全驅平地機轉向限滑差速控制研究

李良周 劉光喜 白健信 李大尤

摘要：對全驅平地機在轉向時的限滑差速問題進行研究，提出解決措施：流量分配，負載傳感，壓力控制。給出流量自動分配及內外輪差速的原理、計算 公式及實現流程，并進行試驗，得出樣機試驗曲線與結論，為解決同類問題提供參考。

關鍵詞：平地機 全驅限滑差速

1引言

平地機是用途廣泛的土方作業機械，主要適用于公路、鐵路、機場、農田等大面積的地面平整和挖溝、刮坡、推土、松土、除雪等工作。平地機一般采用后輪動力輸出，當增加前輪動力輸出以后，整機的牽引力可以提升30%，并擁有更好的操控性能。傳統的液力傳動平地機動力傳動路線是：發動機→變矩器→變速箱→傳動軸→后橋→平衡箱→后輪。選配前輪動力輸出后，其動力傳動路線：發動機→液壓泵→液壓馬達→前輪。

現有平地機前輪輔助液壓驅動系統常采用一個驅動泵并聯兩個馬達組成的開式液壓系統，當左右輪胎的地面附著系數差異較大時，液壓油會更多地流向附著系數小的輪胎馬達，造成該輪胎滑轉，引起輪胎過早磨損，牽引力降低。

2 解決措施

2.1流量分配閥—轉向油缸組成聯動機構

1-液壓泵 2—組合閥 3—流量分配閥 5—拉桿 6—鋼絲軟軸 7—右轉向油缸 8—左轉向油缸 9—油箱 41—左行走馬達 42—右行走馬達

平地機前橋由橋架、拉桿、轉向關節、左右轉向油缸等部件組成。橋架、拉桿、轉向關節等零件形成向梯形機構。左右轉向油缸依次伸縮動作帶動轉向梯形機構變化，實現平地機的左轉彎或右轉彎。

如圖1所示，流量分配閥3有三個工作位置，處于上工作位時，進入左側馬達41的壓力油多于右行走馬達42；進入中間位置時，進入左側馬達41的壓力油等于右行走馬達42；處于下工作位時，進入左側馬達41的壓力油少于右行走馬達42。

將右轉向油缸7的活塞桿與流量分配閥3的閥芯通過鋼絲軟軸6、拉桿5實現聯動。平地機直線行駛時，通過鋼絲軟軸6將右轉向油缸7活塞桿與流量分配閥3連接在一起，標定右轉向油缸7活塞桿的位置使流量分配閥3閥芯的位置處于中位。平地機左轉彎，右轉向油缸7活塞桿伸出，流量分配閥3閥芯上移，閥芯置于下工作位，右行走馬達42獲得更多的壓力油，右側輪胎轉速更快；右轉彎時，情況相反。

這樣平地機轉向時，因內外輪的速度不同，該轉向流量調節機構會為左右馬達提供不同流量的壓力油，達到左右輪需要的轉速，實現平地機轉向時即差速又限滑，充分發揮前輪驅動能力。

2.2 前輪轉向角度測量——負載傳感液壓系統

2.2.1轉向梯形機構

圖2轉向示意圖

平地機的轉向示意如圖2所示，鉸點H處放置轉角傳感器，測出的角度就是角度α。

轉向梯形機構存在如下關系式：

cotα- cotβ=M/L（1）

式中α——右前輪轉向角；

β——左前輪轉向角；

M——前輪轉向節中心距；

L——前后軸軸距。

通過關系（1）得到

β=arc cot（cotα-M/L） （2）

通過圖2，可以得出：

R左=L/sinβ-e （3）

R右=L/sinα+e （4）

R后= L*cotβ+M/2（5）

式中e——前輪轉向節中心至輪胎的距離

R左——左前輪轉彎半徑

R右——右前輪轉彎半徑

R后——后橋中心轉彎半徑

平地機繞O點轉動，具有相同的角速度ω，從關系式（3）、（4）、（5）可以得到

V左=R左*ω=（L/sinβ-e）*ω（6）

V右=R右*ω=（L/sinβ+e）*ω（7）

V后=R后*ω=（ L*cotβ+M/2）*ω（8）

式中V左——左前輪速度

V右——右前輪速度

V后——后橋中心處整機速度

通過關系（8）得到

ω= V后/（ L*cotβ+M/2）（9）

將（9）代入（6）、（7）得到

V左= V后*（L/sinβ-e）/（L*cotβ+M/2）（10）

V右= V后*（L/sinβ+e）/（L*cotβ+M/2）（11）

1-液壓泵 2-組合閥 3-左前輪馬達 4-右前輪馬達 5-背壓閥 10-伺服柱塞 11-LS閥 20-左控制閥 21-壓力補償閥 22-梭閥 23-補油閥 24-主溢流閥 25-右控制閥 26-壓力補償閥 27-補油閥 28-背壓閥 29-自由輪閥

2.2.2 前輪驅動液壓系統

前輪驅動液壓系統采用負荷傳感液壓系統，如圖3所示。具體的原理如下：

1）前輪驅動工況：液壓泵1經壓力補償閥21、左控制閥20與左前輪馬達3連通，驅動左前輪馬達3轉動；同時液壓泵1經壓力補償閥26、右控制閥25與右前輪馬達4連通，驅動右前輪馬達4轉動。

通過壓力補償閥的調節，使左前輪馬達3、右前輪馬達4得到的流量只與左控制閥20、右控制閥25的閥開度有關，與左前輪馬達3、右前輪馬達4負載大小無關。

電磁鐵Y1控制左前輪馬達3前進，電磁鐵Y2控制左前輪馬達3后退。電磁鐵Y1、Y2的電流大小決定左控制閥20閥的開度，即左前輪馬達3行駛速度的大小。右前輪馬達4與左前輪馬達3相似。自由輪閥29得電，進入馬達3、4的液壓油從馬達3、4出口流出，經控制閥21、25，最后經過背壓閥28流回油箱。補油閥23、27在馬達3、4出現吸空超速時補充液壓油。

2）前輪自由輪工況，即前輪此時為從動輪：左前輪馬達3、右前輪馬達4都是內曲線徑向柱塞馬達。自由輪閥29不得電，左控制閥20和右控制閥25也不得電，外部油源的壓力油從S點進入左前輪馬達3、右前輪馬達4的殼體，將柱塞壓回到柱塞腔；與此同時左前輪馬達3、右前輪馬達4的進油口和出油口連通，并通過左控制閥20、右控制閥25和自由輪閥29與油箱連通，從而實現左前輪馬達3、右前輪馬達4的自由輪工況。

2.2.3 限滑差速控制

當前輪馬達通過壓力油后有如下關系式：

V前輪=2*π*R*n=2*π*R*Q/V（12）

式中V前輪——前輪輪胎的線速度

n——前輪馬達轉速

R——前輪滾動半徑

V——前輪馬達排量

Q——前輪馬達通過的流量

左控制閥20、右控制閥25上電磁鐵通過電流大小控制著進入前輪馬達的壓力油流量，也就是控制了前輪輪胎的速度大小。當左前輪速度、右前輪速度按照關系式（10）（11）給定時，平地機前輪就實現了轉向時的純滾動限滑差速行駛。

2.3 采用液壓系統壓力控制

2.3.1工作原理

圖4前輪驅動液壓系統由兩個相對獨立的液壓分系統組成，分別控制左前輪及右前輪的轉動，一側的輪胎負荷大小不對另一側產生影響。

在液壓分系統中，設定轉向時系統壓力，如工作壓力設定為P。平地機開始行駛，液壓系統工作壓力低于P時，控制器會增加液壓泵的排量，這樣液壓泵為系統提供更多的壓力油，系統壓力持續升高；當液壓系統工作壓力達到P時，液壓泵的排量就不再增加，排量保持不變，液壓系統壓力也不再升高。

平地機勻速行駛，系統壓力保持為P，液壓泵的排量保持恒定。

平地機減速行駛，系統壓力升高，超過P，液壓泵的排量減少。

平地機加速行駛，系統壓力降低，低于P，液壓泵的排量增加，直至壓力等于P。

2.3.2限滑差速試驗

圖5所示為一段平地機轉彎時的試驗數據曲線，可以看出：

平地機是繞著一個圓心做勻速轉動，左馬達轉速與右馬達轉速的數值及兩者的差值相對穩定。

左馬達和右馬達的系統壓力是獨立的，相互沒有影響。

壓力曲線前段，液壓傳動系統（前輪）變化速度慢于機械傳動系統（后輪），系統壓力快速下降；壓力曲線中段，液壓泵排量由小增大，系統壓力也逐漸增加，并在60bar附近波動；壓力曲線后段，因為地面附著條件的變化，左馬達壓力和右馬達壓力產生了較大差異。

圖5試驗數據曲線

四 結束語

本文針對全驅平地機在轉向時遇到的限滑及差速問題，提出三種解決方法，給出工作原理、計算公式及試驗數據曲線，可以有效增加平地機牽引力，減少輪胎過早磨損。本文章的工作可為解決同類問題提供參考。

參考文獻：

1、 何挺繼 筑路機械手冊[M]北京：人民交通出版社，2001.

2、 劉樺 中國筑養路機械設備手冊[M] 北京：人民交通出版社，2012.

3、 林濤 同步分流閥在全液壓平地機上的試驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2008 25（5）：52-54.

作者簡介：

1.李良周（1970-），男，籍貫：廣西桂平人，學歷：本科，職稱：高級工程師，研究方向：從事平地機總體開發設計工作。

2.劉光喜（1986-），男，籍貫：廣西河池人，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：從事平地機液壓系統設計工作。

3.白健信（1983-），男，籍貫：廣西南寧人，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：從事平地機液壓系統設計工作。

4.李大尤（1989-），男，籍貫：廣西欽州人，學歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：從事平地機液壓系統設計工作。