基于二次调节静液传动技术的轮边驱动车辆1.doc
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1、精品论文http:/基于二次调节静液传动技术的轮边驱动车辆1王昕,姜继海,孙辉哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 (150080摘要:介绍了轮边驱动车辆的发展情况,将目前各种轮边驱动车辆配置方案作以比较。提出了基于二次调节静液 传动技术的轮边驱动车辆配置模型并对关键元件的选择原则进行了公式推导。根据某越野车辆的性能对基于二次 调节技术静液传动技术的轮边驱动车辆进行了配置和验算。通过对比总结出该方案具有能够有效减小发动机装机 功率、提高车辆动力性能、越野性能以及便于安装扩展设备等优势。关键词:流体传动与控制 轮边驱动 选择原则 二次调节 静液传动中图分类号:TH137Wheel-drive V
2、ehicle Based on Hydrostatic Secondary RegulationWang XinJiang Jihai, Sun HuiSchool of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin (150080)Abstract:The development of wheel-drive vehicle was introduced. Several types of wheel-drive vehicles were compared. A model of wheel-drive v
3、ehicle based on the hydrostatic secondary regulation was built and the key elements of it were given the selectionrules by deducing formulas. The parameters of this model were calculated and checked according to a kind of off-road vehicle. Then the comparison between these two vehicles shows that th
4、e hydraulic one needs smaller power of engine while enhancing the impetus, the adaptability to off-road condition and potential in setting extend equipments.Key words:Fluid transmission and control Wheel-drive Selection principle Secondary regulation Hydrostatic减速度与其驱动加速度大小相等,因而理论上可以90前言日益严峻的能源和环境问题
5、使高性能的环保汽 车逐步成为汽车工业未来的发展方向。轮边驱动车 辆是一种全新驱动概念的车辆,它摆脱了传统车辆 的桥式传动结构,取消传动桥而将驱动元件直接置 于各车轮旁边。由于可以按需要独立分配各个车轮 的转矩和转速,可以获得更好的动力性能和操控性 能。不使用摩擦制动器,可以有效的解决目前长行程制 动发热造成的制动失效问题。1轮边驱动车辆的研究现状轮边驱动的技术最初应用于履带式车辆中,双 侧主动轮带动履带进行差速运动即可实现车辆转 向。由于液压马达具有出力大、功率密度大等特点,二次调节静液传动技术是在静液传动中使用具 有能量流转换功能的液压泵/马达(或称为二次元 件)并对其进行控制的技术。静液传
6、动中基于二次 调节静液传动技术的轮边驱动车辆由于能够配备液 压储能元件,可以将车辆制动时的动能转化为液压 能储存起来。当车辆加速或爬坡时由发动机与储能 元件共同提供峰值功率,因而可以减小发动机的功 率储备而选择较小功率的发动机,从而提高车辆的 动力性、燃油经济性并减少了能源浪费。用作驱动驱动元件大多为液压马达,为能够使用成本更加低廉的高速马达,一般集成减速器使用。由于履带式 车辆对复杂地形和土质的适应性强,目前世界各国 的主战装甲车辆和大功率拖拉机均采用这种驱动 方式。但是随着对车辆功能要求的不断增加、城市 路网和平坦场地应用环境的增加、当前世界军事局 势的要求以及轮式车辆相对履带车辆的低廉采
7、购 和维护费用,轮式车辆将逐渐成为未来特种车辆的1, 2元件的液压泵/马达具有四象限工作的特性,其制动一个重要发展方向。而轮边驱动车辆由于动力性强、操控性强、布局灵活,更适合作为目前军队3收稿日期:2008-10-25 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875054)。 作者简介:王昕(1979-),男,博士研究生.研究方向:流体传动及控制。E-mail:现代化所需的作战平台使用 。目前对轮边驱动的方案主要有三种研究方向: 纯机械结构、电马达驱动和液压驱动。机械式轮边精品论文驱动(四轮驱动)采用X结构传动系将动力分配到轮边减速器实现轮边驱动4,电马达和液压驱动则 将驱动元件集成于车轮中构
8、成“电动轮”或“液压 轮”。纯机械传动结构具有成熟的技术条件,是对传 统轴驱分动模式的极大改进,但其 X 结构增加了 传动级次,降低了效率,增加了传递长度造成重量 的增加,并且这种传动方案使车辆底盘布局空间受 到了极大的限制,尤其在驱动轮组多于 2 对时很难 实现。“电动轮”驱动可以方便的与电力能源进行匹配,符合目前清洁能源的发展趋势,因而广受关注 和研究。目前国内多家研究机构和高校正在对其关 键技术进行研究5-9,并且制造出样车,如上海交大 的春晖系列电动车等(如图 1)。但其驱动能力受到 电动机技术的限制。由于电动机功率密度较低,在 需要较大驱动力的条件下需要体积、质量非常大的 电动机,从
9、而使车轮接地性能急速恶化10, 11,因此 “电动轮”技术目前较适合应用于轻型车辆中12-14。图 1 春晖三号四轮驱动微型电动车及其电动轮悬架系统 Fig.1 ChunHui-III four-wheel-drive mini electric vehicle and its electric wheel suspension system液压轮边驱动技术具有液压元件功率密度大的特点,在产生相同转矩的条件下需要较低的质 量。液压驱动元件能够实现无级大范围变速,避免 了有级变速换档时对装载设备或货物的冲击。同时,液压元件在制动时刚度大,不需要额外的制动器,因而安全性更好。由于低速大扭矩液压马达
10、技 术以及高速马达配套减速器产品较为成熟,液压轮 边驱动被广泛的应用于重型低速运输工具中,如钢 厂、矿山和港口的大型搬运车辆(如图 2)、桥梁运 输机、大型客机牵引车(如图 3)等15-21。在低速 重载使用条件下所需解决的问题主要是在转向过 程中对各轮组转角的协调规划以避免行进中的车 轮卡死,以及大功率机械的节能问题22-27。图 2 钢厂用重型平板运输车Fig.2 Heavy platform vehicle in steel mill图 3 大型客机牵引车Fig.3 Air bus tractor二次调节静液传动技术的引入弥补了液压传 动系统效率相对机械传动较低的缺点,可以将车辆 或工程
11、机械负载荷工况下的能量进行回收和再生 利用,由此可以实现总的能源利用效率上高于机械 传动方案。在节能和性能成为未来汽车重要发展方 向的同时,基于二次调节静液传动技术的混合动力 技术也在向着高速车辆的方向进行延伸。国内外关 于串联、并联式液驱混合动力车辆的研究不断深 入,液驱混和动力车辆也成为美国环保署(EPA) 所支持的三大未来汽车发展技术之一28-30。国内对 基于二次调节的轮边驱动高速车辆目前研究较少, 而国外近年来的很多研究将其应用于速度较高的 城市或轻型越野车辆中,着重研究的内容为用于轮 边驱动的液压泵/马达元件、轮边驱动车辆操纵稳定 性、驱动轮的转速转矩控制、转向时的安全性等问 题3
12、1-36。美国密尔沃基工程学院的研究者们开发了小型的轮边驱动越野车37(如图 4)。另外文献36中 提出了一种采用液压变压器作为能量流控制元件 的基于二次调节技术的轮边驱动车辆模型,如图 5 所示。文献37中的小型越野车利用液压蓄能器和 液压泵/马达在车辆需要功率较低阶段将部分能量 存储起来,当车辆加速或爬坡时再进行释放以提供 峰值功率,这样能够有效的提高车辆的动力性能。 其不足是轮边驱动元件使用定量泵,并用比例阀对 其进行控制,系统效率较低。而文献36中采用液 压变压器、恒压变量泵与液压泵/马达这一方案能够 有效降低阀控液压系统中控制阀的节流损失问题, 是一种高效节能的传动系统。但液压变压器
13、目前仍 属于试验阶段,并无可以利用的产品,因此需要相 关产品和技术成熟后才能实现。图 4 美国密尔沃基工程学院研制的 Mini-Baja 小型越野车Fig.3 Mini-Baja car of Milwaukee School of Engineering图5 静液传动混合动力车辆 4x4 传动系Fig.4 Hydraulic hybrid 4x4 drive train2轮边驱动车辆的关键技术2.1 关键元件匹配采用二次调节静液传动技术能够将能量流进行逆转,对传统车辆系统中浪费的能量进行回收和再 利用,因而能够在一定程度上减少能量浪费。对关 键元件进行合理的选择和匹配能够使整体系统的效 率得
14、到进一步的提升。而整体效率能否高于传统车 辆系统是决定基于二次调节静液传动技术的轮边驱 动车辆是否具有存在价值的一个重要评价指标。2.2 驱动元件的控制对于轴驱式车辆传动系,主动轮的转速和专据 可以依靠差速器进行自动的调节和分配,被动轮则 不需要考虑这一问题。而对于轮边驱动车辆,由于 各车轮单独控制,且有可能不存在被动轮,因而对 任一车轮必须实现完全和实时的控制以保证车辆系 统能够按照控制目标进行动作。2.3 驱动轮的协调控制除了对单一车轮能否控制的问题,轮边驱动车 辆还必然涉及到各车轮能否协调工作的问题。当车 辆以较低速度运动,且轮组较多时(如平板运输车), 协调控制体现在控制各车轮的转角和
15、转速的协调, 以避免出现“卡死”而不能转向的状态。当车辆以 较高速度运动且轮组较少时(如 4X4 越野车),在 直线行进而地面附着系数不同的情况下要求各车轮 在保持相同转速的情况下输出不同的转矩,或在高 速转弯时使内外侧车轮输出不同转速并通过调节内 外侧车轮转据尽可能抵消车辆横摆力矩降低车辆侧 翻的危险,或是上述两种问题的组合都需要对驱动 轮进行协调控制。2.4 驱动元件的改进上述关键技术需要解决外,目前市场上液压泵/ 马达产品的转速可变范围较小,低转速时效率较低 等问题使其在作为轮边驱动车辆驱动元件时受到很 大限制。而采用多档位减速器方案会增加车轮质量, 造成车辆接地性能恶化以及降低传动效率
16、等问题。 因此需要研制具有更广调速范围,更低稳定速度的 液压泵/马达产品。3轮边驱动车辆关键元件匹配3.1 静液传动轮边车辆工作原理本文所提出的使用液压泵/马达的基于二次调 节静液传动技术的静液传动轮边驱动车辆模型如 图 6 所示。其主要元件为发动机、恒压变量泵、液 压蓄能器、液压泵/马达、轮边减速器。车辆正常行驶时,由发动机带动恒压变量泵工作。作为驱动元件的液压泵/马达作为马达工况工 作,通过轮边减速器根据车辆运行情况分配各车轮 的转速和转矩;当车辆减速制动时,液压泵/马达转化为泵工况,将液压油液以一定压力充入高压液压 蓄能器中,即将车轮和车身的动能转化为液压能存 储起来,同时亦对车轮产生相
17、应强度的制动转矩; 当车辆进行加速或爬坡时,液压泵/马达转变为马达 工况,蓄能器向回路中释放液压能,与恒压变量泵 共同驱动车轮运转,提供一段时间的峰值功率。由 于液压蓄能其具有极大的功率密度,它可以在较短 的制动时间内回收较多的制动能量,同时可以在较 短的时间内提供较高的峰值功率。发动机在绝大多 数时间内工作于经济工况,因此采取这种方案的车 辆可以选用较小的发动机或减小发动机的后备功 率而依靠再生能量弥补特殊工况所需的功率。传动系效率; v平均车速,km/h; G车辆总重,N; f轮胎滚动阻力系数; Cd风阻系数; A迎风面积,m2 。车辆匀速行驶速度的具体取值应根据所设计车 辆的匀速行驶性能
18、要求而定。同时,还应当加上附 件功率、1%2%的爬坡功率裕量和液压蓄能器主动 冲压功率裕量。综合考虑上述因素,巡航功率实际 是一个功率带。选择发动机时应保证这一功率带穿 越发动机万有特性图上经济性较好的区域。(2)轮边液压泵/马达选择轮边液压泵/马达作为唯一的驱动元件,其功率 选择应该满足整车启动、正常行驶、回收制动能量 等需要。在车辆启动时,由液压泵/马达驱动车辆在规定 的时间内达到一定速度以便发动机能够直接工作于 经济区域。车辆在良好路面上行驶时加速度可由下 式计算:dv = Ft Fw Ff(2)图 5 液压泵/马达轮边驱动 4x4 车辆配置模型Fig.6 Model of hydrau
19、lic pump/motor 4x4 wheel-drive vehicle为了使发动机能够工作在经济区域,并满足车辆在特殊工况下的功率需求,同时要提高能量的利 用效率,需要对车辆的关键元件进行匹配计算38-40。3.2 关键元件的选择准则静液传动轮边驱动车辆中关键元件的选取应遵 循以下原则:dt m式中Ft车辆行驶的驱动力,N;Fw车辆行驶的空气阻力,N; Ff车辆行驶的滚动阻力,N; 转动质量换算系数。twf式(2)经过整理可以得到车辆由起动加速到某 一车速 v 的加速时间表达式:(1)发动机选择t = 1v mdv(3)发动机功率的选型主要针对其功率进行。功率 偏大,车辆的燃油经济性和排
20、放性能就差;功率偏 小,后备功率就小,蓄能器只有提供更多的驱动功 率才能满足一定的车辆行驶性能要求,这势必引起 液压泵/马达排量和液压蓄能器容量取值的增大,增3.6 0 F F F在车辆正常行驶时,轮边液压泵/马达的总功率应能够满足车辆行驶所需。液压泵/马达的最小功率 应保证车辆以平均速度行驶,即3加车辆成本。液压蓄能器容量的增大会造成在车辆P=1C Av Gfv +d(4)s min上布置困难,车重增加,从而产生油耗的增加。由3600s 21.15 于车辆的发动机通常工作于平均行驶功率,因此可以由液压蓄能器提供峰值功率,其功率值的选择主 要应考虑车辆匀速行驶时的功率需求。速度和平路 匀速阻力
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