（机械设计及理论专业论文）四轮液压驱动车辆模型与控制策略研究.pdf

摘要 工程车辆牵引动力学步入了液压牵引动力学研究的崭新阶段，研究目的是改 善提高机器在动态条件下工作的适应能力，从而实现车辆性能指标的最优化，操 纵的全面自动化和智能化。单泵四马达液压独立驱动系统，作为一种真正意义上 的液压驱动系统，其核心内容为发动机变转速下，单变量泵多变量马达系统的 结构特性以及控制策略的研究。 文章分析表明，车辆单泵双马达液压驱动时变非线性系统是一个多输入，多 输出系统，经典的控制理论不能实旃。针对随之出现的复杂多变量液压驱动控制 问题，本文从理论研究的角度出发，简化系统，将系统变为单输入双输出系统， 结合功率控制和工程实用的理想传动控制结构，提出了车辆单泵双马达液压驱动 系统的现代综合控制策略。 文中对牵引车辆进行直线行驶和转向行驶的运动学和动力学分析，并在已有 的变量泵一变量马达系统的基础上建立车辆单泵双马达液压流量耦合系统的非 线性数学模型。从理论研究出发，将系统简化为单马达排量阶跃输入，泵输入流 量恒定，另一侧马达排量固定的模型。对这一多参数、时变强干扰系统进行分析， 提出了单泵双马达流量耦合系统的综合控制结构。在m a t l a b s i m u l i n k 软件下建 立简化后的单泵双马达流量耦合系统模糊自适应p i d 控制计算机仿真模型，并以 某液压底盘试验台驱动系统为算例，对该控制方法进行仿真，获得较佳的动、静 态性能，表明了该法的工程实用性。最后分析了控制方法中的各参数对系统性能 的影响，在已有的公式基础上给出了选择控制参数的一般性原则。文中的研究方 法对其它适用于车辆液压驱动系统的自适应控制方案及其它现代控制方法同样 有着借鉴意义。 关键词：静液传动；流量耦合；单泵双马达系统；模糊p i d 控制；算法；动态 仿真 a b s t r a c t c o n s t r u c t i o nv e h i c l ed r i v i n gd y n a m i c ss t e pi n t oan e ws t a g e - - h y d r a u l i cd r i v i n g d y n a m i c s t h er e s e a r c hi sg o i n gt oi m p r o v ev e h i c l e s a d a p t a b i l i t yu n d e rd y n a m i c c o n d i t i o n ，o p t i m i z ev e h i c l e sp e r f o r m a n c ea n da c h i e v eg o o dm a n e u v e r a b i l i t y o n e p u m p - f o u rm o t o r si n d e p e n d e n td r i v i n gs y s t e mi st h eh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e mi n d e e d t h ek e yc o n t e n ta r e 衄ev a r i a b l ep u m p - s e v e r a lv a r m b l em o t o r ss y s t e m ss t r u c t u r ea n d c o n t r o lt h e o r yu n d e rt h ev a r i a b l ee n g i n er e v t h ep a p e rs h o w st h a to n ep u m p t w om o t o r sh y d r a u l i c d r i v i n gs y s t e mo f c o n s t r u c t i o nv e h i c l ei sam u l t i i n p u l m u l t i o u t p u ts y s t e m a n dn o n l i n e a ra n d t i m e v a r y m gp l a n t s t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r yc a l ln o tw o r k a i m i n ga tc o m p l e x n o n l i n e a ra n dv a r i a b l es t r u c t u r ef a c t o r s ，s t a r t i n gf r o mt h et h e o r ys t l l d 孔t h ep a p e r s i m p l i f i e s t h e s y s t e m t oa s i n o e i n p u t ，d o u b l e - o u t p u ts y s t e m ，c o m b i n e s c o n s t a n t p o w e rc o n t r o lm e t h o da n di d e a lh y d r a u l i cd r i v i n gc o n t r o ls t r u c t u r e ，p r e s e n t s am o d e m i n t e g r a t ec o n t r o ls t r a t e g yu s i n gi nt h ev e h i c l ed r i v i n gs y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e st h er u n n i n gs t r a i g h t l ya n d s w e n r i n gc o n d i t i o n so ft h et o w i n g v e h i c l e a c c o r d i n gt ot h ev a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p - v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o r s y s t e m ，t h en o n l i n e a rm o d e lo fo n ep u m p - t w om o t o r sf l o wc o u p l i n gs y s t e mh a sb e e n g i v e n s t a r t i n gf r o mt h et h e o r ys t u d y , t h es y s t e mh a sb e e ns i m p l i f i e d ，w h i c hh a st h e o n em o t o rd i s p l a c e m e n ts t e p s ，t h ec o n s t a n tp u m pf l o w i n g ，a n o t h e rc o n s t a n tm o t o r d i s p l a c e m e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h es y s t e ma n db r i n g sf o r w a r da ni n t e g r a t ec o n t r o l s t r u c t u r ei n c l u d e ss e v e r a lp a r a m e t e r sa n ds t r o n gt i m ev a r i a b l e s t h ep a p e ri n t r o d u c e s f u z z y p i dt h e o r yt os y s t e m ，a n dp r e s e n t san e wc o n t r o ls t r u c t u r ew h i c hu s e s f u z z y - p i da sc o n t r o lm e t h o d as i m u l i n km o d e lw a sb u i l ti nt h ep a p e ra n dw a s r u n n i n gt op r o v et h es y s t e m sw e l lp e r f o r m a n c e a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h e c o u p l i n gp a r a m e t e r si ns y s t e m ，a n d 舀嘴t h er u l e so fs e l e c t i n gp a r a m e t e r s t h e r e s e a r c hm e t h o da p p l y i n gi nt h ep a p e ri ss u i tf o ro t h e rv e h i c l ed r i v i n ga c s y s t e m so r m o d e mc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ；f l o wc o u p l i n g ；o n ep u m p - t w om o t o r ss y s t e m ； f u z z y - p i dc o n t r o l ；a r i t h m e t i c ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 一 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： af 可志 知午争月江日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 曼砥灰胁名年午月心日 叩刎年缈日 第一章绪论 1 1 工程车辆液压动力学概述 1 1 1 液压牵引动力学研究内容和目的田1 工程车辆牵引动力学的研究分为两个阶段，即静态研究阶段和动态研究阶 段。静态研究阶段主要集中在上世纪七十年代以前。其工况是静态，方法是点工 况参数匹配，不涉及到参数变化的过程问题。自七十年代以后，牵引动力学研究 进入动态阶段，工况由常值变为动态变化过程，数学关系由确定关系变为随机统 计关系，研究由与时间无关的点工况变为随时间变化的线工况以及考虑到随机离 散的面工况。 牵引动力学的研究表明；车辆系统的四个组成部分一发动机、传动系、行走 机构、工作装置之间互相联系和影响，工作装置的最佳控制是极限负荷控制，行 走机构最好的方式是采用动态参数匹配方法，发动机最好的状态是静态工况下工 作，因此，对动态负荷进行最有效调控的环节只能是传动系统。经过数十年的发 展，液压传动以机械传动所不具有的高效、可控性强、线性、成本及可靠性适宜 等特性成为一种有效的工程车辆传动方式。特别是液压元件已经形成产品标准系 列和规格，控制手段和产品均已成熟。通过这些成熟产品的不同组合及引入新的 算法则可满足车辆需要的各种性能，并不需要进行专门的元件研究和产品开发， 在技术和成本方面与其它方法相比均有着无与伦比的优势。因而工程车辆牵引动 力学进入了液压动力学研究阶段，是牵引动力学在传动领域的深入，目的在于进 一步改善提高机器在动态条件下工作的适应能力“3 。 车辆液压动力学研究对象为工程车辆液压驱动系统与整机性能，通过对不同 结构不同控制方式的系统在不同负荷模式作用下性能的研究，寻求车辆最优设计 与控制方法，使车辆牵引性能、作业性能与自动化程度得到提高，同时具有合理 成本、寿命与舒适性，满足日益提高的环保要求等。其重点在于对发动机液压 传动与控制系统进行研究，希望通过对液压传动系统的结构和控制策略进行研 究，达到提高机器在动态工况下作业性能的目的。 液压牵引动力学的研究内容可归纳如下： 1 理论研究 ( 1 ) 动态性能指标体系与计算方法研究； ( 2 ) 动态测试数据的模型和处理方法研究。 2 动态性能试验方法与设备研究 ( 1 ) 现场试验方法与设备； ( 2 治架模拟试验方法与设备； ( 3 ) 负荷车模拟试验方法与设备。 3 现场试验与台架模拟试验研究 ( 1 ) 工作装置与工作介质相互作用的动态特性( 现场试验或土槽模拟) ； 行走机构与地面相互作用的动态特性及其影响因素研究( 现场试验或土槽 模拟) ； ( 3 ) 发动机和传动系在变负荷工况下的动态性能研究( 现场试验或台架模拟) 。 4 使用优化研究 使用条件对机器动态性能的影响和使用参数优化的研究。 5 综合应用研究 一 ( 1 ) 机器动态过程的数学模型和动态性能预测方法研究； ( 2 ) 牵引参数合理匹配和优化研究； 动态牵引参数合理匹配和优化，是对动态工况下各参数的特征值进行优化， 尽管这是一种以点工况考虑问题的静态意义上的思想，但对牵引动力学从参数的 交化过程进行讨论的动态研究来说仍是必要的。因为从过程控制角度来看，只有 将参数的特征点匹配合理，才有可能采用简洁的控制方法。 ( 3 ) 机器动态过程的计算机模拟与牵引参数设计的c a d 系统研究； ( 4 ) 机器机械化施工的优化系统c a d ； 机器动态过程最优控制方法和设备研究： 这一研究将要结合机器的结构参数、工作环境参数、使用参数( 动力学参数) 来进行机器整体参数的过程优化控制，使机器在自动化或半自动化状态下实现最 优的综合性能。 ( 6 ) 机器动态性能试验标准的研究。 2 1 1 2 研究现状“埘“邶” 在工程车辆的静态研究阶段，由于负荷的固定，发动机、传动系、行走机构 均在各自静态特性的某一固定点工作，因而不需要对各部件和机器系统的变参数 工作过程进行讨论和描述，关注的只是所谓的额定参数工作点描述和参数匹配问 题。额定工作点的参数匹配合理，则在这一点上稳定工作的机器就能获得最好的 性能指标。 不讨论机器变参数的最优过程控制问题，只讨论特征点的参数匹配问题，这 是静态研究和动态研究的根本差别。 7 0 年代步入动态研究阶段，由英国农业工程研究所d w y e rm j 提出了系统 描述车辆( 拖拉机耕地作业) 牵引动力学的微分方程。基本上属于用静态特性描 述动力学问题的方程，研究的对象是机械传动车辆。之后，该研究所c r a l l ad a 研究了车辆在波动负荷工况下的性能，改进了上述动力学方程，主要增加了柴油 机调速系统的动态方程。 1 9 7 0 年代中期，前苏联国立拖拉机研究所( m t u ) 开展的农业拖拉机动态 牵引性能的研究主要集中在发动机动态特性及整机动力学等方面。 由以上研究来看，7 0 年代牵引动力学的研究主要集中在发动机动态性能和 工作阻力的动态特性方面，而对传动系统的动态特性和行走机构的动态特性则关 注不多。 1 9 年代以后，日本小松公司发表的描述工业推土机动力学的微分方程， 方程未考虑发动机、行走机构动态特性，且工作阻力仍按静态处理8 “。 8 0 - 9 0 年代，工程车辆牵引动力学的研究从多方面兴起热潮，其中原西安公 路学院等国内院校发表了一系列的研究成果，达到国际同期的先进或领先水平 t 2 l 】 嘲【嚣】嘲】 a 9 0 年代以后，牵引动力学的总体研究发展缓慢，特别是行走机构的动态特 性研究如同与其相关的车辆地面力学系统研究一样，基本处于停滞状态。其主要 原因除了该领域研究的应用效果不十分显著外，与提高机器行走机构动态性能的 过程控制手段贫乏有着极大关系，至今还找不到提高机器动态滑转性能的有效控 制方法。相反，那些易于找到有效控制方法的环节，特别如传动系统的研究一如 既往地快速发展着，通过其结构变革到机电液一体化控制方式的引入，使车辆的 动态性能得到极大提高，同时其自动化程度也显著改善。 发展到今天，工程车辆牵引动力学正步入一个崭新的阶段车辆液压牵引 动力学。工程车辆液压动力学研究目的在于改善提高机器在动态条件下工作的适 应能力。如同经典车辆底盘动力学的发展，工程车辆液压牵引动力学也由静态匹 配研究阶段发展至系统动态性能研究的新阶段。该阶段研究车辆实际动态变负荷 工况下的真实性能及其为达到最佳性能而应该采取的相关措施。工况由常值成为 动态变化过程，数学关系由确定关系变为随机统计关系，研究由与时间无关的点 工况变为随时间变化的线工况以及考虑到随机离散的面工况。在近代动态研究 中，主要涉及的仍然是机械传动和液力机械传动的车辆性能，这两种传动方式所 决定的系统在采用线性控制方法方面存在着较大的困难，因而还无法利用简易可 行的过程控制方法来提高机器的动态性能。 随着液压牵引动力学的发展，研究将深入到机器系统各部件的动态工作过程 中去，探讨各主要影响因素对液压驱动车辆性能的影响规律，通过静态参数匹配 方法并结合现代工程控制的动态思想，实现液压传动在牵引车辆上应用的参数合 理匹配与过程优化控制。希望能通过液压传动与控制的引入很好地解决工程车辆 在变负荷工况下的适应问题。 因此，液压牵引动力学中的重要内容为：采用通用液压传动与控制元件组成 传动系统，必要时辅之以自控式机械变速装置，通过液压传动元件参数的过程控 制与调节，对工程车辆剧烈波动的负荷非平稳随机过程的趋势项进行调节， 使发动机始终在准静态工况下工作。经典的车辆底盘理论和牵引动力学很少涉及 到机器的可靠性与成本价格指标，为使研究更具有实用性，应将可靠性、成本价 格的指标理念引入到液压牵引动力学的研究中，即牵引车辆液压传动系统的综合 性能指标为：动力性，燃料经济性，可靠性寿命及成本。 近十年来，工程车辆的研究如同其它领域一样，正进入全面的自动化、智能 化阶段，而智能化的核心是运用过程控制的思想和方法通过对工作过程的参数控 制调节使整机获得动态条件下的最好性能，最终实现工程车辆综合性能最优化、 环保化及智能化。 4 1 2 本课题的背景和意义n 妇 车辆发动机、液压驱动系统静态控制特性给出了系统的宏观控制目标与原 则，其基础建立在对车辆即驱动系统的动力性、经济性、作业生产率以及可靠性 寿命、成本、对变工况的适应性等综合要求的基础上。循环式工作车辆的牵引负 荷是一个变化剧烈的非平稳随机过程，在对负荷进行适应调节的过程中，驱动系 统是一个具有剧烈波动负荷干扰的恒功率与交功率结合的速度自适应调节系统， 对动态调节过程的稳定性、快速性等要求，决定了必要建立该系统的动态数学模 型，从微观变化角度分析其动态性能，并由此进行系统的控制策略与校正方法设 计。 一个实际的轮式车辆，通常有四个车轮。因此液压牵引动力学引入车辆以后， 对四轮液压驱动车辆模型与控制策略的研究对实际车辆的设计等具有重要的意 义。 四轮液压驱动车辆，其底盘液压驱动方式通常分为：中央驱动方式、车轮独 立驱动方式。而后者是一种真正意义上的液压车辆，其主要特点有： ( 1 ) 结构布置灵活，可形成多种新结构机器； ( 2 ) 马达驱动装置为批量供应的多品种元件，配套方便； ( 3 ) 两侧马达并联组成油路时具有差速器功能，可实现偏转车轮或车架转 向： ( 4 ) 两侧马达独立供油时，则形成差速锁功能，可以强制直线行驶并实现 两侧速差转向； ( 5 ) 通过减速器上的停车制动器或行车制动器有效制动； ( 6 ) 无需驱动桥装置，车辆结构简洁，便于维修和更换元件。 而对四轮独立驱动的轮式车辆经常采用单泵供油或者用双泵对前、后轮马达 分别供油的方式，这两种供油方式有各自的使用范围。 单泵供油四马达并联系统中可以通过选用高压自动变量( i a 控制) 马达来 解决四轮的牵引平衡问题，利用马达排量的增减来补偿由于驱动力增、减引起的 压力增、减( 驱动力变化因附着重量或地面条件差异引起) ，控制四马达压力处 于平衡状态，各轮牵引力得到充分发挥，并且不论前后车轮动力半径是否相同， 5 均可以获得压力平衡。但这种高压自动变量方式使马达排量经常处于变化状态， 因而车辆的行驶速度无法确定。因此，这种单泵供油四马达并联，采用高压自动 变量的驱动方式主要用于对行走速度稳定性无要求，但要求充分发挥牵引力的牵 引型车辆。 前、后轮马达分别采用液压泵独立供油的双泵系统可以有效解决前、后轮不 同附着重量的有效牵引问题。这种双泵系统尽管同样可以采用h a 高压自动变量 的高速变量马达，但一般不做这种配置，而是充分发挥双泵供油系统的特点，选 用定量马达或其它变量控制方式，使车辆保持稳定的工作速度以满足对作业质量 要求的机械的需要。这种双泵系统更多地使用于一些作业时为加大牵引力而采用 四轮驱动，行驶时只用主驱动轮( 一般为后轮，后轮附着重量大，前轮附着重量 小称为辅助驱动轮) 驱动的作业机械，如轮式沥青摊铺机、稳定土拌和机等。当 行驶时将辅助驱动液压泵与主驱动液压泵合流，还可以进一步增加车辆的最高行 驶速度。 本文仅讨论采用单泵供油四马达并联系统的牵引型车辆，而对非牵引车辆， 认为其转速恒定是牵引车辆转速变化的一种特殊情况，对此本文不做研究。 牵引车辆单泵供油四马达并联系统的模型结构与控制理论研究，其方法为流 量耦合。单变量泵一多变量马达闭式系统的模型将为液压传动控制理论提供一种 新的系统与方法。对上述控制系统进行理论研究的内容分为三个方面：其一为特 征参数合理匹配。参数匹配是一种静态观点，而特征参数的合理匹配是系统保证 综合指标与动态性能的必要条件。其二为系统的过程控制。在过程控制中参与检 测、控制、计算的各参数反映了工作负荷的准静态趋势项特性，各种控制目标都 是针对这一趋势项进行的。其三为系统中高频随机动载的预防。 与以往车辆用液压驱动系统相比，上述系统分析中考虑工程车辆作业工况下 发动机变转速，以及变量马达的引入，系统变量增加，需要对泵参数和马达参数 两者共同进行调节才能实现闭环，使控制问题变得复杂。分析表明，车辆驱动系 统属于模型结构已知，参数变化且干扰剧烈的系统，对这种参数变化、模型结构 确定的系统需要一种随被控对象模型改变而自动变化的控制方法。 在上述车辆液压牵引动力学发展状况的背景条件下，针对出现的液压传动控 制问题提出了本课题。对车辆的非线性动态系统而言，自适应控制、变结构控制 及智能控制等现代控制方法均是崭新的提法，至今这方面的研究仍是空白。本文 一 正是对提出的新颖现代控制策略进行初步的技术细节方面的讨论及仿真研究。 1 3 论文主要研究内容 本文主要对以下几个方面展开针对性的讨论研究： 1 对牵引车辆进行直线行驶和转向行驶的运动学和动力学分析，并在已有的变量 泵一变量马达系统的基础上建立车辆单泵双马达液压流量耦合系统的非线性数 学模型。 2 在尽量多地吸取传统的经典控制理论强大的分析能力基础上，结合模糊控制的 独特的特点，将模糊控制与传统p i d 控制相结合，详细论述建立模糊自适应p i d 控制的系统方法。 3 将模糊自适应p i d 控制方法应用于车辆单泵双马达液压流量耦合系统上，构成 一种新颖的车辆液压驱动系统自适应控制策略。 4 对耦合变量非线性方程，采用泰勒级数展开法对系统进行简化，在 m a t l a b s i m u l i n k 软件下建立车辆单泵双马达流量耦合系统的模糊自适应p i d 控 制及恒功率控制的计算机仿真模型，并对此进行仿真研究。 5 分析仿真结果，并在已有计算公式的条件下给出较佳的参数值，尝试给出较佳 控制参数的选取方法和参考原则。 7 第二章系统运动学与动力学分析、功率控制分析 及数学模型 前述已经提及，本文主要讨论牵引车辆单泵四马达并联系统的模型与控制策 略研究。作为一种车辆系统，有必要对其进行系统运动学与动力学分析及功率控 制分析，以了解车辆各种状态的实际情况，从而为下述的模型建立和控制研究提 供保障，最终保证系统实现车辆的要求。 对单泵四马达并联系统，可分为自然分流、强制分流、电比例分流三种。如 下图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 所示。牵引型车辆主要是铲土运输机械，如推土机、装载机 等，这类机械的工作装置( 即铲斗) 主要靠牵引系统推动进行集土、运土等工作。 通常对这类机械的性能指标要求有：生产力、作业效率、经济性、可靠性等。而 对速度稳定性要求不高，因此，采用液压驱动，主要目的是节能、提高功率利用 率、增强作业效率。采用强制分流和电比例分流这两种分流方式，可以保证各个 马达所分流量相同，但比较适合于有作业质量要求，既而要求速度稳定性的非牵 引车辆，如摊铺机、铣刨机等，且这两种分流方式在保证速度稳定的同时带来了 相当的流量损失。而自然分流方式，将泵提供的流量几乎全部用于系统，各个马 达根据所需分得一定的流量，尽管速度稳定性得不到保证，但是对牵引车辆来说， 由于速度稳定性要求不高，因此，本文仅讨论单泵四马达自然分流并联系统的模 型与控制策略问题。 p p 搿t = 1 ：= 州，f 拶嘲剐汐 图2 - 1 单泵四马达( 自然分流) a l i 一一帝一 缪 p 阵喝莽牛 _ i 啊瓯 i 哥 q p 谚 窖箭硒_ l 0 图2 - 2 单泵四马达( 强制分流)图2 - 3 单泵四马达方案( 电比例分流) 作为一个实际的车辆，它存在基本的两种行驶状况，直线行驶和转向行驶。 下述将按直线行驶和转向行驶两种情况分别对车辆的运动学和动力学进行分析。 2 1 车辆直线行驶状况分析”1 2 1 1 直线行驶的运动学分析 作为一种四轮液压独立驱动车辆，车辆四个车轮的运动均是在马达的驱动力 矩作用下发生的，均为驱动轮( 见图2 4 ) 。 当车辆纯滚动时，此时有效半径为滚动半径， 以r g 表示( 有效滚动半径通常可用试验方法确 定) 。此时几何中心的速度称为理论速度，用表 示。即： _ 一d d l 一k ( 2 - 1 ) 当驱动轮无滑移( 或滑移) 地滚动时，其理 论速度h 可用下式表示： ”r 。，l 丘一k ( 2 2 ) 图2 4 驱动轮的运动简图 式中：r k 为驱动轮的动力半径； 也k 为驱动轮的角速度。 驱动轮的动力半径，等于驱动轮几何中心的驱动力作用线的距离。由于驱动 力的作用线位置通常很难确定，因此通常用轮胎的静力半径r j ( 指车轮在静止状 9 态下受法向载荷、轮胎有径向变形时，车轮几何中心到路面的距离) 来代替动力 半径。 车轮在运动中可处于三种状态：纯滚动、滑转、滑移。 可用滑转率6 来描述轮式车辆的实际速度与理论速度之间的关系。 6 ：型1 一旦 ( 2 3 ) 7 r嵋 实际速度与理论速度的关系可表示为： v一(16)vr(2-4) 牵引型车辆工作环境恶劣，工作对象变化不定，因此载荷波动剧烈，常常要 求牵引系统具有强的适应能力。实际车辆行驶时，一般情况下四个轮子所受的外 扭矩并不相同，但是，直线行驶要求四个轮子实际转速相同。因此如何保证直线 行驶时四个轮子速度相同便是主要的问题，这些会在后述章节讨论。 2 1 2 直线行驶的动力学分析 车轮在驱动力矩作用下直线行驶的情 形。如图2 - 5 所示。 驱动轮力矩平衡方程式 m x 一f 寸k r a 一0 ( 2 - 5 ) 式中：r a 为滚动阻力矩； r 为地面垂直反力，r = q 。 将上式除以车轮动力半径r k 得： 丝f r a o kk 巧丁 图2 - 5 轮胎滚动受力情况 生是驱动轮转矩所产生的圆周力，它在数值上等于切线牵引力f k ， k 驱动轮滚动阻力系数，用f k 表示。 1 0 f x f f a 一0 r 旦是滚动阻力，用h 表示，所以有： r 七 ( 2 - 6 ) 旦是 r r ( 2 7 ) 上式说明，驱动轮的牵引力f 是切线牵引力f x 与滚动阻力f k 之差。 如果滚动阻力矩r a 用m 盘表示，显然有 m 斥一r a 一，k k ( 2 - 8 ) 假设右前轮、左前轮、右后轮、左后轮分别用1 、2 、3 、4 表示，左侧、右 侧分别用l 、r 表示，在本文的后述章节中沿用。 直线行驶的基本要求：四个轮子必须有相同的速度，即： 屿一v 2 - v 3 ；”4 ( 2 9 ) 实际情况中各轮所受外扭矩并不相同，滑转率也不相同，为讨论问题的方便， 在下述的讨论中，不考虑滑转率的问题。因此，各轮马达所要求提供的扭矩并不 相同。在单泵四马达自然分流并联系统中，系统压力相等，各轮马达要求提供不 同的切线牵引力，所以，只有在实际中时刻对四个马达排量进行调节，才能最终 保证四个车轮有相同的速度。问题的核心转变为各马达排量的调节问题。 2 1 3 直线行驶时马达排量调节分析 为简化研究，对四个马达分成左右两侧进行讨论，原则上认为一侧前后两个 马达按其排量大小比例进行流量分配。 假设前一时刻四个轮子速度相同，若此时某侧外阻力矩增大，若对该侧马达 排量不变化，则该侧马达所提供的牵引力不够，该侧速度降低，两侧速度不相等， 车辆不能保证直线行驶。因此要保证直线行驶，此时必须对该侧马达排量进行调 整，通过提高该侧马达排量，使它所提供的牵引力增大，最终保证速度和另一侧 速度相同。同理，如果一侧外阻力矩减小了，则相应的降低该侧马达排量，最终 符合车辆要求的直线行驶的要求。由于牵引型车辆对行走速度稳定性无要求，液 压系统自动和发动机匹配，以充分发挥车辆的牵引性能，所以对于总排量变化引 起的车辆速度变化不进行讨论，只考虑实现四马达同速的要求。 假定前一时刻车辆直线行驶，若某一时刻突然车辆左侧马达所受外阻力矩增 大，对左右侧马达排量调节如下： a 仅调节左侧马达排量。如前所述，左侧马达速度慢，则应该增大其排量， 直至左侧马达速度与右侧马达速度相同。( 四马达排量之和较前增大，系统压力 未变化) 调节前：p v l = m ，p v rt m 。 ( v l + v r ) n = o ， 调节后：p v ：一m ：，p v r = m ( 吃+ ) n - 0 式中：p 为系统压力； m 。、m 。为左右侧的外阻力矩； v l 、v 矗为左右侧马达排量； n 、开7 为调节前后马达转速； q 为系统流量( 不考虑流量的变化) ； m ：为变化后的左侧的外阻力矩； 砭为变化后的左侧马达排量。 b 仅调节右侧马达排量。同上，右侧马达速度相对左侧速度快，则应该减 小右侧马达排量，直至右侧马达速度与左侧马达速度相同。( 四马达排量之和较 前减小，系统压力升高) 调节前：p v li m z ，p v r m ( v l + v r ) n = o ， 调节后：p ，、，l m ：，p - m ( 吒+ 咏) 雄t q 式中：p ，为调节后的系统压力； 略为变化后的右侧马达排量。 c 对左、右侧马达排量均进行调节。同样的，左侧马达排量增大，同时， 右侧马达排量减小，这样在某一时刻，此时左右侧马达速度将达到一致( 左右侧 马达排量之和变化情况多样，由于整体车辆外阻力矩增大，则系统压力升高) 。 调节前：p v li m t ，p v r - m r ( v l + v s ) n = o ， 调节后： p 气t m ：，p v it m 。 1 2 ( 圪+ 咯) n - q 从上述分析可知，只调左侧或者只调右侧，显然，马达排量要有一个较大的 变化范围，而左右同时调节的方法，马达排量有较小的变化就可以达到相同，所 以只调左侧或者只调右侧相对于左右均调所用时间较长。 在未调整马达排量之前，左侧马达所受外阻力矩减小，右侧马达所受外阻力 矩减小或右侧马达所受外阻力矩增大的情况与上类似，本文不再赘述。 2 2 车辆转向行驶状况分析n 1 3 为了使车辆实现转向行驶，必须在车辆上产生一个与转向方向一致的转向力 矩，用来克服车辆的转向阻力矩。根据工程车辆获得转向力矩方式的不同，工程 车辆的转向又可分为：偏转车轮转向，铰接车架转向和差速( 滑移) 转向。在本 文的研究中，对单泵四马达并联液压独立驱动的四轮车辆，我们仅针对差速转向 方式进行讨论。 差速转向方式的车架是整体的( 没有相对偏转的车架) ，其车轮轴线与机架 是固定的，它依靠改变左右两侧车轮的转速进行转向来操纵行驶方向。 差速转向其基本原理都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同速 度来实现转向的。对于四轮液压独立驱动车辆来讲，转向时，左右两边速度不同， 但左右各边前后轮速度相同，即左右各是一个整体。 2 2 1 车辆转向行驶的运动学分析 车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴 线0 作稳定转向的简图，如图2 - 6 所示。从 转向轴线o 到车辆纵向对称平面的距离r ， 称为车辆的转向半径。 以o r 代表轴线0 在车辆纵向对称平面 上的投影，0 的运动速度v 代表车辆转向 时的平均速度。则车辆的转向角速度，为： ， ( - 0 z 。云 心- 1 0 ) 图2 - 6 车辆转向运动简图 转向时，机体上任一点都绕转向轴线o 作回转，其速度为该点到轴线o 的 距离和角速度吃的乘积。所以慢、快速侧轮子的速度q 和v ：分别为： 式中：b - 车辆的轨距。 根据相对运动的原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成： ( 1 ) 牵连运动，即该点以口的速度v 所作的直线运动；( 2 ) 相对运动，即该点 以角速度屹绕q 的转动。所以，慢、快速侧中点0 1 、0 2 的速度v i 、v ；就是牵 连速度，7 和相对运动速度0 5 b a ，z 的向量和。 由上两式可以得到以下关系式： v ：r 一0 5 b v r 堕r + 0 5 b ( 2 - 1 2 ) v r v ：r o 钮 v ： r 4 - 0 5 b 2 2 2 车辆转向行驶的动力学分析 图2 7 给出了带有牵引负荷的四轮液压独立驱动车辆，在水平地段上以转向 半径r 作低速稳定转向时的受力情况( 离心力可略去不计) 。同样，把车辆分为 左右侧进行分析。 转向行驶时的牵引平衡可作如下假设： ( 1 ) 在相同的地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻力，左右侧分别 为： 聪一，警( 2 - 1 3 ) 式中：z k ，z k 分别表示左右侧的直线行驶阻力矩： ，分别表示左右侧的转向行驶阻力。 1 4 麓 ，p矿篇 氓僻吐，h， ( 2 ) 车辆所提供的有效牵引力为0 ，或者认为有效牵引力已经加在左右侧 转向行驶阻力中了。 所以回转行驶的牵引平衡关系为： 砭+ 砝一+ 一最 ( 2 1 4 ) 式中： ，砭分别表示转向行驶时 左右侧的驱动力。 设车辆回转时，地面对车辆作用的阻力 矩为m 。，并且认为这个阻力矩就是总的转向 阻力矩： 0 m z - m 。 ( 2 - 1 5 )图2 - 7 转向时作用在车辆上的外力 如前所述单泵四马达自然分流并联系统差速转向是靠内、外侧轮子产生的驱 动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为： m z - o 5 b 一砝) ( 2 1 6 ) 稳定转向时的力矩平衡关系为： 竺：曼，l(2-17) 或o 钮( 砭一) - m ：f 牵引力矩平衡关系已经表示出内、外侧驱动力、转向阻力矩和机构参数b 之间的关系。为了进一步研究回转行驶特性，有必要对内、外侧驱动力分别加以 讨论。为此，通过式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 - 1 7 ) 可解得： i o s & + 争 砝t 0 巩等 ( 2 1 8 ) 式中：! 争为在m ：作用下，土壤对轮子行驶所增加的反力，亦即转向力， 作用方向与驱动力方向相同，以f z 表示。 式( 2 1 8 ) 还可表示为： 磬。0 + 孚l ( 2 - 1 9 ) 吆一0 5 f 。一疋i 2 2 3 车辆转向行驶时马达排量调节分析 为简化研究，作如下假设： ( 1 ) 假定车辆向右转向。 ( 2 ) 假定车辆转向半径为r 。 ( 3 ) 假定车辆四个轮子的轮径均为k 。 ( 4 ) 假定车辆转向时所受的转向阻力矩为m 。 ( 5 ) 假定原来车辆直线行驶，并且行驶速度为y 。 ( 6 ) 在相同的地面条件下，左右侧各自转向行驶阻力等于其直线行驶阻力。 转向前： 膨n 一无一矾 m n 一- ( 2 - 2 0 ) v 吼+ ) - q 刀r 式中： m 豇，肘髓分别表示转向前左右侧的驱动转矩。 转向时： 式中： m 乏，m 二分别表示转向行驶时左右侧的驱动转矩。 左侧速度v ：_ v + 。5 口云 ( 2 2 2 ) 右侧速度v ：- p o 5 b r v _ _ 眨老+ 茜。q ( 2 - z 3 由上可知，单泵四马达自然分流并联系统差速以半径r 右转向时，左右两 侧驱动轮提供的切线牵引力不完全相同，左侧轮子提供的切线牵引力为砭，右 侧轮子提供的切线牵引力为吆，而且左侧和右侧的轮子所受外界阻力矩也不相 mq 嘭 昧 p p i l k k 呓 砝 _ l 0 丝口丝口 + 一 k + + o o 暑 - k 争争 + 一 艮 乓 嚣 _ ，皿 ，腮 m m 同。当车辆以半径r 右转向时，左侧轮子走的路程长，速度快，右侧轮子走的 路程短，速度慢，而且满足上述的关系。所以要求车辆以一定条件转向时，必须 通过调整两侧马达排量来使车辆按要求转向。转向时排量的调节方法类似于直线 行驶，这里不再讨论。 2 3 系统分析和数学模型的建立 传统工程车辆驱动方面应用的液压系统主要为传统的流量耦合一次调节( 变 量泵一定量马达) 或一、二次联合调节( 变量泵一变量马达) 的闭式系统嘲。作 为一种真正意义上的液压车辆，单泵四马达自然分流并联系统，即是后者的情形。 液压驱动功率控制的主要目的是节能、提高功率利用率、增强作业效率。讨 论牵引车辆单泵四马达系统液压驱动功率控制目的就是从微观的角度以动态分 析方法来满足牵引车辆的动力性和经济性指标要求。功率控制包含着力和速度双 重控制，是一种复合控制，较之单一的速度( 或位移) 和力控制而言要复杂一些。 液压系统的功率控制分为省功率控制、过载保护和恒功率控制，其中基础的控制 为恒功率控制。下述讨论车辆单泵四马达液压传动流量耦合系统恒功率控制特 性。 单变量泵四变量马达自然分流并联系统，是单变量泵控多变量马达系统。但 是系统仍然满足流量连续性方程，仍为流量耦合系统。这种系统中，工作压力由 各自负载及其排量决定，由于为并联系统，所以对几个马达来说，系统中压力都 一致。而输出速度由液压泵排量所决定，泵排量变化，输入马达的流量变化，车 辆速度变化，而马达排量的变化以适应外载为主，调速为辅。一般情况下，任何 一个马达所受外负载变化，为了满足车辆的行驶要求，该马达排量都要变化，或 者多马达排量都要变化，所以，系统中的压力经常存在波动变化。 由于所研究的流量耦合单变量泵四变量马达自然分流并联系统是一个比较 复杂的系统，为了简化研究，将系统四个变量马达分为左右两侧，当成两个变量 马达讨论，因此将要讨论的是单变量泵一双变量马达的组合特性。先讨论系统的 恒功率控制特性，然后逐步建立单变量泵一双变量马达系统数学模型。 2 3 1 系统恒功率控制讨论 流量耦合液压系统的特点是通过动力源的控制实现负载功率匹配，流量耦合 系统恒功率主要由一次元件恒功率输入控制来实现，流量耦合实质上是功率耦 合，效率一定时，二次元件自然为恒功率输出。对二次元件而言，其压力排量控 制规律是根据需要任意设定的，只考虑与负载的力平衡，是否为恒功率输出，输 出转速与排量之间是什么关系等完全不必考虑，这就相当于减少了控制变量，带 来了控制的高度灵活性与方便性。 不计摩擦转矩和传动效率，单泵双马达液压传动车辆的系统功率平衡方程 为： 栉。m 。o 。) 一万6 k pl 雄艉【p + 择棘- 乞啸p _ 虹m 艋+ n k r m r ( 2 2 4 ) 式中：m 。，n 。一发动机扭矩，转速； k ，一泵排量，转速； p 幺，p k ，栉。， 。一左，右马达排量，左，右马达转速； m 。，m 。一左，右马达驱动转矩； 。 斗e ，万m 一左，右马达转速； p 一系统压力。 1 分析上式发动机一变量泵功率耦合方程：在恒功率速度自适应调节过程 中，当发动机转速苊。确定之后，其对应之目标值转矩m 。o 。) 确定，泵转速确 定( 为分析方便，假设弹。一苊。) 。泵排量k 将唯一由系统压力p 控制，以保持等 式k 。苎生成立。发动机转速一。发生改变，则重复以上步骤。因而泵排量应同时 p 受发动机转速和系统压力控制，即 一k o 。，p ) ( 2 - 2 5 ) 2 分析马达与负荷之间的功率平衡方程：有等( 为分崭方便，假设 万， ，左右情况类似，统一讨论) ，m 。o ) 为一随时间变化的波动值一非平稳 随机过程的静态趋势项。显然马达排量将同时受负荷m 。和压力p 控制，因此即 圪；圪( p ，m k ) ( 2 - 2 6 ) 由于系统压力由外负载决定，若设压力对马达排量的控制规律为压力升高， 排量增大，则在上述限定的控制模式下，马达的排量调节仅受压力控制，即 一吒( p ) ( 2 - 2 7 ) 由上分析，流量耦合速度自适应控制原理可以概括为：泵一次调节实行压力 与转速的双重排量自动控制，以与输入之转矩m 。( 惑。) 相吻合，即由泵排量调节 实现恒功率输入控制；马达二次调节实行高压排量自动控制，即马达根据负载转 矩变化调节排量，控制系统要求之压力；马达输出转速为一自由参量，它是泵输 入转速 。，泵排量吒，马达排量吒的函数，即- 魄，k ，圪) ，同时亦受系 统容积效率的影响；在输入功率确定情况下，以及系统效率一定情况下，马达输 出转速最终受负载转矩m 。和泵输入转速刀。的影响，即一( 膨。，一。) ，m 。的 大幅度变化终将引起车辆速度相应变化，其过程始终保持为恒功率控制，因而称 之为恒功率速度自适应控制。 2 3 2 单变量泵一双变量马达系统数学描述 流量耦合单变量泵一双变量马达系统是一个比较复杂的系统，为分析方便， 先由简单的单变量泵一单定量马达，和变量泵一单