靜液壓驅動車輛下坡速度控制策略研究

閆飛 張吉勝 李利民

摘 要：通過分析靜液壓驅動車輛驅動輪在下坡工況的簡化模型，結合發動機實時制動力矩，以單泵單馬達的靜液壓驅動回路為例，分析靜液壓驅動車輛發動機超速的成因與危害，進而通過提出一種輔助制動方式以及相應的控制策略，實現了更大域內的速度控制，減小了風險。

關鍵詞：靜液壓驅動;發動機制動;超速;輔助制動

0??? 引言

當前，靜液壓驅動回路已廣泛應用于工程機械、農業機械、平板運輸車、履帶式步戰車等重型裝備。以單泵單馬達回路為例，其一般原理示意如圖1所示。

該類型車輛在下坡工況中，尤其是重載陡下坡時，由于拖轉力矩易使發動機超速，增加速度控制的難度，這就需要在傳動系統上增加一個輔助制動力矩，并配合相應控制策略，從而實現更大域內的速度控制，從而減小風險。

1??? 發動機超速的成因與危害

1.1??? 發動機超速的產生機理

車輛以速度V在與水平成α角的路面勻速行駛，在質心O處對車輛重力mg進行力分解，產生沿坡面平行方向的牽引力Fx：Fx=mgsin α;與坡面垂直的分力Fy：Fy=mgcos α，如圖2（a）所示。

簡化模型，將質量重心O置于驅動輪驅動半徑邊緣位置，如圖2（b）所示。

計車輛與路面摩擦系數為u，則重力分力產生牽引阻力Ff：Ff =mgucos α;驅動輪驅動半徑計為r，則由牽引阻力Ff產生阻力矩Mf：Mf =mgurcos α;由牽引力Fx產生牽引力矩Mt：Mt=mgrsin α。

簡化驅動輪模型，以其幾何中心為參考點，對驅動輪進行受力分析，如圖2（c）所示：Me0+Mf =Mt，其中Me0為輪邊馬達產生的阻轉扭矩。

由此可知，在此過程中液壓馬達與閉式泵功能互換。

現以單泵單馬達回路為例（圖1），設定發動機在某一轉速、車輛的某一檔位下，閉式泵排量為p1，液壓馬達排量為p2，馬達與泵的容積效率、機械效率均忽略不計，則可得出此時馬達兩側壓差為ΔP：ΔP=Me0/（p2×I1），那么此時閉式泵輸出扭矩MO：MO=ΔP×p1;閉式泵對發動機產生拖轉力矩Me：Me=MO×I2=ΔP×p1×I2，方向與發動機旋向保持一致。

注：輪邊傳動機構速比為I1，閉式泵與發動機輸出軸間速比為I2。

發動機制動是一種成本較低、使用可靠的輔助制動方法，主要有發動機排氣制動和發動機緩速器制動兩種[1]，文中主要考慮發動機緩速器制動。發動機緩速器制動又叫發動機減壓輔助制動，其本質是利用發動機的倒拖消耗車輛的動能，是發動機的一種特殊工況[2]。

圖3示意性地給出了發動機轉速We及其轉動所產生的制動力矩Te之間的關系，該數值的大小隨著發動機轉速的升高而增加。發動機的制動力矩可以通過線性方程近似表達為：Te=C1×We+C2，方向與發動機旋向相反。

注：C1、C2為常數。

由圖4可知：

（1）當Me

（2）當Me=Te時，發動機輸出轉速保持不變;

（3）當Me>Te時，發動機輸出轉速增加，超速產生。

1.2??? 應對超速的手段局限

當前該類型車輛多采用帶檔怠速下坡的方式，此時，Me必須小于Te，否則發動機將超速，導致車輛加速下坡。為保證速度可控，道路坡度及行車速度將被強行限制在較小的范圍內，極大地降低了車輛的使用效率。為此，該類型重型車輛下長坡時多采用邊行車邊制動的方式，以使車速可控。但相比于乘用車來說，重型車輛的重量非常大，導致制動器溫升過高，制動器的熱衰退性也會導致車輛制動系統失效[3]。在車輛運行過程中，正確選用制動方式，及時準確地進行制動，不僅可以控制車速避免事故，還可以提高車輛的平均運動速度，充分發揮其機動性能[2]。

2??? 輔助制動原理及控制策略

2.1??? 輔助制動原理簡述

結合超速成因的分析，通過在車輛下坡過程中采用增加輔助制動的方式，可以有效提高車輛使用效率并顯著降低剎車失效的風險。以單泵單馬達回路為例，其原理示意如圖5所示。

（1）控制器根據檔位控制機構的實時檔位信息確認車輛處于前進還是后退狀態。

（2）此時靜液壓驅動回路中的檢測元件將相應油路壓力數值分別記為P1、P2，并傳送至控制器。

（3）控制器通過比對P1與P2數值的大小確定車輛是否處于下坡狀態（暫定：前進檔位狀態下，ΔP=（P1-P2）>0時，車輛下坡）。

（4）車輛當前行進速度V的確定：控制器通過采集到安裝在液壓馬達輸出軸上的轉速檢測元件檢測到的轉速N，結合傳動機構的速比I1，驅動輪運動周長L，經處理即可得到車輛實時行進速度V（V=N×I1×L）。

（5）確認車輛處于下坡狀態后，控制器根據閉式泵的實時排量數值p1，與ΔP相乘，即可得到拖轉力矩Tf：Tf =p1×ΔP。

（6）控制器通過扭矩檢測元件與轉速檢測元件分別得到發動機的實時輸出扭矩T1、轉速N及在此轉速下發動機可提供的最大阻力矩Te。

注：發動機在閉式泵拖轉工況時，其輸出扭矩T1可為正（即與其輸出軸旋向一致），亦可為負（即與其輸出軸旋向相反），且為負值時不得大于Te。

（7）控制器通過處理以上信息，計算得出緩速器所需產生的阻力矩TX：TX=T1+Tf，并將其對應控制信號發送到緩速器，直至車速穩定。

（8）車輛下坡速度的實時調整有兩種方法：1）駕駛員通過切換檔位控制，控制器接收到檔位指令后相應地調節液壓馬達的排量，進而實現對車輛實時速度V的調整;2）駕駛員通過改變油門踏板的開度，直接改變發動機的輸出轉速與扭矩，控制器將從扭矩檢測元件與轉速檢測元件處檢測到的數值，根據相應關系直接調整閉式泵的實時排量p1，進而實現對車輛實時速度V的調整。