液驅(qū)混合動力車輛動態(tài)特性研究

王杰，張銀彩，商興國

(1.唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山063000;2.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050043)

液驅(qū)混合動力車輛由液壓泵、高壓蓄能器、低壓蓄能器、高速響應(yīng)開關(guān)閥和控制系統(tǒng)等組成。其中能量轉(zhuǎn)化元件為軸向柱塞式液壓泵/馬達(dá)6，見圖1。在車輛起步時，液壓蓄能器單獨驅(qū)動，控制系統(tǒng)使液壓泵/馬達(dá)以馬達(dá)的工況工作［1-2］，輸入功率經(jīng)蓄能器、液壓泵/馬達(dá)實現(xiàn)能量釋放。液驅(qū)混合動力的控制策略是系統(tǒng)工作的核心，通過能量釋放實現(xiàn)車輛的正常起步，是液驅(qū)混合動力系統(tǒng)研究中的重要問題。

液驅(qū)混合動力車輛傳動系統(tǒng)主要由高壓蓄能器4、低壓蓄能器8、高速響應(yīng)開關(guān)閥3、二位四通電液閥5、可逆作用液壓泵/馬達(dá)6、減速器7 等部件組成，如圖1所示。

圖1 液驅(qū)混合動力車輛傳動系統(tǒng)原理簡圖

1 液驅(qū)混合動力模型建立

1.1 液壓泵/馬達(dá)軸上力矩平衡方程建立

式中:Tm為等效到液壓泵/馬達(dá)軸上的驅(qū)動力矩，N·m;

Jp為液壓泵/馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;

Bp為黏性阻尼系數(shù)，N·m·s/rad;

i0為主傳動的傳動比;

ip為液壓泵/馬達(dá)至主傳動系傳動比;

r為車輪半徑，m;

u為車速，m/s。

1.2 液壓泵/馬達(dá)的流量方程建立

式中:qp為液壓泵/馬達(dá)實際輸入流量，m3/s;

Vp為液壓泵/馬達(dá)的排量，m3/rad;

ωp為液壓泵/馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)速，rad/s;

Cip、Cep分別為液壓泵/馬達(dá)的內(nèi)、外泄漏系數(shù)，m5/(N·s);

p為高壓油路油壓，Pa;

pL為低壓油路油壓，Pa，假定為一常數(shù)。

1.3 蓄能器中壓力的變化方程建立

蓄能器中力平衡方程［3］:

式中:Aa為等效到蓄能器油液腔的截面積，m2;

pa為蓄能器內(nèi)氣體壓力，Pa;

ma為等效到蓄能器蓄能腔液壓油質(zhì)量，kg;

qa為流出蓄能器中的流量，m3/s，其值等于液壓泵/馬達(dá)的輸入流量qp(忽略泄漏);

Ba為蓄能器的當(dāng)量黏性阻尼系數(shù)，kg/s;

Va為蓄能器中氣體壓力為pa時氣體的體積，m3。

蓄能器中氣體的壓力方程:

式中:p1為蓄能器的最低工作壓力，Pa;

V1為蓄能器中氣體壓力為p1時氣體的體積，m3;

k為氣體的多變指數(shù)。對式(6)在p1、V1附近泰勒展開，略去高次項整理得:

由式(4)得:

2 建立液壓泵/馬達(dá)伺服排量控制系統(tǒng)模型

電液伺服排量控制系統(tǒng)是通過控制伺服閥開口來改變變量活塞的位移，進(jìn)而改變液壓泵/馬達(dá)斜盤的傾角，達(dá)到變量的目的。該機(jī)構(gòu)是力反饋閉環(huán)控制回路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快等優(yōu)點，且便于遠(yuǎn)程控制［4］。伺服排量控制系統(tǒng)由4 部分構(gòu)成:伺服閥、反饋杠桿、伺服缸、斜盤，如圖2所示。

圖2 變量泵電液伺服排量控制系統(tǒng)簡圖

2.1 伺服閥方程建立

伺服閥結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 伺服閥結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)伺服閥各組成部分的作用關(guān)系，列出如下3個方程:線圈端電壓-電流方程、線圈電流-電磁鐵推桿力方程以及閥芯的力平衡方程，如式(9)—(11)所示:

式中:Ui為線圈端電壓，V;

FM為電磁鐵推桿推力，N;

KI為電流力增益;

Ky為電磁鐵推桿調(diào)零彈簧剛度，N/m;

xV為閥芯位移，m;

mV為閥芯與電磁鐵推桿質(zhì)量，kg;

BV為閥芯阻尼系數(shù)，N·s/m;

KfV為閥芯穩(wěn)態(tài)液動力剛度系數(shù)，N/m;

Ff為反饋杠桿的作用力，N。

2.2 反饋杠桿方程建立

根據(jù)杠桿原理可得反饋杠桿上的位移方程與力平衡方程:

式中:a、b、c、d為杠桿結(jié)構(gòu)尺寸，m;

xh為反饋彈簧位移，m;

xp為伺服缸活塞位移，m;

Kh為反饋彈簧剛度，N/m;

Fs為活塞對反饋杠桿的作用力，N。

3 液驅(qū)混合動力車輛控制策略

根據(jù)輸出軸的目標(biāo)角加速度與實際角加速度的差值，按增量式PID 算法調(diào)節(jié)液壓泵/馬達(dá)的排量控制電流信號，調(diào)整液壓泵/馬達(dá)的排量，使輸出軸角加速度滿足要求?？刂品桨刚{(diào)節(jié)框圖如圖4所示。

圖4 控制策略框圖

4 車輛動態(tài)特性的仿真與試驗研究

試驗臺布置如圖5所示，采用力士樂的二次調(diào)節(jié)單元作為驅(qū)動裝置與加載裝置。變量泵的最大排量為125 L/min，變量泵/馬達(dá)排量為140 L/min，飛輪慣量為50 kg·m2。

圖5 試驗臺布置圖

為試驗操作簡便，飛輪轉(zhuǎn)速定在200 r/min 左右，蓄能器壓力在10 MPa 左右。圖6 為能量釋放時飛輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖7 為高壓蓄能器壓力響應(yīng)曲線。由圖6、圖7 可知:試驗結(jié)果反映出的趨勢與仿真分析結(jié)果基本一致，說明仿真模型建立的有效性及控制策略的合理性。

圖6 飛輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖7 高壓蓄能器壓力響應(yīng)曲線

5 結(jié)束語

建立了液驅(qū)混合動力車輛傳動的仿真模型和控制器模型，提出了液驅(qū)混合動力車輛控制策略;進(jìn)行了液驅(qū)混合動力動態(tài)特性的試驗研究，試驗結(jié)果驗證了液驅(qū)混合動力車輛仿真模型的有效性及控制策略的合理性。

［1］WU Peirong，WANG Huiyi.Analysis and Design of a Vehicular HESTS and Its Fuzzy Logic Controller［C］//IEEE Instrumentation/Measurement Technology Conference Proceeding.Waltham Massachusetts.U.S.A，1995.

［2］WANG Huiyi，WU Peirong.Mechanism Analysis on a Hydraulic Energy Storage Transmission System［C］//International Symposium of Fluid Power，1995.

［3］戰(zhàn)興群.二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓蓄能器數(shù)學(xué)模型的研究［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(S1):45-46.

［4］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］李澤松，寇子明.A4VG 系列變量泵伺服機(jī)構(gòu)動態(tài)特性分析［J］.煤礦機(jī)電，2005(2):8-10.