全驅(qū)平地機(jī)轉(zhuǎn)向限滑差速控制研究

李良周 劉光喜 白健信 李大尤

摘要：對全驅(qū)平地機(jī)在轉(zhuǎn)向時的限滑差速問題進(jìn)行研究，提出解決措施：流量分配，負(fù)載傳感，壓力控制。給出流量自動分配及內(nèi)外輪差速的原理、計算 公式及實現(xiàn)流程，并進(jìn)行試驗，得出樣機(jī)試驗曲線與結(jié)論，為解決同類問題提供參考。

關(guān)鍵詞：平地機(jī) 全驅(qū)限滑差速

1引言

平地機(jī)是用途廣泛的土方作業(yè)機(jī)械，主要適用于公路、鐵路、機(jī)場、農(nóng)田等大面積的地面平整和挖溝、刮坡、推土、松土、除雪等工作。平地機(jī)一般采用后輪動力輸出，當(dāng)增加前輪動力輸出以后，整機(jī)的牽引力可以提升30%，并擁有更好的操控性能。傳統(tǒng)的液力傳動平地機(jī)動力傳動路線是：發(fā)動機(jī)→變矩器→變速箱→傳動軸→后橋→平衡箱→后輪。選配前輪動力輸出后，其動力傳動路線：發(fā)動機(jī)→液壓泵→液壓馬達(dá)→前輪。

現(xiàn)有平地機(jī)前輪輔助液壓驅(qū)動系統(tǒng)常采用一個驅(qū)動泵并聯(lián)兩個馬達(dá)組成的開式液壓系統(tǒng)，當(dāng)左右輪胎的地面附著系數(shù)差異較大時，液壓油會更多地流向附著系數(shù)小的輪胎馬達(dá)，造成該輪胎滑轉(zhuǎn)，引起輪胎過早磨損，牽引力降低。

2 解決措施

2.1流量分配閥—轉(zhuǎn)向油缸組成聯(lián)動機(jī)構(gòu)

1-液壓泵 2—組合閥 3—流量分配閥 5—拉桿 6—鋼絲軟軸 7—右轉(zhuǎn)向油缸 8—左轉(zhuǎn)向油缸 9—油箱 41—左行走馬達(dá) 42—右行走馬達(dá)

平地機(jī)前橋由橋架、拉桿、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)、左右轉(zhuǎn)向油缸等部件組成。橋架、拉桿、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)等零件形成向梯形機(jī)構(gòu)。左右轉(zhuǎn)向油缸依次伸縮動作帶動轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)變化，實現(xiàn)平地機(jī)的左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎。

如圖1所示，流量分配閥3有三個工作位置，處于上工作位時，進(jìn)入左側(cè)馬達(dá)41的壓力油多于右行走馬達(dá)42；進(jìn)入中間位置時，進(jìn)入左側(cè)馬達(dá)41的壓力油等于右行走馬達(dá)42；處于下工作位時，進(jìn)入左側(cè)馬達(dá)41的壓力油少于右行走馬達(dá)42。

將右轉(zhuǎn)向油缸7的活塞桿與流量分配閥3的閥芯通過鋼絲軟軸6、拉桿5實現(xiàn)聯(lián)動。平地機(jī)直線行駛時，通過鋼絲軟軸6將右轉(zhuǎn)向油缸7活塞桿與流量分配閥3連接在一起，標(biāo)定右轉(zhuǎn)向油缸7活塞桿的位置使流量分配閥3閥芯的位置處于中位。平地機(jī)左轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)向油缸7活塞桿伸出，流量分配閥3閥芯上移，閥芯置于下工作位，右行走馬達(dá)42獲得更多的壓力油，右側(cè)輪胎轉(zhuǎn)速更快；右轉(zhuǎn)彎時，情況相反。

這樣平地機(jī)轉(zhuǎn)向時，因內(nèi)外輪的速度不同，該轉(zhuǎn)向流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會為左右馬達(dá)提供不同流量的壓力油，達(dá)到左右輪需要的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平地機(jī)轉(zhuǎn)向時即差速又限滑，充分發(fā)揮前輪驅(qū)動能力。

2.2 前輪轉(zhuǎn)向角度測量——負(fù)載傳感液壓系統(tǒng)

2.2.1轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)

圖2轉(zhuǎn)向示意圖

平地機(jī)的轉(zhuǎn)向示意如圖2所示，鉸點H處放置轉(zhuǎn)角傳感器，測出的角度就是角度α。

轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)存在如下關(guān)系式：

cotα- cotβ=M/L（1）

式中α——右前輪轉(zhuǎn)向角；

β——左前輪轉(zhuǎn)向角；

M——前輪轉(zhuǎn)向節(jié)中心距；

L——前后軸軸距。

通過關(guān)系（1）得到

β=arc cot（cotα-M/L） （2）

通過圖2，可以得出：

R左=L/sinβ-e （3）

R右=L/sinα+e （4）

R后= L*cotβ+M/2（5）

式中e——前輪轉(zhuǎn)向節(jié)中心至輪胎的距離

R左——左前輪轉(zhuǎn)彎半徑

R右——右前輪轉(zhuǎn)彎半徑

R后——后橋中心轉(zhuǎn)彎半徑

平地機(jī)繞O點轉(zhuǎn)動，具有相同的角速度ω，從關(guān)系式（3）、（4）、（5）可以得到

V左=R左*ω=（L/sinβ-e）*ω（6）

V右=R右*ω=（L/sinβ+e）*ω（7）

V后=R后*ω=（ L*cotβ+M/2）*ω（8）

式中V左——左前輪速度

V右——右前輪速度

V后——后橋中心處整機(jī)速度

通過關(guān)系（8）得到

ω= V后/（ L*cotβ+M/2）（9）

將（9）代入（6）、（7）得到

V左= V后*（L/sinβ-e）/（L*cotβ+M/2）（10）

V右= V后*（L/sinβ+e）/（L*cotβ+M/2）（11）

1-液壓泵 2-組合閥 3-左前輪馬達(dá) 4-右前輪馬達(dá) 5-背壓閥 10-伺服柱塞 11-LS閥 20-左控制閥 21-壓力補償閥 22-梭閥 23-補油閥 24-主溢流閥 25-右控制閥 26-壓力補償閥 27-補油閥 28-背壓閥 29-自由輪閥

2.2.2 前輪驅(qū)動液壓系統(tǒng)

前輪驅(qū)動液壓系統(tǒng)采用負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)，如圖3所示。具體的原理如下：

1）前輪驅(qū)動工況：液壓泵1經(jīng)壓力補償閥21、左控制閥20與左前輪馬達(dá)3連通，驅(qū)動左前輪馬達(dá)3轉(zhuǎn)動；同時液壓泵1經(jīng)壓力補償閥26、右控制閥25與右前輪馬達(dá)4連通，驅(qū)動右前輪馬達(dá)4轉(zhuǎn)動。

通過壓力補償閥的調(diào)節(jié)，使左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4得到的流量只與左控制閥20、右控制閥25的閥開度有關(guān)，與左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4負(fù)載大小無關(guān)。

電磁鐵Y1控制左前輪馬達(dá)3前進(jìn)，電磁鐵Y2控制左前輪馬達(dá)3后退。電磁鐵Y1、Y2的電流大小決定左控制閥20閥的開度，即左前輪馬達(dá)3行駛速度的大小。右前輪馬達(dá)4與左前輪馬達(dá)3相似。自由輪閥29得電，進(jìn)入馬達(dá)3、4的液壓油從馬達(dá)3、4出口流出，經(jīng)控制閥21、25，最后經(jīng)過背壓閥28流回油箱。補油閥23、27在馬達(dá)3、4出現(xiàn)吸空超速時補充液壓油。

2）前輪自由輪工況，即前輪此時為從動輪：左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4都是內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)。自由輪閥29不得電，左控制閥20和右控制閥25也不得電，外部油源的壓力油從S點進(jìn)入左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4的殼體，將柱塞壓回到柱塞腔；與此同時左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4的進(jìn)油口和出油口連通，并通過左控制閥20、右控制閥25和自由輪閥29與油箱連通，從而實現(xiàn)左前輪馬達(dá)3、右前輪馬達(dá)4的自由輪工況。

2.2.3 限滑差速控制

當(dāng)前輪馬達(dá)通過壓力油后有如下關(guān)系式：

V前輪=2*π*R*n=2*π*R*Q/V（12）

式中V前輪——前輪輪胎的線速度

n——前輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速

R——前輪滾動半徑

V——前輪馬達(dá)排量

Q——前輪馬達(dá)通過的流量

左控制閥20、右控制閥25上電磁鐵通過電流大小控制著進(jìn)入前輪馬達(dá)的壓力油流量，也就是控制了前輪輪胎的速度大小。當(dāng)左前輪速度、右前輪速度按照關(guān)系式（10）（11）給定時，平地機(jī)前輪就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向時的純滾動限滑差速行駛。

2.3 采用液壓系統(tǒng)壓力控制

2.3.1工作原理

圖4前輪驅(qū)動液壓系統(tǒng)由兩個相對獨立的液壓分系統(tǒng)組成，分別控制左前輪及右前輪的轉(zhuǎn)動，一側(cè)的輪胎負(fù)荷大小不對另一側(cè)產(chǎn)生影響。

在液壓分系統(tǒng)中，設(shè)定轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)壓力，如工作壓力設(shè)定為P。平地機(jī)開始行駛，液壓系統(tǒng)工作壓力低于P時，控制器會增加液壓泵的排量，這樣液壓泵為系統(tǒng)提供更多的壓力油，系統(tǒng)壓力持續(xù)升高；當(dāng)液壓系統(tǒng)工作壓力達(dá)到P時，液壓泵的排量就不再增加，排量保持不變，液壓系統(tǒng)壓力也不再升高。

平地機(jī)勻速行駛，系統(tǒng)壓力保持為P，液壓泵的排量保持恒定。

平地機(jī)減速行駛，系統(tǒng)壓力升高，超過P，液壓泵的排量減少。

平地機(jī)加速行駛，系統(tǒng)壓力降低，低于P，液壓泵的排量增加，直至壓力等于P。

2.3.2限滑差速試驗

圖5所示為一段平地機(jī)轉(zhuǎn)彎時的試驗數(shù)據(jù)曲線，可以看出：

平地機(jī)是繞著一個圓心做勻速轉(zhuǎn)動，左馬達(dá)轉(zhuǎn)速與右馬達(dá)轉(zhuǎn)速的數(shù)值及兩者的差值相對穩(wěn)定。

左馬達(dá)和右馬達(dá)的系統(tǒng)壓力是獨立的，相互沒有影響。

壓力曲線前段，液壓傳動系統(tǒng)（前輪）變化速度慢于機(jī)械傳動系統(tǒng)（后輪），系統(tǒng)壓力快速下降；壓力曲線中段，液壓泵排量由小增大，系統(tǒng)壓力也逐漸增加，并在60bar附近波動；壓力曲線后段，因為地面附著條件的變化，左馬達(dá)壓力和右馬達(dá)壓力產(chǎn)生了較大差異。

圖5試驗數(shù)據(jù)曲線

四 結(jié)束語

本文針對全驅(qū)平地機(jī)在轉(zhuǎn)向時遇到的限滑及差速問題，提出三種解決方法，給出工作原理、計算公式及試驗數(shù)據(jù)曲線，可以有效增加平地機(jī)牽引力，減少輪胎過早磨損。本文章的工作可為解決同類問題提供參考。

參考文獻(xiàn)：

1、 何挺繼 筑路機(jī)械手冊[M]北京：人民交通出版社，2001.

2、 劉樺 中國筑養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備手冊[M] 北京：人民交通出版社，2012.

3、 林濤 同步分流閥在全液壓平地機(jī)上的試驗研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2008 25（5）：52-54.

作者簡介：

1.李良周（1970-），男，籍貫：廣西桂平人，學(xué)歷：本科，職稱：高級工程師，研究方向：從事平地機(jī)總體開發(fā)設(shè)計工作。

2.劉光喜（1986-），男，籍貫：廣西河池人，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：從事平地機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計工作。

3.白健信（1983-），男，籍貫：廣西南寧人，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：從事平地機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計工作。

4.李大尤（1989-），男，籍貫：廣西欽州人，學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：從事平地機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計工作。