分布驱动铰接车辆差动辅助液压转向控制研究

发布时间：2020-03-23 19:53

【摘要】：铰接式工程车辆是一种适宜在恶劣天气、全地形路面及狭小空间条件下-工作的工程机械设备,在诸如:矿山道路、建筑工地、林间作业、农田作业等场合得到了广泛应用。分布驱动铰接式工程车辆,各轮配备轮边电机,整车在独立驱动及稳定行驶等方面具有显著的优势,是未来铰接车的发展方向。现有分布驱动铰接车辆大多采用全液压的转向方式,其通过前后车体之间的转向油缸及铰接体的耦合作用改变折腰角度,完成转向过程。但由于整车的大载重特点,同时,受转向液压系统的回油背压及油液可压缩特性的影响,车体转向过程存在着油压等级较高、转向能量利用率较低及运动稳定性较差的问题,不利于提高整车的转向经济性、操纵稳定性及行驶安全性。因此,为解决上述问题,本文利用分布驱动铰接车各轮可独立控制的特点,通过控制其前后车体两侧车轮的输出力大小,形成差动转向力矩,辅助液压转向系统完成车体转向过程,提高铰接车转向性能。本文立足于讨论差动转向与液压转向的耦合机制、多轮驱动力协调分配控制方法、及整车差动转向稳定性控制方法等,为分布驱动铰接车高效智能化转向驱动控制方式的研究提供理论技术支持。通过分析铰接车液压转向过程的基本理论,提出了基于最小能量原理的整车姿态解析方法,并建立了包括液压转向系统在内的整车非线性动力学模型;利用MALAB/Simulink软件建立了其模块化的仿真模型;以35t铰接车为试验车,设计了包括满载/空载双移线、空载稳态转向的整车实车试验;通过试验与仿真数据对比分析,验证了仿真模型的正确性。基于仿真模型及整车试验数据,定量分析了铰接车转向过程中转向液压系统的油压特性及有效转向油压比重,总结并补充分析了整车行驶稳定性影响因素;讨论了通过降低转向系统输入油压来改善整车转向性能的方法,研究了降低输入油压时,整车存在的不足转向特性及响应滞后的问题,并提出了利用差动转向方式弥补上述问题的方法;同时,结合差动转向基本原理,分析了分布驱动铰接车液压转向与差动转向耦合控制的可行性。针对分布驱动铰接车液压转向过程中,转向能量利用率较低及转向系统油压等级较高的问题,提出了差动辅助液压转向方式。通过对整车液压转向与差动转向的解耦分析,设计了差动辅助液压转向控制策略;研究了整车驱动力分配及基于滑膜算法的车轮防滑控制方法;同时,以原地差动辅助液压转向为参考,结合轮边电机驱动力限制,分析了整车差动辅助转向能力:并对其运动转向过程的差动辅助效果进行了仿真分析。结果显示,差动辅助液压转向方式可在不改变整车原转向过程的基础上,降低转向液压系统油压45%,提高能量利用率10%～15%。为进一步提高分布驱动铰接车转向能量利用率、降低转向系统油压等级,提出了独立差动转向控制方式。以差动辅助液压转向的研究为参考,简化转向系统结构,省去了转向油泵及蓄能器等部件,提出了基于连通性转向器结构的分布驱动铰接车独立差动转向控制方式(本文简称CSU);同时,进一步简化系统结构,利用电磁阀代替了CSU的转向器部件,提出了基于连通性转向缸结构的分布驱动铰接车独立差动转向控制方式(本文简称CSC);设计了相应的控制策略,并进行了转向效果的仿真分析。结果显示:良好的路面条件下,在不改变原转向过程的基础上,CSU及CSC可比液压转向方式的能量利用率分别提高20%～30%及30%～50%,整车转向节能优化效果明显。针对分布驱动铰接车转向稳定性较差的问题,提出了基于MPC算法的差动转向稳定性控制方法,设计了稳定性控制器;定量分析了其转向过程及稳态行驶时的稳定性问题;研究了铰接车线性二自由度参考模型,并进行了稳定性控制效果仿真验证。结果显示:差动转向稳定性控制器可将整车转向响应过程的稳定性时间缩短30%～50%,降低外界干扰时的车体振荡幅值30%～55%,减小其振荡周期20%～45%;且CSC及CSU控制下的整车稳定性效果较液压转向系统的稳定性效果提高25%～30%。
【图文】：

示意图,铰接车,同轴,油泵

分布驱动铰接车辆差动辅助液压转向控制研宄向信号到转向器，并以此控制来自驱动油泵的高压油液的循环过位于铰接体两侧的转向油缸动作，推动前后车体产生一定的折腰转向。根据油液循环控制方式的不同，可将液压转向系统分为：［３４］、负荷传感型［１５］、同轴流量放大型等。以铰接车同轴流量放大向系统为例，系统结构示意图如图１＿２所示，，分析其结构可以看括１－转向油箱、２－油泵、３－蓄能器、４－转向器、５－计量马达（属于６－安全阀、７－回油过滤器、８／９－转向油缸等。图中Ａ／Ｂ／ＨＰ／ＨＯ为转其中Ａ邋口与左转向缸有杆腔与右转向缸无杆腔（下文分别简称左有杆腔）相连；Ｂ邋口与左转向缸无杆腔与右转向缸有杆腔（下文分别腔与右有杆腔）相连；ＨＰ及Ｈ０分别与油泵及回油过滤器相连。逡逑＂＂＂

摇杆,铰接车,多自由度

逦分布驱动铰接车辆差动辅助液压转向控制研宄逦逡逑Ｐａｚ00ｋｉＡＪ３６】，ＨｅＹＪ４９］，等将液压转向系统简化弹簧阻尼元件，通过整车转向逡逑分析，建立了铰接车整车动力学模型，并进行了稳定性分析，其中ＰａｚｏｏｋｉＡ．逡逑文献研宄中的液压转向系统及建模结构如图１－４所示；ＡｚａｄＮ．ｌＪ５０＇５２』利用拉逡逑格朗日方法建立了多自由度铰接车模型，分析了液压转向系统影响下车体坡逡逑度行驶或过障过程中的稳定性问题；其三，Ｙｉｎ邋Ｙ．［？５５］在分析铰接车转向过逡逑程的基础上，建立了液压转向系统模型，分析了方向盘转向角度与油缸作用逡逑力之间的关系，并建立了铰接车多自由度整车模型，有助于优化转向系统的逡逑设计与控制器开发，其研宄的液压转向系统结构如图１－５所示。逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U463.4;TU603

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