履带车辆液压机械差速转向装置试验台设计

履带车辆液压机械差速转向装置试验台设计王鹏;徐立友;周志立【摘要】液压机械差速转向装置是一种液压传动与机械传动组合而成的新型传动机构，能够显著提高履带车辆的行驶机动性和工作效率.根据履带车辆液压机械差速转向装置试验要求，提出了其试验台设计方案，确定了试验台驱动装置及加载装置，设计了试验台数据采集与控制系统.以东方红1302R拖拉机液压机械无差速转向装置为被试对象，完成了液压机械差速转向装置转向特性试验，结果表明:所设计试验台自动化程度高、运转平稳，满足设计要求.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷)，期】2014(052)008【总页数】5页(P1-4,12)【关键词】履带车辆;液压机械差速转向装置;试验台;控制系统【作者】王鹏;徐立友;周志立【作者单位】471003河南省洛阳市河南科技大学车辆与交通工程学院;471003河南省洛阳市河南科技大学车辆与交通工程学院;471003河南省洛阳市河南科技大学车辆与交通工程学院【正文语种】中文【中图分类】U467.4;S219.20引言传统的离合器式履带车辆转向装置存在转向稳定性及操作性差、功率损失大、转向时平均行驶速度低等缺点。与离合器式转向机构相比，液压机械差速转向装置是一种新型的履带车辆转向机构，具有良好的转向动力学特性，转向灵活，操作简便，作业效率高，在履带车辆上具有良好的应用前景［1］。国外对于液压机械差速转向装置的研究和应用开始较早，在军用履带车辆、拖拉机及工程车辆上已经装备应用，具有代表性的是美国的卡特彼勒公司和日本的小松公司所开发的液压机械差速转向装置［2］。国内对于液压机械差速转向装置的的研究开始较晚，应用也相对较少，其中北京理工大学开发了用于军用履带车辆的液压机械差速转向装置，河南科技大学以东方红1302R拖拉机为装机对象开发了液压机械差速转向装置［3］。在液压机械差速转向装置的理论研究、优化设计、出厂检验和故障分析过程中，对其性能进行试验尤为重要。目前，对液压机械差速转向装置的试验主要依靠实车试验，实车试验成本高，试验周期长［4］。本文以东方红1302R履带拖拉机液压机械差速转向装置为被试对象，设计一种适合于履带车辆液压机械差速转向装置的试验台，以期为液压机械差速转向装置的性能测试奠定基础。1液压机械差速转向装置工作原理图1所示为东方红1302R履带拖拉机液压机械差速转向装置原理示意图，由分流机构、机械变速箱、液压转向闭式回路和左、右汇流行星排等组成［5］。机械变速箱输出齿轮与汇流行星排的齿圈啮合，液压转向闭式回路通过一副齿轮与一侧汇流行星排的太阳轮相联接，通过两副齿轮与另一侧汇流行星排的太阳轮相联接，左、右汇流行星排的齿圈联为一体，两侧汇流行星排的行星架分别与左、右终传动轴相联接。发动机输出功率通过分流机构分为两路，一路流向机械变速箱，另一路流向由变量泵-定量马达组成的液压转向闭式回路，两路功率分别通过左、右汇流行星排的齿圈和太阳轮进入左、右汇流行星排，然后经左、右行星架输出至左、右终传动，从而驱动两侧履带驱动轮转动，驱动履带车辆行驶。图1液压机械差速转向装置原理示意图Fig.1Principleofhydro-mechanicaldifferentialturningmechanism当液压转向闭式回路不工作时，发动机输出功率全部经机械变速箱传递到两侧履带的驱动轮，由于左、右汇流行星排的齿圈联为一体，两侧驱动轮的转速大小相等、方向相同，车辆作稳定的直线行驶；当变速箱为空挡时，发动机输出功率全部经液压转向闭式回路传递到两侧的驱动轮，由于两侧汇流行星排的太阳轮与液压转向闭式回路之间的联接相差一副齿轮，因此两侧驱动轮的转速大小相等、方向相反，此时若两侧汇流行星排的齿圈制动，则车辆作稳定的中心转向行驶，若两侧汇流行星排的齿圈不制动，驱动轮受地面行驶阻力的影响，车辆作不稳定的中心转向；当液压转向闭式回路和机械变速箱同时向两侧驱动轮传递功率时，驾驶员通过方向盘调节液压转向闭式回路中变量泵排量大小和流向，从而改变定量马达转速的大小和方向，车辆具有无穷且可连续变化的转向半径，实现车辆的无级转向。2液压机械差速转向装置试验台设计液压机械差速转向装置试验台用于其性能试验，试验内容主要包括空载损耗特性试验、无级转向特性试验、功率分流特性试验和效率特性试验［6］。要求试验台功能齐全，能源消耗少，具有可调节的驱动装置和加载装置，数据采集与控制系统性能稳定、响应快、精度高，控制软件界面友好、操作简单、便于维护和升级。2.1试验台方案与工作原理液压机械差速转向装置试验台结构简图如图2所示，主要由动力装置、分动箱、机械变速箱、无级转向后桥、多挡升速箱、加载装置、方向盘、联轴器与支撑、数据采集与控制系统、软件系统、辅助系统等组成。图2液压机械差速转向装置试验台结构简图Fig.2Structureofthehydromechanicdifferentialturningmechanismtestbench试验台动力装置用于为被试液压机械差速转向装置提供动力输入，满足试验对输入转矩转速的要求。常用的动力装置包括发动机、液压马达、直流电动机、交流电动机。由于使用发动机作为动力装置可使被试液压机械差速转向装置的试验情况和实车使用情况最为接近，而且相比于液压马达、直流电动机和交流电动机，发动机具有较好的价格优势，因此试验台采用东方红1302R拖拉机所配的6RAZT10型柴油发动机。试验台加载装置用于模拟液压机械差速转向装置所受的载荷，满足试验对加载转矩和转速的要求。常用的加载装置主要有水力测功机、电涡流测功机、磁粉式制动器、液压加载装置、直流电力测功机和交流电力测功机［7］。水力测功机结构简单、成本低廉、易于维护，但无法实现能量的回收利用，系统反应速度慢，不利于转矩瞬态控制，低速下无法实现大转矩加载。电涡流测功机结构较为简单，动态反应快，稳定性好，但能量无法回收利用，而且无法实现低速大转矩加载。磁粉制动器可实现低速大转矩加载，能满足被试设备的低速要求，但磁粉容易老化，而且无法满足被试设备高速工况的试验要求。液压加载装置动态性能良好，响应迅速，但设备复杂昂贵。直流电力测功机将直流电机发出的直流电由四象限直流调速器逆变为交流电回馈到电网，可实现能源的再生利用，而且可实现双向加载，但电机转速范围相对较小，功率因数较低。交流电力测功机由交流电机将发动机的机械能转化为电能，由变频一逆变单元将电能回馈到电网，实现能源的再生利用，测功机具有低速恒转矩加载、高速恒功率加载特性，且能够实现双向加载［8］。比较各类型的加载装置，试验台选用CAC-160型交流电力测功机作为加载装置，额定功率160kW,额定转矩为1000N・m,额定转速1500r/min，最高转速为3000r/min。发动机输出动力经主离合器、转矩转速传感器后传送至分动箱，由分动箱将动力分为两路，一路用于驱动机械变速箱，另一路用于驱动液压机械差速转向装置的液压转向闭式回路，两路动力在无级转向后桥的左右汇流行星排汇流，然后分别传递给左右半轴，输出的动力经转矩转速传感器、多挡升速箱后传递至交流电力测功机。试验台油门执行器是一个带有位置反馈的力矩电机，通过改变电机转角的大小，改变发动机油门拉杆位置，从而调节发动机油门开度。方向盘位置执行器用于调整方向盘按指定的角速度转到指定角度，从而调节液压转向闭式回路的排量比。多挡升速箱用于在不同试验工况下变换左右输出轴的转矩和转速，使得左右输出轴的转矩转速与交流电力测功机的转矩特性相匹配。转矩转速传感器分别安装在液压机械差速转向装置的输入输出轴、液压转向闭式回路的变量泵输入轴和定量马达的输出轴处，用以测量各处的转矩转速并提供给数据采集与控制系统。联轴器与支撑将试验台各个机械部分连接起来。辅助系统为各种机械部件提供必要的工作环境。2.2试验台数据采集与控制系统液压机械差速转向装置试验台数据采集与控制系统如图3所示，主要由工控机、转矩转速传感器、流量传感器、压力传感器、角位移传感器、信号调理模块、各控制器及执行器、数据采集卡等组成。图3试验台数据采集与控制系统Fig.3Measurementandcontrolsystemoftestbench工控机的功能是根据试验任务执行相应的程序、向各控制器发出控制指令、对系统进行实时的数据采集、数据记录、数据分析、系统安全监控和保护、故障诊断等功能。工控机通过两种方式对数据进行采集，一种是传感器将采集的信号经信号调理模块处理后送给数据采集卡进行运算处理，工控机通过各通信端口获取测量数据；另一种是信号传送给相应的控制器，经控制器运算处理转变为数字信号，然后发送给工控机，工控机对这些数据进行处理，记录不同试验工况下的测试数据，并最终显示和输出。工控机的控制指令通过串口通信卡发送给各控制器，由各控制器完成对相应执行器的控制。试验台选用研华IPC-610工控机，数据采集卡选用研华PCL-818HD数据采集卡，转矩转速传感器选用湘仪测控JC型转矩转速传感器。液压机械差速转向装置试验台控制系统的功能主要包括对发动机油门、方向盘位置、交流电力测功机的控制。试验台对发动机的控制主要通过油门控制器接收来自工控机的油门控制指令，控制油门执行器完成对发动机油门大小的调节，油门执行器是一个具有位置反馈的力矩电机，可以实现闭环控制。试验台通过角位移传感器对方向盘位置进行测量，测量信号送至方向盘位置控制器进行数据处理，然后发送给工控机，工控机向方向盘位置控制器发送转角控制指令，控制器根据指令向方向盘位置执行器发送控制信号，从而使方向盘按一定角速度转动一定的转角。交流电力测功机控制器根据工控机的控制指令，通过变频器对交流电力测功机进行直接转矩控制，实现被试液压机械差速转向装置动态加载。在交流电力测功机控制器控制下，测功机可以运行在恒转矩模式、恒转速模式或者恒功率模式。2.3试验台控制软件系统液压机械差速转向装置试验台控制软件系统用来实现对被测物理量的采集、转换、分析、处理、存储、显示等功能，要求控制软件通用性强、易于维护、可以提供友好的人机界面、具有数据的实时处理功能和数据后处理功能，而且可以自动生成试验报告。本试验台选用LabVIEW软件作为控制软件开发平台，采用模块化编程思想进行控制软件开发。试验台控制软件系统主要构成如图4。图4试验台数据采集与控制系统软件结构简图Fig.4Applicationstructurediagramofmeasurementandcontrolsystemoftestbench参数设置模块用于对数据采集卡的设置以及工控机与各控制器之间的通信设置；系统标定模块用于完成对系统误差的补偿和零点的调整；性能试验模块用于完成对液压机械差速转向装置各项试验过程的控制；试验结果处理模块实现对试验数据的采集、处理、存储和显示。3试验结果分析根据液压机械差速转向装置试验台设计要求，对液压机械差速转向装置进行了性能试验，本文以转向特性试验为例对试验过程进行说明。试验工况：调节发动机转速至2300r/min、液压机械差速转向装置直驶变速系统选二挡、通过加载装置将转向装置驱动轮负载加至3000N・m，待试验台运转稳定后，调节方向盘转角，改变液压机械差速转向装置液压闭式回路系统的排量比。分别测量液压机械差速转向装置的输入转矩和转速、两侧输出端转矩和转速及方向盘行程，转向机构左、右侧驱动轮速比随方向盘行程（方向盘向右转时）的变化曲线如图5所示。图5液压机械差速转向装置转向特性试验曲线Fig.5Testcurveofhydromechanicdifferentialturningmechanismturningperformancetest由试验曲线可知，在负载的作用下，液压机械差速转向装置左、右侧驱动轮速比随方向盘行程基本呈线性变化，可实现车辆从直驶到最小转向半径的无级转向行驶，工作随动性较好，未出现失稳或失控现象。通过试验可知，试验台可以对液压机械差速转向装置进行动态加载，模拟被试装置实际使用工况，能够根据设定的条件完成对发动机、加载装置的连续控制；能够自动完成试验数据的采集、记录和处理，系统具有较高的自动化程度，本试验台能够完成液压机械差速转向装置的性能试验任务。4结论1） 提出了履带车辆液压机械差速转向装置试验台方案，对试验台的动力装置、加载装置、数据采集与控制系统以及软件系统进行了设计。2） 对履带车辆液压机械差速转向装置转向特性进行了试验，结果表明，液压机械差速转向装置可实现车辆从直驶到最小转向半径的无级转向行驶，工作随动性较好，未出现失稳或失控现象。参考文献【相关文献】胡纪滨，苑士华.液压机械无级传动的特性研究[J].机械设计，2000,22(4):28-30.曹付义.履带车辆液压机械差速转向性能分析与参数匹配[D].西安：西安理工大学，2009.曹付义，周志立.液压机械双功率差速式转向机构的转