前橋擺轉轉向式液壓四驅底盤的轉向控制研究

吳　鋼，李志偉，劉皞春，張　靜，周士琳，王　濤

(華南農業大學 工程學院，廣州　510642)

0　引言

華南農業大學工程學院研制的前橋擺轉轉向式液壓四驅底盤[1-3]，轉向是通過利用換向閥切斷轉向內側馬達供油，使得轉向內側輪子停止不轉，轉向外側輪子繼續轉動，從而帶動前橋的擺轉實現轉向。該底盤具有轉向靈活、轉向半徑小等優點，但其在高速行駛時(≥15km/h)存在轉向不平順、最小控制轉向角度較大的問題[4]。本文提出采用行走輪驅動馬達的背壓變化使驅動輪減速的方式，控制其高速行駛時的轉向。同時，設計出液壓控制系統，并對樣機進行轉向性能試驗，研究提高前橋擺轉轉向式液壓四驅底盤在行走過程中的平順性。

1　轉向控制系統設計

前橋擺轉轉向方式是通過其轉向內側輪子停止轉動、轉向外側輪子繼續轉動，繼而帶動前橋的擺轉實現轉向。在高速轉向時，換向閥切斷轉向內側馬達供油，轉向內側流量為零，輪子停止轉向；轉向外側流量突然增加，輪子轉速加快。底盤在連續轉向時，由于馬達流量的變化迅速，產生較強的液壓沖擊，轉向擺動較大，不利于底盤的平順性和穩定性，因此需要對前橋擺轉轉向加以改進。

筆者在原有的前橋擺轉的轉向方式基礎上，在前輪液壓轉向的回路兩側分別加裝一個溢流閥，利用行走輪驅動馬達的背壓變化來減速驅動輪實現前進時的轉向，其液壓轉向原理如圖1所示。

在直線行駛時，閥6的閥芯位于右位，閥9的閥芯和閥5的閥芯均位于左位。當底盤在運輸或者路面高速行駛時，利用溢流閥來控制前橋的微轉向。前橋需要向左側微轉向時，向溢流閥2施加壓力，此時左側回路的液壓馬達流量會隨著壓力的增大而減小，左側的車輪轉速也會降低；底盤由于慣性力，在施加溢流閥壓力的瞬間前橋轉向軸的速度不變，慣性力帶動右側車輪繼續轉動，左側液壓馬達減小的流量流向右側液壓馬達，底盤在前橋的帶動下向左側微轉向。同理，向右側微轉向也是如此。后輪轉向控制是由于底盤的4個液壓馬達并聯，前輪轉向的馬達流量變化使得與轉向內側同側的液壓馬達流量也減小、與轉向外側同側的液壓馬達流量也增加而導致的轉向。

當底盤需要在田間轉向或者大角度轉向時，其前進和后退的轉向方式是切斷轉向內側供油，保持轉向外側供油的轉向方式[5]。

2　液壓轉向控制系統的仿真研究

2.1　仿真模型的建立

利用AMESim軟件對前輪加裝溢流閥，利用行走輪驅動馬達的背壓變化來減速驅動輪實現前進時的轉向原理進行仿真，驗證背壓控制前橋轉向的可行性。

根據計算所求的數據，利用AMESim軟件[6]建立液壓仿真模型，仿真原理圖如圖2所示。

圖2　液壓轉向控制系統仿真模型

2.2　仿真模型參數數據的計算

2.2.1底盤行走阻力

底盤在平路行駛過程中主要受到車輪與地面之間的滾動摩擦力和空氣阻力。由于底盤行駛速度較低，因此空氣阻力可以忽略不計[7]。水泥路面滾動阻力系數取0.02，整機質量500kg，則行走阻力為

Ff=f·G=0.02×500×9.8=98N

2.2.2驅動液壓馬達的參數

液壓馬達最大啟動扭矩為底盤在斜坡上的啟動扭矩，底盤在正常啟動和行駛時牽引力主要是克服滾動阻力和重力的分力。爬坡能力為20%時，坡度角度為11.3°，代入數據求得牽引力和扭矩為

F牽=Ftmax=f·G+GX=1056N

Mmmax=Ftmax·r=1056×0.4=442.4N·m

液壓馬達的最大排量為

式中Mmmax—液壓馬達最大負載扭矩(N·m)；

Δp—馬達進出口壓差，取Δp=10MPa；

ηm—液壓馬達機械效率，取ηm=0.9。

代入上式，求得最大排量為286.65mL/r。

根據設計要求，底盤的最高行駛速度應為20km/h，則最大行駛速度時液壓馬達流量為

式中nmmax—最大排量時馬達的轉速(r/min)；

ηmv—液壓馬達容積效率，取ηmv=0.95。

代入數據，求得流量為41.16L/min。

2.2.3液壓泵的參數

液壓泵的最大工作壓力取決于液壓馬達的最大工作壓力。其最大工作壓力滿足公式要求，即

pp≥(Δpm+∑Δps)

式中PP—液壓泵的工作壓力(MPa)；

ΔPm—液壓馬達的最大工作壓力(MPa)；

∑ΔPs—系統油管的總損失壓力，取∑ΔPs=2MPa。

液壓泵的最大流量qpmax由液壓馬達的最大流量決定，因此有

qpmax=K·qmmax

式中K—系統泄露系數，取K=1.1。

由于采用雙聯泵，PTO在不作業時可以輸出動力，因此在最大行駛速度時采用雙泵兩驅模式。代入數據，求得液壓泵流量為45.27L/min。

液壓泵的排量為

其中，np為液壓泵的額定轉速。本文初選CBG系定量齒輪泵，其額定轉速為2 000r/min；ηpv為液壓泵的容積效率，取ηpv=0.91。

將數據代入，求得排量為24.88mL/r。

2.3　仿真及結果分析

溢流閥的控制信號分為兩段，0～5s設定為0,5～30s設定0～200，采樣周期為0.1s。將以上元件計算參數代入各個元件模型中，運行AMESim軟件，仿真結果如圖3～圖5所示。

由圖4和圖5可以看出：0～5s，底盤正常行駛，5～10s時前輪左側液壓馬達的流量從16.71L/min慢慢減為0，前輪右側馬達的流量從16.7L/min開始上升為21.72Lmin；同時，前輪左側馬達的轉速從53.68r/min慢慢減為0，前輪右側馬達的轉速從53.68r/min上升為69.88r/min，底盤兩前輪形成速度差，底盤向轉速低一側轉向。仿真試驗結果表明：背壓減速驅動輪控制底盤轉向方案可行，隨著背壓的越來越大，轉向內側的液壓馬達轉速越來越低，轉向外側的馬達轉速越來越高，底盤的轉向半徑也越來越小。

圖3　背壓隨時間的變化

圖4　背壓對驅動輪液壓馬達流量的影響

圖5　背壓對驅動輪轉速的影響

3　底盤轉向性能試驗

3.1　試驗目的

為了驗證利用行走輪驅動馬達的背壓變化來減速驅動輪實現最小轉向角度控制的轉向方式的可行性，對樣機進行了現場轉向性能試驗。

3.2　試驗設備與方案

1)試驗設備：深圳雷諾CHPM460便攜式液壓測試設備1套，宏基筆記本1臺，軌跡顯示裝置，皮卷尺，樣機。

2)試驗方案：在不同的試驗條件下，測試前輪兩側馬達的流量、壓力的變化情況，同時測定此情況下底盤轉向半徑的大小。具體分以下幾種：單泵兩驅、單泵四驅、雙泵兩驅和雙泵四驅。測量半徑的具體方法為：在轉向內側的前輪安裝行走軌跡顯示裝置，當底盤在不同的條件下以一定的半徑行駛時，啟動行駛軌跡顯示裝置。通過顯示裝置，可以使得底盤在行駛過程中的軌跡顯示在路面，待底盤行走至1圈時，通過皮卷尺測量此情況下底盤轉向半徑的大小。通過雷諾測試儀，測出不同情況下前輪兩側馬達的流量和壓力的變化樣機現場試驗如圖6所示。

圖6　樣機現場試驗圖

3.3　試驗結果及分析

根據雷諾測得數據，試驗結果如圖7～圖9所示。

圖7　背壓1對液壓馬達流量和壓力的影響

由圖7可以看出：底盤從225s時開始啟動，剛啟動時有一定的壓力，在很短的時間內，底盤就穩定下來；此時，溢流閥施加一定的壓力，取值區間為225～247s；左前馬達回油路壓力平均值約為1.83MPa，右前馬達回油路壓力平均值為1.89MPa，兩側回油壓差為0.06MPa。通過實際測量，測得底盤的轉向半徑為2.51m。

圖8　背壓2對液壓馬達流量和壓力的影響

由圖8可以看出：底盤從第3s開始啟動，此時對溢流閥施加一定的壓力，取值區間為3～30s；測得左前馬達回油路壓力平均值約為2.21MPa，右前馬達回油路壓力平均值為2.32MPa，兩側回油壓差為0.09MPa。通過實際測量，測得底盤的轉向半徑為1.99m。

圖9　背壓3對液壓馬達流量和壓力的影響

由圖9可以看出：底盤從第3s開始啟動，此時對溢流閥施加一定的壓力，取值區間為4～20s；測得左前馬達回油路壓力平均值約為1.75MPa，右前馬達回油路壓力平均值為1.89MPa，兩側回油壓差為0.14MPa。通過實際測量，測得底盤的轉向半徑為0.625m。

為了方便分析，將4種情況的壓力差與轉向半徑的變化生成曲線如圖10所示。

由圖10可知：在4種不同背壓情況下，當前輪回油路兩側壓力差越來越大時，底盤的轉向半徑越來越小，同時可以通過溢流閥將壓力差控制為定值，此時底盤可以一定的半徑進行轉向，實現底盤的連續轉向；當壓力差較小時，底盤會發生較小角度的偏轉，實現了小角度轉向，在高速時可以保證底盤行駛平穩，轉向平順。

圖10　前輪液壓馬達兩側壓差對轉向半徑的影響

3.4　討論

通過對AMESim軟件的仿真分析和樣機現場試驗結果對比分析可知，利用行走輪驅動馬達的背壓變化來減速驅動輪控制轉向可行。底盤行駛過程中，通過向前輪兩側回油路的溢流閥施加壓力來增加行走輪的背壓，使得轉向內側的液壓馬達流量減小，輪子轉速減慢，轉向外側的液壓馬達流量增加，輪子轉速增加，前橋由于慣性力帶動底盤向內側轉向。

4　結論

對試驗樣機進行了仿真分析和現場試驗，結果表明：通過控制背壓大小，底盤會以不同的半徑進行轉向；背壓越大，轉向半徑越小，且由背壓導致的兩側回油壓差范圍在0～0.5MPa之間，轉向半徑由無限大到原地轉向。通過手動施加溢流閥壓力，調整背壓大小，可以實現底盤平順在高速行駛時平順轉向，也可以控制底盤轉向半徑的大小。