高速车辆静液压驱动课件

高速车辆静液压传动,胡 军 科 教授,机电工程学院 2008年9月,08-32捣固车静液压传动系统,静液压传动军用越野车,08-32捣固车静液压传动系统,；,08-32捣固车静液压传动行走系统,1,分析现有08-32捣固车行走传动系统的结构原理及特点，通过试验分析其设计中的不足之处。提出并论证静液压传动方式是08-32捣固车行走传动系统的最佳选择,2,08-32捣固车行走液压传动系统总体设计,3,08-32捣固车动力性计算分析,4,08-32捣固车加速策略及液压元件排量控制模式研究,5,08-32捣固车加速过程仿真研究及实验,；,1,08-32捣固车现有行走传动系统分析,现有传动方式,存在的主要问题,；,1.1,走行系统传动方式分类,1,纯机械传动,2,液力机械传动,3,静液压传动,4,电力传动,1. 纯机械传动,结构简单、成本低、效率较高,采用有级变速需要频繁换挡以满足车辆动力性要求，劳动强度 大，很容易造成驾驶员疲劳，从而降低了行驶安全性,很难保证发动机始终处于最佳动力性或最佳经济性工作状态，还 存在换挡时的动力中断问题，严重制约了车辆性能的提高,；,2. 液力机械传动,具有接近于双曲线的输出扭矩-转速特性，能够自动匹配负 荷，并防止动力传动装置过载,液力变矩器可以消除速度死驱，减轻传动系的扭转振动,换挡减少，操纵简单，大大减轻了驾驶员的劳动强度,变矩器的功率密度很大而负荷应力却较低，大批量生产时成本 也不高,传动效率低，缺乏固定速比，不能准确调速,3. 电力传动,在能源、环保、节能和降噪方面具有明显优越性,能够更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术,能量通过柔性的电线传输，布置具有很大的灵活性, 可以大幅度 地提高车辆的机动性和通过性,结构简单,不需更换机油、油泵、汽化器以及消声装置等等,不需 添加冷却水,它的日常维修保养方便,功率密度小，在恶劣环境下的不安全以及体积、重量和集中冷却等,4.静液压传动,单位功率的重量轻，力矩惯量比（力质量比）大）,负载刚度大，精度高,液压控制系统快速性好 ，响应快,液压系统易于实现过载保护，容易实出远距离遥控,液压装置能在大范围内实现无级调速，还可以在运行的过程中进 行控制,；,2,08-32捣固车行走传动系统的总体设计,驱动方式,液压驱动回路结构,驱动装置,液压控制装置,液压原理图,；,2.1,08-32捣固车性能参数分析,；,对于大型养路机械等轨道车辆，采用液力 传动时，启动能量损失大，变速、制动、换向过 程长，对于需频繁进退作业的大型养路机械来 说，生产率降低比较明显，缺乏固定速比，不能 准确调速，不能保证作业行驶速度的稳定.,液压传动与液力传动比较,转矩双向传递,操纵和控制的多样性,传动性能与效率优势明显,2.2,08-32捣固车驱动方式选择,；,液压传动与电力传动比较,单位功率重量轻、体积小,低速、制动性能好,环境适应能力强,技术成熟度高,另外，对于大型养路机械而言，虽然可采用电力传动方式，而由于技术的原因，这类养路机械中，凡是直线或弧线运动机构均由液压传动系统驱动，故若只能采用一种传动方式无疑液压传动更为适合。,；,轨道车辆轮边驱动方式,闭式液压系统回路,1.开式液压和闭式液压系统,2. 闭式液压基本组成与工作原理,2.3,液压驱动回路结构,；,1）补油系统除具有补油功能以外，还能增加主泵进油口处压力，防止大流量时产生气蚀，提高泵的工作转速和传动装置的功率密度。,2）补油泵通常还可用于对主泵和马达进行冷却，提高泵的使用寿命,3）仅有少量的补油流量从油箱吸取，油箱小，便于行走车辆布置。,4）由于存在背压且对称工作，以及柱塞式液泵、马达具有很高的容积效率，其内部泄漏随压力变化很小，因而转数高，速度变化稳，噪声小。,3.闭式系统优点,2.4 驱动装置,1. 液压泵的选用与组成方式,1）斜盘式轴向柱塞泵,2）双泵合流的结构原理,双泵合流结构原理图,2.液压马达的选用与组成方式,1）轴向柱塞马达,2）双液压马达减速驱动装置,多马达减速驱动装置,；,2.5,液压底盘车辆加速的理论基础,车辆动力学,；,液压流体理论,08-32捣固车采用的发动机为恒转速工作，发动机起动后 、 均为常数。故确定车辆加速模式的关键在于找出 随时间变化的函数，保证车辆加速过程中流量始终匹配的 同时，使液压马达的输出扭矩尽可能大。,2.6,液压控制装置原理分析,1.变量泵控制装置,1）机械液压伺服控制装置,2）电动比例控制装置,A4VG泵EP控制原理图,2.变量马达的控制方式,1）高压自动变量,2）电动比例变量,A6VM马达HA控制原理图,HA2变量控制特性,；,08-32捣固车行走传动系统液压回路,；,2.7,08-32捣固车加速控制模式,电动比例泵与HA1高压自动变量马达控制模式,电动比例泵与HA2高压自动变量马达控制模式,电动比例泵与电动比例马达控制模式,三种加速控制模式的比较选择,通过实验比较，制定出了由电动比例控制液压泵、HA2高压自动变量液压马达和电动比例控制液压泵、电动比例控制液压马达两种方案，实现车辆恒功率加速的排量控制模式，同时验证了HA高压自动变量液压马达的HA2型较HA1型更有利于车辆加速。,；,泵排量与控制电流的关系,；,HA1与HA2变量控制特性,；,3,08-32捣固车液压行走系统仿真模型,1电动机；2电比例泵；3控制电流信号；4功率限制单元； 5补油泵；6单向阀；7补油溢流阀；8液压变量马达； 9HA2控制特性实现单元；10车轴减速器；11负载。 08-32捣固车液压行走系统仿真模型,；,3.1,仿真结果及分析,；,；,4,静液压传动行走系统的加速实验,实验台整体结构图,；,飞轮盘转速与加速时间实验数据图,；,电动比例泵与电动比例马达的控制模式加速性能,第一阶段加速：发动机由固定油门起动，其设定工作转速为2100r/min，带动零排量液压泵工作。此时逐渐增大液压泵的排量，一旦系统中有油液输入，系统将建立起压力，且由于外负载作用将瞬间达到系统的设定最高压力40Mpa，故液压马达依照HA1的控制特性将工作在最大排量，液压马达输出最大的驱动扭矩。所以第一阶段就是让液压泵的排量按一线性模式增加，直到液压泵的所需输入扭矩与发动机额定工况的输出扭矩平衡，发动机达到额定功率输出工况，第一阶段加速完成。此阶段液压系统始终维持40Mpa的最高压力，液压马达的驱动扭矩维持最大值，车辆加速度最大。,；,第二阶段加速：为使控制模式简洁，此阶段我们考虑液压马达仍设定在最大排量不变，液压泵的排量逐渐增至最大。通过合理设定液压泵的排量变化模式来维持发动机的额定功率输出。由于传动函数的复杂多变，在此我们仍用采样拟合的方法来获得所求液压泵排量控制函数。,；,第三阶段加速：通过第二阶段的加速液压泵的输出流量已经达到最大，车辆进一步加速只能逐渐减少液压马达的排量。故此阶段是通过合理设定液压马达的排量变化模式来维持发动机的额定功率输出，此时液压系统的工作压力是稳定不变的。在此仍用采样拟合的方法来获得所求液压马达排量控制函数。,；,；,静液压传动军用越野车,静液压传动军用越野车,工程车辆使用静液压驱动,工程车辆系统的个组成部分发动机、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。在机械无机调节不能奏效的情况下，寻求一种高效、可控性强、线性、成本及可靠性适宜的传动方式是必然的途径。 经过数十年的发展，到近年来，液压传动已具备上述全部的特征，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他方法相比均有着很大的优势。,1,；,1.1,军用越野车的发展趋势,1,越野车的动力源将广泛采用大功率增压柴油发动机，可以提高车辆的最高车速和加速性和续驶里程等动力指标，同时柴油发动机具有较高的经济性，这也是目前世界汽车发展的大趋势。,2,越野车多数采用先进的独立悬挂系统，以改善成员的舒适性；先进的电子技术和计算机控制技术使得ABS/ASR系统、自动化轮胎中央冲放气系统、电液后桥转向系统以及状态检测与故障诊断系统以及先进的全球定位系统等在越野车上将会得到普遍的运用，进一步提升其机动性能、操控性能和越野性能。,3,伴随着材料技术日新月异的发展，军用轻型越野车将会越来越多地采用质量轻、强度高的高性能新材料，以降低越野车重量，同时也有利于为其装备必要的装甲防护。,4,最为明显的一种趋势是越野车采用的变速器越来越朝着高档位变速方向发展。从最初的BJ-210的四档手动变速器到后来的北京“勇士”吉普的五档手动变速器，再到最新研制成功的东风“猛士”的五档手动变速器以及四档液力自动变速器。从目前的车市上看，大量的六档变速器在汽车上的运用已经屡见不鲜了，一汽“奔腾”、长安马自达6等中高档车上都采用了六档手自一体变速器。山西大同齿轮集团更是率先设计出了DC7J100T七挡变速器。,结合车辆传动特性曲线图也可看出档位数越多，阴影部分面积越小，车辆的传动功率损失小。,长期以来国内外学者大都坚持这样一种观点：静液压传动技术只适用于低速的行走机械上，至于高速行走的车辆静液压传动被认为是不可取的。他们的观点是高速车辆采用静液压传动会使车辆行驶时的噪音很大，传动效率较机械或者液力传动低，而且静液压传动始终存在漏油和发热问题等等。也正是由于长期以来学术界的这样一种观点使得静液压传动技术只是在低速行驶的工程机械上得到普遍运用，而在高速行驶的车辆上却未有很大的进展。静液压传动技术在高速行驶车辆上同样具有适应性；同时静液压传动技术比机械传动和液力传动技术在军用轻型越野车上能使其具有更优异的机动性能。,静液压传动技术在高速行驶（80Km/h)车辆上同样具有适应性。,1,静液压传动技术比机械传动和液力传动技术在军用越野车上能使其具有更优异的机动性能。,2,；,1.2,各传动型式在军用越野车上的应用可能,无级变速是人们一直追求的目标，它的优越性能被认为是车辆理想的传动形式，它可以根据行驶状态和发动机工作状态使车辆达到最佳的行驶性能,1,机械传动中的无级变速器（Continuously Variable Transmission 简称CVT）可以有效地解决有级变速器存在的一些问题，尽管经过多年的研究，机械CVT得到了长足的发展，但是摩擦式CVT由于其特定的摩擦机理和制造的高成本，使得其向大功率、高效率方向的发展空间是及其有限的，只适用于小排量车辆上，目前摩擦式机械无级变速器在1.21.6L 排量的日系轿车上使用比较多；而脉动式CVT存在的脉动度大，连杆运动时的惯性力难以完全平衡，超越离合器的承载能力和抗冲击能力相对较低等制约因素，导致其机械效率不高、振动大、噪音大等缺点，目前主要应用于中小功率、中低速以及对输出转动的均匀性要求不十分严格的场合，而不适用于军用越野车。,2,电传动存在着一些诸如功率密度小，在恶劣环境下的不安全以及体积、重量和集中冷却等技术方面和经济性方面的一些原因，电传动技术方兴未艾，对大多数行走机械来说还只是一种“未来的技术”。特别是由于电传动一次充电的续驶里程比较短，远远达不到燃油车的水平，而军用越野车将在未来战场上执行长时间长距离的作战任务，电传动势必将缩短越野车运输和作战的半径。,3,液力传动最大的弱点是传动效率低，一般只有80%左右。世界各国的生产厂家都在为提高传动效率而努力，并开发出大量的液力机械变矩器，但都结构复杂、造价昂贵、传动效率还是不高。另外由于必须带有改变传动比和输出轴扭矩的机械变速器，上述纯机械传动和液力传动的核心部分原则上都是一种整体式的装置，其输入、输出轴之间必须保持一定的相对位置，在整机上的安装位置受到较大的限制，故液力传动越野车的越野性能很难进一步提高。,4,液压传动相对与液力传动的优点可概括为:挡位少、可实现多种传动方式、有动刹车能力节约能源、换向方便、司机劳动强度小、高效区宽、变矩比大并可任意变换转速转矩、加速性好、低速性好等。 根据现有发展趋势，未来汽车将越来越向高档位方向发展，六档、七档变速箱甚至更高档将普遍运用于汽车领域，从某种程度上也可以说未来汽车将向无级变速方向发展。而目前研制出来的大部分是机械无级变速器，由于其特定的无级变速机理，使得它无法广泛运用于汽车领域，特别是对于大功率汽车更不合适。而液力传动虽然能够在其变矩比范围内实现无级变速，但由于其变矩比范围太小，必须搭配机械变速箱，因此不能实现真正意义上的无级变速。电传动虽具备无级变速等优良的性能，但要在汽车领域真正普遍运用还尚需时日。静液压传动经过多年的发展，其技术水平已经达到了汽车领域所要求的高度，特别是其优异的无级变速能力，更将是其在汽车领域得到发展的根本保证。,1.系统发热量大、油温高的问题 系统发热量大、油温高一直是闭式液压系统的难以解决的问题。本论文在设计液压系统原理时采取了以下措施： （1）在闭式液压泵自带冲洗阀进行壳体冲洗的同时，采用了大流量的冲洗阀进行回路冲洗，有效地散热； （2）由于泄油口处油温较高，对泄油口进行冷却效果更加明显； （3）加大补油泵的流量，也就加大了系统冲洗油流量，能起到较好的冷却作用。,1.2,高速越野车静液压传动系统的关键技术,2、高速行驶时泵的比例电磁铁突然掉电的问题 军用越野车是高速行驶的车辆，一旦电比例泵电磁铁掉电，在对中弹簧的作用下变量伺服阀将回到中位，液压泵的排量很快减小为零，此时马达变成了泵工况，将会对液压系统造成很大的损坏甚至使系统瘫痪，在高速行驶时的突然掉电很有可能造成行车事故，这也是目前静液压车辆无法实现高速的一个重要原因。本论文在系统设计时在回路的A、B口中间增设了一个行走控制单元。 行走控制单元3的两端与回路的A、B口连接，将电磁铁YV3与液压泵的比例变量电磁铁YV1和YV2电气互锁。当系统正常工作时，电磁铁YV3的工作位如图所示。此时，梭阀引入A、B口中的高压油，使插装阀关闭，A、B口互不相通。一旦比例泵电磁铁YV1或YV2掉电时，YV3断开，插装阀的控制油口通油箱，插装阀开启，液压马达A、B口连通，由于插装阀流量比较大，油流可以在插装阀和马达之间构成回路，故可以有效地避免系统反拖柴油机现象发生，同时也有效地保护了系统。,3、HA马达控制变量的问题 HA自动变量马达有两种控制方式，分别为HA1和HA2控制，输出特性分别如前所述 比较二者的特性图可以知道，HA1马达排量变化区间内系统压力变化量为1MPa，而HA2马达为10MPa。轻型越野车在恶劣的战场环境下负载变化非常大，系统压力变化很快，HA1变量马达因系统压力变化很快超过1MPa，而导致马达排量过快变化，出现车速急剧变化甚至失控，使得系统很容易发生故障。而HA2马达由于排量变化区间系统压力变化量有10MPa，一般系统压力变化不会在很短暂的时间内超过这个值，而避免出现类似用HA1马达时车速失控的问题。目前静液压传动车辆由于速度较低，大都采用HA1控制变量马达，而忽视了HA2马达的存在，错误的认为静液压传动车辆不能实现高速。,4、四轮不同时着地导致的瞬时失速问题 越野车在高速行驶时，由于路面等因素造成某个驱动轮离地，此时这个驱动轮因突然没有了地面摩擦阻力而高速旋转，系统的流量大部分甚至全部流进这一回路的马达，其他回路上的流量大大减少甚至为零，导致车辆失速。很显然这种情况是高速车辆必须避免的，故在系统设计时，本论文在左右两侧马达上分别设置了一个分流阀6。根据分流阀的特性，当某侧的一个马达离地时，同侧的另一个马达仍旧有相同于离地车轮马达相同的流量通过，从而有效地避免了瞬时失速状况的发生。,5、空档滑行和拖启动的问题 高速车辆一般都需要具备空档滑行功能。在车辆本身发生故障导致不能行驶时，需要借助外力移动车辆，此时如果没有空档滑行的功能，外力将很难移动车辆。静液压传动的越野车同样也要具备空档滑行的功能。当出现车辆不能行驶故障时，通过行走控制单元7系统的A口和B口沟通，油流就可以在马达和插装阀之间流动，从而可以借助外力实现空档滑行功能。同时，当越野车柴油机不能正常启动而需要拖启动时，YV3接通，系统流量在泵和马达之间组成回路，此时只要给泵一个电信号使其具有排量输出，就可能顺利地拖启动柴油机。,1 四轮独立轮边对称驱动 2 闭式回路传动 3 电比例泵+HA2马达,2.1 静液压传动越野车总体方案的确定,2.1.1 四轮独立轮边对称驱动,越野车辆采用液压四轮传动技术具有如下优点,（1）整机布局灵活，轮边驱动的车轮之间无须传统的传动桥，驱动轮可以直接安装在车架的两侧，更便于以模块的方式在两轮之间省出的空间中灵活布置动力装置（液压传动马达、减速器）。 （2）提高转向和制动性能：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。液压轮边驱动的导向轮可以获得很大的转向偏角，从而使车辆转向半径显著减小。通过减速器上的停车制动器或行车制动器有效制动。 （3）提高越野性能：轮边驱动可以显著提高车辆底盘的离地间隙，便于优化轮载分布，这些都有力于改善车辆在越野条件下的通过性和牵引性能，对于军用越野车辆来说显得尤为重要。这是相对于传统的机械液压传动最大的优点之一。 （4）简化多轮传动车辆的传动系统：传统的纯机械传动或液力传动要为多轮传动的行走装置布置大量的传动轴、分动器和装备十分繁琐的轮间、桥间机械差速系统。而采用轮边液压传动系统则仅需用液压管道连接各个车轮马达。在许多情况下，需要传动的车轮越多，采用轮边液压传动技术的优越性就越明显。,1、变量闭式泵；2、变量马达；3、安全阀；4、单向阀； 5、补油泵；6、补油溢流阀；7、冲洗阀,2.1.2闭式回路传动,电比例泵和HA高压自动变量马达的行驶传动控制方案在满足柴油机、泵和马达的良好匹配下，在车辆启动加速阶段，可以通过控制柴油机油门和泵的排量来实现快速平稳地加速，使静液压传动的车辆具有相对于传统液力机械传动更大的优势。在车辆加速到高速平稳行驶阶段后，路面状况的变化就可以通过高压自动变量的马达自适应负载的变化，当车辆行驶阻力增加时，马达排量增大，车速降低；当行驶阻力下降时，马达排量减小，车速升高。,2.1.3 电比例泵+HA2马达,2.2 静液压传动越野车的主要参数,传动系统主参数,A4VG180EP2闭式变量泵,A6VM55HA2变量马达,道依茨226B系列132Kw柴油机,车身主要参数,整车空载质量： 3250 Kg 整车满载质量： 5000 Kg 长宽高： 470022002420mm 车轮滚动半径：0.45m,2.4 静液压传动越野车性能校核,2.4.1 最高车速 力士乐A6VM马达资料显示，A6VM55马达允许的最高持续转速为7000rpm。越野车能到达的最高车速为： 此速度已经高于国产东风猛士越野车135Km/h的车速。,2.4.2 爬坡能力 最大驱动力：,30度坡度时的阻力：,最大驱动力大于坡道阻力，能轻松克服30度的坡度。,最大驱动力小于附着力，越野车不打滑。,附着力：,2.4.3 传动效率 根据论文第三章关于越野车加速性能的计算可得，当越野车在30148Km/h速度行驶时，马达的排量处于0.281倍最大排量，且马达排量越小时，车速越高，就避免出现马达在小排量低转速工作，效率较高。 系统高压力只处于越野车最初起步阶段，不会对系统的寿命产生很大的影响。在正常车速下行驶时，系统压力一直处于中压区，效率较高。 泵的排量也处于中高排量区间，效率较高。 闭式传动也保证了效率。,2.4.4 加速性能校核详见第三章,3.1 静液压驱动加速过程分析,根据HA2马达输出特性图，结合柴油机的原理分析，对整个加速过程计算划分为三个阶段。,1、第一阶段，柴油机启动加速阶段 2、第二阶段，柴油机恒功率输出，电比例泵变量，HA2马达排量不变阶段 3、第三阶段，柴油机恒功率输出，电比例泵变量，HA2马达排量变量阶段,3.2、第一阶段加速过程计算,3.2.1、柴油机的外特性曲线,3.2.2、柴油机怠速转速处加速时间计算,柴油机在这一转速处，扭矩从零增大到此转速处的最大值，只要柴油机有输出扭矩，系统压力理论上可以达到最大压力值。,3.2.3、柴油机900rpm到2500rpm额定转速阶段加 速时间计算,为使越野车0100Km/h能获得最短的加速时间,需要柴油机以最快的速度达到额定功率输出，这一点不同于其他传动方式车辆的加速。限制柴油机不能很短时间加速到额定功率的原因，主要是柴油机自身在加速过程中要消耗大量的能量。故本文从能量的角度对这一区段加速进行计算。,对柴油机从900rpm到2500rpm每隔100rpm分段，加速每一段柴油机的转速线性增加。根据柴油机外特性曲线图拟合出功率随时间的变化方程，在结合能量计算方程， 分段计算出了每段的加速时间，总时间为1.024s, 故柴油机第一阶段加速总时间为1.024+0.264=1.288s,3.3、第二和第三阶段加速计算分析,由于静液压传动车辆加速过程中，不仅要满足车辆动力学原理，同时还要满足系统流量匹配原理。对第二和第三阶段的加速过程进行仔细分析后，决定采用分段采样的方法，最大限度地满足车辆动力学和系统流量匹配的原则。,根据整个系统压力、泵排量、马达排量、车速、加速度之间相互的函数关系式， 得到最终决定系统变化的主要参数是泵的排量。根据每个阶段加速结束时的状态，可以求得各变量的具体数值。对这两个阶段泵的排量进行分段采样，利用MATLAB计算工具对这两个阶段的加速过程进行了定量计算，得出了后面的结果图。,3.3.1、第二阶段加速结果,速度随时间变化图,加速度随时间变化图,泵排量随时间变化图,从图中可以看出第三阶段加速时间为0.62s,3.3.2、第三阶段加速结果,速度随时间变化图,加速度随时间变化图,泵排量随时间变化图,从图中可以看出第三阶段加速时间为14.6s，从而得出0100Km/h总计算时间为16.368s。,4.1 AMESim软件建模仿真,1、液压泵模型的创建,2、液压马达模型的创建,3、静液压传动越野车走行系统模型的创建,4、简化后的液压走行系统模型,4.2 AMESim仿真结果分析,从仿真结果图可以看出，车辆加速时间的计算和 理论分析计算比较接近。虽然存在一定的误差， 但压力变化和速度变化仿真结果与理论分析相仿。,5 越野车加速性能实验研究,5.1 实验目的 验证柴油机在空载的情况下，从怠速状态到额定转速状态所需的最短时间，即本文关于越野车第一阶段加速过程计算的合理性。 2. 检测静液压传动系统加速过程中飞轮的转速以及系统压力的变化，以获得静液压传动车辆加速的特点。,5.2 实验内容,本文研究的静液压传动军用越野车为一项创新性研究，目前国内还