前桥摆转转向式液压四驱底盘的转向控制研究

吴　钢，李志伟，刘皞春，张　静，周士琳，王　涛

(华南农业大学 工程学院，广州　510642)

0　引言

华南农业大学工程学院研制的前桥摆转转向式液压四驱底盘[1-3]，转向是通过利用换向阀切断转向内侧马达供油，使得转向内侧轮子停止不转，转向外侧轮子继续转动，从而带动前桥的摆转实现转向。该底盘具有转向灵活、转向半径小等优点，但其在高速行驶时(≥15km/h)存在转向不平顺、最小控制转向角度较大的问题[4]。本文提出采用行走轮驱动马达的背压变化使驱动轮减速的方式，控制其高速行驶时的转向。同时，设计出液压控制系统，并对样机进行转向性能试验，研究提高前桥摆转转向式液压四驱底盘在行走过程中的平顺性。

1　转向控制系统设计

前桥摆转转向方式是通过其转向内侧轮子停止转动、转向外侧轮子继续转动，继而带动前桥的摆转实现转向。在高速转向时，换向阀切断转向内侧马达供油，转向内侧流量为零，轮子停止转向；转向外侧流量突然增加，轮子转速加快。底盘在连续转向时，由于马达流量的变化迅速，产生较强的液压冲击，转向摆动较大，不利于底盘的平顺性和稳定性，因此需要对前桥摆转转向加以改进。

笔者在原有的前桥摆转的转向方式基础上，在前轮液压转向的回路两侧分别加装一个溢流阀，利用行走轮驱动马达的背压变化来减速驱动轮实现前进时的转向，其液压转向原理如图1所示。

在直线行驶时，阀6的阀芯位于右位，阀9的阀芯和阀5的阀芯均位于左位。当底盘在运输或者路面高速行驶时，利用溢流阀来控制前桥的微转向。前桥需要向左侧微转向时，向溢流阀2施加压力，此时左侧回路的液压马达流量会随着压力的增大而减小，左侧的车轮转速也会降低；底盘由于惯性力，在施加溢流阀压力的瞬间前桥转向轴的速度不变，惯性力带动右侧车轮继续转动，左侧液压马达减小的流量流向右侧液压马达，底盘在前桥的带动下向左侧微转向。同理，向右侧微转向也是如此。后轮转向控制是由于底盘的4个液压马达并联，前轮转向的马达流量变化使得与转向内侧同侧的液压马达流量也减小、与转向外侧同侧的液压马达流量也增加而导致的转向。

当底盘需要在田间转向或者大角度转向时，其前进和后退的转向方式是切断转向内侧供油，保持转向外侧供油的转向方式[5]。

2　液压转向控制系统的仿真研究

2.1　仿真模型的建立

利用AMESim软件对前轮加装溢流阀，利用行走轮驱动马达的背压变化来减速驱动轮实现前进时的转向原理进行仿真，验证背压控制前桥转向的可行性。

根据计算所求的数据，利用AMESim软件[6]建立液压仿真模型，仿真原理图如图2所示。

图2　液压转向控制系统仿真模型

2.2　仿真模型参数数据的计算

2.2.1底盘行走阻力

底盘在平路行驶过程中主要受到车轮与地面之间的滚动摩擦力和空气阻力。由于底盘行驶速度较低，因此空气阻力可以忽略不计[7]。水泥路面滚动阻力系数取0.02，整机质量500kg，则行走阻力为

Ff=f·G=0.02×500×9.8=98N

2.2.2驱动液压马达的参数

液压马达最大启动扭矩为底盘在斜坡上的启动扭矩，底盘在正常启动和行驶时牵引力主要是克服滚动阻力和重力的分力。爬坡能力为20%时，坡度角度为11.3°，代入数据求得牵引力和扭矩为

F牵=Ftmax=f·G+GX=1056N

Mmmax=Ftmax·r=1056×0.4=442.4N·m

液压马达的最大排量为

式中Mmmax—液压马达最大负载扭矩(N·m)；

Δp—马达进出口压差，取Δp=10MPa；

ηm—液压马达机械效率，取ηm=0.9。

代入上式，求得最大排量为286.65mL/r。

根据设计要求，底盘的最高行驶速度应为20km/h，则最大行驶速度时液压马达流量为

式中nmmax—最大排量时马达的转速(r/min)；

ηmv—液压马达容积效率，取ηmv=0.95。

代入数据，求得流量为41.16L/min。

2.2.3液压泵的参数

液压泵的最大工作压力取决于液压马达的最大工作压力。其最大工作压力满足公式要求，即

pp≥(Δpm+∑Δps)

式中PP—液压泵的工作压力(MPa)；

ΔPm—液压马达的最大工作压力(MPa)；

∑ΔPs—系统油管的总损失压力，取∑ΔPs=2MPa。

液压泵的最大流量qpmax由液压马达的最大流量决定，因此有

qpmax=K·qmmax

式中K—系统泄露系数，取K=1.1。

由于采用双联泵，PTO在不作业时可以输出动力，因此在最大行驶速度时采用双泵两驱模式。代入数据，求得液压泵流量为45.27L/min。

液压泵的排量为

其中，np为液压泵的额定转速。本文初选CBG系定量齿轮泵，其额定转速为2 000r/min；ηpv为液压泵的容积效率，取ηpv=0.91。

将数据代入，求得排量为24.88mL/r。

2.3　仿真及结果分析

溢流阀的控制信号分为两段，0～5s设定为0,5～30s设定0～200，采样周期为0.1s。将以上元件计算参数代入各个元件模型中，运行AMESim软件，仿真结果如图3～图5所示。

由图4和图5可以看出：0～5s，底盘正常行驶，5～10s时前轮左侧液压马达的流量从16.71L/min慢慢减为0，前轮右侧马达的流量从16.7L/min开始上升为21.72Lmin；同时，前轮左侧马达的转速从53.68r/min慢慢减为0，前轮右侧马达的转速从53.68r/min上升为69.88r/min，底盘两前轮形成速度差，底盘向转速低一侧转向。仿真试验结果表明：背压减速驱动轮控制底盘转向方案可行，随着背压的越来越大，转向内侧的液压马达转速越来越低，转向外侧的马达转速越来越高，底盘的转向半径也越来越小。

图3　背压随时间的变化

图4　背压对驱动轮液压马达流量的影响

图5　背压对驱动轮转速的影响

3　底盘转向性能试验

3.1　试验目的

为了验证利用行走轮驱动马达的背压变化来减速驱动轮实现最小转向角度控制的转向方式的可行性，对样机进行了现场转向性能试验。

3.2　试验设备与方案

1)试验设备：深圳雷诺CHPM460便携式液压测试设备1套，宏基笔记本1台，轨迹显示装置，皮卷尺，样机。

2)试验方案：在不同的试验条件下，测试前轮两侧马达的流量、压力的变化情况，同时测定此情况下底盘转向半径的大小。具体分以下几种：单泵两驱、单泵四驱、双泵两驱和双泵四驱。测量半径的具体方法为：在转向内侧的前轮安装行走轨迹显示装置，当底盘在不同的条件下以一定的半径行驶时，启动行驶轨迹显示装置。通过显示装置，可以使得底盘在行驶过程中的轨迹显示在路面，待底盘行走至1圈时，通过皮卷尺测量此情况下底盘转向半径的大小。通过雷诺测试仪，测出不同情况下前轮两侧马达的流量和压力的变化样机现场试验如图6所示。

图6　样机现场试验图

3.3　试验结果及分析

根据雷诺测得数据，试验结果如图7～图9所示。

图7　背压1对液压马达流量和压力的影响

由图7可以看出：底盘从225s时开始启动，刚启动时有一定的压力，在很短的时间内，底盘就稳定下来；此时，溢流阀施加一定的压力，取值区间为225～247s；左前马达回油路压力平均值约为1.83MPa，右前马达回油路压力平均值为1.89MPa，两侧回油压差为0.06MPa。通过实际测量，测得底盘的转向半径为2.51m。

图8　背压2对液压马达流量和压力的影响

由图8可以看出：底盘从第3s开始启动，此时对溢流阀施加一定的压力，取值区间为3～30s；测得左前马达回油路压力平均值约为2.21MPa，右前马达回油路压力平均值为2.32MPa，两侧回油压差为0.09MPa。通过实际测量，测得底盘的转向半径为1.99m。

图9　背压3对液压马达流量和压力的影响

由图9可以看出：底盘从第3s开始启动，此时对溢流阀施加一定的压力，取值区间为4～20s；测得左前马达回油路压力平均值约为1.75MPa，右前马达回油路压力平均值为1.89MPa，两侧回油压差为0.14MPa。通过实际测量，测得底盘的转向半径为0.625m。

为了方便分析，将4种情况的压力差与转向半径的变化生成曲线如图10所示。

由图10可知：在4种不同背压情况下，当前轮回油路两侧压力差越来越大时，底盘的转向半径越来越小，同时可以通过溢流阀将压力差控制为定值，此时底盘可以一定的半径进行转向，实现底盘的连续转向；当压力差较小时，底盘会发生较小角度的偏转，实现了小角度转向，在高速时可以保证底盘行驶平稳，转向平顺。

图10　前轮液压马达两侧压差对转向半径的影响

3.4　讨论

通过对AMESim软件的仿真分析和样机现场试验结果对比分析可知，利用行走轮驱动马达的背压变化来减速驱动轮控制转向可行。底盘行驶过程中，通过向前轮两侧回油路的溢流阀施加压力来增加行走轮的背压，使得转向内侧的液压马达流量减小，轮子转速减慢，转向外侧的液压马达流量增加，轮子转速增加，前桥由于惯性力带动底盘向内侧转向。

4　结论

对试验样机进行了仿真分析和现场试验，结果表明：通过控制背压大小，底盘会以不同的半径进行转向；背压越大，转向半径越小，且由背压导致的两侧回油压差范围在0～0.5MPa之间，转向半径由无限大到原地转向。通过手动施加溢流阀压力，调整背压大小，可以实现底盘平顺在高速行驶时平顺转向，也可以控制底盘转向半径的大小。