輪轂液驅(qū)車輛極限狀態(tài)泵排量控制

宋大鳳，梁偉智，曾小華，李立鑫，陳建新

（吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130025）

0 引 言

重型商用車經(jīng)常工作在崎嶇泥濘、陡坡等低附著路面［1-2］，此時(shí)開啟輪轂液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“輪轂液驅(qū)系統(tǒng)”）進(jìn)行輔助驅(qū)動(dòng)，可以顯著提高整車牽引力，實(shí)現(xiàn)脫困、爬坡等短時(shí)助力功能［3-4］。國(guó)外對(duì)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)研究較早，如法國(guó)波克蘭公司推出的AddiDrive液壓馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［5］，已在德國(guó)MAN公司的HydroDrive等車型上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用［6］。國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的研究還處于試制階段，張晉華等開發(fā)了搭載前橋靜液輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的6×4礦用車，通過(guò)PID串聯(lián)校正技術(shù)對(duì)輪轂馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制［7］；李洪亮等通過(guò)NSGA-II算法對(duì)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，提高了整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性［8］。

輪轂液驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)四驅(qū)機(jī)械系統(tǒng)相比，具有自重小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制靈活的特點(diǎn)［9］，特別是應(yīng)用在重型商用車上，優(yōu)勢(shì)更加明顯，但是輪轂液驅(qū)車輛經(jīng)常在惡劣工況下工作，液壓系統(tǒng)很可能出現(xiàn)壓力飽和、油溫過(guò)高等極限狀態(tài)。液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到飽和后，會(huì)使溢流流量增加，系統(tǒng)損失增大，不利于能量的高效利用［10］；而系統(tǒng)油溫過(guò)高，不僅會(huì)使系統(tǒng)工作效率下降，更重要的是可能引發(fā)系統(tǒng)故障，威脅整車安全［11-13］。基于此，很多學(xué)者都對(duì)液壓系統(tǒng)泵排量控制進(jìn)行了研究，如曾小華等［14］提出三步法控制來(lái)提高液壓回路中變量泵排量控制精度，但該研究未對(duì)液壓系統(tǒng)極限狀態(tài)泵排量提出具體控制方法。文中則基于這種高溫、高壓的極限狀態(tài)，提出一種泵排量控制方法，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)施加一定的干預(yù)控制，來(lái)協(xié)調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力性、高效性及安全性之間的矛盾。

本文首先對(duì)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞路徑進(jìn)行分析，提出極限狀態(tài)泵排量控制思路，根據(jù)設(shè)定的溫度范圍和壓力值對(duì)泵排量進(jìn)行限制。然后將未加泵排量限制的原始策略與泵排量控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證泵排量控制策略的有效性。文中提出的泵排量控制策略可以提高系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力，為輪轂液驅(qū)車輛的實(shí)際開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 輪轂液驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)型方案

輪轂液驅(qū)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)后輪驅(qū)動(dòng)的重型商用車上加裝了一套輪轂液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以提高重型車輛在低附著路面的牽引性能和通過(guò)性能。輪轂液驅(qū)系統(tǒng)的構(gòu)型方案如圖1所示，文中建模仿真所用整車及液壓系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖1 輪轂液驅(qū)系統(tǒng)構(gòu)型

輪轂液驅(qū)系統(tǒng)包括取力器、萬(wàn)向節(jié)、變量泵組件、液壓控制閥組以及輪轂液壓馬達(dá)。當(dāng)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)開啟時(shí)，液壓泵通過(guò)取力器從發(fā)動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力，經(jīng)過(guò)液壓控制閥組，控制安裝在前輪輪轂內(nèi)的液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速通過(guò)液壓泵排量進(jìn)行控制，而液壓泵排量可以通過(guò)改變泵開度值來(lái)調(diào)節(jié)［15］。變量泵組件、液壓控制閥組和液壓馬達(dá)共同組成泵控馬達(dá)系統(tǒng)閉式回路，該回路包括主油路和回油路，主油路和回油路的壓力差稱為主回油路壓差，文中所述的系統(tǒng)油溫是指泵進(jìn)出口平均油溫，系統(tǒng)壓差是指主回油路壓差。通過(guò)控制液壓控制閥組來(lái)實(shí)現(xiàn)輪轂液驅(qū)系統(tǒng)不同工作模式的切換，進(jìn)而滿足不同行駛工況的需求。

表1 整車及液壓系統(tǒng)參數(shù)

2 極限狀態(tài)泵排量控制策略設(shè)計(jì)

溫度和壓力是表征系統(tǒng)工作狀態(tài)的關(guān)鍵變量，以它們作為系統(tǒng)極限狀態(tài)的檢測(cè)量，對(duì)系統(tǒng)泵排量進(jìn)行限制控制，泵排量限制流程如圖2所示。

圖2 極限狀態(tài)泵排量限制流程圖

首先，泵排量限制控制模塊接收上一個(gè)控制模塊傳遞過(guò)來(lái)的原始泵排量，并通過(guò)傳感器獲取系統(tǒng)油溫和系統(tǒng)壓差。然后，分別判斷系統(tǒng)油溫和系統(tǒng)壓差是否在各自工作限值范圍內(nèi)，如果在各自工作限值范圍內(nèi)，不需要進(jìn)行任何限制操作，直接將原始泵排量作為該模塊的輸出；如果系統(tǒng)油溫和系統(tǒng)壓差超出工作限值范圍，則相應(yīng)地進(jìn)行溫度限制控制或壓力限制控制，最終輸出限制后的泵排量。

2.1 泵排量的溫度分段限制控制

由產(chǎn)品手冊(cè)可知，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)油溫應(yīng)維持在0～80℃，最大或最小溫度限值允許短時(shí)間超過(guò)上述邊界±20℃，但持續(xù)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)該系統(tǒng)工作的油溫范圍特點(diǎn)，可將溫度范圍劃分為［-∞，-20］、［-20，0］、［0，80］、［80，100］、［100，+∞］℃5個(gè)區(qū)間，采用分段控制方式，在上述5個(gè)不同溫度分段區(qū)間分別對(duì)泵排量采用不同限制操作，則限制后的泵目標(biāo)開度為

式中：Dp_lim1為溫度限制后的泵目標(biāo)開度，與泵排量成正比，反映泵排量大?。籇p_st為溫度限制前的泵目標(biāo)開度；Tcur為系統(tǒng)反饋的當(dāng)前油溫；Tmin為溫度最低限制閾值，-20℃；Tlow為溫度較低閾值，0℃；Thig為溫度較高閾值，80℃；Tmax為溫度最高限制閾值，100℃；k1、k2為控制增益值，可以通過(guò)試驗(yàn)得到。

上述對(duì)泵排量的溫度分段限制控制過(guò)程如圖3所示，系統(tǒng)油溫在超出最高或最低工作溫度時(shí)關(guān)閉輪轂液驅(qū)系統(tǒng)，在正常工作溫度范圍內(nèi)時(shí)，泵排量不做限制，當(dāng)系統(tǒng)油溫處于偏高或偏低范圍時(shí)，對(duì)泵排量施加限制使系統(tǒng)油溫盡快回歸正常工作范圍，避免在正常工作范圍以外長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖3 泵排量溫度分段限制示意圖

2.2 高壓狀態(tài)的泵排量限制控制

對(duì)于輪轂液驅(qū)系統(tǒng)達(dá)到高壓狀態(tài)，同樣需要考慮限制措施。由試驗(yàn)測(cè)定該泵控馬達(dá)系統(tǒng)閉式回路的最高壓差為42 MPa，而當(dāng)系統(tǒng)壓差達(dá)到最高壓差后，系統(tǒng)便進(jìn)入壓力飽和狀態(tài)，溢流閥開始溢流，此后若繼續(xù)增加泵排量，不但達(dá)不到增加液壓系統(tǒng)輸出的目的，反而會(huì)使溢流流量增加。鑒于此，制定泵控馬達(dá)系統(tǒng)閉式回路在高壓狀態(tài)下的泵排量限制控制規(guī)則為：當(dāng)系統(tǒng)壓差達(dá)到最高壓差42 MPa后，若控制目標(biāo)有繼續(xù)增大泵排量的趨勢(shì)，則保持當(dāng)前泵排量不再繼續(xù)增大。高壓狀態(tài)的泵排量限制控制流程如圖4所示，圖中：Δp為系統(tǒng)壓差；Dp_cur為未經(jīng)限制的當(dāng)前泵目標(biāo)開度；Dp_last為上一步的泵目標(biāo)開度；Dp_ctrl為最終泵目標(biāo)開度。

圖4 泵排量壓力限制控制流程圖

3 系統(tǒng)建模與仿真驗(yàn)證

3.1 模型搭建與仿真條件設(shè)置

在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建輪轂液驅(qū)車輛車體及機(jī)械系統(tǒng)模型，在AMESim軟件平臺(tái)上搭建輪轂液驅(qū)系統(tǒng)液壓模型，分別如圖5、6所示。由于極限狀態(tài)不是車輛的通常工作狀態(tài)，為了驗(yàn)證極限狀態(tài)的泵排量限制控制算法的有效性，需要構(gòu)造整車工作的極限狀態(tài)工況。當(dāng)車輛需要爬上一個(gè)較長(zhǎng)的坡道且該坡道的坡度逐漸增大，在該工況下車輛將盡全力克服外力。因此為了方便，在仿真中將該實(shí)際工況簡(jiǎn)化為不斷給整車增加外在負(fù)載的方式使整車更快地進(jìn)入高溫、高壓的極限狀態(tài)，然后檢驗(yàn)泵排量控制策略的效果。

仿真條件：在平直良好的路面上，車輛1檔起步，然后給車輛施加與行駛距離成正比的外載荷，不加泵排量限制控制的助力模式溫度補(bǔ)償策略仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，整車一開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后慢慢起步加速，由于外載荷在不斷增大，車速?gòu)募铀俚綔p速，甚至發(fā)生溜坡。而溫度和壓差兩個(gè)狀態(tài)量也一直在持續(xù)上升，直到達(dá)到各自的極限。因此，可以將該仿真測(cè)試歷程分為以下幾個(gè)階段：0～5 s車輛未啟動(dòng)；5～7 s車輛加速階段，系統(tǒng)壓差從0迅速上升至42 MPa；7～14 s由于負(fù)載持續(xù)加大，車速達(dá)到最大值后迅速下降，該階段系統(tǒng)已經(jīng)處于極限狀態(tài)，一直以42 MPa壓力對(duì)外輸出動(dòng)力，同時(shí)油溫迅速上升，很快達(dá)到系統(tǒng)允許的正常工作上限100℃；14 s以后車輛行駛距離不再增加，外載荷也不再增加，系統(tǒng)與外力僵持，油溫持續(xù)升高。從以上分析可知，該仿真測(cè)試過(guò)程使系統(tǒng)依次經(jīng)歷了高壓、高溫的極限狀態(tài)，可以用來(lái)驗(yàn)證極限狀態(tài)的泵排量控制策略的控制效果。

圖5 車體及機(jī)械系統(tǒng)模型

圖6 輪轂液驅(qū)系統(tǒng)液壓模型

圖7 不加泵排量限制的變負(fù)載仿真結(jié)果

3.2 仿真驗(yàn)證

在相同變負(fù)載條件下進(jìn)行泵排量控制策略仿真，并與未加泵排量限制的原始策略進(jìn)行比較，下圖中“NoLim”為未加泵排量控制策略的仿真結(jié)果；“TLim”為僅有溫度分段限制策略的仿真結(jié)果；“TPLim”為包含溫度分段限制和高壓狀態(tài)限制的復(fù)合限制策略的仿真結(jié)果。

從圖8、9可見，在0～7 s階段，車輛處于靜止到加速的過(guò)程，由于沒(méi)有達(dá)到系統(tǒng)極限狀態(tài)，三者的仿真結(jié)果一致。在7～14 s階段，系統(tǒng)壓差首先達(dá)到極限狀態(tài)42 MPa，TLim策略僅有溫度限制，所以它的泵目標(biāo)開度跟NoLim一樣不斷增加達(dá)到全開狀態(tài)，而TPLim包含高壓狀態(tài)限制，它在系統(tǒng)達(dá)到極限壓力后保持當(dāng)前泵開度而不再增加。在14 s以后，當(dāng)溫度達(dá)到高溫或超過(guò)允許工作溫度范圍，TLim策略和TPLim策略中的溫度分段限制都會(huì)起作用，調(diào)節(jié)泵目標(biāo)開度，使泵排量在極限狀態(tài)下不再繼續(xù)增加，系統(tǒng)油溫最終穩(wěn)定在80℃附近，處于系統(tǒng)正常工作溫度范圍。

圖8 泵目標(biāo)開度仿真結(jié)果

圖9 系統(tǒng)油溫仿真結(jié)果

從圖10、11可見，在輪轂液驅(qū)系統(tǒng)帶動(dòng)車輛運(yùn)行的5～15 s期間，系統(tǒng)最高壓差達(dá)到42 MPa之后，泵排量不再增加，限制泵排量增加會(huì)有效減少這段時(shí)間內(nèi)的溢流損失；從整車性能角度來(lái)看（見圖12、13），3種控制策略作用下的車速和前軸牽引力基本一致，更進(jìn)一步說(shuō)明了在極限狀態(tài)下增加泵排量不會(huì)改善整車性能，增加的部分只是增加了系統(tǒng)溢流損失。因此，泵排量限制控制在保證了系統(tǒng)性能的前提下，既有效地減少了能量浪費(fèi)，又穩(wěn)定了系統(tǒng)油溫。

圖10 系統(tǒng)壓差仿真結(jié)果

圖11 溢流流量仿真結(jié)果

圖12 車速仿真結(jié)果

圖13 前軸牽引力仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)輪轂液驅(qū)車輛在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的油溫過(guò)高、壓力飽和等極限狀態(tài)，文中提出了極限狀態(tài)泵排量溫度限制控制和壓力限制控制方法，并通過(guò)Matlab/Simulink和AMESim聯(lián)合仿真對(duì)文中控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，泵排量控制策略能夠達(dá)到減少系統(tǒng)溢流損失，維持系統(tǒng)油溫在正常工作范圍內(nèi)等效果，即驗(yàn)證了文中泵排量控制策略的有效性。文中提出的極限狀態(tài)泵排量控制策略，協(xié)調(diào)了系統(tǒng)動(dòng)力性、高效性和安全性之間的矛盾，提升了輪轂液驅(qū)車輛的環(huán)境適應(yīng)性能，為后續(xù)的實(shí)車開發(fā)提供了理論依據(jù)。同時(shí)，文中的泵排量控制方法對(duì)其他液壓系統(tǒng)泵排量控制研究也具有一定的參考價(jià)值。