閥控馬達(dá)輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

　， ， 　(.內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 測(cè)控與機(jī)電工程系， 內(nèi)蒙古 呼和浩特　00070；.秦皇島港股份有限公司， 河北 秦皇島　06600)

引言

目前，隨著液壓技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，以液壓馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)單元的輪邊驅(qū)動(dòng)形式在工程車輛領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。其基本形式為發(fā)動(dòng)機(jī)-量泵-變量馬達(dá)-驅(qū)動(dòng)輪，它通過(guò)改變泵的排量實(shí)現(xiàn)車速控制，改變馬達(dá)排量以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用液壓缸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改變車輛行進(jìn)方向。該傳動(dòng)形式有效利用了恒壓系統(tǒng)下各并聯(lián)元件可以互不干涉獨(dú)立工作的特性，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向的獨(dú)立控制，而且采用泵控馬達(dá)閉式系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著[4-6]，但存在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、系統(tǒng)成本高等缺陷。

本研究提出了一種發(fā)動(dòng)機(jī)-定量泵-比例閥-定量馬達(dá)-驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)形式，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了閥控系統(tǒng)響應(yīng)快的特點(diǎn)，有效地改善了車輛操作性能，而且降低了成本。

1　原理分析和仿真模型搭建

工程車輛閥控馬達(dá)行走系統(tǒng)基本原理如圖1所示。用兩套獨(dú)立的比例閥控定量馬達(dá)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)車輪，通過(guò)調(diào)節(jié)比例閥開口大小來(lái)改變進(jìn)入定量馬達(dá)的流量，進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)車輛的速度控制。引入轉(zhuǎn)向控制系數(shù)，將其與速度控制信號(hào)作乘除運(yùn)算后，分別作為兩套閥控馬達(dá)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，進(jìn)而使得兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的輸出轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，當(dāng)左輪轉(zhuǎn)速大于右輪轉(zhuǎn)速，車輛即實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，當(dāng)左輪轉(zhuǎn)速小于右輪轉(zhuǎn)速，車輛即實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。為減小定量泵溢流損失，將泵口溢流量反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)的輸入端，應(yīng)用負(fù)反饋閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足系統(tǒng)所需流量的前提下，使溢流量時(shí)刻處于最低水平，以達(dá)到節(jié)能效果。

1.驅(qū)動(dòng)輪　2.比例換向閥　3.發(fā)動(dòng)機(jī)　4.定量泵 5.流量傳感器　6.溢流閥　7.轉(zhuǎn)速傳感器　8.定量馬達(dá)圖1　閥控馬達(dá)行走系統(tǒng)原理

基于上述原理，應(yīng)用AMESim仿真軟件[7]，搭建了工程車輛閥控馬達(dá)行走系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。該模型主要由兩套比例閥-定量馬達(dá)速度閉環(huán)控制子系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)-定量泵溢流反饋調(diào)速子系統(tǒng)組成。為改善馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，分別在其主通道和反饋通道引入PI控制，具體參數(shù)見表1。

表1　仿真參數(shù)表

圖2　閥控馬達(dá)行走系統(tǒng)AMESim仿真模型

2　調(diào)速、轉(zhuǎn)向仿真研究

為研究車輛的啟動(dòng)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)控制性能，在仿真模型中通過(guò)改變速度控制信號(hào)和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)進(jìn)行研究，仿真曲線如圖3所示。

由圖3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)壓力很快升到設(shè)定值16 MPa。從1 s時(shí)刻，隨著速度控制信號(hào)的不斷增大，車輛進(jìn)入提速階段。從3 s時(shí)刻，速度控制信號(hào)不再變化，兩車輪轉(zhuǎn)速同步，車輛開始直線行駛。從6 s 時(shí)刻，隨著速度控制信號(hào)先增大、后減小、再增大，車輛經(jīng)歷了先加速、后減速、再加速的調(diào)速控制，整個(gè)過(guò)程兩車輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，同步性高，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠很好完成直線行駛過(guò)程中的速度控制。

在20～26 s這段時(shí)間，轉(zhuǎn)向控制信號(hào)小于1，左輪轉(zhuǎn)速大于右輪轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)車輛右轉(zhuǎn)；在28～34 s這段時(shí)間，轉(zhuǎn)向控制信號(hào)大于1，左輪轉(zhuǎn)速小于右輪轉(zhuǎn)速，車輛實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。在上述過(guò)程中，左右輪轉(zhuǎn)速都能按照轉(zhuǎn)向控制信號(hào)確定的比例進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，較好地完成了轉(zhuǎn)向動(dòng)作。從36 s時(shí)刻開始，隨著速度控制信號(hào)的不斷減小，車輛進(jìn)入減速制動(dòng)階段，在40 s時(shí)刻車輛停止。

在整個(gè)啟動(dòng)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)過(guò)程中，泵口壓力都能保持在設(shè)定值16 MPa，即實(shí)現(xiàn)了恒壓控制。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)系統(tǒng)所需流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，驅(qū)動(dòng)泵輸出相應(yīng)的流量，泵口溢流量基本為零，即通過(guò)檢測(cè)泵口溢流反饋調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制策略能夠有效減小溢流損失，達(dá)到節(jié)能效果。

3　復(fù)雜路面工況仿真分析

針對(duì)車輛行進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的兩驅(qū)動(dòng)車輪路況不對(duì)稱，或其中一個(gè)車輪遇到大阻力 (如路面上的障礙物)，或其中一個(gè)車輪地面附著力不足(如行駛在冰面上)等復(fù)雜工況，研究了車輛的速度控制效果和節(jié)能效果。仿真設(shè)定車輛直線行駛，通過(guò)改變兩車輪承受的阻力矩進(jìn)行研究，仿真曲線如圖4所示。

圖3　調(diào)速、轉(zhuǎn)向仿真曲線

由圖4可知，在開始的8 s內(nèi)，隨著系統(tǒng)壓力和車速的不斷提高和趨穩(wěn)，車輛進(jìn)入了直線行駛狀態(tài)。在8 s時(shí)刻，左輪阻力矩減為右輪的一半，驅(qū)動(dòng)左輪的馬達(dá)輸出力矩自動(dòng)減小，右輪馬達(dá)輸出力矩不變，兩輪輸出轉(zhuǎn)速保持同步，說(shuō)明兩車輪轉(zhuǎn)速控制不受各自路況影響。在19 s時(shí)刻，左輪阻力矩突然增大一倍，左輪馬達(dá)輸出力矩也隨之增大，兩輪轉(zhuǎn)速依然保持同步，說(shuō)明當(dāng)其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪突遇大阻力時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大該車輛驅(qū)動(dòng)力，克服阻力，保持車輛繼續(xù)直行。在30 s時(shí)刻，左輪阻力矩突然消失，但左輪轉(zhuǎn)速依然保持穩(wěn)定，說(shuō)明當(dāng)?shù)孛嫣峁┙o車輪的附著力較小時(shí)，車輪不會(huì)出現(xiàn)打滑、失速等現(xiàn)象。

圖4　復(fù)雜路面工況下的仿真曲線

在整個(gè)過(guò)程中，兩車輪轉(zhuǎn)速同步性較高，車速穩(wěn)定。由于仿真中阻力矩切換設(shè)置采用階躍信號(hào)形式，對(duì)車輪轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了一定沖擊，但系統(tǒng)能夠較快調(diào)整恢復(fù)，說(shuō)明該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)路況中，沖擊會(huì)更小。分析仿真曲線，該過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓控制、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速的控制效果且溢流損失基本為零。

4　結(jié)論

(1) 采用兩套比例閥-定量馬達(dá)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)獨(dú)立控制各自驅(qū)動(dòng)輪的輪邊驅(qū)動(dòng)形式，能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)配兩輪轉(zhuǎn)速，完成車輛調(diào)速、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作；

(2) 該系統(tǒng)能夠有效克服路況條件不對(duì)稱、地面瞬間大障礙、地面附著力不足等復(fù)雜因素對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)速的影響，車輛運(yùn)行平穩(wěn)，自適應(yīng)性強(qiáng)；

(3) 采用發(fā)動(dòng)機(jī)-定量泵溢流反饋調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)所需流量，在保持泵口恒壓的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，有效地減小了泵口溢流損失，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)流量“要多少，給多少”控制目的，節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kim Y J,Filipi Z. Simulation Study of a Series Hydraulic Hybrid Propulsion System for a Light Truck[C].SAE Paper, 2007,1.

[2]拾方治,張春青,王立軍,等.工程·機(jī)械車輛行駛泵-馬達(dá)閉式系統(tǒng)分析[J]. 建筑機(jī)械,2001,(6):26-28.

[3]李勝,宋大鳳,曾小華,等.重型卡車輪轂馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,(4):10-14.

[4]吳保林,裘麗華,唐志勇,等.工程機(jī)械液壓底盤模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)雙馬達(dá)同步技術(shù)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2006,(9):899-902.

[5]漆俐,許明恒.全液壓推土機(jī)驅(qū)動(dòng)方式及性能比較[J]. 工程機(jī)械與維修,2007,(4):93-95.

[6]賀輝,宋大鳳,楊南南,等.輪轂馬達(dá)液驅(qū)系統(tǒng)控制與仿真[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,(S1):27-31.

[7]付永領(lǐng).AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.