雙流傳動(dòng)履帶車(chē)輛方向盤(pán)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

曹付義,周志立,徐立友

(河南科技大學(xué)車(chē)輛與動(dòng)力工程學(xué)院,河南洛陽(yáng) 471003)

0 前言

液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是履帶車(chē)輛的一種新型雙流傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它結(jié)合了液壓無(wú)級(jí)調(diào)速和機(jī)械傳動(dòng)高效率等優(yōu)點(diǎn),這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在軍用履帶車(chē)輛上已有使用[1-6]。如圖1所示,河南科技大學(xué)利用相關(guān)原理研究開(kāi)發(fā)了適用于農(nóng)業(yè)履帶拖拉機(jī)的液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[7-8],發(fā)動(dòng)機(jī)功率在直駛變速系統(tǒng)輸入軸上分流:一路功率流向直駛變速系統(tǒng);一路功率流向由變量泵、定量馬達(dá)及其控制元件組成的液壓閉式回路系統(tǒng),兩路功率在左右行星排匯流后經(jīng)行星架輸出。駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng),控制液壓閉式回路系統(tǒng)正反方向輸出轉(zhuǎn)速變化,使兩側(cè)行星架轉(zhuǎn)速差連續(xù)變化,實(shí)現(xiàn)履帶車(chē)輛無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向。

圖1 液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向傳動(dòng)方案

轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)履帶車(chē)輛液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向行駛的關(guān)鍵,本文對(duì)液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向履帶車(chē)輛方向盤(pán)操縱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),仿真分析其工作穩(wěn)定性和跟隨特性,研究結(jié)果有助于履帶車(chē)輛液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向性能研究及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

1 操縱系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

對(duì)液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的操縱,實(shí)際上就是通過(guò)改變液壓閉式回路系統(tǒng)的馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速,使兩側(cè)履帶產(chǎn)生速度差,從而實(shí)現(xiàn)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向。

圖2為液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向履帶車(chē)輛方向盤(pán)操縱系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由方向盤(pán)、凸輪機(jī)構(gòu)、液壓先導(dǎo)閥、電磁換向閥、液壓伺服閥和伺服液壓缸等組成。方向盤(pán)與凸輪機(jī)構(gòu)為剛性連接,車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán),帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng),凸輪機(jī)構(gòu)將方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成液壓先導(dǎo)閥桿的擺動(dòng),液壓先導(dǎo)閥桿柄嵌入凸輪機(jī)構(gòu),使得液壓先導(dǎo)閥桿擺角與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。液壓先導(dǎo)閥作為控制變量泵排量的信號(hào)發(fā)生器,其輸出壓力油經(jīng)電磁換向閥流至液壓伺服閥,液壓伺服閥控制伺服液壓缸活塞位移,伺服液壓缸活塞位移決定變量泵斜盤(pán)傾角。

當(dāng)方向盤(pán)處于零位時(shí),液壓先導(dǎo)閥無(wú)壓力油信號(hào),液壓伺服閥處于中位,伺服液壓缸無(wú)液壓油輸入輸出,伺服液壓缸活塞不動(dòng)。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),液壓伺服閥有壓力油信號(hào)輸入,液壓伺服閥閥芯向左(右)移動(dòng),液壓油進(jìn)入伺服液壓缸,使伺服液壓缸活塞向左(右)移動(dòng),推動(dòng)變量泵斜盤(pán)偏轉(zhuǎn),斜盤(pán)偏轉(zhuǎn)的同時(shí),其反饋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)液壓伺服閥閥芯向反方向移動(dòng)。如果方向盤(pán)轉(zhuǎn)角保持不變,液壓先導(dǎo)閥壓力油信號(hào)為定值,變量盤(pán)斜盤(pán)停止偏轉(zhuǎn),保持與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的傾角,使車(chē)輛以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向行駛。電磁換向閥只在車(chē)輛掛倒擋轉(zhuǎn)向時(shí)用于切換先導(dǎo)油路流向,實(shí)現(xiàn)履帶車(chē)輛的U型轉(zhuǎn)向軌跡。

2 凸輪曲線設(shè)計(jì)

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與液壓先導(dǎo)閥桿擺角關(guān)系由凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)操縱要求,當(dāng)方向盤(pán)順(逆)時(shí)針轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)角時(shí),液壓先導(dǎo)閥向左(右)到最大擺角,凸輪轉(zhuǎn)角應(yīng)與液壓先導(dǎo)閥桿擺角成線性關(guān)系,所設(shè)計(jì)的凸輪曲線如圖3所示。在圖3中,O點(diǎn)為凸輪中心;P點(diǎn)為液壓先導(dǎo)閥桿支點(diǎn);當(dāng)液壓先導(dǎo)閥處于中位時(shí),閥桿柄在A點(diǎn);當(dāng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)α?xí)r,先導(dǎo)閥桿向左擺動(dòng)為 β,閥桿柄由A點(diǎn)移至B點(diǎn)。

在△ABO中,根據(jù)余弦定理和凸輪曲線極角與液壓先導(dǎo)閥桿擺角關(guān)系,可得凸輪曲線的極坐標(biāo)方程:

式中,a為凸輪中心 O點(diǎn)到液壓先導(dǎo)閥桿柄初始位置A點(diǎn)的距離,m;l為液壓先導(dǎo)閥桿,m。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓先導(dǎo)閥

選用HRC2-S1-B-1-30-A-00-B00型液壓先導(dǎo)閥[9],其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖4中,P為進(jìn)油口;O為回油口;A為壓力油輸出口。液壓先導(dǎo)閥閥桿可以左右擺動(dòng),通過(guò)推動(dòng)壓桿和滑動(dòng)套,壓縮回位彈簧,使調(diào)壓彈簧和閥芯向下移動(dòng)。在零位時(shí),閥桿由回位彈簧保持在自然位置,P口被閥芯封閉,A口與 O口相連通,先導(dǎo)閥輸出壓力為零。

當(dāng)閥桿向右擺動(dòng)時(shí),右側(cè)壓桿被壓向下移動(dòng),經(jīng)滑動(dòng)套和調(diào)壓彈簧推動(dòng)閥芯下移,先將右側(cè) A口與O口的通路切斷,然后使 P口與 A口連通,壓力油輸出至執(zhí)行元件。當(dāng)執(zhí)行元件完成動(dòng)作之后,壓力油繼續(xù)輸出,這時(shí)先導(dǎo)閥A口油壓逐漸升高,在先導(dǎo)閥下端建立二次壓力。由于減壓口的節(jié)流作用,使A口的二次壓力低于進(jìn)油口的壓力。閥芯在二次壓力和調(diào)壓彈簧的彈簧力作用下受力平衡。如果二次壓力過(guò)大,則閥芯上移使A口與O口相連通,則液壓油流回油箱使輸出壓力降低。如果二次壓力過(guò)小,則閥芯下移使 P口與A口重新連通,使二次壓力又升高,在這不斷的動(dòng)態(tài)變化中最終使得二次壓力保持穩(wěn)定。由于彈簧力與閥桿擺角成比例,因此,也使得 A口的輸出壓力隨閥桿擺動(dòng)角度的變化而成比例地變化,從而實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)控制。

3.2 變量泵排量控制機(jī)構(gòu)

液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選用Sauer公司的90系列55型變量泵和定量馬達(dá)[10],其排量控制機(jī)構(gòu)集成在變量泵內(nèi),結(jié)構(gòu)如圖5所示。排量控制機(jī)構(gòu)主要由液壓伺服閥、伺服液壓缸、斜盤(pán)、反饋機(jī)構(gòu)等幾部分組成,液壓伺服閥兩端接收來(lái)自液壓先導(dǎo)閥的壓力油信號(hào),無(wú)輸入信號(hào)時(shí),液壓伺服閥處于中位,伺服液壓缸無(wú)液壓油輸入輸出,變量泵斜盤(pán)傾角為零。

當(dāng)液壓伺服閥左端有壓力信號(hào)輸入時(shí),閥芯向右移動(dòng),換向閥處于左位,液壓油進(jìn)入伺服液壓缸右端,使變量泵活塞向左移動(dòng),從而推動(dòng)變量泵斜盤(pán)偏轉(zhuǎn)。斜盤(pán)偏轉(zhuǎn)的同時(shí),其位置反饋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)液壓伺服閥閥芯向反方向移動(dòng)。如果輸入壓力油信號(hào)保持不變,換向閥閥芯將很快恢復(fù)中位,斜盤(pán)停止偏轉(zhuǎn),變量泵保持與輸入壓力信號(hào)相對(duì)應(yīng)的斜盤(pán)傾角。至此完成一次變量調(diào)節(jié),直至壓力油信號(hào)改變重新開(kāi)始調(diào)節(jié)。

4 操縱系統(tǒng)特性仿真

根據(jù)圖2所示的方向盤(pán)操縱系統(tǒng)原理,可得如圖6所示的系統(tǒng)控制框圖,系統(tǒng)輸入為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角α;輸出為變量泵斜盤(pán)傾角γ。根據(jù)樣機(jī)已知結(jié)構(gòu)參數(shù)[11],利用Simulink可仿真分析操縱系統(tǒng)特性。

圖6 方向盤(pán)操縱系統(tǒng)控制框圖

4.1 系統(tǒng)工作穩(wěn)定性

方向盤(pán)操縱系統(tǒng)作為液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向履帶車(chē)輛的方向控制系統(tǒng),其工作穩(wěn)定性是保證履帶車(chē)輛按預(yù)定軌跡行駛的基礎(chǔ),是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)。由于履帶車(chē)輛行駛工況復(fù)雜多變,不僅要求操縱系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定,而且還要判定系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性,即系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性可以用幅值裕度Kg(dB)和相位裕度γc兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià),為使操縱系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力,對(duì)履帶車(chē)輛要求 Kg不小于 6 dB,γc不小于45°[12]。

利用Simulink中的線性系統(tǒng)分析工具,可得到方向盤(pán)操縱系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)波德圖,如圖7所示。由圖7可知:幅值裕度約為 25 dB,相位裕度約為 87°,表明所設(shè)計(jì)的方向盤(pán)操縱系統(tǒng)不僅穩(wěn)定,而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力,這對(duì)工作在惡劣條件下的履帶車(chē)輛具有重要意義。

4.2 系統(tǒng)跟隨特性

系統(tǒng)跟隨特性是指系統(tǒng)輸出隨輸入的響應(yīng)特性,即變量泵斜盤(pán)傾角對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化的響應(yīng)快慢。系統(tǒng)跟隨特性直接影響駕駛員的操作,如果響應(yīng)太慢,駕駛員須提前進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作;如果響應(yīng)太快,會(huì)給系統(tǒng)中的液壓元件帶來(lái)較大沖擊。在車(chē)輛常用行駛速度和轉(zhuǎn)向半徑范圍內(nèi),響應(yīng)時(shí)間在 0.31 s較合適。圖8為變量泵斜盤(pán)傾角隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的階躍響應(yīng)特性,由圖8可知:上升時(shí)間約 0.3 s,調(diào)整時(shí)間約0.5 s,表明所設(shè)計(jì)的方向盤(pán)操縱系統(tǒng)具有較好的跟隨特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種方向盤(pán)操縱系統(tǒng)方案,該方案主要由方向盤(pán)、凸輪機(jī)構(gòu)、液壓先導(dǎo)閥、電磁換向閥、液壓伺服閥和伺服液壓缸等組成。通過(guò)建立凸輪曲線的極坐標(biāo)方程和分析液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程,利用Simulink對(duì)方向盤(pán)操縱系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和跟隨特性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的方向盤(pán)操縱系統(tǒng),能較好實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向行駛控制需要。

[1] 曹付義,周志立,賈鴻社.履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向性能計(jì)算機(jī)仿真研究概況[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(1):184-188.

[2] Guenter B.Hydro Mechanic Continuously Variable Transmission[J].Vehicle System Dynam ics,2006,25(1):19-24.

[3] Hetherington JG.Tracked Vehicle Operations on Sand-investigations atModel Scale[J].Journal of Terramechanics,2005, 42:65-70.

[4] 梁健.一種履帶式車(chē)輛正獨(dú)立式液壓轉(zhuǎn)向原理的分析與設(shè)計(jì)[J].國(guó)外坦克,2006(1):14-31.

[5] Hiroyuki M,Keiji O.Development of Hydromechanical Transmission(HMT)for Bu lldozers[J].JSAE Review,2005,26 (2):252-258.

[6] 曹付文,周志立,賈鴻社.履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,24 (3):89-92.

[7] 張松敏,周志立,賈鴻社.雙功率流履帶車(chē)輛轉(zhuǎn)向操縱液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,26 (6):31-34.

[8] 曹付義,周志立,賈鴻社.履帶拖拉機(jī)液壓機(jī)械雙功率流差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(9):5-8.

[9] Hydraulic Remote Control E-VLDI-MC001-E,EATON Hydraulics[Z].USA Eaton Corporation,2003.

[10] SAUER 90 Serial Pump and Motor Technology Documentation[Z].SAUER-DANFOSSCorporation,2004.

[11] 王鵬.履帶車(chē)輛液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)研究[D].洛陽(yáng):河南科技大學(xué),2009.

[12] 張松敏.雙功率流履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制[D].洛陽(yáng):河南科技大學(xué),2005.