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        靜液壓驅(qū)動車輛下坡速度控制策略研究

        2021-11-06 21:24:51閆飛張吉勝李利民
        機(jī)電信息 2021年26期

        閆飛 張吉勝 李利民

        摘 要:通過分析靜液壓驅(qū)動車輛驅(qū)動輪在下坡工況的簡化模型,結(jié)合發(fā)動機(jī)實(shí)時制動力矩,以單泵單馬達(dá)的靜液壓驅(qū)動回路為例,分析靜液壓驅(qū)動車輛發(fā)動機(jī)超速的成因與危害,進(jìn)而通過提出一種輔助制動方式以及相應(yīng)的控制策略,實(shí)現(xiàn)了更大域內(nèi)的速度控制,減小了風(fēng)險。

        關(guān)鍵詞:靜液壓驅(qū)動;發(fā)動機(jī)制動;超速;輔助制動

        0??? 引言

        當(dāng)前,靜液壓驅(qū)動回路已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、平板運(yùn)輸車、履帶式步戰(zhàn)車等重型裝備。以單泵單馬達(dá)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(zhuǎn)力矩易使發(fā)動機(jī)超速,增加速度控制的難度,這就需要在傳動系統(tǒng)上增加一個輔助制動力矩,并配合相應(yīng)控制策略,從而實(shí)現(xiàn)更大域內(nèi)的速度控制,從而減小風(fēng)險。

        1??? 發(fā)動機(jī)超速的成因與危害

        1.1??? 發(fā)動機(jī)超速的產(chǎn)生機(jī)理

        車輛以速度V在與水平成α角的路面勻速行駛,在質(zhì)心O處對車輛重力mg進(jìn)行力分解,產(chǎn)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(zhì)量重心O置于驅(qū)動輪驅(qū)動半徑邊緣位置,如圖2(b)所示。

        計(jì)車輛與路面摩擦系數(shù)為u,則重力分力產(chǎn)生牽引阻力Ff:Ff =mgucos α;驅(qū)動輪驅(qū)動半徑計(jì)為r,則由牽引阻力Ff產(chǎn)生阻力矩Mf:Mf =mgurcos α;由牽引力Fx產(chǎn)生牽引力矩Mt:Mt=mgrsin α。

        簡化驅(qū)動輪模型,以其幾何中心為參考點(diǎn),對驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析,如圖2(c)所示:Me0+Mf =Mt,其中Me0為輪邊馬達(dá)產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)扭矩。

        由此可知,在此過程中液壓馬達(dá)與閉式泵功能互換。

        現(xiàn)以單泵單馬達(dá)回路為例(圖1),設(shè)定發(fā)動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速、車輛的某一檔位下,閉式泵排量為p1,液壓馬達(dá)排量為p2,馬達(dá)與泵的容積效率、機(jī)械效率均忽略不計(jì),則可得出此時馬達(dá)兩側(cè)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(fā)動機(jī)產(chǎn)生拖轉(zhuǎn)力矩Me:Me=MO×I2=ΔP×p1×I2,方向與發(fā)動機(jī)旋向保持一致。

        注:輪邊傳動機(jī)構(gòu)速比為I1,閉式泵與發(fā)動機(jī)輸出軸間速比為I2。

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

        圖3示意性地給出了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速We及其轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的制動力矩Te之間的關(guān)系,該數(shù)值的大小隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加。發(fā)動機(jī)的制動力矩可以通過線性方程近似表達(dá)為:Te=C1×We+C2,方向與發(fā)動機(jī)旋向相反。

        注:C1、C2為常數(shù)。

        由圖4可知:

        (1)當(dāng)Me

        (2)當(dāng)Me=Te時,發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速保持不變;

        (3)當(dāng)Me>Te時,發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速增加,超速產(chǎn)生。

        1.2??? 應(yīng)對超速的手段局限

        當(dāng)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(fā)動機(jī)將超速,導(dǎo)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(qiáng)行限制在較小的范圍內(nèi),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(dǎo)致制動器溫升過高,制動器的熱衰退性也會導(dǎo)致車輛制動系統(tǒng)失效[3]。在車輛運(yùn)行過程中,正確選用制動方式,及時準(zhǔn)確地進(jìn)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(yùn)動速度,充分發(fā)揮其機(jī)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(jié)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(fēng)險。以單泵單馬達(dá)回路為例,其原理示意如圖5所示。

        (1)控制器根據(jù)檔位控制機(jī)構(gòu)的實(shí)時檔位信息確認(rèn)車輛處于前進(jìn)還是后退狀態(tài)。

        (2)此時靜液壓驅(qū)動回路中的檢測元件將相應(yīng)油路壓力數(shù)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(shù)值的大小確定車輛是否處于下坡狀態(tài)(暫定:前進(jìn)檔位狀態(tài)下,ΔP=(P1-P2)>0時,車輛下坡)。

        (4)車輛當(dāng)前行進(jìn)速度V的確定:控制器通過采集到安裝在液壓馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速檢測元件檢測到的轉(zhuǎn)速N,結(jié)合傳動機(jī)構(gòu)的速比I1,驅(qū)動輪運(yùn)動周長L,經(jīng)處理即可得到車輛實(shí)時行進(jìn)速度V(V=N×I1×L)。

        (5)確認(rèn)車輛處于下坡狀態(tài)后,控制器根據(jù)閉式泵的實(shí)時排量數(shù)值p1,與ΔP相乘,即可得到拖轉(zhuǎn)力矩Tf:Tf =p1×ΔP。

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

        注:發(fā)動機(jī)在閉式泵拖轉(zhuǎn)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(fù)(即與其輸出軸旋向相反),且為負(fù)值時不得大于Te。

        (7)控制器通過處理以上信息,計(jì)算得出緩速器所需產(chǎn)生的阻力矩TX:TX=T1+Tf,并將其對應(yīng)控制信號發(fā)送到緩速器,直至車速穩(wěn)定。

        (8)車輛下坡速度的實(shí)時調(diào)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(yīng)地調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車輛實(shí)時速度V的調(diào)整;2)駕駛員通過改變油門踏板的開度,直接改變發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與扭矩,控制器將從扭矩檢測元件與轉(zhuǎn)速檢測元件處檢測到的數(shù)值,根據(jù)相應(yīng)關(guān)系直接調(diào)整閉式泵的實(shí)時排量p1,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車輛實(shí)時速度V的調(diào)整。

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