靜液壓驅(qū)動(dòng)車輛下坡速度控制策略研究

閆飛 張吉?jiǎng)? 李利民

摘 要：通過分析靜液壓驅(qū)動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)輪在下坡工況的簡化模型，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)制動(dòng)力矩，以單泵單馬達(dá)的靜液壓驅(qū)動(dòng)回路為例，分析靜液壓驅(qū)動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)超速的成因與危害，進(jìn)而通過提出一種輔助制動(dòng)方式以及相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了更大域內(nèi)的速度控制，減小了風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：靜液壓驅(qū)動(dòng);發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng);超速;輔助制動(dòng)

0??? 引言

當(dāng)前，靜液壓驅(qū)動(dòng)回路已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、平板運(yùn)輸車、履帶式步戰(zhàn)車等重型裝備。以單泵單馬達(dá)回路為例，其一般原理示意如圖1所示。

該類型車輛在下坡工況中，尤其是重載陡下坡時(shí)，由于拖轉(zhuǎn)力矩易使發(fā)動(dòng)機(jī)超速，增加速度控制的難度，這就需要在傳動(dòng)系統(tǒng)上增加一個(gè)輔助制動(dòng)力矩，并配合相應(yīng)控制策略，從而實(shí)現(xiàn)更大域內(nèi)的速度控制，從而減小風(fēng)險(xiǎn)。

1??? 發(fā)動(dòng)機(jī)超速的成因與危害

1.1??? 發(fā)動(dòng)機(jī)超速的產(chǎn)生機(jī)理

車輛以速度V在與水平成α角的路面勻速行駛，在質(zhì)心O處對(duì)車輛重力mg進(jìn)行力分解，產(chǎn)生沿坡面平行方向的牽引力Fx：Fx=mgsin α;與坡面垂直的分力Fy：Fy=mgcos α，如圖2（a）所示。

簡化模型，將質(zhì)量重心O置于驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)半徑邊緣位置，如圖2（b）所示。

計(jì)車輛與路面摩擦系數(shù)為u，則重力分力產(chǎn)生牽引阻力Ff：Ff =mgucos α;驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)半徑計(jì)為r，則由牽引阻力Ff產(chǎn)生阻力矩Mf：Mf =mgurcos α;由牽引力Fx產(chǎn)生牽引力矩Mt：Mt=mgrsin α。

簡化驅(qū)動(dòng)輪模型，以其幾何中心為參考點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，如圖2（c）所示：Me0+Mf =Mt，其中Me0為輪邊馬達(dá)產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)扭矩。

由此可知，在此過程中液壓馬達(dá)與閉式泵功能互換。

現(xiàn)以單泵單馬達(dá)回路為例（圖1），設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速、車輛的某一檔位下，閉式泵排量為p1，液壓馬達(dá)排量為p2，馬達(dá)與泵的容積效率、機(jī)械效率均忽略不計(jì)，則可得出此時(shí)馬達(dá)兩側(cè)壓差為ΔP：ΔP=Me0/（p2×I1），那么此時(shí)閉式泵輸出扭矩MO：MO=ΔP×p1;閉式泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生拖轉(zhuǎn)力矩Me：Me=MO×I2=ΔP×p1×I2，方向與發(fā)動(dòng)機(jī)旋向保持一致。

注：輪邊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比為I1，閉式泵與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸間速比為I2。

發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)是一種成本較低、使用可靠的輔助制動(dòng)方法，主要有發(fā)動(dòng)機(jī)排氣制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器制動(dòng)兩種[1]，文中主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器制動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器制動(dòng)又叫發(fā)動(dòng)機(jī)減壓輔助制動(dòng)，其本質(zhì)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖消耗車輛的動(dòng)能，是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種特殊工況[2]。

圖3示意性地給出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速We及其轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩Te之間的關(guān)系，該數(shù)值的大小隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加。發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩可以通過線性方程近似表達(dá)為：Te=C1×We+C2，方向與發(fā)動(dòng)機(jī)旋向相反。

注：C1、C2為常數(shù)。

由圖4可知：

（1）當(dāng)Me

（2）當(dāng)Me=Te時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速保持不變;

（3）當(dāng)Me>Te時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速增加，超速產(chǎn)生。

1.2??? 應(yīng)對(duì)超速的手段局限

當(dāng)前該類型車輛多采用帶檔怠速下坡的方式，此時(shí)，Me必須小于Te，否則發(fā)動(dòng)機(jī)將超速，導(dǎo)致車輛加速下坡。為保證速度可控，道路坡度及行車速度將被強(qiáng)行限制在較小的范圍內(nèi)，極大地降低了車輛的使用效率。為此，該類型重型車輛下長坡時(shí)多采用邊行車邊制動(dòng)的方式，以使車速可控。但相比于乘用車來說，重型車輛的重量非常大，導(dǎo)致制動(dòng)器溫升過高，制動(dòng)器的熱衰退性也會(huì)導(dǎo)致車輛制動(dòng)系統(tǒng)失效[3]。在車輛運(yùn)行過程中，正確選用制動(dòng)方式，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行制動(dòng)，不僅可以控制車速避免事故，還可以提高車輛的平均運(yùn)動(dòng)速度，充分發(fā)揮其機(jī)動(dòng)性能[2]。

2??? 輔助制動(dòng)原理及控制策略

2.1??? 輔助制動(dòng)原理簡述

結(jié)合超速成因的分析，通過在車輛下坡過程中采用增加輔助制動(dòng)的方式，可以有效提高車輛使用效率并顯著降低剎車失效的風(fēng)險(xiǎn)。以單泵單馬達(dá)回路為例，其原理示意如圖5所示。

（1）控制器根據(jù)檔位控制機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)檔位信息確認(rèn)車輛處于前進(jìn)還是后退狀態(tài)。

（2）此時(shí)靜液壓驅(qū)動(dòng)回路中的檢測元件將相應(yīng)油路壓力數(shù)值分別記為P1、P2，并傳送至控制器。

（3）控制器通過比對(duì)P1與P2數(shù)值的大小確定車輛是否處于下坡狀態(tài)（暫定：前進(jìn)檔位狀態(tài)下，ΔP=（P1-P2）>0時(shí)，車輛下坡）。

（4）車輛當(dāng)前行進(jìn)速度V的確定：控制器通過采集到安裝在液壓馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速檢測元件檢測到的轉(zhuǎn)速N，結(jié)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速比I1，驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)周長L，經(jīng)處理即可得到車輛實(shí)時(shí)行進(jìn)速度V（V=N×I1×L）。

（5）確認(rèn)車輛處于下坡狀態(tài)后，控制器根據(jù)閉式泵的實(shí)時(shí)排量數(shù)值p1，與ΔP相乘，即可得到拖轉(zhuǎn)力矩Tf：Tf =p1×ΔP。

（6）控制器通過扭矩檢測元件與轉(zhuǎn)速檢測元件分別得到發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)輸出扭矩T1、轉(zhuǎn)速N及在此轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)可提供的最大阻力矩Te。

注：發(fā)動(dòng)機(jī)在閉式泵拖轉(zhuǎn)工況時(shí)，其輸出扭矩T1可為正（即與其輸出軸旋向一致），亦可為負(fù)（即與其輸出軸旋向相反），且為負(fù)值時(shí)不得大于Te。

（7）控制器通過處理以上信息，計(jì)算得出緩速器所需產(chǎn)生的阻力矩TX：TX=T1+Tf，并將其對(duì)應(yīng)控制信號(hào)發(fā)送到緩速器，直至車速穩(wěn)定。

（8）車輛下坡速度的實(shí)時(shí)調(diào)整有兩種方法：1）駕駛員通過切換檔位控制，控制器接收到檔位指令后相應(yīng)地調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)速度V的調(diào)整;2）駕駛員通過改變油門踏板的開度，直接改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與扭矩，控制器將從扭矩檢測元件與轉(zhuǎn)速檢測元件處檢測到的數(shù)值，根據(jù)相應(yīng)關(guān)系直接調(diào)整閉式泵的實(shí)時(shí)排量p1，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)速度V的調(diào)整。