曾小華， 崔 臣， 張軒銘， 宋大鳳， 李立鑫

(汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué))，長(zhǎng)春 130025)

重型牽引車(chē)輛在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起到非常重要的作用[1]，其行駛工況復(fù)雜，傳統(tǒng)后軸驅(qū)動(dòng)牽引車(chē)在低附著路面上易出現(xiàn)打滑，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足，通過(guò)性降低. 現(xiàn)有機(jī)械全輪驅(qū)動(dòng)方案雖然能提高車(chē)輛在壞路面上的通過(guò)性[2-3]，但大大降低了傳動(dòng)效率和牽引效率，燃油經(jīng)濟(jì)性較差，而且機(jī)械式全驅(qū)系統(tǒng)重量大，降低了使用效益[4]. 在液壓輔助驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，歐美、日本的學(xué)者提出用液壓泵從動(dòng)力源提取動(dòng)力，經(jīng)液壓回路由液壓馬達(dá)輔助前輪驅(qū)動(dòng)的方案[5-8]，該系統(tǒng)可以有效改善汽車(chē)在沙地、雪地等低附著路面的通過(guò)性[9]. 液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品也已出現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上. 2009年，MAN公司推出HydroDrive靜液前橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[10-11]；雷諾公司2010年推出OptiTrack動(dòng)力系統(tǒng)[12]；博世公司在2012年漢諾威車(chē)展中展出液力牽引輔助系統(tǒng)[13]. 2012年,吉林大學(xué)提出了一種液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[14]，從仿真層面驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力性和通過(guò)性的提升，但控制策略沒(méi)有考慮工程應(yīng)用，相對(duì)復(fù)雜，也沒(méi)有進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證.

液壓輪轂馬達(dá)前輪輔助驅(qū)動(dòng)技術(shù)在不改變?cè)妆P(pán)的前提下，通過(guò)在前軸增加泵、閥組及馬達(dá)等液壓元件，使車(chē)輛具有分時(shí)全驅(qū)功能，液壓系統(tǒng)可適時(shí)介入與退出，在不同路況下始終保持較好的動(dòng)力性與通過(guò)性，同時(shí)提升系統(tǒng)效率[15]. 該系統(tǒng)還具有增加成本少，液壓元件體積小,容易布置等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景[16].

本文在國(guó)內(nèi)某款重型牽引車(chē)上加裝液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)實(shí)用化控制策略并在實(shí)車(chē)上驗(yàn)證. 為實(shí)現(xiàn)液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,促進(jìn)液壓混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展提供實(shí)踐指導(dǎo).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)樣車(chē)平臺(tái)

加裝液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)樣車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 取力器一端與發(fā)動(dòng)機(jī)取力口連接，另一端通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸連接到液壓泵，提供液驅(qū)系統(tǒng)所需的動(dòng)力；輪轂馬達(dá)安裝在前輪輪轂內(nèi)，與液壓泵組件以及閥組構(gòu)成閉式回路，通過(guò)閥組控制回路的通斷和工作狀態(tài). 在不同擋位下，通過(guò)調(diào)節(jié)主泵排量使液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作[17].

液壓系統(tǒng)原理如圖2所示. 液壓系統(tǒng)由液壓泵組件、控制閥組、輪轂馬達(dá)等部分組成. 系統(tǒng)中采用斜盤(pán)式柱塞變量泵，通過(guò)給定比例電磁閥V1、V2控制信號(hào)，調(diào)整斜盤(pán)開(kāi)度，進(jìn)而控制泵的排量[18]；閥組中兩個(gè)控制閥CVL、CVR分別控制自由輪閥FVL、FVR的閥芯位置，實(shí)現(xiàn)輪轂馬達(dá)的介入與退出[19]；旁通閥BPV實(shí)現(xiàn)主油路旁通；開(kāi)關(guān)閥EHV1、EHV2用于蓄能器開(kāi)關(guān)控制，EHV3、EHV4實(shí)現(xiàn)開(kāi)式回路與閉式回路切換.

圖1 液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖2 液壓系統(tǒng)原理

輪轂馬達(dá)的選取要求與重型車(chē)輛在壞路面上速度低、扭矩大的工況需求相適應(yīng). 本系統(tǒng)選取的馬達(dá)為徑向柱塞式輪轂馬達(dá)，不僅具有高負(fù)載力、高效率及低慣性的特點(diǎn)，同時(shí)也具有極低速能力和良好的反向特性.

基于上述前輪液壓輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)了液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)樣車(chē). 系統(tǒng)中液壓傳動(dòng)控制器和車(chē)輛上的其他控制器與上位機(jī)通過(guò)CAN總線連接，液壓傳動(dòng)控制器和整車(chē)控制器作為下位機(jī)分別采集系統(tǒng)中液壓傳感器以及手剎開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出控制指令，并向上位機(jī)發(fā)送傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)等，上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示和測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).

2 系統(tǒng)工作模式及控制策略

針對(duì)液壓輪轂馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將其工作模式劃分為6種：自由輪模式、前進(jìn)蠕行模式、后退蠕行模式、前進(jìn)助力模式、后退助力模式以及旁通模式.

1)自由輪模式. 當(dāng)車(chē)輛在良好路面條件下行駛時(shí)，整車(chē)通過(guò)后軸驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)不提供助力. 液壓泵的排量輸出為0，整車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)與傳統(tǒng)車(chē)輛相同.

2)蠕行模式. 在平坦路面需要短距離平緩移動(dòng)車(chē)輛時(shí)，可通過(guò)前輪輪轂馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力，系統(tǒng)處于前進(jìn)或后退蠕行模式. 此時(shí)變速器處于空擋，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)與后軸的動(dòng)力傳遞. 液壓泵的輸出排量由蠕行操縱手柄的開(kāi)度決定，整車(chē)僅依靠前輪液壓輪轂馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行駛.

3) 助力模式. 當(dāng)車(chē)輛遇到低附著路面驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)打滑時(shí)，前輪和后輪共同輸出驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)系統(tǒng)處于前進(jìn)或后退助力模式. 助力控制的基本思想是使前輪輪速跟隨后輪輪速，控制對(duì)象是液壓泵的排量[20]. 根據(jù)輪速跟隨目標(biāo)，輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速應(yīng)與后輪轉(zhuǎn)速相同，即

ωr=Ne/(ig·i0)=ωf=Nm.

(1)

式中：ωr、ωf、Ne、Nm分別為后輪轉(zhuǎn)速、前輪轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輪轂馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；ig、i0分別為變速器與驅(qū)動(dòng)橋速比.

變量泵通過(guò)取力器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，其轉(zhuǎn)速為

Np=Ne/iPTO.

(2)

式中iPTO為取力器速比.

根據(jù)液壓泵與輪轂馬達(dá)的流量連續(xù)性原理，忽略泵和馬達(dá)的容積損失，可得

Lp=2Lm=2Nm·Vm.

(3)

式中：Lp、Lm分別為變量泵和單個(gè)輪轂馬達(dá)的流量，L/min；Vm為輪轂馬達(dá)的排量，L/r.

根據(jù)式(1)～(3)可得泵的排量和斜盤(pán)開(kāi)度：

Vp=Lp/Np=2Nm·Vm·iPTO/Ne，

(4)

式中：Vp、Vpmax分別為變量泵排量和最大排量，L/r；α為變量泵斜盤(pán)開(kāi)度.

由式(4)可知，由于i0、iPTO、Vm、Vpmax均為常量，所以變量泵的斜盤(pán)開(kāi)度α與擋位一一對(duì)應(yīng).

4) 旁通模式. 當(dāng)系統(tǒng)在前進(jìn)助力模式下?lián)Q擋時(shí)，應(yīng)短時(shí)切斷液壓回路中前進(jìn)油路的壓力，此時(shí)系統(tǒng)處于旁通模式. 系統(tǒng)各工作模式下的電磁閥工作狀態(tài)如表1所示.

表1 控制閥信號(hào)組合與系統(tǒng)工作模式對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.1 Correspondence between control valve signal combination and system operation mode

模式VS1VS3VS4自由輪模式000助力模式110蠕行模式111旁通模式111

在控制策略模型中各模式用代號(hào)來(lái)表示，如表2所示.

表2 控制策略中定義的系統(tǒng)工作模式

各工作模式間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示. 圖3中各序號(hào)對(duì)應(yīng)的模式切換條件分別是：

①手剎松開(kāi)，整車(chē)狀態(tài)正常(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速怠速以上、 油溫低于90 ℃、液壓油高度符合要求)，按下助力開(kāi)關(guān)，擋位不在空擋； ②手剎未松開(kāi)，或液壓系統(tǒng)功能不正常，或再次按下助力開(kāi)關(guān)(退出助力)，或擋位高于6擋，或持續(xù)制動(dòng)5 s以上； ③手剎未松開(kāi)，或液壓系統(tǒng)功能不正常，或關(guān)閉蠕行開(kāi)關(guān) ，或離合器分離；④手剎松開(kāi)，整車(chē)狀態(tài)正常，按下蠕行開(kāi)關(guān)，處于空擋狀態(tài)；⑤有倒擋信號(hào)；⑥無(wú)倒擋信號(hào)；⑦離合器踩下或制動(dòng)時(shí)間<5 s；⑧無(wú)制動(dòng)，無(wú)離合器動(dòng)作，擋位不在空擋；⑨蠕行手柄信號(hào)為負(fù)；⑩蠕行手柄信號(hào)為正.

圖3 工作模式間轉(zhuǎn)換關(guān)系

系統(tǒng)的模式切換需要控制算法能夠準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員的操作意圖和整車(chē)工作狀態(tài). 算法中對(duì)駕駛員操作意圖的識(shí)別需要在大量的實(shí)車(chē)試驗(yàn)中進(jìn)行標(biāo)定，如序號(hào)②、⑦中的制動(dòng)時(shí)間即為其中的一個(gè)標(biāo)定量.

控制算法的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括信號(hào)層、控制層和執(zhí)行層.

圖4 控制算法結(jié)構(gòu)

信號(hào)層首先對(duì)從CAN線及硬線上采集到的整車(chē)和駕駛員相關(guān)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)、濾波、有效性判別等處理，然后進(jìn)行整車(chē)狀態(tài)和駕駛員操作意圖的識(shí)別. 整車(chē)狀態(tài)的識(shí)別包括發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)、液壓系統(tǒng)狀態(tài)以及車(chē)輛行駛狀態(tài)，該部分主要依靠轉(zhuǎn)速、壓力、車(chē)速等傳感器的信號(hào)進(jìn)行. 駕駛意圖的識(shí)別依靠離合器、手剎、制動(dòng)器、蠕行手柄等部件的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行，包括蠕行判斷、助力判斷以及擋位判斷.

蠕行開(kāi)關(guān)和助力開(kāi)關(guān)信號(hào)均為數(shù)字量，常態(tài)均為“1”，開(kāi)關(guān)按下為“0”(低端使能)；與蠕行開(kāi)關(guān)不同的是，助力開(kāi)關(guān)為復(fù)位開(kāi)關(guān)，因此控制策略中采集助力開(kāi)關(guān)信號(hào)的下降沿，結(jié)合手剎信號(hào)判斷助力開(kāi)關(guān)信號(hào)是否有效并記錄有效次數(shù)，然后根據(jù)有效次數(shù)的奇偶性判斷是否開(kāi)啟助力，如圖5所示.

圖5 助力狀態(tài)判斷

整車(chē)的擋位信號(hào)是控制策略中重要的狀態(tài)量，試驗(yàn)樣車(chē)在原傳統(tǒng)車(chē)上加裝液壓輔助系統(tǒng)，原車(chē)配置手動(dòng)變速器，無(wú)法輸出擋位信號(hào)，因此需要對(duì)擋位進(jìn)行合理估計(jì). 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱輸出端轉(zhuǎn)速的比值得到傳動(dòng)比，然后通過(guò)查表法映射到對(duì)應(yīng)的擋位. 實(shí)際過(guò)程中，換擋前后車(chē)速幾乎不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，且離合器完全接合后才認(rèn)為換擋成功，基于此建立的擋位判斷模塊如圖6所示. 由于兩轉(zhuǎn)速實(shí)際信號(hào)有較大的波動(dòng)，因此使用前需要合理濾波.

圖6 擋位判斷

控制層首先根據(jù)駕駛員操作意圖和車(chē)輛的工作狀態(tài)進(jìn)行軟件層面的模式切換，然后進(jìn)入不同的模式下進(jìn)行相應(yīng)控制，包括計(jì)算各電磁閥的目標(biāo)狀態(tài)、變量泵的目標(biāo)排量等.

執(zhí)行層響應(yīng)控制層的指令，控制閥組和液壓泵的排量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，各電磁閥根據(jù)指令作動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓回路的切換，完成硬件層面的模式切換，同時(shí)變量泵響應(yīng)目標(biāo)排量，實(shí)現(xiàn)輪速跟隨.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 前進(jìn)蠕行模式

實(shí)車(chē)試驗(yàn)均在水平良好路面進(jìn)行，初始擋位為一擋. 圖7～8為前進(jìn)蠕行模式下的試驗(yàn)曲線，擋位保持空擋，松開(kāi)手剎，在5 s左右按下蠕行開(kāi)關(guān)，緩慢推動(dòng)蠕行手柄至正向最大位置. 此時(shí)系統(tǒng)由自由輪模式切換到前進(jìn)蠕行模式. 試驗(yàn)曲線表明，系統(tǒng)模式響應(yīng)正常，變量泵的反饋排量隨蠕行手柄的增大而增大，進(jìn)油口壓力響應(yīng)正常，出油口壓力維持在較低的穩(wěn)定值.

圖7 前進(jìn)蠕行模式輸入及響應(yīng)

圖8 前進(jìn)蠕行模式系統(tǒng)壓力

3.2 后退蠕行模式

圖9和10為后退蠕行的試驗(yàn)曲線，駕駛員在3 s左右按下蠕行開(kāi)關(guān)，在6 s左右反向推動(dòng)蠕行手柄并逐漸增加移動(dòng)量，車(chē)輛由前進(jìn)蠕行進(jìn)入后退蠕行模式.

3.3 前進(jìn)助力模式和旁通模式

圖11和12為前進(jìn)助力和旁通模式的試驗(yàn)曲線，系統(tǒng)在23 s左右由自由輪模式進(jìn)入助力模式，然后從1擋逐次上升到6擋，在擋位切換時(shí)，進(jìn)油口壓力幾乎不存在超調(diào)現(xiàn)象，并且隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率增加而增加.

圖9 后退蠕行模式輸入及響應(yīng)

圖10 后退蠕行模式系統(tǒng)壓力

圖11 前進(jìn)助力和旁通模式擋位識(shí)別

圖12 前進(jìn)助力和旁通模式系統(tǒng)壓力

如圖11所示，踩下離合器換擋過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入旁通模式，液壓控制單元能正確識(shí)別擋位及離合器信息，此時(shí)泵出油口泄油，進(jìn)油口壓力降低至與出油口壓力相同，如圖12所示.

3.4 后退助力模式

后退助力模式測(cè)試曲線如圖13所示，系統(tǒng)在10 s左右由自由輪模式進(jìn)入后退助力模式，控制策略能正常識(shí)別倒擋信號(hào)并進(jìn)行模式切換. 由于倒車(chē)車(chē)速低且變化不大，后退助力模式下采用了泵排量為定值的控制方式，穩(wěn)定后，斜盤(pán)開(kāi)度基本不變，驗(yàn)證了算法的有效性.

圖13 后退助力模式系統(tǒng)響應(yīng)

從車(chē)輛由前進(jìn)蠕行進(jìn)入后退蠕行模式的試驗(yàn)曲線(圖10)，以及系統(tǒng)在進(jìn)入后退助力時(shí)的試驗(yàn)曲線(圖13)可以看出，系統(tǒng)前進(jìn)油路壓力有較大超調(diào). 兩超調(diào)均出現(xiàn)在由前進(jìn)切換至倒車(chē)的情況下，液壓輪轂馬達(dá)前輪輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力作用方向的轉(zhuǎn)換所引起的負(fù)載沖擊是導(dǎo)致油路壓力超調(diào)的主要原因. 該壓力的變化并不是很大，路試過(guò)程中對(duì)車(chē)輛和駕駛感覺(jué)并沒(méi)有造成較大影響，后續(xù)實(shí)驗(yàn)需要更進(jìn)一步完善控制來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作于復(fù)雜多變的工況.

4 結(jié) 論

1)為了提升傳統(tǒng)后驅(qū)重型牽引車(chē)在壞路面上的通過(guò)性和動(dòng)力性，在原車(chē)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了液壓輪轂馬達(dá)前輪輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了工程化的整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略并進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證了液壓輔助驅(qū)動(dòng)方案的可行性和所提控制策略的有效性，為液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的深入研究奠定了基礎(chǔ)，為提升我國(guó)重型商用車(chē)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提供了重要的實(shí)踐指導(dǎo).

2)在原后驅(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加的前輪輔助液驅(qū)系統(tǒng)及相應(yīng)的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)合理的分時(shí)全驅(qū)且不干擾后驅(qū)系統(tǒng)，保證車(chē)輛的行駛安全性，在壞路面上提高通過(guò)性，同時(shí)不影響好路面上的經(jīng)濟(jì)性行駛.

3)控制策略能夠準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員操作意圖，適時(shí)地啟動(dòng)或關(guān)閉液驅(qū)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓?jiǎn)为?dú)驅(qū)動(dòng)(蠕行)、傳統(tǒng)車(chē)(自由輪)、聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(助力)等多種模式，且各模式間相互切換平穩(wěn)迅速. 蠕行模式下，變量泵排量能夠良好跟隨蠕行手柄開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)車(chē)速控制；助力模式下，系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別駕駛員的換擋動(dòng)作自動(dòng)進(jìn)入旁通模式，保證了換擋平順性.

4)實(shí)車(chē)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的由前進(jìn)變?yōu)榈管?chē)過(guò)程中油路壓力沖擊現(xiàn)象為液壓混合動(dòng)力汽車(chē)的工程化應(yīng)用指出了優(yōu)化方向.