一種工程車油門(mén)及行走控制系統(tǒng)及方法

洪清源

（泉州鑫豪工程機(jī)械科技有限公司，福建 晉江 362200）

0 引言

使用全液壓傳動(dòng)或液壓-機(jī)械傳動(dòng)的工程車，通常是采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)或通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車輛行走的功能[1]。控制泵輸出的液壓油，通過(guò)多路閥行走閥聯(lián)閥芯的開(kāi)口，將動(dòng)力傳遞到液壓馬達(dá)，再通過(guò)液壓馬達(dá)密封工作腔的容積變化來(lái)推動(dòng)液壓馬達(dá)輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。到達(dá)液壓馬達(dá)的液壓油流量越多，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度越快。而到達(dá)液壓馬達(dá)的液壓油流量，除了與控制泵的排量轉(zhuǎn)速有關(guān)，行走閥聯(lián)閥芯的開(kāi)度也有很大的關(guān)系[2，3]。泵的輸入轉(zhuǎn)速越高，泵輸出的流量越大，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速越高[4]。行走閥聯(lián)閥芯的開(kāi)度越大，可通過(guò)的液壓油流量的越大，液壓馬達(dá)可達(dá)到的轉(zhuǎn)速就越高。

傳統(tǒng)的行走控制方案是通過(guò)具有定位功能的手油門(mén)控制泵的輸入轉(zhuǎn)速，通過(guò)具有自復(fù)位功能的腳閥，將操作意圖轉(zhuǎn)化為輸出的先導(dǎo)壓力，從而控制行走聯(lián)閥芯的開(kāi)度大小；而行走的微動(dòng)特性，主要是閥芯的開(kāi)口特性及閥聯(lián)控制總流量的相互作用結(jié)果[5]。示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)控制方案

1 傳統(tǒng)控制方式分析

傳統(tǒng)方案結(jié)合實(shí)際來(lái)講，因?yàn)楣こ誊囎灾卮螅诠こ誊囎鳂I(yè)時(shí)，需要在低速實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的啟停微動(dòng)，則需要將泵的輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)越小越好[6，7]，從而閥聯(lián)控制的總流量就很小，這個(gè)時(shí)候再通過(guò)腳閥來(lái)控制閥聯(lián)的閥芯開(kāi)度，讓小流量進(jìn)入馬達(dá)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行走啟動(dòng)的微動(dòng)，避免了大流量一下涌入液壓馬達(dá)導(dǎo)致沖擊感；停止時(shí)因?yàn)闀r(shí)速低，慣性相對(duì)較小，停止沖擊也小[8，9]。在高速轉(zhuǎn)場(chǎng)的時(shí)候又需要液壓馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高速行走，這就需要將閥芯全開(kāi)的同時(shí)，泵的輸入轉(zhuǎn)速也要最高，當(dāng)然最高時(shí)速的時(shí)候突然抬起腳閥踏板，則會(huì)導(dǎo)致劇烈的制動(dòng)感，一般則是通過(guò)在閥芯端的先導(dǎo)泄油端增加節(jié)流孔，使得閥芯緩慢回中位，從而消除制動(dòng)感，但這種方式也存在缺陷，因節(jié)流效果在不同壓力及流量下是不同的，很難在制動(dòng)安全及制動(dòng)沖擊中找到平衡的調(diào)試效果。

2 改進(jìn)后的控制方案

基于上述問(wèn)題提出一種新的工程車油門(mén)及行走控制系統(tǒng)及方法，主要改進(jìn)點(diǎn)是通過(guò)改進(jìn)腳閥的結(jié)構(gòu)，將操作意圖直接轉(zhuǎn)化為兩路：一路通過(guò)電位傳感器，直接與車身ECU（車載控制器）或者動(dòng)力單元ECU連接，其腳閥的位移信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后變?yōu)楸玫妮斎朕D(zhuǎn)速控制信號(hào)；另一路則是直接通過(guò)腳閥的位移來(lái)控制位于腳閥底部的先導(dǎo)閥體，線性輸出先導(dǎo)壓力來(lái)推動(dòng)行走閥芯的位移。改進(jìn)后的腳閥及控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的腳閥結(jié)構(gòu)及液壓原理

在圖3所示的方案中，這種腳閥結(jié)構(gòu)在剛踩動(dòng)腳閥踏板后，先觸發(fā)腳閥底部的先導(dǎo)閥體，輸出的較低的先導(dǎo)壓力，推動(dòng)行走閥芯的微動(dòng)打開(kāi)，控制少量的液壓油進(jìn)入行走馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)緩慢起步，減少啟動(dòng)沖擊；隨著繼續(xù)深踩踏板，先導(dǎo)閥體輸出的先導(dǎo)壓力升高，進(jìn)一步推開(kāi)行走閥芯，同時(shí)車身或動(dòng)力單元ECU接收到位移信號(hào)，提升泵的輸入轉(zhuǎn)速，快速提升進(jìn)入行走馬達(dá)的流量，達(dá)到快速提速的目的；當(dāng)踏板踩到底后，行走閥芯開(kāi)度及泵輸入轉(zhuǎn)速均達(dá)到最大，此時(shí)實(shí)現(xiàn)極速行走；需要減速時(shí)，隨著踏板抬起，車身或動(dòng)力單元ECU接收到位移信號(hào)變化，降低泵的輸入轉(zhuǎn)速，先導(dǎo)閥體也逐漸減小先導(dǎo)壓力輸出，行走閥芯對(duì)應(yīng)回位，進(jìn)入液壓馬達(dá)的流量減少，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低；繼續(xù)抬起踏板至復(fù)位，泵輸入轉(zhuǎn)速降低最低，先導(dǎo)閥體不輸出先導(dǎo)壓力，行走閥芯完全復(fù)位，沒(méi)有流量進(jìn)入液壓馬達(dá)，馬達(dá)通過(guò)內(nèi)部溢流及補(bǔ)油迅速消除整車慣性，工程車輛停止行走。

圖3 改進(jìn)后的控制方案

上述結(jié)構(gòu)通過(guò)踏板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，巧妙地將駕駛意圖轉(zhuǎn)化到對(duì)泵的輸入轉(zhuǎn)速及行走閥芯開(kāi)度的關(guān)聯(lián)控制上，操作簡(jiǎn)單便捷。

同樣在新能源工程車上，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走的，也可采用類似控制系統(tǒng)及方法。為了提高操作響應(yīng)及優(yōu)化操作便利性，也可將腳閥下的先導(dǎo)閥組改為在行走閥聯(lián)上安裝電液比例閥進(jìn)行控制，通過(guò)電控算法，將踩踏腳閥的操作意圖進(jìn)行處理后再分別控制電液比例閥閥口開(kāi)度與及泵的輸入轉(zhuǎn)速。如圖4所示。

圖4 新能源工程車油門(mén)及行走系統(tǒng)控制方案

上述結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況中，其邏輯關(guān)系可以按照如下開(kāi)展：在啟動(dòng)行走階段，優(yōu)先輸出控制行走聯(lián)閥芯位移的電液比例閥電流，在行走聯(lián)閥芯移動(dòng)出微動(dòng)特性區(qū)間后，再輸出控制提升泵輸入轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的行走啟動(dòng)；在急加速階段，同時(shí)輸出至電液比例閥電流與提升泵輸入轉(zhuǎn)速的電信號(hào)，快速提升至液壓馬達(dá)的流量，實(shí)現(xiàn)加速；在極速行駛狀態(tài)，輸出至電液比例閥的電流使行走聯(lián)閥芯全開(kāi)，輸出至泵的輸入轉(zhuǎn)速的電信號(hào)維持額定輸入轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大流量至行走馬達(dá)；在抬起踏板時(shí)，輸出信號(hào)迅速降低泵的輸入轉(zhuǎn)速，同時(shí)輸出經(jīng)過(guò)處理的電液比例閥信號(hào)，適當(dāng)延遲閥芯閉合，確保制動(dòng)安全的同時(shí)減少迅速閉合閥芯帶來(lái)的不適感，若同時(shí)踩下制動(dòng)時(shí)，則無(wú)需處理至電液比例閥的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)迅速制動(dòng)停車。

3 改進(jìn)效果及對(duì)比

上述的油門(mén)及行走控制系統(tǒng)及方法，已在輪式挖掘機(jī)、新能源微型挖掘機(jī)（由福建省區(qū)域發(fā)展項(xiàng)目《智能化新能源微型挖掘機(jī)》2019H4013支撐開(kāi)展）中得到具體應(yīng)用。改進(jìn)效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)效果對(duì)比情況

4 結(jié)語(yǔ)

所述的油門(mén)及行走控制系統(tǒng)及方法，其成本低廉，可靠性高，后續(xù)的研究工作集中在根據(jù)具體工況優(yōu)化相關(guān)信號(hào)處理算法，可解決節(jié)流閥在不同流量、壓力下的節(jié)流效果，進(jìn)一步提升操作感受及安全性。此方案具有廣泛的應(yīng)用前景。