拖拉机悬浮式前驱动桥的应用研究.doc

拖拉机悬浮式前驱动桥的应用研究周迅 , 岳艳艳 , 李勇(洛阳拖拉机研究所有限公司 ,河南 洛阳471039 )摘要 :研究了农用拖拉机悬浮式前驱动桥的现状 ,列举了几种悬浮机械结构 ,重点介绍分析了一种悬浮式前驱动桥的机械 、液压 、电气工作原理 。关键词 :悬浮式前桥 ; 原理分析 ; 控制器中图分类号 : S219. 032. 2文献标识码 : A文章编号 : 1006 - 0006 ( 2011 ) 02- 0013- 04A pp l ica t ion Re sea rch of Ta c tor Su spen ded Fron t A x leZHOU X un, YU E Yan 2yan, L I Yong(L uoyang Trac to r R e sea rch In stitu te Co. , L td. , L uoyang 471039 , Ch ina)A b strac t: W e stud ied the su sp ended fron t axle s u sed in fa rm trac to rs, d iscu ssed the fron t axle s p re sen t situa tion,enum e ra ted seve ra l k ind s of su sp ended m echan ism s. The m ach ine ry, hyd rau lic p re ssu re, e lec trica l wo rk p rinc ip le of a su sp ended fron t axle we re emp ha tica lly in troduced.Key wo rd s: Su sp ended fron t axle; P rinc ip le ana lysis;Con tro le r2 拖拉机用悬浮式前驱动桥悬浮机械结构分析电控悬浮式前驱动桥的中央传动 、末端传动 、转 向 、制动以及差速锁等部分与拖拉机刚性前驱动桥 的功能和作用完全相同 。悬浮结构是由悬浮油缸及 悬浮杆件共同构成的连杆机构组成 。其悬浮功能是 靠悬浮油缸的伸缩动作来完成 ,从而达到拖拉机缓 冲 、减振的目的 。现举例分析如下 :1 )图 1 是左右轮可分别进行悬浮动作的前驱动 桥的外形 。1 悬浮式前驱动桥的概念及现状拖拉机 上 所 指 的 悬 浮 式 前 桥 ( su sp ended fron t axle)是借助于汽车前悬架的概念 ,在刚性前桥 ( rig2 id fron t axle)基础上加装悬浮机构和电控装置发展 起来的 。其基本功能仍然是连接前轮 、通过摇摆轴 来承担车辆前端分配的重量 ,从而完成拖拉机的直 线或转向行驶 。与刚性前桥所不同 ,电控悬浮式前 桥还具有通过控制总线 (例如 CAN ) 接收车辆的制 动 、速度 、离合器以及车辆前部所处的高低位置等传 感信号 ,能实时调节或缓冲拖拉机所受到的冲击 ,达 到改善拖拉机驾驶的平顺性 ,改善拖拉机的牵引性 能 ,达到驾驶的舒适性 。电控悬浮式前驱动桥可由 拖拉机底盘提供电控单元驱动电源 、悬浮油缸的液 压动力源 、CAN 总线 信号 等 , 其悬 浮调 节 功能 是靠 悬浮控制 器自 动 完成 的 。因 此从 控 制 论 的 角 度 来 说 ,较为先进的电控悬浮式前驱动桥是一个闭环系 统 ,或者说是一个相对独立的机电液控制系统 ,是主 动式悬架结构 。目前我国国内没有电控悬浮式前驱动桥的生产 厂家 ,国际上把它应用到拖拉机上的厂家仅是一些 大公司或厂家 。这些公司有的自己研发配套电控悬 浮式前桥 ,但与专业的传动系公司配套或共同研发 配套电控悬浮式前驱动桥已成为主要趋势 。图 1 左右轮可分别动作的前驱动桥F ig. 1 F ron t A xle W ho se Two W hee ls Can Sep a ra te ly A c t其悬浮机构的动作是在与车辆前进方向相垂直 的横剖面内上下运动的 。沿前桥左右传动轴的纵剖 面可得到其悬浮结构如图 2所示 。由图 2可看出 ,该图是假设左右悬浮油缸同步 悬浮时的情况 。从图中不难看出前桥的桥体被分为 三段结构 ,其主要的优点是左右轮可分别独立悬浮 控制 。但是 ,该种前桥的整体刚性显然较差 ,对吨位较 大的车辆不太适用 。从图 2还可以看出 ,悬浮行程拖拉机与农用运输车 第 2期 2011年 4月完成前后前轮距会发生一定的变化 , 由于是双悬浮油缸 ,其液压控制也相对复杂 。图 2 左右轮可分别动作的前驱动桥结构简图F ig. 2 Struc tu re Ske tch of F ron t A xle2)图 3是中置式单悬浮油缸前驱动桥 。该种前 桥的桥体是整体结构 ,因此 ,比上述的分体结构刚性 好 。其悬浮动作也是在横剖面内上下运动的 ,所不 同的是此结构只有一个中置悬浮油缸 。图 5 纵向悬浮结构的前驱动桥F ig. 5 F ron t A xle w ith V e rtica l Su sp ended Struc tu re图 3 中置式单悬浮油缸前驱动桥F ig. 3 F ron t A xle w ith M id Single Su sp ended Cylinde r从图 3车辆行进方向看过去 ,其悬浮结构可简 化为图 4。从动作上看 , 悬浮油缸的上下动作不会 使轮距发生变化 。图 6 纵向悬浮结构的前驱动桥F ig. 6 F ron t A xle w ith V e rtica l Su sp ended Struc tu re图 4 中置式单悬浮油缸前驱动桥简化图F ig. 4 D iagramm of F ron t A xle w ith Su sp en sion Cylinde r3 )图 5、图 6 所示悬浮油缸也是中置的 , 但是 , 其悬浮动 作 是沿 车辆 前 进方 向的 纵剖 面 内上 下 进 行 。本例是要重点研究的内容 。由于没有太多的参 考资料 ,对图 中 结构 件的 部分 名 称 定 义 仅 供 参 考 。 图 6 中的悬浮机构关节点共有 6 个 ,其中的一个在 悬浮油缸下方 ,另一个是前轮心 。通过悬浮耳轴和 悬浮油缸的中轴线的投影面 ,可以将该悬浮机械结 构简化为图 7的悬浮机构简化图 。图 6中的 6 个关节点分别对应图 7 中 A、B 、C、D、E 和 F 等 6 个铰接点 。其中 , A、B 、C、D 构成含有4 个铰接点的刚性体 , A 点是悬浮油缸下铰接点 , C点是前轮心 。悬浮油缸的活塞杆的上端是关节轴 ,油缸在作伸缩运动时还有微量的摆动 。为了便于分 析 , 把悬浮挂耳作为固定杆件 , 也就是定义 E 点和 F点为固定不动 , 同时 E 点设为平面坐标的原点 。14图 7 纵向悬浮机构简图F ig. 7 D iagramm of V e rtica l Su sp ended Struc tu re在上 述假 设条 件 下 , 当油 缸伸 缩 运动 时 , 杆 件 ED、FB 的端点 D 和 B 在做圆的运动 , 刚性体 AB CD 上的 A 和 C 点分别作 ED 和 FB 杆件的复合运动 。 在各个杆件的几何尺寸已知的情况下 , 油缸的伸缩 值与前轮心的运动轨迹 CC 具有确定的函数关系 , 或者所 CC 的运动轨迹是可求的 。这里需要指出的是 ,此种结构的悬浮动作从拖 拉机的侧面看 , 不是直线的 , 而是 CC 曲线运动 , 当 把它分解为垂直悬浮距 y 和水平悬浮距 x 时 , 导致 了两个结果 :一是垂直悬浮距与悬浮油缸的移动行 程不是等速的 , 或者说它们之间是非线性函数关系 ; 二是由于水平悬浮距的产生 ,导致拖拉机在悬浮的周 迅等 :拖拉机悬浮式前驱动桥的应用研究过程中轴距是变化的 ,尽管这个变化非常小 。3 悬浮式前驱动桥悬浮动作的液压结构分析图 5、图 6所示前驱动桥的配套液压控制原理见 图 8。电磁阀 E1和 E2 失电 ,比例电磁阀 E3 和 E4 部分或全部开启 。蓄能器给车辆提供减振器作用 ,在油缸 压缩 (悬 浮 压 缩 ) 时 油 液 被 压 进 蓄 能 器 , 油 缸 伸 张(悬浮反弹 ) 时油液从蓄能器流出补油 。盘式 单向节流阀 ( d isc p ack s) 提供被动式阻尼功能 。而 H 公 司提供的优质盘式单向节流阀其阻尼性能超过了传 统的阻尼性能 ,见图 9。图 8 液压原理简图F ig. 8 D iagram of H yd rau lic P rinc ip le图中 , E1为提升阀 , 此电磁阀带电使悬浮油缸 升起 ,将车辆前部抬起 ; E2 为下降阀 ,此电磁阀带电 使悬浮油缸下落 ,将车辆前部落下 ; E3 为回弹锁定 比例电磁阀 ,当该电磁阀失电时提供悬浮关闭模式 的中位锁定止 /中位锁定解除功能 ,悬浮升起时此电 磁阀必须带电 ,比例电磁阀提供变化的回弹阻尼 ; E4 为压缩锁定比例电磁阀 ,当该电磁铁失电时提供悬 浮关闭模式的中位锁定止 /中位锁定解除功能 ,悬浮 升起充填蓄能器时 ,此电磁阀必须带电 ,比例电磁阀 提供变化的压缩阻尼 ; L1 为上升节流阀 , 控制悬浮 油缸的向上悬浮速度 ; L2 为下降节流阀 , 控制悬浮 油缸的向下悬浮速度 ; L3 为回弹盘式单向节流阀 , 提供被动回弹阻尼 ; L4 为压缩盘式单向节流阀 , 提 供被动压缩阻尼 ; H1 为安全溢流阀 ,限制悬浮回路 中的压力超过 ; SW 为手动卸荷阀 ,允许手动把悬浮 压力油泄入油箱使悬架降低 。该液压悬浮回路是反馈式回路 。当需要上升或 悬浮油缸伸长时 ,电磁阀 E1、E3 和 E4 是带电的 ,活 塞端及活塞杆端被连起来具有同等压强 ,悬浮油缸是靠作用在活塞上的压力差推动的 。当电磁阀 E2 带电时 ,车辆前部重力作用在悬浮油缸上 ,使车辆向 下浮动 ,迫使油液经节流阀 L2回油箱 。其主要动作见表 1。表 1 电磁铁动作表Tab. 1 So leno id A c tion Tab le图 9 悬浮阻尼曲线F ig. 9 Su sp en sion D amp ing Cu rve图中纵坐标是阻尼力 ,横坐标是悬浮油缸活塞 (或缸 体 的 运 动 速 度 ) 。当 活 塞 的 速 度 达 到 350 mm / s之前 , 两种节流元件具有相同的阻尼曲线 ,但 是速度大于 350 mm / s时 H 公司的盘式单向节流阀 所产生的回弹力就小于普通固定式节流阀 。盘式单 向节流阀是 H 公司的专利产品 。这种较高悬 浮油 缸运动速度产生较小阻尼力的特性起到了削峰的作 用 ,而其将小峰值能量传递给弹性介质的特性要比 普通的固定节流阀性能好很多 。在悬浮油缸非常高 速伸缩的情况下 ,普通固定节流阀会使悬浮处在“停 滞 ”状态 ,也就是有可 能悬 浮功 能 在此 种情 况 下失 灵 ;而且还会把全部输入能量传递给弹性介质 。图 8中的比例电磁阀 E3 和 E4可以获得附加的 变化阻尼 。电磁阀 E3 和 E4 的 (阀芯移动 ) 变化与5001 500 mA 成比例关系 。此种比例电磁阀被设计成两个动作阶段 , 先导阶段的驱动电流大约 450600 mA ,产生很小的流量 (小于 1 L /m in) ,开启阶 段的驱动 电 流 大 约 600 1 500 mA , 产 生 1 150L /m in流量 。这种变化阻尼在标 定 控制 器和 产 品控 制器中是被动的 ,阻尼值在控制器中被设置成某个 电流值 。图 8液压悬浮回路具有两种不同类型的悬浮关 闭 ( su sp en sion off ) 模式 。悬浮关闭是指从液压回 路隔离蓄能器 ,从而消除了悬浮行程 。车辆在装载或前工作装置工作时 ,操作者不希望车辆的前部位 置发生变化 ,那么这就是一个优点 。悬浮关闭模式 下 ,电磁阀 E1、E2、E3 和 E4 的电磁铁全部失电 。第 一种悬浮关闭模式是中位锁定状态 ,悬浮油缸活塞 固定在油缸中间 ,这时悬架锁定在中位 。在此状态下 ,只有当前桥静态或动态载荷大到打开调定压力 为 210 105 Pa 的 安 全 溢 流 阀 H1 , 车 辆 才 会 下 落 。15序号E1E2E3E4状 态1234-+-+-+-+-靠车辆自重使车辆前部落下靠压力差值使车辆前部抬起 驾驶悬浮状态 ,蓄能器起作用悬浮关闭状态注 :“ - ”为电磁阀关闭 ;“ + ”为电磁阀开启 ; “ ”为比例电磁阀部分开启或全开启 。车辆驾驶过程中的悬 浮控 制由 阀 E3、E4 和元 件 L3、L4以及蓄能器来执行的 。在悬浮模式状态下拖拉机与农用运输车 第 2期 2011年 4月第二种悬浮关闭模式是解除锁定状态 。在此种状态下 ,悬架一直下降 ,往较低位置的机械停止位降落 。 憋在悬 浮 油 缸 活 塞 杆 一 侧 的 油 液 顶 在 (完 全 失 电的 )电磁阀 E2 和 E3 的单向阀上 , 使活塞杆无法继续伸长 。因为油缸被压缩完全靠在机械停止位上 ,载荷大于 210 105 Pa也是可能的 。4 悬浮式前驱动桥电控部分介绍悬浮控制部分中悬浮控制电控单元是整个悬浮 系统的指挥中心 ,其主要由微处理器 、电源模块 、数 模转换器 、电磁阀驱 动 功率 放大 器 、CAN 信号 接收 处理器等组成 ,加上悬浮模式转换开关 、悬浮高度传 感器 、电磁铁驱动线圈 、电锁等外围器件构成了整个 悬浮驱动桥的电控部分 。车辆在使用过程中载荷分配无论怎样变化 ,只 要图 10中的三态开关 K处在中位时系统处在悬浮 开启状态 ,悬浮电控单元根据来自 TCU (传动系控制 单元 ) CAN 总线发出的离合器状态信号 、车速信号 、 制动信号以及悬浮高度传感器给出的高度位置信号 实时对车辆所需要的缓冲进行计算并处理 ,使比例 电磁阀 (见图 8、图 10 ) E3、E4 带电或部分带电驱动 比 例电磁阀芯部分开启或全部开启 ,加上盘式节流阀的叠加作用 ,保持悬浮油缸围绕中位上下主动动作 ,从而完成驾驶状态的自动悬浮功能 。 这里需要指出的是 ,悬浮高度传感器是