輪式機械液壓行走系統底盤驅動方式研究

摘要：對于輪式機械，因其工作特點均采用四輪驅動，車輛底盤四輪驅動的液壓行走驅動系統主要有中央驅動和輪邊獨立驅動。本文通過對兩種典型行走驅動系統的分析研究，并以0.5立方小型地下鏟運機為例在Automation studio中建立仿真模型，模擬分析兩種行走驅動系統的運行情況，通過對比分析得出：輪邊驅動方式效率更高，適應性更強。

關鍵詞：輪式機械；液壓行走系統；底盤驅動方式

中圖分類號： TU621 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）10（b）-0000-00

1中央驅動方式

中央驅動方式沒有對車輛結構進行較大的改變，保留了原有傳動橋等，只是用液壓泵和馬達替代了變矩器。可以通過液壓泵和馬達的調速實現無級變速，輸出轉速和扭矩范圍更寬，發動機功率利用率相對提高。

其又分為單橋和雙橋：1）單橋驅動方式，通過變量液壓泵輸出方向和輸出流量的調節，對車輛的速度、換向和制動進行控制。檔位變換通過變速箱進行機械換擋。系統可以通過比例控制和手動伺服變量控制液壓變量泵的輸出，有效降低外界負載對車輛的影響，提高車輛行駛穩定性。2）雙橋驅動方式，雙橋驅動方式與單橋驅動相比結構要相對復雜。雙橋驅動通過變速箱同時驅動前后橋，要求比單橋驅動更大變速范圍，因此一般選擇變量泵——變量馬達變速調速回路，速度范圍較大，配合機械換擋，有效提高車輛性能。能夠滿足復雜工況的作業要求，適合牽引力大以及外界載荷變化較大車輛。

2輪邊獨立驅動方式

車輪獨立驅動直接通過輪邊馬達驅動車輪，由變量泵控制馬達實現速度變化。隨著體積和重量更小的液壓馬達的問世，甚至直接插裝式的液壓馬達及相應輪邊減速器的發展，輪邊獨立驅動的應用前景更加廣闊。

根據馬達安裝和管路連接的不同，大致又可分為三種情況：1）四輪對稱驅動，前后橋分別獨立驅動，便于發揮車輛牽引性能。但是，由于增加了液壓元器件數量，系統的故障環節會相應增多。2）四輪非對稱驅動，所謂非對稱驅動方式，就是由于地面狀況變化，使前后橋驅動在行駛過程中所受阻力不同，造成前后橋載荷分布不均勻，進而使馬達排量發生變化，四個輪邊馬達的排量不相等。3）馬達串、并聯驅動方式，利用車輛一側的兩個液壓馬達構成串并聯回路，通過串并聯回路的變換實現車輛變速的目的。在變量泵輸出流量一定的情況下，串聯時馬達輸入流量相當于并聯式馬達輸入流量的一倍。因此，在不高于額定轉速的情況下，串聯時馬達的輸出轉速是并聯時馬達輸出轉速的一倍。如圖1所示，為加裝了單向溢流閥的馬達串并聯驅動回路。由于兩側回路相同，為了簡便，只給出一側的液壓回路。

圖1單溢流閥組成的串并聯驅動回路

由以上分析可知，兩馬達構成并聯回路時，車輛在低速檔位工作。當變換到串聯回路時，車輛在高速檔位工作，此時，兩馬達互相影響，會形成差速鎖功能。但是這種回路功率利用率低，容易使車輪的加速磨損，。

解決上述問題的措施是：在前后馬達之間加裝一個單項溢流閥，起到調節油路的作用。當車輛差速轉向時，流量Q會不斷變化，轉向的方向決定補油或是排油。此外，轉向還跟變量泵對內側和外側的馬達調速有關。這種驅動方式對車輛性能的提升很大，能夠使車輛適應復雜的作業工況。

3兩種驅動方式對比分析

對兩種驅動方式采用Automation Studio軟件進行仿真分析，并以0.5立方小型地下鏟運機為實例進行參數設置。

圖2 0.5立方小型鏟運機中央驅動液壓行走系統原理圖

如圖2所示，中央驅動液壓行走系統中，變量泵與補油泵隨發動機一起轉動，補油泵對系統供油，用以維持主回路壓力，同時為控制系統和執行機構提供壓力油，補充油液損失。補油泵輸出的液壓油，經單向閥，進入低壓油路，另一側在高壓作用下關閉。高壓安全閥，當壓力高于一定值時，使變量泵柱塞沖程變小。壓力限制器傳感器如同安全閥閥芯，起先導控制作用。旁通閥的作用是：某些情況下，使液壓油不經泵，直接流回殼體，減少功率損耗。高壓油液通過三位三通換向閥、一個梭形閥和一個低壓溢流閥進入變量馬達伺服缸（柱塞），通過改變馬達斜盤的傾斜角度，實現變量調速。

圖3 0.5立方小型鏟運機輪邊驅動行走系統液壓原理圖

如圖3所示，輪邊驅動液壓行走系統中，兩個變量泵分別驅動兩側定量馬達，變量泵和馬達構成的兩個獨立的液壓回路。補油泵輸出的液壓油，用以維持主回路壓力，為控制系統和執行機構提供壓力油，補充油液損失。經一側單向閥，進入低壓油路，另一側在高壓作用下關閉。

馬達和泵采用串并聯形式，使車輛具有高低速兩個檔位。在一檔位工作時，所有馬達以并聯的形式工作，保證扭矩輸出，可用于作業工況。當換到二檔位時，前后側的馬達是串聯的形式，使馬達輸出轉速變大，可用于行駛工況。

通過兩個方案對比可以發現，中央驅動方式只是用液壓泵和馬達回路代替了液力變矩器，保留驅動橋等原有基本結構，車輛的平衡方式、轉向控制、差速等均保持不變，整車性能和牽引特性沒有質的改變。但是在采用變量泵—變量馬達回路后，通過容積調速，能夠得到較寬的轉矩和轉速范圍，發動機的功率利用率得到提升。

輪邊驅動方式是用液壓泵和馬達取代變速箱、驅動橋等結構，縮短了傳遞路徑。由于液壓泵和馬達通過管路連接，不需像剛性連接時要考慮傳遞方向和空間結構，所以在設計和安裝時，可以根據需要調整車輛結構布置，用以滿足車輛性能要求。

結論：輪邊驅動方式不但能實現中央驅動方式車輛的性能指標，且具有更大的適應性，提升車輛性能。可以不需要單獨的轉向液壓系統，其通過兩側獨立液壓回路的調速差，進行差速轉向。

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