（机械电子工程专业论文）流量放大全液压转向系统的仿真分析及试验.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着工程机械大型化的发展 转向阻力矩也随之提高 靠单级全液压转向器控制 的液压动力转向系统已不能满足转向要求 同轴流量放大全液压转向系统是集流量放 大和负载敏感于一体的大排量全液压转向系统 具有结构紧凑 体积小 重量轻 油 路连接少 操纵省力 转向灵敏 安装布置方便 工作可靠和系统效率高等优点 由 此在发展大吨位的工程机械过程中 同轴流量放大型全液压转向器的这些优点是一般 液压转向器所不能比拟的 所以 进行同轴流量放大型全液压转向系统的性能仿真分 析和试验研究 对提高其在工作中的可靠性和高效性有着非常重要的意义 本论文首先分析了同轴流量放大全液压转向系统的工作原理及系统中各部件组 成 运用流量连续性方程和力平衡方程建立系统的静态数学模型 在此基础上结合转 向系统原理 在a m e s i m 8 0 0 仿真软件中建立转向系统的动态仿真模型 研究不同 动态信号下同轴流量放大全液压转向器的工作特性 同时 本文对该转向系统进行了 试验研究 所测试验数据曲线和仿真结果曲线基本吻合 表明仿真模型是准确的 可 靠的 最后 分析同轴流量放大转向系统中的负载敏感特性 主要针对优先阀中弹簧 特性对转向系统性能的影响进行研究 本论文主要包括以下几部分内容 第1 章 简要论述了液压转向系统的研究现状和发展趋势 并对本同轴流量放大 全液压转向系统进行介绍 进而对课题的研究背景 意义与主要研究内容作了阐述 第2 章 介绍了该转向系统结构及工作原理 并建立系统的数学模型 第3 章 选用a m e s i m 8 0 0 仿真软件建立系统的动态仿真建模 并对不同输入条 件下的仿真模型进行计算 得出系统的仿真结果曲线 第4 章o 搭建全液压转向器试验台 对同轴流量放大全液压转向器进行角位移阶 跃 角速度阶跃 负载阶跃试验研究 并对试验测试数据与仿真结果进行分析 第5 章 对转向系统负载敏感特性进行研究 着重分析优先阀内弹簧刚度及初始 设定弹簧力对转向特性的影响 第6 章 总结本课题的研究工作 并对后续工作的主要研究方向进行展望 关键词 同轴流量放大器 液压转向系统 a m e s i m 仿真 试验研究 负载敏感 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g es c a l ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y t h es t e e r i n gr e s i s t a n c e m o m e n ti so nt h ei n c r e a s e i tc o u l dn o tm e e tt h er e q m r e m e n to fr o t a t i o nj u s td e p e n d i n go n t h eh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l l e db ys i n g l eh y d r a u l i cs t e e r i n gc o n t r o lu n i t f u l lh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e mo ft l fi s ak i n do fl a r g ed i s p l a c e m e n tw i t hf l o wa m p l i f i c a t i o na n d l o a d s e n s e i n g t h es y s t e mh a sl o t so fa d v a n t a g e s s u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r e s m a l lv o l u m e l i g h tw e i g h t f e w e ro i ll i n k s l a b o r s a v i n go p e r a t i o n s e n s i t i v es t e e r i n g c o n v e n i e n tf i x i n g r e l i a b l eo p e r a t i o na n dh i g he f f i c i e n c y e t c s od u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r y o t h e rh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m sc a n n o tc o m p a r eo fa l lt h es t r o n gp o i n t s p r o c e s s e db yt l fh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m t h u s i ti sv e r yi m p o r t a n tt od ot h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n to ft h i ss y s t e mi no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c ya t w o r k w o r k i n gp r i n c i p l ea n d a l lt h ec o m p o n e n t so ft h et l fh y d r a u l i cs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m a r ef i r s t l ya n a l y z e di nt h et h e s i s a n ds t a t i cm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nt h ee q u a t i o n so f m a s sc o n s e r v a t i o na n df o r c eb a l a n t ei se s t a b l i s h e d 1 1 1 e nb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l a n dt h es y s t e mp r i n c i p l e t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e db y u s i n gt h es p e c i a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i m 8 0 0 a n dw o r k i n gp e r f o r m a n c e so ft h e s y s t e mi ss t u d i e db yu s i n gs i m u l a t i o nm o d e l 丽md i f f e r e n ti n p u ts i g n a l s a f t e rt h a t e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h es t e e r i n gs y s t e mi s d o n ei nt h et h e s i s a n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t st u r no u tt oq u i t ec o i n c i d e 砸t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w i n gt h a tt h es i m u l a t i o n m o d e li sa c c u r a t ea n dc r e d i b l e a tl a s t l o a d s e n s e i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt l fh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e ma r es t u d i e di nt h et h e s i s w h i c he m p h a t i c a l l ya n a l y z e st h ei m p a c t so nt h e s t i f f n e s sa n dt h ef o r c ea tz e r od i s p l a c e m e n to ft h es p r i n gi np r i o r i t yv a l v e t h em a i n l yc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n g p a r t s i nc h a p t e r1 r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n th y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m a r ed i s s e r t a t e d t h e nt h es t r u c t u r eo ft l fh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mi si n t r o d u c e da n dt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h es u b j e c ta r ee x p a t i a t e d i i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t i nc h a p t e r2 t h es n l l c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es t e e r i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d i nc h a p t e r3 d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db ys e l e c t i n gt h es i m u l a t i o n s o t t w a r ea m e s i m 8 0 0 b yc a l c u l a t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l 埘t l ld i f f e r e n ti n p u ts i g n a l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea b t a i n e d i nc h a p t e r4 t h et e s ts t a n do ff u l lh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mi sb u i l t a n de x p e r i m e n t so f s t e pr e s p o n s eo nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n t v e l o c i t ya n dl o a da r ec a r r i e do n t h e nt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na r ea n a l y z e d i n c h a p t e r5 t h el o a d s e n s e i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm e e t i n gs y s t e ma r es t u d i e d e m p h a t i c a l l ya n a l y z e dt h ei m p a c t so i lt h es t i f f n e s sa n dt h ef o r c ea tz e r od i s p l a c e m e n to ft h e s p r i n gi np r i o r i t yv a l v e i nc h a p t e r6 t h e s t u d yw o r ko ft h es u b j e c ti ss u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c h o r i e n t a t i o n sa r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s t l f h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e l a m e s i m s i m u l a t e m o d e l l o a d s e n s e i n g i v i j j j i l 大学矽l 究生学位论文独创性声明 本人声叫所呈交的学位沦文足本入存导师辑导下进行的研究工作及取得的 研究成果 除了文r f j 特别加以标池和致跗的地方外 论文中不包含儿他人已经发 表或撰 过的 i 歹 成果 也 1 也禽为5 j 尺i 付7 i i 逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书所使川过的材科 孑找一同 作 门i 司 恕肘本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的睨l p 并袭示酣意 学位沦文作荫 签名 予五甫f 菇签字n 期 加f 年寻月码几 学位论文版权使j 日授权书 本学位沦文作者 完个了解逝姿盘生有权保留并向国家有关部门或机 构送交本沦文的复印件和磁微 允许沦文被查阅和借阅 本人授权逝姿盘堂 可以将学4 矿沦文的全部或嗣 分内容编入有关数据庠进行检索和传播 可以采用影 印 缩f i 或 j j 7 i i 并复制手段保存 扩编 学位沦文 t 朵密f l j 薯 文住斛脊坻通川本授权寸s 学位论文作肯签钇 m 蒲惰 导师签名 钝分串 签字日卿 弦 o 年专j j 声各f 1 签字日期 2 龟i 年1 月甚日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在导师魏建华教授悉心指引下完成的 两年多以来 魏老师对我的学习 生活和课题研究给予了细心的指导和关怀 值此论文完成之际 我首先要衷心感谢我 的导师魏建华教授 魏老师渊博的知识 丰富的科研经验 严谨的治学态度 为人处 事的乐观 使我在课题研究过程中受益匪浅 导师无微不至的关怀和事无巨细的指导 对论文的完成给予了极大的帮助 在此我向他表示由衷的感谢 从老师的身上 我学 到了很多做人和治学的方法和态度 受益匪浅 特别感谢同课题组的孔晓武副教授在课题研究中给予的细心指导和帮助 感谢浙 江大学流体传动及控制国家重点实验室中所有帮助过 教育过我的老师 感谢机械工 程学系的领导和老师们辛勤的工作 他们从各个方面关心和帮助我们 关注着我们的 学习 生活和工作 我还要感谢实验室的熊熙程 邵威 赖振宇 黄家海 朱旭 杜恒博士师兄们 他们在我硕士阶段的项目工作上给予我很大的指导和帮助 他们在实验室精心营造了 一个开放自由而又其乐融融的研究环境 在这里 大家相互交流 相互帮助 相互鼓 励 得到共同进步的机会 同时也要感谢实验室的方锦辉 奚楠钧 方向 熊义 郭 凡 冯瑞琳等同学 他们在项目研发过程中给予我很多支持和帮助 感谢机电0 7 硕同窗好友王晓娟 李妮妮 李帅 周博等同学 两年多生活和学 习中带给我无限的快乐和有益的帮助 感谢我的家人这么多年来对我的支持和栽培 他们给了我无限的关怀 支持与鼓 励 没有他们在背后默默的支持和奉献 我不可能取得现在的成绩 我一定不会辜负 大家的期望 成为一名对社会进步有利的人 最后 感谢评阅 评议论文和答辩委员会的各位专家学者在百忙的工作中能给予 指导 时光荏苒 两年的研究生生涯即将结束 感谢母校的培育之恩 求是学子将以行 动来接受母校和社会的检验 陆倩倩 2 0 1 0 年1 月1 5 于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 摘要 本章介绍了液压转向系统的研究现状及发展趋势 并阐述了本课题的研究背景 意义及 主要内容 关键词 液压转向系统 流量放大 负载敏感 1 1 课题的提出及意义 中国工程机械行业发展很快 在国内市场已占主体地位 从产量上看我国已是工 程机械大国 行业要壮大 必须进一步提高自主创新水平 提高核心竞争力 产品向 高水平 机电液一体化和智能化等方向发展 转向系统是确保工程车辆安全行驶 减 轻驾驶人员劳动强度和提高作业生产率的的关键部件 一旦转向系统出现故障 不仅 影响设备的作业效率 而且在行驶中安全也得不到保障n 1 行走机械一般使用摆线转 阀式全液压转向器构成的液压转向系统 但随着工程机械逐渐向大规模方向发展 增 加了对大排量 负载敏感型液压转向器的需求 目前 对于大型 重型行走机械 国 内外纷纷开发应用流量放大液压转向系统 由于这种转向系统具有操纵力小 压力损 失小 布置灵活 节能等优点 受到业界极为广泛的重视和好评 同轴流量放大器是大排量全液压转向器中的一支 集转向器与放大器于一体 具 有结构紧凑 体积小 重量轻 连接油路少 具有操纵省力 转向灵敏 安装布置方 便 工作可靠和系统效率高等优点 在发展大吨位的工程机械过程中 同轴流量放大 型全液压转向器所具备的这些优点是液压助力转向器和普通全液压转向器所不能比 拟的乜1 目前 该转向器已被广泛应用于各种大中型低速行走机械 船舶和其它需要 重力转向系统的场合 而且开始涉足一些中高速工程车辆中 并将不断发展 因此对 同轴流量放大型全液压转向系统的性能进行动态仿真研究和试验测试 对提高其在使 用中的安全性和高效性有着非常重要的意义 流量放大全液压转向器具有负载敏感转向的功能 该功能可以保证车辆在转向过 程中 系统流量不随负载抖动而变化 且具有明显的节能效果 广泛用于工程车辆转 向系统 如叉车 推土机 装载机 铲运机 平地机及工程起重机等 此外 随着人 们对现代轿车驱动能力 易操作性和舒适性等方面的要求逐渐提高 目前 大马力的 中高速车辆也配备了负载敏感液压动力转向器 可以看出 负载传感流量放大全液压 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 转向器的使用突破了原有的使用范围 并不断发展 所以有必要对负载传感全液压转 向系统静 动态性能做全面的研究 研究结果将对转向器总成的优化设计 进一步提 高工程车辆的转向性能产生一定的指导意义 1 2 液压转向系统的研究现状和发展趋势 1 2 1 转向系统研究现状 转向系统是用来改变或保持车辆行驶方向的机构或系统 它可以按照驾驶员的意 愿控制车辆的行驶方向 其对车辆行驶安全至关重要 目前 车辆转向系统按转向动力源的不同可分为机械转向系统和动力转向系统两 大类 最早出现的机械转向系统是以驾驶员的体力为转向动力源来实现车辆转向 由 于人的体力有限 这种转向系统通常适合于所需转向力矩不大 速度较低的场合d 1 随着车辆本身和载重不断增加 以及车速不断提高 使用机械转向系统就变得非常费 力 并且操纵稳定性也不佳 动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机 或电动机 动力作为转向动力源 由于 借助发动机 或电动机 的动力 减少了驾驶员手动转向力矩 改善汽车的转向轻便 性和汽车的操纵稳定性 因此被应用于所需转向力矩较大和高速行驶的场合 1 1 9 5 4 年 凯迪拉克汽车公司首先把液压动力转向系统应用于汽车 开始了动力转向系统的 时代 机械一液压助力转向系统自2 0 世纪5 0 年代出现液压助力转向器以来 逐渐发展 成熟 所有转向器的研发 生产和试验已实现了专业化 特别是国外的生产厂家 如 日本 梢工 n s k 公司 德国z f 公司 美国德尔福公司s a g i n a w 分部和英国 b u r m a n 公司等 在世界范围内都有很大的产量和销售面h 1 专业化的发展大大提 高了产品的产量和质量 使得机械一液压助力转向系统在汽车业被广泛采用 至2 0 0 0 年其使用率己接近8 5 成为了当今动力转向系统中的主力 近几年的转向系统的研 发工作主要致力于提高自身的轻量化和结构简单化 目前 系统工作油压已从6 5 m p a 上升到1 5 m p a 左右 德国z f 公司达到2 0 m p a 左右 用压铸铝代替铸铁的转向器壳体 用塑料油箱代替钢板冲压油箱 对于轻型车和轿车 采用铝合金转向轴万向节等措施 实现减小5 0 以上质量 全液压转向系统作为转向系统发展的另一个分支 主要用于中小型或大型的工程 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 机械上 这种转向系统不需要机械式连杆作为转向控制 完全由液压油来控制转向油 缸实现转向 这种转向系统结构紧凑 组成元件少 布置方便 操作轻便 因此得到 在工程机械领域得到广泛的认可 目前 国内外普遍采用的全液压转向器是摆线式全 液压转向器 自1 9 6 1 年美 c h a r l y n n 公司获得专利以来 全液压转向器得到迅速发 展 类似的全液压转向器主要有美国伊顿公司 t r w 公司 丹麦丹佛斯 现已与萨澳 桑 斯川特公司合并为萨澳 丹佛斯公司 公司 日本住友公司和德国z f 公司等企业产品 产品广泛地应用于各种工程机械 农业机械 重型汽车和船舶等行业 且年产量已超 过百万台 工作压力达到1 7 5 m p a 以上 排量范围为5 0 3 1 5 0 m l r 配油方式有转阀 式和滑阀式 机型有开芯有反应 开芯无反应 闭芯无反应和负荷传感型 转向系统 液压阀与转向器有集成式和分置式等各种形式 配套的车辆行驶速度从5 0 k m h 扩大到 7 0 k m h 左右 目前 随着大型工程机械的发展 大排量高性能的转向系统也应用而生 在大排 量转向系统开发过程中 最初在小排量全液压转向器的基础上 采用改进控制阀的配 油槽孔形状和尺寸 加长排线计量装置的长度的方法来增加排量 排量最大可以达到 1 0 0 0 m l r 在此基础上要想获得更大的排量的转向器 不仅压力损失过大 而且摆线 计量装置也难以加工 为了获得更大排量全液压转向器 近年来国外出现了两种形式 一是增加转向器本身内部通道的过流面积和摆线计量装置的排量系数 即同轴流量放 大转向器 二是采用小排量转向器控制流量放大阀 转向器实现油路方向的选择 流 量放大阀实现回路中流量放大 这两种方案在国外均有使用 美国伊顿公司采用第一 种方案 致力于开发大排量全液压转向器 8 0 年代相继研制成功3 5 系列 2 5 系列转向 器 9 0 年代研制出4 0 系列转向器 最大排量已达n 3 1 5 0 m l r 美国卡特彼勒公司 丹 麦丹佛斯公司采用第二种方案 获得大流量转向系统 我国亦采用第一种方案 研制 成功b z z 5 5 0 0 1 6 0 0 系列流量放大负荷传感全液压转向器和b z z l 1 0 0 0 2 5 0 0 系列 开芯无反应型液压转向器 美国伊顿公司生产的转向器在国际上处于领先地位 产品水平和质量都比较高 其产品中中2 5 系列排量范围为4 3 0 1 2 3 0 m l r 4 0 系列排量范围为1 2 3 0 3 0 0 0 m l r 将国内生产的b z z 5 5 0 0 1 6 0 0 系列和b z z 5 1 0 0 0 2 5 0 0 系列转向器与伊顿2 5 系列 4 0 系列产品进行比较 技术参数见表1 1 性能指标见表1 2 1 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 技术参数对比 表1 2 性能指标对比 从表1 1 表1 2 可看出 国i 勾b z z 5 5 0 0 1 6 0 0 系列和b z z l 1 0 0 0 2 5 0 0 系列大排 量转向器的技术参数和性能指标达到或接近伊顿公司2 5 系列和4 0 系列产品水平 其中 压力损失和压力震摆等指标优于国外样机指标水平 而入口流量 工作压力 控制阀 机能和转向力矩等技术参数与伊顿公司相比仍存在一定差距 1 2 2 转向系统发展趋势 一 节能化 目前 能源危机迫在眉睫 节能是解决能源危机的关键 提高转向 系统的效率己成为当前转向系统研究的一个方向 二 重型 轻便化 随着运输机械载重量的不断提高 转向力矩随之增大 如大 排量转向器 流量放大器转向器的出现就是为了满足这方面的要求 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 三 高速 高响应 由于液压转向系统己逐步应用到高速车辆上 提高转向系统 的响应速度已经是一个非常迫切的任务 液压转向系统的动态能的研究也就是为了满 足这方面的要求 四 智能化 集成化 电动转向系统和电液转向系统是现在研发的主要方向 主 要用于轿车和轻型载货客车 其在结构 节能 灵活上有优于其他转向系统 成为现 在发展的主流 1 3 同轴流量放大全液压转向系统概述 同轴流量放大转向器集转向器和流量放大器于一体 既具有转向器的负荷传感功 能 又具有流量放大功能 它与优先阀 转向油缸 液压泵等液压元件配合使用 组 成各种负荷传感液压转向系统 在转向油路与工作油路同时工作的情况下 液压转向 泵供油优先满足转向油路使用 剩余部分供给工作油路使用 因此 它既能保证转向 油路可靠工作 又减小了液压泵排量 达到节能的日的盯1 由于转向阀与放大阀合而 为一 因此具有体积小 重量轻 排量大和压力损失小等优点 1 3 1 同轴流量放大全液压转向系统的简介 图1 1 是同轴流量放大转向器组成的转向系统示意图 由该图可见该转向系统是 由泵 优先阀 流量放大转向器 转向溢流阀 系统溢流阀以及转向油缸组成 其类 型属于闭芯有反应式并带负载敏感 该系统具有以下特点 具有负荷传感转向器的所 有特性 主要流量通过转阀内部节流阀和计量马达进入转向油缸 放大流量通过可变 放大节流口 按一定比例直接进入油缸工作腔 当低速转向时流量是计量马达的排量 和转速的乘积 当转速达到一定值时 放大节流口才会打开并且随转速的提高而增大 直至达到最大值 保证快速转向时提供大的排量 转向器在工作时 只需要提供较小 的人力转向力矩即可实现转向阳1 图1 1 所示的转向系统液压示意图中 泵 可以采用定量泵 压力补偿变量泵 压力流量补偿变量泵 使用定量泵时 其它工作回路 e f 必须采用开芯系统 使用压力流量补偿变量泵时 e f 采用负荷传 感系统或闭芯系统 流量放大转向器 具有流量放大和负载敏感的特性 可以根据转向所需要的流 量通过l s 敏感回路 反馈给优先阀和变量泵的负载敏感口 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 优先阀 用于满足最大流量要求 保证供转向器的优先流量 优先阀控制压力 与转向器控制流量相匹配 且动态信号优先阀与动态信号转向器相配 l s 管路 将来自转向器内部可变节流口的压力信号传到优先阀 该压力促使 优先阀的阀芯移动 来保证c f 口需要的流量 对于负荷传感系统需要进行认真细致 的匹配来实现整个系统的最佳性能 转向安全阀 为保证转向安全可靠 优先阀中安全阀压力设定比转向需求压力 高2 m p a 左右 系统安全阀 用于来满足泵的安全需求 其压力必须高于优先阀内转向安全阎 设定的压力 图1 1 同轴流量放大全液压转向系统示意图 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 3 2 同轴流量放大全液压转向系统的特点 该转向系统与其他助力转向系统比较 具有以下特点 优化的流量特性曲线 特殊的转阀设计实现大排量下较小的压力损失 转向灵敏 可靠 省力 低液压噪声 铸造内通道设计 压力损失小 快速转向时 实现流量放大 低速转向时 保持计量马达本身排量 提供各种连接形式 布置起来灵活 方便 不受机构位置的限制 有效排量范围大 在发动机熄火的情况下可以实现人力转向 1 4 课题的研究内容 一般而言 对液压系统的研究主要从静态和动态两方面进行 静态分析主要是研 究在特定条件下组成系统的各零部件在所受外界力和力矩的平衡关系 不考虑各参变 量随时间的变化情况 这种方法在以往液压系统的研究中较为常用 但随着液压传动 与控制技术的飞速发展 液压技术已成为一门集众多学科于一体的交叉技术学科 其 应用范围和领域也逐渐扩大 各种机械设备性能要求和机电液一体化程度的不断提 高 对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求 显然 仅对液压 系统进行静态特性分析 己经不能适应现代产品的设计和性能要求 目前 对液压系 统进行动态特性分析和采用动态设计方法 逐渐成为液压系统分析主要手段 本文的主要研究内容是 通过理论分析 仿真分析和试验研究来分析同轴流量放 大全液压转向器及其组成转向系统的静 动态特性 在转向系统中 有三大核心部件 优先阀 转向器和转向油缸 优先阀是用来随时提供转向所需的流量 转向器是系统 的核心部件 其特性决定了转向系统的工作性能 转向油缸是为实现车轮转向而设置 所以 本文首先分别从这三个组成部件入手进行分析 继而研究整个转向系统 本文的研究方法 1 利用流体力学基本公式 从流量放大全液压转向器和转向系统工作原理出发 建立转向器和转向系统的数学模型 2 选用a m e s i m 8 0 0 仿真软件 对系统进行建模和仿真计算 对不同输入信号 下系统模型的动态特性曲线进行分析 即对系统中各参数响应曲线的最大超调量和稳 7 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 定时间进行比较和分析 3 通过全液压转向器试验台对本文研究的同轴流量放大全液压转向系统进行试 验研究 将测得试验数据与仿真计算结果进行对比分析 以验证仿真模型的正确性和 可靠性 4 分析影响转向系统负载敏感特性的优先阎特性 并研究优先阀内部弹簧特性 对转向系统负载敏感特性的影响 以便解决行走机械在使用中出现转向抖动问题时做 一参考 浙江大学硕士学位论文第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 摘要 详细介绍了同轴流量放大全液压转向系统各部分组成及工作原理 根据系统结构及组成 利用流量连续性方程和力平衡方程建立了系统的数学模型 并且根据转向器结构计算出其内部各 节流口面积随转角位移的变化关系式 关键词 优先阀 转向器 9 转向油缸 数学模型 节流口面积 2 1 同轴流量放大全液压转向系统的结构组成和工作原理 同轴流量放大转向器集转向器和流量放大器于一体 既具有转向器的负荷传感功 能 又具有流量放大功能 它与优先阀 转向油缸 液压泵等液压元件配合使用 组 成负荷传感液压转向系统 在转向油路与工作油路同时工作的情况下 液压转向泵供 油优先满足转向油路使用 剩余部分供给工作油路使用 因此 它既能保证转向油路 可靠工作 又减小了液压泵排量 实现节能的目的 2 1 1 优先阎的结构组成和工作原理 1 优先阀的结构组成 优先阀是工程机械转向系统中普遍采用的液压控制元件 它多用于带负荷传感特 性的全液压转向系统 所谓优先 反馈转向器负载敏感口压力到优先阀负载敏感腔l s 使阀芯移动 保证输往转向系统的流量 而多余流量直接回油箱或者供给其他工作装 置 图2 1 为v l e 型优先阀结构图 由转向安全阀 控制弹簧 阀芯及阀体等组成 其 中p 口为转向泵进油口 c f 口与转向器进油口连接 e f 口供其他工作系统的油口 l s 1 2 与转向器的控制口连接 t 口为安全阀回油t l 转向安 控 图2 1 优先阀结构 9 浙江大学硕士学位论文第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 根据所用转向系统的不同可将优先阀分为 静态信号优先阀和动态信号优先阀两 种阳1 其原理图如图2 2 所示 图中两种形式的优先阀均可以实现优先保证转向回路压 力和流量 但动态信号优先阀较之静态信号优先阀有动态响应快 寒冷条件下的启动 性能好以及转向系统稳定性佳等优点 所以得到大力推广并广泛使用于各类工程机械 的转向系统中 目前 静态信号的转向器及优先阀逐渐被动态信号的所取代 本文所 研究的转向系统就是由动态信号的优先阀和动态信号的转向器组成的 系统可以实现 转向灵活稳定 性能良好 a 静态信号优先阀原理图 b 动态信号优先阀原理图 图2 2 优先阎原理图 2 优先阀工作原理 转向系统中的优先阀是优先保证向转向系统提供转向所需的压力和流量 其工作 原理如下所述 当转向器不工作时 c f 口处于封闭状态 此时l s 口的压力为零 阀芯右端进油 液压力作用在阀芯右端 克服弹簧2 的预压力 使阀芯向左移动 此时p 口与e f 口连通 转向泵的油通过优先阎流入其他工作系统 其工作原理图如图2 3 所示 当转向器工作时 优先阀进油口p 的进油通过优先阀 由于转向器上l s 油口反馈 系统压力 使阀芯移动 保证转向器转向用油 多余的油再通过e f 油口到其他工作系 1 0 浙扛大学硕士学位论立第2 章同轴流量放大垒液压转向系统数学横型 统 由转向器l s 口油痕引入到优先阀l s 艘的压力信号通过节流小孔作用在阎芯的左 端 此时闯芯右端的压力较l s 腔的压力低 由于阀芯左右两端压差的变化及弹簧的作 用 使得阀芯向右移动 c f 开口增大 e f 口开口减少 p 口油寝主要由c f 口流出供给 转向系统 其余部分流量通过e f 口供给其他工作油路 工作原理如图2 4 所示 当转向过程中 外界负荷超过转向安全闻设定值时 安全阀开启 l s 口卸压 阀 芯位移处于右侧某一位置处 此时由p 口流入转向系统的油液达到一极限值 不会再 随着转向系统压力增加流量增大 即失去原有负载敏感的特征 回 e c f 田2 4 转向嚣工作时优先阐工作原理 213 转向器的结构组成和工作原理 1 同轴流量放大全液压转向嚣的结构组成 同轴流量放大转向器是在摆线转闻式全液压转向器的基础上加以改进而成的一种 新型转向器 在原摆线转阉式全液压转向器的阀套上添加了几排油孔 作为放大油路 通道 同时 增加负荷传感控制油路 其装置结构如图25 所示 主要由阎体 连 接轴 阎芯 轴承 对中弹簧 阀套 销子 单向阀 计量马达 端盖和隔板等零部 浙江大学顿士学位论文第2 章目轴流量放大垒液压转向系统数学模型 件组成 由阎芯 阎套和阀体等组成的转阁起控制油液流动方向和放大流量的双重作 用 由转子和定于等组成的摆线齿轮啮合副 又称计量马达 起油液计量的作用 销 子和连接轴用于控制转阀和摆线齿轮啮台副的转子构成机械反馈环节 其中连接轴起 传递扭矩的作用 对中弹簧是保证转阀上阀芯和阀套能够越过死区严格对中 田2 5 阿轴漉量放大全液压转向器结构图 1 阀体 阀体是转向嚣的壳体 转向器的所有零部件都装在阀体内 闯体上有四个油孔 油口p 和液压泵出油相连 油口t 与油箱接通 油口r 和l 分别与转向液压缸的两 腔相连 闻体内壁圆周均布的七个径向和七个轴向孔相连 与计量马达形成的七个腔 室相通 用于实现转向配油的功能 如图2 5 所示 2 转阀 转阀置于阀体内 由阎芯 阀套 阀体 销子和复位弹簧组成 是转向器的核心 部件 在圈2 5 中 可以看出转阀的阍芯和阍套用销子连接 用片弹簧定位 由于阀 芯上孔 匕阎套销孔大 结构设计上保持阀芯相对于阀套左右转动备8 左右 阀芯通过 外端内花键与方向盘转向轴相连 闶套通过销子 连接轴和计量马达的转子相连 此 结构也实现了转向器的机械反馈 为了实现转向配油功能 阔芯和阁套上开有一系列 的槽和孔 阀芯上的槽和孔 阀套上的孔 阎体上的内七孔及阀体上的环槽共同构成 了转向器上油路所需的各种节流1 2 1 和油路 包括控制转向和流量放大两条油路 图2 6 a 所示是转阉上阎芯阎套结构图 固2 6 b 为阀芯阎垂配合表面的平面展开图 新旺大学硬士学位论文第2 章阿轴流量就大垒液压转向系统教学模型 涂有颜色的部分为阗套上的孔和槽 等禾蟑芦鼻释 辖 岳 舀 面 驴 台e 怵 曲 q擀 曼忙 e鬯 啉 4 t 槽c 槽b b 阐芯阀套配各表面的平面田 田2 6 同轴流量放大垒液压转向器阉芯闶垂副 浙江大学硕士学位论文 第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 由图2 6 a 可以看出 阀套的外侧设有沿圆周方向的环槽 凸台 这些环槽和 凸台都与阀体上的p1 2 0 口 r 口 l 口以及l s 口对应 其中 环槽p 和p a 对应 阀体上的p 口 环槽l s 对应阀体上的l s 口 凸台l 和r 对应阀体上的l 口和r 口 环槽t 口对应阀体上的0 口 凸台h 上有十二个沿着圆周分布的圆孔 这些孔与阀 体上的内七孔及计量马达共同作用实现在转向过程中不断向转向油缸输入油 其上有 十二个圆孔 分别以奇偶编号分组 奇数号小孔进油时偶数号小孔回油 偶数号小孔 进油时奇数号的小孔回油 故当阀套相对阀芯转动时 十二个孔依次和阀体上的七个 径向和轴向的孔相通或者相隔 这七个径向和轴向的小孔与计量马达形成的七个封闭 容腔在转向器旋转过程中 按照一定规律通断 控制油液的流入和流出 从而实现油 液不断的从转向器流出 环槽d a m p i n g 是转阀凸台l 和凸台r 之间实现减震作用而 设计的 在转向器输出油1 2l 和r 之间设置了一系列的阻尼 使车辆在转向过程中 遇到外界冲击时 转向可以保持平稳 保证安全 凸台d 和凸台s 均起支撑作用 环槽c 其均压作用 阎芯上轴向的槽与阀体上小孔共同实现在转向过程中的配油功能 其中槽a 是与 阎套凸台l 和凸台r 上的孔实现配油 相邻的两个槽分别与阀套上凸台l 上的小孔 或凸台r 上的小孔相通 且当转速达到一定时 槽a 末端与阀套环槽p 和p a 上作为 p a 放大油口的小孔相通 槽b 是与阀套上环槽p 和p a 上作为p1 2 的小孔组合使用 槽c 是转向器中位时实现阀体上l s 孔与油箱相同的配油孔 槽d 是与环槽d a n p i n g 上小孔组合使用 用于缓冲转向过程中l 油1 2 1 和r 油口之间可能产生的压力冲击 保证转向的稳定 3 计量马达 计量马达又称定转子副 是由转子和定子组成的摆线式液压马达 定子和阀体用 螺栓固定在一起 转子通过连接轴和转阀阀套相连 定子有七个齿 转子有六个齿 转子以偏心距e 为半径 围绕定子中心转动 公转 同时还以反方向绕自己轴线旋 转 自转 转子自转一周 同时会绕定子公转六周 即转子的公转转速是其自转转速 的六倍 转子转动时 将形成七封闭容积 转子公转一周从七个齿槽空间分别会实现 吸油排油各一次 故若转子自转一周 油液从6 x 7 4 2 个密闭齿槽中挤出 因此 这 种马达单位体积排量大m 1 在正常工作时 马达起油液计量作用 保证流进转向液压缸的流量与方向盘转角 1 4 浙江大学硬士学位论文第2 章同轴流量放大全藏压转向系统数学模型 浙江大学硕士学位论文第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 车轮偏转 实现转向 液压缸的另一腔油液经过l 口流回油箱 油液流经计量马达时 计量马达转子经连接轴与阀套8 相连 故阀套会跟随转向盘 阀芯 的转动而转动 当转动完毕时 计量马达产生的反馈信号消除了阎芯相对阀套的输出信号时 阀芯与 阀套重新处于中位位置 流入计量马达油孔关闭 无油液流出转向器 车轮保持转向 后的位置 在传统的全液压转向系统中 液压油全部由转向阀 经过计量马达 进入转向油 缸 所以进入转向油缸的所有流量完全由计量马达决定n 引 如图2 9 所示 而对于同 轴流量放大转向器 当转向速度高于某一值时 除了上述经过计量马达流入转向油缸 的油液外 还有部分油不经过计量马达而直接进入转向油缸 即通过阀芯阀套形成的 p a 口 使流入p 口的油直接通过转向器的r 口 进入转向油缸 参与实现转向的作 用 此时流入转向油缸的流量与经过计量马达的流量成大于1 的比例关系 常见的同 轴流量放大转向器放大比例是1 6 1 也就是说 当按照一定转速转动方向盘时 进 入转向油缸的流量是通过计量马达的1 6 倍 转速与比例关系如图2 1 2 所示 由该图 可以看出 流量放大是与方向盘转动速度有关 也就是说 当方向盘转速低于某一值 时 进入转向油缸的流量完全由经过计量马达的流量决定 如图2 1 1 所示 当大于某 一值是 流量放大系数才会逐渐增加 直到增加到最大值 如图2 1 0 所示n 钉 向左转向时 方向盘沿逆时针方向转动 其工作原理与右转相同 1 滤油器2 液压泵3 一溢流阀4 优先阀5 4 1 油阀6 缓冲阀7 转向液压缸8 阀套 9 复位弹簧1 0 转向盘1 1 阀芯1 2 单向阀1 3 计量马达1 4 油箱 图2 8 转向系统工作原理图 1 6 浙江大学硕士学位论文第2 章同轴流量放大全液压转向系统数学模型 图2 9 传统全液压转向系统工作示意图 图2 1 0 同轴流量放大全液压转向系统工作示意图 高转速 图2 11 同轴流量放大全液压转向系统工作示意图 低转速 2 1 嚣 l l i l l 1 7 一一 厂 l o 犸 l 粕t l r p m 图2 1 2 方向盘转速与转向器流量放大比例关系 1 7 斯江大学颈士学位论文第2 章同轴流量放大垒灌压转向系统教学模型 213 转向油缸的结构组成和工作原理 从呵轴流量放大全液压转向器流出的动力油液 供给转向油缸 转化成动力 推 动车辆转向传动机构运动 从而实现转向轮转向 图2 1 3 是两个单出杆缸对称连接组 成的液压转向油缸的连接形式 当方向盘右转时 从转向器r1 3 搀出的油液进入左侧 转向油缸的无杆腔和右侧转向油缸的有杆腔 使转向油缸活塞向右移动 由于转向系 统中连杆机构作用 使得车轮向右倾斜 故车辆会向右转动 为建模简单起见 本 支将两个单出杆组成的转向系统等效为双出杆缸 以此研究转向器和转向器系统的特 性 圉21 3 转向油缸工柞示意图 2 2 同轴流量放大金液压转向系统数学模型 为了尽可能准确的建立转向系统的教学模型 较真实地反映系统特性 本文在一 定假设的基础上 从转向系统各部件的工作原理和系统的工作原理出发 对转向系统 的备部件及系统分别建立教学模型 假设如下 1 系统中痕压泵提供的压力和流量恒定 2 系统中油液的密度 粘度 弹性模量 流量系数为定值 3 不计转向系统中沿程压力损失及单向阀的局部压力损失 4 忽略系统上各阀1 3 产生的j 葭动力 5 忽略优先周内左右两客腔及油液的弹性变形 6 忽略转