（光学工程专业论文）基于模糊控制的轮式装载机电液限滑差速器性能仿真分析.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 轮式装载机工作环境恶劣，作业工况复杂，经常由于车轮高速打滑引起牵引力急剧下 降，致使装载机无法正常工作，严重影响其工作效率。国内装载机多通过采用普通开式和 自锁式限滑差速器来减小由车轮打滑引起的装载机铲掘能力的降低。电控限滑差速器，结 合先进的控制技术，可根据路面状况实时调整输出扭矩，从而合理分配驱动转矩，有效抑 制车轮打滑。若将其应用在轮式装载机中，装载机作业时的牵引性和通过性将得到较大的 改善。 本文分析了传统机械式限滑差速器的缺点，根据装载机驱动桥形式，在摩擦片式限滑 差速器的结构基础上进行改进，得到适用于装载机驱动桥结构的电液限滑差速器。作者针 对z l 5 0 装载机，完成了装载机传动系统的动力学分析、整车仿真系统的搭建、电液限滑 差速器参数自整定模糊控制器的设计，并通过仿真分析验证了控制器的合理性和适用性。 针对z l 5 0 装载机的动力传动系统，分析了相关传动件的传动特性，并根据厂家提供 的数据，依次建立了装载机发动机数学模型、变矩器数学模型、变速器数学模型、驱动桥 数学模型和轮胎数学模型，结合z l 5 0 装载机的相关参数，根据上述数学模型在 m a t l a b s i m u l k 中搭建并调试装载机直线行驶仿真系统模型。 将电液差速系统作为控制模型，选用参数自整定的模糊控制算法，设计了控制器的隶 属度函数和控制规则。结合z l 5 0 装载机的整车仿真系统，对在分离路面和棋盘路面直线 行驶时电液差速系统的限滑性能进行了仿真实验，对比分析了普通丌式差速器和电液限滑 差速器的限滑性能。 研究结果表明：基于参数自整定模糊控制的电液限滑差速器，克服了普通开式差速器 的缺点，对附着系数多变的路面状况具有良好的适应性，可根据路面条件自适应的调节输 出的限滑扭矩，实现两侧车轮驱动扭矩的合理分配，有效抑制车轮打滑，提高了装载机的 牵引性能；设计的控制器可迅速将滑转率控制在目标值附近，具有响应时间短，控制精度 高的特点。控制系统与电液差速系统的匹配性良好，参数自整定模糊控制的控制方法合理。 关键词：轮式装载机，限滑差速器，模糊控制，驱动防滑，仿真 浙江理工人学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o np e r f e r m e n c ea n da n a l y s i sf o re l e c t i o nc o n t m lh y d r a u u c l i t m i t e d s l i pd i f f e r e n t i a lo f l o a d e rb a s e do nf u z z yc o n t r o l a b s t r a c t a st h ep o o ra i l dc o m p l e xw o d d n gc o n d i t i o n so fw h e e l l o a d l e 仃a c t i o no r e l ld e c l i n e s s h 唧l yb yh i g h s p e e ds p i 邶i n go fm ew h e e l ss o t h a tm el o a d e rd o e sn o tw o r k ，s e o u s l y a h e c t i n gt h ew o r ke 伍c i c i l c y i l lo u rc o u n t t h el o a d e r sg e n e r a l l yu s et h ec o m m o no p e na i l d s e l f - l o c k i n gl i m i t e ds l i pd i 饷t i a lt od e c r e a s em es h o v e lc a p a c i 哆r e d u c i n gc a u s e db ym e w h e e l ss l ( i d w i t ht h ea d v 狮c e dc o n 们1t e c l u l o l o 鼢e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dl i m i t e ds l i p ：? 一 d i f i 请e n t i a lc 龃a d j u s tt h eo u t p u tt o r q u eb a s e do nr e a l t i m er o a dc o n d i t i o n s ，a i l dr e a s o n a b l y d i s t r i b u t et h ed r i v et o r q u e ，t h e l li i l l l i b i tm ew r h e e l ss l i p a si fi t sa p p l i c a t i o ni nt h ew h e e l l o a d t h et r a c t i o na n dt h ep a s s i n ga b i l i t yw h e i lt h el o a d e ro p e r a t i n gw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ed i s a d v 锄t a g e so fm et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ll i m i t e ds l i pd i 侬：r e n t i a l ， a c c o r d i n gt 0t h ef b 肌so fl o a d e r 嘶v ca ) 【l e ，a n di m p r o v e dm e 衔c t i o np l a t el i m i t e ds l i p d i f 陆e n t i a l ，t h e i lo b t a i n e dt h ee l e c t r o - h y d f a u l i cl i m i t e ds l i pd i h h e n t i a lu s i n gf o r1 0 a d 既f o r t h e z l 5 0l o a d t h ep 印e rc o m p l e t e dt h ed y n 锄i c sa n a l y s i so ft h el o a d e rt r a n s m i s s i o na 1 1 dt h e b u i l d i n go fav e h i c l es i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dd e s i g n e dt h e 旬z z yc o n t r o l l e ro fw i mp a r 锄c t i 西 s e l 仁t u n i n go fm ee l e c t r o - h y d r a u l i cl i m i t e ds l i pd i f i 旨肌t i a l ，m o r e o v e rv e r i f i e di t sr a t i o n a l i t ya l l d a p p l i c a b i l i t yb ym es i m u l a t i o na i l a l y s i s f o rt h e 赫v i n gt r a n s l l l i s s i o ns y s t 伽o ft h ez l 5 0l o a d t h ep a p e ra i l a l y z e dt h e 缸a n s m i s s i o n c h a r a c t 砸s t i c so fm er e l e v 觚tp a n s ，a c c o r d i n gt ot h ee x p 甜m e n td a t a ，锄di nt u me s t a b i i s h e d m a m e m a t i c a lm o d e lf o rt l l el o a d e re n 西n e ，t l l et o r q u ec o n v e n t h et r 锄s m i s s i o n ，t h ed r i v ea x l e 锄dm ew h e e l 1 1 1 e l lc o m b i n i n gt h er e l e v 觚tp a r a m e t e r so fm el o a d t h ep 印e rb u i l t 锄d d e b u g g e das 仃a i 出l i n ed r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t 锄b yt h e s em a t h c l l l a t i c a lm o d e l si nm a t l a b s i m u l i n k t h ee l e c t r o h y d | r a u l i cd i f 右胃e 1 1 t i a ls y s t 哪嬲ac o n t r o lm o d e l ，“sp 印e ru s e dt h i s 如z z y c o n t r 0 ia l g o 珊nt od e s 啦m e m b e r s h i p 如n c t i o i l so fm cc o n t r o l l e r - c o n 仃0 lr u l e s w i t ht l l e v e h i c l es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ec 印a b i l i t yo ft h ee l e c t r 0 - h y d r a u l i cl i m i t e d - s l i pd i 行e 栅t i a ls y s t 锄 i nt h eb 眦o nt h er o a d ，s 印a r a t i n gt h er o a da n dt h ec h e s s b o a r df o a ds t r a i 班t 拍v i n gh a db e e i l 浙江理工大学硕十学位论文 s i m u l a t i o n 锄a l y z e d 7 r h i sp 印e rc o m p a r e d t h ec o m m o n叩e l ld i f l h e l l t i a lw i t h恤e e l e c 仃o - h y d r a 【u l i c1 i m i t e ds l i p t h er e s u l t ss h o w e dt l l a tt h ee l e c 仃o - h y d r 叭l i c1 i m i t e ds l i pd i 胁t i a lw i t ht h e 龟z z yc o n t i o l c o n q u e r st h ed i s a d v 锄t a g e so ft h eo p e i l ，锄dh 嬲9 0 0 da d 印t a b i l i t yt 0m e r o a dc o n d i t i o n sw i t l l a d h e s i o nc o e 伍c i e n tc h a l l 西n & a i l da d a p t i v e l ya d j u s t sm el i m i t e ds l i pt o r q u eo u t p u tb y t h er o a d c 0 n d i t i o n s ，s 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0 年代以来，国外工程机械进入 了一个新的发展时期，国内工程机械的发展也随之被带动了起来。 继提高整机可靠性任务之后，目前工程机械技术发展的重点在于增加产品的电子信息 技术含量和智能化程度，电子化和自动化的良好结合，已成为工程机械更新换代和发展的 新方向【1 】【2 】【3 】，而工程机械的智能化更成为世界各国的关注焦点。 轮式装载机是典型的轮式工程机械，它在国家经济活动中扮演着重要的角色，因此它 的发展和创新对国民经济的发展有着重大的现实意义。而与大多数工程机械存在的问题一 样，目前轮式装载机亟待解决的主要是控制和操纵问题，具有良好的控制和处理能力的电 子技术是改善工程机械现有问题的主要方式。国外各大工程机械厂家已投入资金结合目前 较为成熟的p i d 控制、模糊控制、神经网络控制等控制理论和控制方法，研制和开发了基 于模糊控制或神经网络控制的自动变速电控装置，实现工程机械的自动换挡功能，并已在 工程机械中得到了应用，体现了工程机械的智能化要求和趋势。 轮式装载机与履带式装载机不同，不能借助履带的高摩擦系数提高其防滑能力。装载 机工况复杂多变，常常在附着系数较低的路面上进行铲装作业，对防滑性能具有较高的要 求【4 1 ，因此工程机械的驱动防滑性能也越来越受到消费者的关注。为了满足工程车辆在公 路上进行短途行驶时驾驶员对车速的要求，目前工程车辆设计的最高行驶车速一直在不断 增大，车速的提高导致车轮打滑的情况更易出现，严重影响了工程车辆的动力性。消费者 希望工程车辆的纵向加速能力提高的同时车轮打滑的现象也能得到有效抑制，减少打滑造 成的轮胎磨损，降低成本。目前，工程车辆多通过采用装备差速器的方法来解决车轮过度 滑转的问题。 传统的轮式工程机械主要采用普通开式差速器和摩擦片自锁式限滑差速器。这种机械 式差速器，可在一定程度上抑制车轮打滑，但普通开式差速器转矩平均分配的特性和摩擦 片自锁式限滑差速器的限滑能力与锁紧系数有关的特性，使其输出的限滑扭矩只能在一定 范围内变化，不能适应多变的路面条件，自适应能力较弱。当一侧车轮发生滑转时非滑转 侧车轮发出的扭矩受到滑转侧车轮的制约，良好路面的附着能力不能被充分利用，车辆动 浙江理工大学硕七学位论文 力性降低。 电控限滑差速器( e l s d ) 是一种主动式限滑差速器。它在被动式限滑差速器的基础上 加装相应的控制系统，通过电子控制方式，根据车辆运行工况和路面状况应用现代控制技 术对差速器输出的限滑扭矩实现主动控制，在线调整和合理分配作用在驱动轮上的驱动 力，提高车辆的驱动性和通过性【5 1 。目前，丰田，大众等汽车厂家的部分车型将电控限滑 差速器作为选装件，以满足消费者对驱动性能的要求。在车辆中装配电控限滑差速器已成 为今后汽车产品发展的必然趋势。 由于技术和成本的限制问题，目前我国轮式装载机中还未有装备电控限滑差速器的产 品。若在轮式装载机中安装电控限滑差速器，装载机的驱动性能和工作效率将得到有效提 高，其稳定性和安全性也将得到改善。 鉴于机械式限滑差速器自适应能力差，限滑能力有限的缺点和目前国内电控差速器的 研究、应用现状和未来发展趋势，作者在摩擦片式限滑差速器的基础上针对轮式装载机驱 动桥的结构特点，设计了一种电控液压限滑差速器，建立了以滑转率变化和滑转率变化率 为输入的参数自整定模糊控制的装载机整车系统仿真模型，设计了两种典型路面分离 路面和棋盘路面，在m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真实验，实现对驱动轮滑转率的实时调 节，使装载机在不同路面上工作时驱动轮滑转率均保持在目标滑转率附近。本课题的研究 对电控限滑差速器在我国轮式工程机械中的应用有着十分重要的意义。 1 2 国内外汽车驱动防滑技术的研究现状与发展趋势 驱动防滑控制系统，即t c s ( 或a s r ) ，它是一种牵引力控制系统，可以防止驱动轮在 驱动过程中发生过度滑转。此系统根据车辆行驶行为，运用数学算法和控制逻辑使驱动轮 在恶劣的路面或复杂输入条件下产生最佳纵向驱动力，是一种加压防滑转的主动安全系统 【6 】。它是汽车制动防抱死系统( a b s ) 基本思想在驱动领域的延伸和发展。 1 8 8 6 年汽车之父卡尔本茨造出了世界上第一辆三轮汽车，时速仅为1 8 k n l l l 。目前 车辆的最高时速已超过2 0 0 l ( 1 1 ：l l l 。汽车最高车速的不断上升，使汽车设计师们开始重视高 车速引发的驱动轮过度滑转问题。2 0 世纪7 0 年代之后，日本、德国和美国相继出现了汽 车驱动防滑控制的专利。而1 9 8 5 年v o l v o 公司在v o l v o7 6 0t u 而。汽车上首次安装了电子 牵引力控制系统e t c ，则掀开了应用牵引力控制系统的序幕。1 9 8 6 年，在底特律汽车巡回 展中，美国g m 汽车公司c h e v r o l e t 分部在其生产的克尔维特英迪牌轿车上安装了牵引 力控制系统，为驱动防滑控制系统的发展作了良好的宣传；同年9 月，奔驰公司与瓦布科 ( w a b c o ) 公司联合开发出了应用于货车的t c s 系统。1 9 8 9 年，德国a u d i 汽车公司将a s r 2 浙江理t 人学硕士学位论文 安装在前置前驱的奥迪轿车上，这是世界上第一次将t c s 装置安装在前驱轿车上8 】【9 】。 此后，牵引力控制技术f 1 益发展并逐渐成熟，进入上世纪9 0 年代之后得到迅速普及。t c s 系统已成为宝马、凌志、皇冠、克尔维特、卡迪拉克等高级轿车的标准或选装装备。有关 专家预测，到2 0 l o 年，将有5 0 的轿车、货车装备牵引力控制系绀引。 我国对驱动防滑控制系统的研究尚处于起步阶段，主要集中在对控制策略、控制算法 和控制理论的研究。济南重型汽车集团、吉林大学、北京理工大学、同济大学等对驱动防 滑控制系统已取得了一些卓有成效的研究，但与国外成熟的t c s 产品相比，国内t c s 产品 的控制精度、可靠性仍与国外t c s 产品有一定的差距f 埘。顾客对汽车装置要求的不断提高， 促进了驱动防滑控制的发展，汽车驱动防滑控制系统也必将和a b s 一样逐渐成为车辆的标 准配置【丌。 1 3 汽车牵引力控制系统的主要控制方式 当驱动力矩超过了轮胎与地面之间的附着极限时，驱动车轮便会发生打滑现象。合理 地减小发动机的输出力矩或动力传动系统传递的力矩都可以实现驱动防滑的效果。t c s 系 统主要采用如下的几种控制方式实现驱动防滑功能： ( 1 ) 调节发动机输出扭矩 通过调节发动机输出扭矩改变传递到驱动轮上的扭矩，是驱动防滑系统最常用也是最 早应用的一种控制方式。根据影响发动机输出扭矩的主要因素，通常可通过对点火参数、 燃油供给和节气门开度的调节实现对发动机输出扭矩的调节，使驱动轮的输出扭矩与行驶 路况相符，有效抑制车轮的打滑【1 1 1 。 这种控制方式在低附着路面或在高速下驱动轮发生滑转时，具有良好的防滑效果。但 其响应速度较慢，且不能分别对各驱动轮的驱动力矩进行调节，只能同时作用，当由于路 面附着系数不同只有一侧车轮打滑时，这种控制方式明显不合理【1 2 】【1 3 1 。 ( 2 ) 调节驱动轮制动力矩 驱动轮制动力矩调节是通过在发生打滑的驱动轮上施加制动力来抑制车轮打滑的。这 种将制动力矩直接作用在驱动轮上的方式使驱动轮制动力矩调节的响应时间较短，是抑制 车轮打滑的最迅速的一种控制方式，对于有独立控制通道的系统可以实现各车轮的独立控 制。 但这种控制方式有如下几个缺点：不宣长时间采用，摩擦片过热将影响传动系效率； 车辆高速行驶时可能导致两侧驱动力相差较大影响行驶稳定性；制动力矩不宜过大， 否则将造成车身的震动影响乘坐舒适性。制动力控制一般在低速( 4 5 l ( i 】 汕以下) 和分离路面 3 浙江理工大学硕士学位论文 上的控制效果较好，常与发动机输出扭矩调节相结合，即干预制动后要紧接着调节发动机 输出扭矩，否则可能会出现制动力矩和发动机输出扭矩之间无意义平衡引起的功率消耗 【1 3 l 【1 4 1 。 ( 3 ) 调节离合器接合程度或变速箱变速比 离合器和变速箱控制是通过减小传递到驱动轮的驱动扭矩来抑制过度滑转侧驱动轮 的滑转的。前者通过减弱离合器的结合程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑转来减 小传输到半轴的发动机输出力矩，而后者则是通过改变传动比来改变传递到驱动轮的驱动 扭矩。离合器和变速箱控制反应较慢，变化突然，所以一般不作为单独的控制方式，而且 由于压力和磨损等问题，其应用也受到很大的限制【1 2 】。 ( 4 ) 调节可控防滑差速器的限滑扭矩 普通开式差速器和摩擦片式限滑差速器是目前应用较多的差速器。普通开式差速器具 有等扭矩分配特性，这种特性在各驱动车轮附着状况不同的情况下，高附着系数一侧的驱 动力不能充分发挥，这与充分利用附着力的要求不相符【1 5 】【1 6 】。摩擦片式限滑差速器可以在 一定范围内实现驱动力矩的变比例分配【16 1 ，使车辆在分离路面上行驶时，低侧驱动车轮 获得较小的驱动力矩，滑转程度降低，而高侧驱动车轮得到获得较大的驱动力矩，附着 性能得到充分利用。装备这种差速器的车辆的各驱动轮可根据路面状况获得不同的驱动 力。 ( 5 ) 调节驱动车轮载荷分配 通过电控悬架可以实现驱动车轮的载荷分配。当车辆低速行驶且各驱动车轮的附着条 件不一致时，电控悬架主动调整，将载荷较多地分配在附着条件较好的驱动车轮上【1 7 】，各 驱动车轮附着力的总和增大，汽车的牵引力和加速性能提高；当车辆高速行驶且各驱动轮 的附着条件不同时，悬架主动调整，使载荷较多的分配在附着条件较差的驱动轮上，减小 各驱动车轮问附着力的差异，分配到各驱动轮上的驱动力趋于平衡，汽车的行驶方向稳定 性提高。由于技术、成本等问题，电控悬架参与的控制技术仅处在理论探索阶段，它在t c s 系统中很少采用，但是是今后t c s 控制系统的一个发展方向。 以上各种控制方式各有所长，适用范围也不同，单独使用某种控制手段不能得到理想 的控制效果，一般常针对不同的路面状况将各种控制方式组合起来应用。 1 4 牵引力控制系统的控制算法 对驱动轮滑转率的控制是整个t c s 控制系统的关键。滑转率计算的精确性直接影响着 4 浙江理工人学硕士学位论文 整个系统的控制效果。驱动轮滑转率受到轮胎与路面的接触情况、驾驶员的驾驶习惯、天 气状况等多方面的影响，因此具有复杂的非线性特性。不同工况下发动机的工作特性，轮 胎和制动器的磨损特性不同，以及不断变化的车速和载荷，使得驱动轮滑转率的变化又呈 现出很强的时变性，这些都给防滑转控制逻辑的设计带来很大的困难【7 1 。随着车辆动力学、 计算机技术、电子技术和自动控制理论的发展，国内很多学者对t c s 的控制算法进行了深 入的研究，并取得了一定的成果。结合业已成熟的控制技术，目前驱动防滑系统主要有传 统的逻辑门限值控制算法、以经典控制理论为基础的p i d 控制算法、基于现代控制理论的 最优控制算法以及隶属于智能控制的模糊控制和神经网络控制算等。 ( 1 )逻辑门限值控制 逻辑门限控制是一种传统的控制方法，它根据实际测量值与门限值的关系来调节控制 变量。由于逻辑门限控制不涉及系统具体的数学模型，易实现对非线性系统的控制，因此 现在大多数t c s 控制器对车轮滑转率的控制都采用这种方法f 憾】。其基本原理为：将车轮的 加减速度和车轮的滑转率作为控制门限，进行加压、减压、保压控制。汽车在行驶过程中， 如果车轮的某一参数超过了设定的正的门限值，则控制系统就会产生动作，调节发动机输 出扭矩或是加制动力使其降低，当达到负的门限值时，控制系统又产生动作，增加驱动力， 如此循环实现滑转率的控制，使车轮滑转率在最佳滑转率点附近波动【7 1 ，以充分利用地面附 着力，提高车辆的牵引性能或制动性能。这种控制方法在硬件上易于实现，但是由于门限 值的设定是基于大量试验数据的，因此工作量大，开发周期长，而且没有充分的理论根据， 无法评价系统的稳定性等动态品质。若按照轮速差门限进行控制加压，往往会出现加压过 度，驱动车轮抱死的情况【例。 ( 2 )p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制，是最早发展起来的控制策略之一。这种控制方法 不需要了解被控对象的数学模型，根据经验对控制器的参数值进行设定来实现控制要求。 p i d 控制方法在t c s 控制系统中得到了广泛的应用，可实现对t c s 系统的连续控制， 提高车辆在驱动工况中的平顺性。p l d 控制器结构简单、易于调整、可靠性高，与门限 控制相比控制品质更平稳。但是p i d 控制方法对被控对象参数变化非常敏感，当路面条件 发生变化时，控制参数需要重新调整，不同路面的控制参数不能通用，不能实现参数随路 面情况而自动设定，主要依赖手动经验试凑，耗费大量人力、物力及时间，且对车辆工况 的适应性也较差。 ( 3 )模糊控制 浙江理t 大学硕士学位论文 所谓模糊控制，既不是指被控对象是模糊的，也不是指控制器是不确定的，它是指在 表示知识、概念上具有不明确性的特尉2 0 】。 模糊控制与p i d 控制算法相似，不需要知道被控对象的数学模型，鲁棒性好，对被控 对象的干扰具有较强的抑制能力，尤其适用于大时变，非线性，被控对象数学模型复杂的 系统。对非线性、时变、滞后系统等难以建立被控对象数学模型的复杂系统具有良好的控 制效果，且所需设备简单，经济效果显著。但模糊控制系统的输入输出特性需要大量的试 验数据才能得到。 ( 4 ) 人工神经网络控制 神经网络控制算法是一种简单模拟人脑智力行为的新型的控制方式和时变方式。基于 神经网络的控制称为神经网络控制，是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确 描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障判 断等，以及同时兼有上述某些功能的适应组合【2 。人工神经网络可以根据不完整甚至有错 误的信息做出完全正确的结论的能力，容错性强且具有较强的自学习、推理和自适应能力 【2 2 l o 在t c s 中应用人工神经网络方法控制时，神经网络首先对有代表性的教师样本( 实验 数据) 进行学习，将各种工况下的控制策略与期望滑移率尽量接近。所以，一定意义上讲， 人工神经网络与模糊控制有相似的地方【2 2 1 。 1 5 课题的背景、意义及主要研究内容 1 5 1 本文研究的目的和意义 工程机械的工作环境恶劣，经常在坏路甚至无路条件下行驶和进行铲装作业，当其输 出驱动力矩大于地面附着系数时便会出现车轮打滑现象，严重影响其工作效率，而车轮打 滑引起的轮胎磨损占工程机械维护成本的6 0 以上。近年来，工程机械的最高时速也在不 断提高。一般轮式装载机的最高时速在4 0 l 【l i 沛左右，柳工5 0 装载机的最高时速可达5 0 l ( i i l l l 。 除了进行铲装作业以外，装载机不可避免的要在公路上行驶，当其以较高的时速进行转弯 或在冰雪路面等低附着路面上行驶时，若其具有良好的驱动防滑性能不但可以满足驾驶员 对动力性的要求，还将提高车辆的安全性，防止由于车轮打滑而使车辆稳定性降低的现象 发生。从动力性和经济性上考虑，有必要提高装载机的驱动防滑性能。 轮间差速器可以实现左右两侧驱动车轮以不同的转速行驶，在一定程度上抑制了路面 不平或路面滚动阻力系数不同而出现的车轮打滑现象，减少动力消耗和转向阻力，因此， 在工程机械上装备差速器是提高其驱动防滑性能的有效措施。 6 浙江理t 大学硕士学位论文 目前国内轮式装载机中常见的差速器形式主要有强制锁止式齿轮差速器和高摩擦副 自锁式差速器。强制锁止式差速器要求驾驶员根据路面情况判断是否锁止，驾驶员需要有 丰富的驾驶经验。当装载机在均一路面上工作时，具有较好的防滑效果，但当路面状况复 杂多变时，驾驶员很难迅速做出反应，而且锁止机构的状态转换也需要一定的时间，控制 效果不佳。当装载机由低附着路面进入良好路面行驶时，常出现驾驶员忘记断开差速锁的 现象，影响装载机行驶稳定性。 高摩擦副自锁式限滑差速器通过改变摩擦片的结合程度来调节输出的限滑扭矩，从而 限制车轮的打滑，它可阻实现转矩在两侧车轮上的不等比例分配，使非滑转侧得到较大的 驱动力从而提高整车的牵引性能。但其可能由于左右两侧摩擦片磨损程度不同而造成齿轮 轴上的作用力不均匀而影响差速器的性能。高摩擦自锁限滑差速器输出的最大限滑扭矩受 自锁系数的限制，其输出的限滑力矩只能在某个固定区间内变化，不能在大范围内连续变 化，限滑能力有限。 以上两种机械式限滑差速器，存在着限滑能力有限，响应速度慢，适应性差等缺点。 装载机经常在多种不同路面上交替行驶，多变的工作和行驶状况对限滑差速器输出的限滑 扭矩的变化范围和响应速度均有较高的要求，机械式限滑差速器己难以满足实际工况对限 滑能力的要求。电控限滑差速器在摩擦片式限滑差速器的结构基础上，将电子技术，现代 控制理论和计算机信息技术相结合，结合p i d 控制，模糊控制，神经网络控制等控制方法， 根据路面状况实时调整作用于压力盘上的作用力，从而实现限滑扭矩的在线调整，白适应 能力强，并且限滑扭矩在理想状态下可以从零开始连续变化，变化范围较大，能够适应多 种路面条件和工况，同时具有响应速度快，控制精度高的特点。 作者针对z l 5 0 装载机的结构和传动特点，对摩擦片式限滑差速器的结构进行了改进， 设计了一种电控液压限滑差速器，并采用参数自整定的模糊控制方法，实现对装载机滑转 率的自适应控制，将电液限滑差速器应用于装载机中，使其可以根据路面状况实时调整输 出的限滑转矩，克服了普通差速器不能主动地适应外界条件变化的缺点，使装载机驱动轮 之间的驱动力可以得到更好的匹配，消除寄生功率以及由此引起的功率损失，提高装载机 的驱动防滑性能。 在装载机中应用电控限滑差速器顺应了工程机械工业向以微电子技术和信息技术为 代表的高新技术进行改造的趋势。目前我国工程机械市场中还未见有装备电控限滑差速器 的批量产品，本文的研究内容将对开拓我国的工程机械市场，增强与国外工程机械产品抗 衡的实力有重大意义。 7 浙江理t 大学硕士学位论文 1 5 2 本文主要研究内容 针对装载机复杂多变的工作状况和对限滑能力的要求，将电控液压限滑差速器应用于 装载机中，采用参数自整定的模糊控制方法调整电液限滑差速器输出的限滑扭矩，从而使 车轮滑转率保持在目标滑转率附近；建立z l 5 0 装载机后轮驱动仿真模型，在 m a t l a b s i m u l i n k 对其进行仿真分析，验证控制效果。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 讨论了汽车驱动防滑控制系统的研究现状和发展趋势，结合装载机恶劣的工作 环境，说明提高装载机驱动防滑性能的必要性；分析了机械式差速器的缺点，指出在装载 机中装备限滑差速器的重要意义。 ( 2 ) 讨论了工程机械的差速系统，介绍了几种常用的机械式限滑差速器，并分析了 转矩、转速和电控限滑差速器的工作特点，分析了电控限滑差速器的优点，重点介绍了根 据装载机结构和工作特点设计的电液限滑差速器的结构和控制系统。 ( 3 ) 分析了z l 5 0 装载机的传动系统，根据原厂数据绘制了发动机、变矩器以及发动 机与变矩器共同工作时的输出特性曲线；建立了发动机、变矩器、变速器、驱动桥的数学 模型，建立了电液限滑差速器模型、装载机后轮驱动整车模型、液压系统模型和轮胎模型， 并在m a t l a b s i m u l i n k 中完成了相应的仿真模型的搭建。 ( 4 ) 介绍了参数自整定的模糊控制算法的工作原理，完成了参数自整定的模糊控制 器的结构、隶属度函数和模糊控制规则的设计； ( 5 ) 设计了仿真系统，建立了装载机后轮驱动整车仿真模型并进行了仿真实验；根 据仿真结果，对比了在分离路面和棋盘路面下电控液压限滑差速器( e l s d ) 和普通开式差 速器( s d ) 对车轮滑转率、轮速的控制效果，考察了电液限滑差速器输出的限滑扭矩，验证 了电液压限滑差速器良好的限滑性能和设计的参数自整定的模糊控制器的合理性。 最后，对全文进行了总结，提出了论文的主要创新点，并针对控制技术的发展趋势， 提出了未来的工作内容和研究方向。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章工程车辆限滑差速系统概述 工程车辆的差速系统，按照抑制车轮打滑的方式不同，常见的有制动力介入式差速系 统、驱动力矩调节差速系统等。制动力介入式差速系统是在普通差速器和制动器的基础上， 加装电控装置，控制施加在打滑车轮上的制动力来实现防滑功能的。驱动力矩调节差速系 统是通过电子装置调节发动机发出的驱动力矩，从而改变传递到驱动轮上的力矩实现限滑 功能。这两种控制方式均为电子差速系统。电控装置在整个差速系统中起着至关重要的作 用，直接决定着差速器的防滑能力和控制效果的精确性。 装载机是适时四驱的四轮驱动车辆。四轮驱动工程车辆的差速系统一般由前、后差速 器和中央差速机构三部分组成。中央差速器位于前后桥之间，可以实现前后轮的扭矩分配， 无论是中央差速器还是轮间差速器，其作用都是相同的，就是在向两边半轴传递动力的同 时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶， 减少轮胎与地面的摩擦。但中央差速器不但要均衡转速，还要根据后轮的工况来分配扭矩， 当车辆前轮或后轮失去附着力打滑空转时还能将动力分配给其他车轮来脱离困境。 中央差速器在s u v ( s p o f tu t i l i t yv e h i c l e ) 等四轮驱动的越野车中应用较多，多轴驱 动的工程机械中也用到中央差速器。本文的研究对象装载机两驱动桥距离较近，宽基低压 轮胎弹性变形量大，不设轴问差速器，因此作者只对装载机轮间差速器进行讨论。 2 1 轮间限滑差速器的作用 轮间限滑差速器即为安装在左右驱动轮之间的差速器。差速器是整个差速系统中最基 本的装置。汽车发动机的动力经过离合器、变速箱、传动轴，最后传送到驱动桥再分配给 半轴驱动左右两侧车轮。 轮式工程机械在工作过程中，左右两侧的驱动轮由于转弯、路面不平或道路阻力不等 等原因，在同一时间内所走过的距离是不同的。轮胎直径变化，充气气压不等，磨损程度 不均匀，或者载荷不同时，都会使两侧驱动轮的滚动半径不相等，导致即使两侧车轮在同 一时间内轴心移动的距离相同，车轮转过的转数也会不同。 装于驱动桥中的差速器通过两根半轴驱动两侧的驱动车轮，使两侧驱动轮能以不同的 转速旋转，尽量接近于纯滚动，这将减少车轮滑动引起的轮胎磨损，降低动力消耗并减少 转向阻力，增加车辆的操纵稳定性，提高工程车辆的动力性。 9 浙江理工人学硕士学位论文 2 2 常见的轮间限滑差速器 限滑差速器是提高汽车性能的一项关键技术嘲，是普通开式差速器的改进或衍生产 品。它通过摩擦片等限滑附件实现了转矩不等分的特性，既有差速又有差扭的作用。当一 侧车轮发生滑转时，可向两侧驱动轮传递不同的转矩，将大部分甚至全部转矩传递给不打 滑侧的驱动车轮，充分利用非滑转侧的驱动轮产生足够的牵引力，提高了车辆在分离路面 上行驶时的动力性和通过性。轮问限滑差速器的实现形式很多，按照锁止方式的不同，可 分为强制锁止式、高摩擦自锁式、牙嵌式、托森式和粘性耦合式限滑差速器；根据差动原 理，可分为转矩敏感式和转速差敏感式，下面分别介绍。 ( 一) 按锁止方式分： 1 、强制锁止式 ： l 强制锁止式差速器就是在普通对称式锥齿轮差速器上设置差速锁，这种差速锁结构简 单，易于制造，转矩分配比率较高，但转矩分配不可变，且操纵不便，需掌握好接上和摘 下差速锁的时间，否则就会产生无差速器时的一系列问题。 2 、高摩擦自锁式 高摩擦自锁式有摩擦片式和滑块凸轮式等结构。摩擦片式通过摩擦片之间相对滑转时 产生的摩擦力矩来使差速器锁止，这种差速锁结构简单，工作平稳，在轿车和轻型汽车上 最常见；滑块凸轮式利用滑块和凸轮之间较大的摩擦力矩来使差速器锁止，它可以在很大 程度上提高汽车的通过性能，但是结构复杂，加工要求高，摩擦件磨损较大，成本较高。 以上两种高摩擦自锁式差速器锁都可以在一定范围内分配左右两侧车轮的输出转矩，并且 接入脱离都是自动进行，因此应用日益广泛。 3 、托森式 托森式差速器是一种新型的轴问差速器，它的核心是蜗轮、蜗杆齿轮啮合系统，双蜗 轮、蜗杆结构的相互啮合互锁以及扭矩单向地从蜗轮传送到蜗杆齿轮的构造实现了差速器 锁止功能，限制了驱动轮打滑。在弯道正常行驶时，前、后差速器的作用是传统差速器， 蜗杆齿轮不影响半轴输出速度的不同，如车向左转时，右侧车轮比差速器快，而左侧速度 低，左右速度不同的蜗轮能够严密地匹配同步啮合齿轮。此时蜗轮蜗杆并没有锁止，因为 扭矩是从蜗轮到蜗杆齿轮。而当一侧车轮打滑时，蜗轮蜗杆组件发挥作用，通过托森差速 器或液压式多盘离合器，极为迅速地自动调整动力分配。 4 、粘性耦合式 1 0 浙江理1 ：人学硕十学位论文 目前，部分p u 轮驱动轿车上还采用粘性耦合联轴器作为筹速器使用。这种新型的差速 器使用的是硅油作为传递转矩的介质。硅油具有很高的热膨胀系数，当两车轴的转速差过 大时，硅油温度急剧 j 丁i ，体积不断膨胀，硅油推动摩擦叶片紧密结合，这是粘性耦合器 阴端驱动轴直接联成一体，即粘性耦合器锁死。这种现象被称为“驼峰现蒙”。这种现象 的发牛极其迅速，差速器骤然锁夕e ，因此车辆很容易脱离抛锚地。 旦硅油的温度逐渐下 降，苴至充分冷却后，驼峰现象4 。会消失。答丁粘性祸合器传递转矩柔和平稳，差速响应 快，它被推。运用到了驱动桥的轴问差速系统，当作轴川差速器，使全轮驱动轿车的性能 人幅度的提高。 ( 二) 根据差动原理分： l 、转矩感应式限滑差速器 转矩感应式限滑差速器，简称转矩式限泔差速器，足指其限滑转矩与筹速器输入转矩 密切相关联的类限泔差速器【2 4 】。转矩敏感式限滑筹速器的限滑转矩j 差速器输入成正相 关关系，即随管差迷器输入扭矩的增加，限滑扭矩也不断增加。 般是利用摩擦亡件( 湿 j 弋摩擦片) 来产牛和增加差速器的内摩擦转矩，从而实现限滑功能。 常见的转矩敏感式限滑差速器有机械摩擦片式( 图2 1 ( a ) ) 、锥衙式( 图2 1 ( b ) ) 和涡 轮= r ( 图2 1 ( c ) ) 。 瓣 ( a ) 擦片式限滑差速器( b ) 锥盘式限滑差速器 ( c ) 涡轮式限滑差速器 图2 1 常见的转矩敏感式限滑差速器 2 、转速差感心式限滑筹速器 限滑扭矩1 j 转速差成正相灭火系的差速器称为转速感应式限滑差速器。被广泛j 妙用的 是带粘性装置的限滑筹速器( v l s d ) 【2 5 】。当有转速差产生时，川依靠硅油的粘度、填充率、 片的直径、件数等多种设计参数的不刚而产生不同的限滑作用0 2 5 】【2 6 1 。粘性限滑差速器一i 于 通过硅油传递扭矩，所以一i ：作、f t 滑，能 艮好的协调驱动、转弯、制动等各性能，l 】丁在后轮 或前轮驱动车辆r f l 应用，冈此f 在迅速得到普及【2 4 】【2 5 】【26 1 。图2 2 a 和2 2 b 分别为粘性联轴器 浙江理i ：人学硕f ：学位论文 式限滑筹速器和g e r o d i c 式限滑差速器。 ( a ) 粘性联轴器式限滑差速器 ( b ) g e r o d i c 式限滑筹速器 图2 2 转速敏感式限滑荠速器 一 2 3 工程机械差速器的缺点 1 前，应， ； j 在轮j 工程机械r 1 的差速器卜要有强制锁1 卜式筹速器，高摩擦白锁式差速 器以及牙嵌= 【差速器等。普通， ：式齿轮差速器只能平均分配扭矩，当个驱动轮问的附着力 1 ：油j 。k 并通过油道作用j ：摩擦副上，这种方式占用空 m 最小，易于安装，但转子泵的特性决定了其在车辆低速行驶时稳定性较差，对低速行驶 的工程车辆的控制效果欠佳。作者在摩擦片工限滑筹速器的幕础l ，对其结构进j j ：了改进， 通过使用外置的液压系统实现从力叮调一阽，改善了其低速时的j i ：作稳定性。 1234 卜摩擦副：2 一油道：3 一进汕u ：4 输油环；5 一筹速器轴承；6 一厶壳体；7 环形活塞； 8 一f i 、i i 轴齿轮：9 中问壳体；1 0 l 字轴：1 1 行早齿轮：1 2 左半轴齿轮：13 一左壳体 图2 4电控液压限滑差速器的结构图 电控液压限滑差速器