(gòu)造,減小了安裝空間。系統(tǒng)管路連接相對(duì)簡(jiǎn)單,減少了管路布置的工作量,簡(jiǎn)化了操作。閉式系統(tǒng)由于采用了雙向變量泵和變量馬達(dá),換向、制動(dòng)方便,適用于換向、制動(dòng)頻繁的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。改變泵和馬達(dá)的排量就可以改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,不會(huì)產(chǎn)生節(jié)流損失,系統(tǒng)效率高。

② 補(bǔ)油泵通常還用于對(duì)主泵和馬達(dá)進(jìn)行冷卻,讓多余的流量通過(guò)主泵和馬達(dá)殼體回油箱,這種冷卻對(duì)防止主泵、馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間在零流量或零壓力(或持續(xù)高壓大功率)下工作產(chǎn)生的過(guò)熱是必要的。因?yàn)樵诹銐毫ο轮鞅谩ⅠR達(dá)一般無(wú)內(nèi)泄漏,持續(xù)大功率下則熱量過(guò)多。補(bǔ)油泵還能方便地為某些低壓工作的輔助機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器提供動(dòng)力,這種情況下安裝一個(gè)順序閥即可保證主回路不受輔助回路影響,防止因補(bǔ)油不足而停車;僅有少量的補(bǔ)油流量從油箱吸取,油箱小,便于行走車輛布置。

③ 閉式系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)油泵的補(bǔ)油,能夠有效防止變量泵在大流量時(shí)因?yàn)槲諏?dǎo)致的氣蝕現(xiàn)象,提高泵的工作轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)裝置的功率密度。此外,在補(bǔ)油泵出口安裝一個(gè)較小流量的壓力濾油器,使工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入系統(tǒng),提高傳動(dòng)裝置的可靠性和壽命。確保主泵的進(jìn)油口壓力恒定在調(diào)定壓力,從而使泵工作時(shí)不易損壞,可靠性更高,使用壽命更長(zhǎng)。

④ 閉式系統(tǒng)工作時(shí)由于補(bǔ)油溢流閥的原因背壓較為恒定,A油口和B油口對(duì)稱工作。柱塞泵和馬達(dá)的容積效率不低于85%,并且工作時(shí)泄漏量基本不隨壓力變化。這些特點(diǎn)使得閉式系統(tǒng)在工作時(shí)柱塞泵從正轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)過(guò)渡平穩(wěn),不會(huì)出現(xiàn)流量脈動(dòng),輸出軸剛性較大,負(fù)荷有變化時(shí)仍能平穩(wěn)地工作。

二、液壓載重車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閉式液壓系統(tǒng)是液壓傳動(dòng)的一種形式,適用于外負(fù)載慣性大且換向頻繁的機(jī)構(gòu),特別是結(jié)構(gòu)要求緊湊的大型工程機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。閉式液壓系統(tǒng)是由液壓泵和液壓馬達(dá)組成的容積調(diào)速系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。如果采用變量液壓泵和變量液壓馬達(dá)傳動(dòng),則系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。閉式液壓系統(tǒng)具有功率密度高、布局方便、過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)和控制方式靈活等特點(diǎn)。

載重車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變量泵?變量馬達(dá)容積調(diào)速回路,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性的分析,可以為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

載重車行駛時(shí)的受力方程為

F_t=F_f+F_p+F_m(4?1)

式中　F_t——載重車驅(qū)動(dòng)力,N;

　　F_f——載重車行駛摩擦阻力,N;

　　F_p——載重車坡道阻力,N;

　　F_m——載重車加速阻力,N。

馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩特性可以表示為

M_m==(4?2)

式中　M_m——馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;

　　r_d——輪胎承載半徑,m;

　　n——驅(qū)動(dòng)輪胎數(shù)量;

　　i_d——減速器傳動(dòng)比;

　　Δp_m——馬達(dá)進(jìn)出口壓差,bar(1bar=100kPa,下同);

　　q_m——馬達(dá)的排量,m3/r;

　　η_mm——減速器機(jī)械效率。

馬達(dá)的轉(zhuǎn)速特性可以表示為

n_m=η_vm==(4?3)

式中　n_m——馬達(dá)轉(zhuǎn)速,r/mim;

　　Q_am——馬達(dá)流量,m3/min;

　　η_vm——馬達(dá)的容積效率;

　　Q_ap——泵的流量,m3/min;

　　q_p——泵的排量,m3/r;

　　n_p——發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,r/min;

　　η_vp——泵的容積效率。

以JHP270ZXP為例,根據(jù)整車驅(qū)動(dòng)力及速度的要求,經(jīng)過(guò)計(jì)算,確定選用A4VG 125/32變量柱塞泵2臺(tái),A6VM 55/63馬達(dá)8臺(tái)。根據(jù)已知發(fā)動(dòng)機(jī)及輪胎的參數(shù),得到液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力?速度曲線,如圖4?2所示。圖4?2關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)在表4?1中列出。

1daN=10N

表4?1　液壓系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)

三、液壓載重車的驅(qū)動(dòng)布置方案選擇

為了實(shí)現(xiàn)大型自行式液壓載重車設(shè)計(jì)意圖與目標(biāo),關(guān)鍵在于做好驅(qū)動(dòng)總體方案設(shè)計(jì)。為了做好整體方案設(shè)計(jì),首先結(jié)構(gòu)形式要處理好,主要參數(shù)要確定好,在出現(xiàn)矛盾時(shí),要先保證主要工況,再照顧好次要工況。由于載重車載重噸位大、自重較大且額定行駛速度不能定得太高,應(yīng)力求高度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以提高整機(jī)橫向穩(wěn)定性。

首先根據(jù)用戶提出的使用路況的特點(diǎn)及轉(zhuǎn)向工況等使用條件,確定載重車應(yīng)當(dāng)采用輪胎式結(jié)構(gòu)方案,而否定了履帶式結(jié)構(gòu)的方案。圖4?4所示為輪式工程運(yùn)輸機(jī)械行走機(jī)構(gòu)液壓傳動(dòng)的四種基本型式,圖中元件的數(shù)量?jī)H為示意,并非實(shí)際數(shù)目。

1—液壓泵;2—液壓馬達(dá);3—變速箱;4—萬(wàn)向節(jié);5—差速器;6—輪胎;7—發(fā)動(dòng)機(jī);8—輪邊減速器

　　圖4?4(a)為液壓傳動(dòng)代替離合器等機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu),保留了傳統(tǒng)的齒輪變速箱3、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)4及輪間差速器5。這種傳動(dòng)方式系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造成本低,但不能改善輪式機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的性能和牽引動(dòng)力特性。

圖4?4(b)給出了一種具有閉合回路的全液壓系統(tǒng)。換向靠大扭矩液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)。馬達(dá)2直接裝在車輪上,無(wú)需輪邊減速裝置。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在一定功率時(shí)的調(diào)速范圍很小(不超過(guò)5km/h),外廓尺寸大,不能獲得超過(guò)15km/h的速度,其單位重量和單位功率傳遞值均比帶減速裝置的高速馬達(dá)小。國(guó)外采用這種傳動(dòng)方式的較多,一般用于低速運(yùn)行機(jī)械。

圖4?4(c)所示為高速小扭矩液壓馬達(dá)經(jīng)過(guò)減速裝置8驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)系統(tǒng)。它可以利用已經(jīng)成熟的車輪馬達(dá)系列,并保證馬達(dá)有較高的工作效率。在這樣的系統(tǒng)中,可以用定量馬達(dá),也可以用變量馬達(dá)。采用變量馬達(dá)時(shí),由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和排量也可調(diào),機(jī)器行走速度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)25km/h,最大行走速度50km/h。采用這種傳動(dòng)方案,除可改進(jìn)液壓系統(tǒng)傳動(dòng)參數(shù)外,還能采用標(biāo)準(zhǔn)化的車輪液壓馬達(dá)系列。

圖4?4(d)全部采用變量泵和變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng),消除了上述許多弊病。同時(shí),由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào),因而大大提高了輪式工程機(jī)械的牽引動(dòng)力特性。這樣的系統(tǒng)適用于大多數(shù)輪式載重車。采用變量泵?變量馬達(dá),調(diào)速范圍擴(kuò)大了,并可以考慮布置不同的驅(qū)動(dòng)與從動(dòng)橋,前面的驅(qū)動(dòng)橋和后面的驅(qū)動(dòng)橋能分配不同的負(fù)荷比率。這種方案具有較高的牽引動(dòng)力特性。

經(jīng)過(guò)比較上面四種傳動(dòng)布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)并反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算以后,選定載重車行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)布置方案為圖4?4(d)所示的方案,圖4?5所示為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置圖。

四、整車調(diào)速控制

為確保車輛在正常作業(yè)的情況下,提高車輛效率、行駛的操控性和平穩(wěn)性,必須根據(jù)車輛的不同行駛工況來(lái)調(diào)節(jié)載重車行駛速度。載重車采用液壓傳動(dòng),由發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)變量泵,變量泵驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá),通過(guò)輪邊減速器直接驅(qū)動(dòng)輪胎,中間沒(méi)有變速箱,不能像一般車輛那樣通過(guò)選擇不同擋位來(lái)調(diào)節(jié)車速。另外由于系統(tǒng)需要,發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速需保持恒定,又不能通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)車速。因此,載重車的速度調(diào)節(jié)利用液壓傳動(dòng)的特點(diǎn),通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵和變量馬達(dá)的排量來(lái)調(diào)節(jié)速度,和一般車輛相差很大。啟動(dòng)前將馬達(dá)的排量調(diào)到最大值,將泵的排量調(diào)到零位。啟動(dòng)后,首先調(diào)節(jié)泵的排量,逐漸調(diào)到最大值;然后再將馬達(dá)的排量從最大值往小調(diào)。調(diào)節(jié)泵的過(guò)程中,馬達(dá)的排量不變,此時(shí)相當(dāng)于變量泵?定量馬達(dá)的回路特性,為恒扭矩工況。而調(diào)節(jié)馬達(dá)的過(guò)程中,泵的排量保持不變,又相當(dāng)于定量泵?變量馬達(dá)的回路特性,為恒功率工況。將這兩種回路的調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái),就是變量泵?變量馬達(dá)回路的調(diào)節(jié)方式。

自行式全液壓載重車變量泵?變量馬達(dá)容積調(diào)速回路特性曲線如圖4?6所示。圖中,曲線abc表示車輛驅(qū)動(dòng)力矩,曲線def表示車輛行駛速度。

1.啟動(dòng)加速階段(恒扭矩調(diào)速階段)

相當(dāng)于變量泵?定量馬達(dá)容積調(diào)速。運(yùn)輸車從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其負(fù)載基本不變,馬達(dá)輸出扭矩為M_m=1/2πq_mΔp。當(dāng)負(fù)載不變時(shí),Δp不變,而定量馬達(dá)的流量值是不變的,所以馬達(dá)的輸出扭矩為恒值(如圖4?6線段ab),

與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化無(wú)直接關(guān)系。馬達(dá)輸出功率為N_m=2πn_mM_m,M_m恒定,所以馬達(dá)輸出功率與馬達(dá)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。由于運(yùn)輸車起步階段負(fù)載大,故馬達(dá)的輸出扭矩必須足夠大才能驅(qū)動(dòng)車起步,此時(shí)馬達(dá)的排量保持最大,泵的輸出轉(zhuǎn)速不變。而馬達(dá)的轉(zhuǎn)速n_m(n_m=n_pq_p)/q_m與泵的排量q_p成正比。隨著變量泵斜盤傾角增大,泵的排量隨之增大,使馬達(dá)轉(zhuǎn)速上升,馬達(dá)的輸出功率增大(如圖4?6線段de)。隨著變量泵從最小排量調(diào)到最大排量,馬達(dá)轉(zhuǎn)速相應(yīng)從最小轉(zhuǎn)速n_{m min}逐漸提高到與泵最大排量相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n為止。

2.行駛階段(恒功率調(diào)速階段)

相當(dāng)于定量泵?變量馬達(dá)容積調(diào)速。此階段泵的排量最大,并保持不變。馬達(dá)的輸出功率為N_m=2πn_mM_m=Q_p·Δp。當(dāng)外負(fù)載不變時(shí),Δp不變。所以馬達(dá)的輸出功率保持恒定,如圖4?6中線段ef,由該公式又可知,在變負(fù)荷工況下,馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩M_m與轉(zhuǎn)速n_m成反比例關(guān)系,基本按圖4?6線段be所示的雙曲線關(guān)系自動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著負(fù)載的減小,馬達(dá)從最大排量自動(dòng)減小到某一限定值,轉(zhuǎn)速相應(yīng)繼續(xù)提高到馬達(dá)所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。此階段馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié),保持馬達(dá)輸出功率恒定。

調(diào)節(jié)載重車的行駛速度,主要通過(guò)調(diào)節(jié)變量泵和變量馬達(dá)的排量來(lái)實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)變量泵的排量實(shí)際上是改變變量泵的輸出流量。在任何情況下,需保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。欲改變車輛的驅(qū)動(dòng)力,可通過(guò)調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的排量和變量馬達(dá)的有效工作壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理,在馬達(dá)排量確定的情況下,馬達(dá)并聯(lián)油路的壓力通常情況下取決于載重車在行駛作業(yè)過(guò)程中的車輪阻力,而這與車輛的承載有關(guān)。載重車重載時(shí),阻力較大,系統(tǒng)壓力也較高。反之,載重車輕載時(shí),車輪阻力小,則系統(tǒng)壓力低。因此,整個(gè)系統(tǒng)的壓力是被動(dòng)的,隨著不同工況時(shí)工作阻力不同而改變。從控制本身的角度來(lái)考慮,有一定的自適應(yīng)性,這也是靜液壓傳動(dòng)方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。有時(shí)為了適應(yīng)特殊工況,有必要維持系統(tǒng)工作壓力恒定,這就是通常所說(shuō)的恒壓控制問(wèn)題。

五、差速控制

車輛在行駛過(guò)程中,特別是轉(zhuǎn)彎時(shí),每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速是不一樣的,尤其是在多輪驅(qū)動(dòng)的情況下,如果不加以調(diào)節(jié),就會(huì)出現(xiàn)個(gè)別車輪打滑現(xiàn)象。為了保證車輛行駛的穩(wěn)定性和操縱性能,使車輛在行駛過(guò)程中,能夠根據(jù)行駛狀況的要求,自動(dòng)調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)輪的行駛速度,使驅(qū)動(dòng)輪在行駛過(guò)程中始終和地面保持純滾動(dòng),這就是自動(dòng)差速控制。傳統(tǒng)的汽車差速是通過(guò)一個(gè)機(jī)械差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。載重車驅(qū)動(dòng)橋上是由變量馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)車輪的,中間沒(méi)有差速器。

以JHP270平板車為例,有5條軸線,應(yīng)有約1/3為驅(qū)動(dòng)軸,其余為從動(dòng)軸,共有8個(gè)變量馬達(dá),這8個(gè)變量馬達(dá)并聯(lián)在系統(tǒng)的公共回路上。當(dāng)載重車行駛時(shí),在不作任何調(diào)節(jié)的情況下,變量馬達(dá)的工作壓力取決于負(fù)荷最低的那個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的工作阻力。因所有馬達(dá)都并聯(lián)在公共回路上,每個(gè)馬達(dá)的進(jìn)口壓力都應(yīng)當(dāng)相同,也就是整個(gè)系統(tǒng)的壓力取決于行駛過(guò)程中負(fù)荷最小的那個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的阻力。當(dāng)所有輪胎與地面保持良好的接觸即純滾動(dòng)時(shí),只要所有馬達(dá)所產(chǎn)生的總牽引力足夠克服負(fù)荷產(chǎn)生的總阻力,靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)本身就能較好地實(shí)現(xiàn)差速性能。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速都不一樣,外圈的車輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)圈車輪的轉(zhuǎn)速。如果這時(shí)內(nèi)外圈車輪轉(zhuǎn)速一樣,則外圈車輪必定發(fā)生滑移。由于所有車輪和地面保持純滾動(dòng),并且馬達(dá)所產(chǎn)生的總牽引力能夠克服負(fù)載所產(chǎn)生的阻力驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn),如果車輪想要發(fā)生滑移,則必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻止車輪滑移的阻力,這個(gè)阻力在一定程度上起到提高車輪轉(zhuǎn)速的作用。靜液壓傳動(dòng)最大的特點(diǎn)是不同于其他傳動(dòng)方式的硬特性,其他傳動(dòng)方式一旦給定了輸出轉(zhuǎn)速,除了人為調(diào)節(jié)之外,是不會(huì)隨著外界條件而變化的。靜液壓傳動(dòng)的性能較柔,具有自適應(yīng)性。因此,當(dāng)車輪受到一個(gè)強(qiáng)制加速的力時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)分配給驅(qū)動(dòng)這個(gè)車輪的馬達(dá)相應(yīng)的流量,這就是靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)分流的特性。利用這個(gè)特點(diǎn)可以較好地解決運(yùn)輸車的差速問(wèn)題。這也是一般驅(qū)動(dòng)輪較多的車輛都采用液壓傳動(dòng)的一個(gè)原因。

六、防滑控制

閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn):當(dāng)某個(gè)馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的車輪的附著力不夠時(shí),該車輪會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,輕微時(shí),機(jī)器卸載后可駛出打滑區(qū)域;嚴(yán)重時(shí),車輛無(wú)法脫離泥沼或坑陷而發(fā)生“陷車”。目前,國(guó)內(nèi)采用閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械一般都沒(méi)有采取措施進(jìn)行防滑控制,而是等車輛出現(xiàn)打滑后將車停下來(lái)另想辦法使其駛出打滑區(qū)域。

1.車輪打滑的產(chǎn)生原因及其危害

根據(jù)行駛原理,車輛行駛必須同時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)條件和附著條件,即為:

F_f+F_w+F_i≤F_t≤F_Zφφ(4?4)

式中　F_t——汽車的驅(qū)動(dòng)力;

　　F_f——滾動(dòng)阻力;

　　F_w——空氣阻力;

　　F_i——坡道阻力;

　　F_Zφ——驅(qū)動(dòng)輪上支撐的重力;

　　φ——附著系數(shù)。

當(dāng)車輛提供的驅(qū)動(dòng)力足夠大而附著力不足時(shí),驅(qū)動(dòng)力的最大允許值由附著力決定。若此時(shí)行駛總阻力超過(guò)附著力,則車輛由于驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生嚴(yán)重滑轉(zhuǎn)而不能正常工作。

車輛行進(jìn)過(guò)程中,車速和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度(輪速)之間存在著速度差,也就是車輪與地面之間有滑移現(xiàn)象。一般用滑轉(zhuǎn)率S來(lái)表示滑移的程度。

S=(ωR-v)/ωR×100%(4?5)

式中　ω——車輪的角速度,r/s;

　　R——車輪的動(dòng)力半徑,m;

　　v——汽車的速度,m/s。

當(dāng)車速v=0時(shí),S=100%,即車輪在原地打滑;當(dāng)v=ωR時(shí),S=0,表明車輪做純滾動(dòng);當(dāng)0<S<100%時(shí),車輪既滾又滑。

典型的車輪傳動(dòng)裝置采用幾個(gè)車輪馬達(dá)并聯(lián)的方式,由液壓泵為其提供動(dòng)力。當(dāng)車輛行駛時(shí),在不作任何調(diào)節(jié)的情況下,變量馬達(dá)的工作壓力取決于負(fù)荷最低的那個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的工作阻力。車輛行駛過(guò)程中的牽引力是一個(gè)被動(dòng)力,由驅(qū)動(dòng)車輪的馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩決定,它隨著馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的增大而增加,隨著馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的減小而降低,但又受到地面等條件的制約,其增加不是無(wú)限制地增加,而必須不超過(guò)地面對(duì)車輪的最大靜摩擦力,否則會(huì)出現(xiàn)車輪打滑。而地面給車輪的最大靜摩擦力取決于地面的附著系數(shù),影響附著系數(shù)的因素很多,如路面條件、附著重量、輪胎充氣壓力、輪胎尺寸、輪胎花紋、輪胎結(jié)構(gòu)等。一旦某個(gè)車輪出現(xiàn)打滑,系統(tǒng)中其他車輪的壓力和扭矩就會(huì)被限制在同一水平。在極端狀況下,一個(gè)車輪懸空會(huì)使其他車輪的壓力降為零。在這種情況下,不但主機(jī)的牽引力會(huì)喪失,而且空轉(zhuǎn)的馬達(dá)也會(huì)由于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)而損壞。因此,必須采取措施進(jìn)行行走機(jī)械閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防滑控制。

2.車輪打滑的檢測(cè)

各變量馬達(dá)上都裝有轉(zhuǎn)速傳感器,利用各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速值,可檢測(cè)車輪是否處于打滑狀態(tài)。其原理方法如下:

① 每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的車輪馬達(dá)內(nèi)都裝有傳感器,傳感器安裝在變量馬達(dá)專門的測(cè)量孔中,對(duì)應(yīng)一個(gè)由磁性材料制造的內(nèi)置齒輪或類似部件,傳感器用霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體檢測(cè)磁通量的變化。當(dāng)車輛行駛時(shí),變量馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),傳感器發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào),并把檢測(cè)到的磁通量變化轉(zhuǎn)換為脈沖方波信號(hào),通過(guò)控制器在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù),計(jì)算出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。

② 在平坦的路面直線行駛時(shí),各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速在理論上是相等的。取所有驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速的平均值為基準(zhǔn),并設(shè)定一個(gè)誤差范圍Δn,若某一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速超出+Δn這個(gè)范圍時(shí),則認(rèn)為這個(gè)車輪開(kāi)始打滑,需要進(jìn)行調(diào)節(jié),這也是自動(dòng)控制的一個(gè)條件。

③ 當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),根據(jù)控制裝置輸入的轉(zhuǎn)角計(jì)算出每個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)向角,則每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)速n_i可以通過(guò)式(4?6)確定。同樣設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速范圍n_i+Δn,當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速超出這個(gè)范圍時(shí),則確認(rèn)此驅(qū)動(dòng)輪打滑。

n_i=f(R,v,z)(4?6)

式中　R——相應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑;

　　z——轉(zhuǎn)向中心所處的車軸距車第一軸的距離。

3.車輪打滑液壓控制方法

行走機(jī)械閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防滑常用的控制方法有三種:一是調(diào)整打滑驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)上的轉(zhuǎn)矩,二是限制打滑驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)的流量,三是對(duì)發(fā)生打滑的驅(qū)動(dòng)輪直接施加制動(dòng)控制。

(1)調(diào)整馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩防滑

首先分析行走機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)?液壓泵?液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩匹配原理。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為:

P_e=(4?7)

式中　P_e——發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率,kW;

　　M_e——發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;

　　n_e——發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速,r/min。

液壓泵的輸出功率為:

P_p=(4?8)

式中　P_p——液壓泵總的輸出功率,kW;

　　Δp_q——驅(qū)動(dòng)液壓泵的壓差,MPa;

　　V_q——驅(qū)動(dòng)液壓泵的排量,mL/r;

　　n_q——驅(qū)動(dòng)液壓泵的轉(zhuǎn)速,r/min。

馬達(dá)的輸出功率可以表示為:

M_m==(4?9)

(4?10)

式中　M_m——馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;

　　Δp_m——馬達(dá)進(jìn)出口壓差,bar;

　　q_m——馬達(dá)的排量,mL/r;

　　n_mi——馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,r/min。

在不考慮功率過(guò)載余量和傳動(dòng)效率的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)功率、泵輸出功率和馬達(dá)輸出功率三者相等,即:

(4?11)

泵和馬達(dá)之間還存在著流量匹配的關(guān)系,即:

(4?12)

從上式可以看出,調(diào)整馬達(dá)輸出扭矩的方法有很多,可以通過(guò)改變液壓泵或馬達(dá)的排量來(lái)實(shí)現(xiàn),也可通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。分如下情況討論:

① 對(duì)于變量泵?變量馬達(dá)系統(tǒng)和定量泵?變量馬達(dá)系統(tǒng),一般考慮調(diào)整打滑馬達(dá)的排量。當(dāng)某組驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)時(shí),將滑轉(zhuǎn)的馬達(dá)排量按照一定的算法減小,使得馬達(dá)輸出扭矩減小,直至打滑側(cè)轉(zhuǎn)速下降,系統(tǒng)壓力重新建立,流量大部分分配到未滑轉(zhuǎn)一側(cè),該側(cè)地面附著條件較好時(shí),能提供主要的牽引力,而滑轉(zhuǎn)的一側(cè)也可通過(guò)控制算法提供一定的輔助牽引力,使車輛脫離打滑區(qū)域。在減小滑轉(zhuǎn)側(cè)馬達(dá)排量過(guò)程中,是否會(huì)出現(xiàn)因馬達(dá)排量減小,反而轉(zhuǎn)速升高,滑轉(zhuǎn)更為嚴(yán)重,甚至排量接近零時(shí)的馬達(dá)“飛車”現(xiàn)象是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。解決這種問(wèn)題的思路有多種,如下:

a.給懸空車輪予以制動(dòng);

b.設(shè)置旁路閥,使該液壓馬達(dá)旁路,同時(shí)切斷與液壓泵的油路;

c.當(dāng)馬達(dá)排量連續(xù)減小到一定值時(shí),若馬達(dá)車輪仍打滑,則將其排量以階躍信號(hào)的形式快速調(diào)節(jié)至零。

從控制系統(tǒng)本身的角度出發(fā),這里提及的幾種方法都可行。但考慮到在工程應(yīng)用中,應(yīng)力求控制方式簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),因此考慮選用第三種方案。

② 對(duì)于變量泵?定量馬達(dá)系統(tǒng),由于馬達(dá)排量不能改變,只能通過(guò)改變液壓泵排量或調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出扭矩。柴油機(jī)常通過(guò)控制燃油噴射量來(lái)減低其輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí),還可以加大泵的排量來(lái)降低液壓系統(tǒng)的壓力,這樣也能減小打滑車輪馬達(dá)的輸出扭矩。當(dāng)調(diào)整到式(4?12)滿足時(shí),車輛就可以重新建立平衡,駛出打滑區(qū)。

③ 對(duì)于定量泵?定量馬達(dá)系統(tǒng),只能通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出扭矩。這種系統(tǒng)調(diào)整的范圍比較小,一般通過(guò)別的方式來(lái)解決打滑問(wèn)題。

(2)限制打滑驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)的流量防滑

因?yàn)樗旭R達(dá)都是并聯(lián)在公共回路上,當(dāng)某個(gè)車輪打滑時(shí),系統(tǒng)壓力下降引起泵的輸出流量全都進(jìn)入打滑馬達(dá)導(dǎo)致車輛不能正常工作。如果能控制進(jìn)入打滑馬達(dá)的流量,就能控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,解決馬達(dá)打滑的問(wèn)題。這種方法不論泵、馬達(dá)排量能否調(diào)整均適用。限制打滑驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)的流量有三種方法:

① 采用分流集流閥　分流集流閥也可以進(jìn)行牽引控制,分流集流閥依據(jù)負(fù)載傳感原理分配各支路的流量。液壓油通過(guò)分流集流閥閥芯窗口流向馬達(dá)時(shí)產(chǎn)生壓力降。由于通過(guò)閥孔的流量不同,因而作用于尾部腔內(nèi)所產(chǎn)生的壓力也不同,從而使閥芯移動(dòng),并限制過(guò)高的流量通過(guò)。流量分流集流閥的設(shè)計(jì)不會(huì)由于精確度過(guò)高而導(dǎo)致由于轉(zhuǎn)向和地面不平所引起的車輪正常打滑。流量傳感分流集流閥在液壓油流向相反的情況下便如此工作。其缺點(diǎn)在于分流集流閥的有限工作流量范圍較窄,在用于速度變化范圍較大的設(shè)備時(shí),由于工作時(shí)低速動(dòng)轉(zhuǎn),移動(dòng)時(shí)高速,那么當(dāng)液壓油在閉式回路中通過(guò)閥孔時(shí),壓力下降十分明顯,這樣就會(huì)使驅(qū)動(dòng)車輪的動(dòng)力下降并產(chǎn)生熱量。

② 采用流量控制閥　采用流量控制閥控制系統(tǒng)打滑的原理如圖4?7所示,每個(gè)馬達(dá)上均裝有速度傳感器和可調(diào)節(jié)流閥。當(dāng)傳感器檢測(cè)到某個(gè)馬達(dá)超速時(shí),控制器發(fā)指令給相應(yīng)的可調(diào)節(jié)流閥,減小流向該馬達(dá)的流量,這樣就可以有效防止馬達(dá)打滑,且系統(tǒng)壓力仍能維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平,整車仍能正常行駛。

③ 將打滑馬達(dá)與泵斷開(kāi)　可以通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn),一種是采用旁通閥,另一種是迅速將馬達(dá)排量調(diào)整為零。解決壓力下降的方法是使用靠電磁驅(qū)動(dòng)的旁通閥。這種類型的旁通閥在進(jìn)行高速運(yùn)輸以及沒(méi)有牽引問(wèn)題的情況下,可以使液壓油不經(jīng)過(guò)分流閥流向馬達(dá),從而使液壓油壓力不受限制。旁通閥的這種性質(zhì)可以在不影響系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)下改變車輪馬達(dá)的排量。只有當(dāng)設(shè)備在一定的速度范圍內(nèi),所有的馬達(dá)都達(dá)到同樣的排量時(shí),分流閥/閥組才能啟動(dòng)。也可以用一個(gè)換向閥將馬達(dá)的進(jìn)出口連通,并與主油路切斷,將打滑馬達(dá)變成一個(gè)從動(dòng)輪?；蛘邔ⅠR達(dá)排量直接調(diào)整到零變成從動(dòng)輪。

(3)對(duì)發(fā)生打滑的驅(qū)動(dòng)輪直接施加制動(dòng)控制打滑

馬達(dá)打滑的原因就是該馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力大于附著力,要想通過(guò)對(duì)發(fā)生打滑的驅(qū)動(dòng)輪直接施加制動(dòng)控制打滑,就要求系統(tǒng)中每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均裝有獨(dú)立的制動(dòng)器。當(dāng)傳感器檢測(cè)到某個(gè)馬達(dá)打滑時(shí),控制器發(fā)出相應(yīng)指令,對(duì)該馬達(dá)實(shí)施制動(dòng)控制,直至滿足其驅(qū)動(dòng)力小于附著力為止。也可考慮將打滑的車輪馬達(dá)排量減小。減少驅(qū)動(dòng)該車輪的馬達(dá)排量,其所能產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。這樣就不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)車輪的行駛阻力較小,而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作壓力下降。其他正常行駛的車輪的馬達(dá)仍然維持原先的排量,即維持正常行駛時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)打滑的驅(qū)動(dòng)輪恢復(fù)至純滾動(dòng)時(shí),則驅(qū)動(dòng)該車輪的馬達(dá)的排量又自動(dòng)恢復(fù)到最大值。