履带车辆液压转向再生功率流的理论分析和试验研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 1 4 履带车辆液压转向再生功率流的理论分析和试验研究 朱颜 ，李和言 ，马彪 1 ．聊城大学汽车与交通工程学院 ，山东聊城 2 5 2 0 5 9； 2 ．北京G-Y - 大学机械与车辆工程学院， 北京 1 0 0 0 8 1 摘要液压双功率流转向是履带车辆的一种转向方式，能有效改善履带车辆的转向性能。介绍履带车辆双功率流液压 转向的工作原理，从理论上对转向再生功率进行分析，并进行转向再生功率台架试验研究，对提高车辆转向机动性和改善 车辆转向功率利用性的研究具有指导意义。 关键词 履带车辆 ；再生功率；台架试验 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 3 0 4 5 3 The o r e t i c a l Ana l y s i s a n d Ex pe r i me nt a l Re s e a r c h o n Re ne wa bl e Po we r Hy dr a u l i c S t e e r i n g o f Tr a c k e d Ve h i c l e ZHu Ya n 。 LI He y a n ． MA Bi a o 1 ． C o l l e g e o f A u t o mo b i l e a n d T r a f fi c E n g i n e e r i n g ， L i a o c h e n g U n i v e r s i t y ， L i a o c h e n g S h a n d o n g 2 5 2 0 5 9， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d V e h i c u l a r E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c d u a l p o w e r t r a n s f e r i s a t u r n a r o u n d mo d e o f t r a c k e d v e h i c l e ．I t c a n i mp r o v e t h e s t e e rin g p e r f o r ma n c e o f t r a c k e d v e h i c l e s ．T h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t r a c k e d v e h i c l e d o u b l e p o we r s t e e rin g wa s d e s c ri b e d a n d t h e r e n e wa b l e p o w e r wa s a n a l y z e d t h e o r e t i c all y ．T h e r e n e wa b l e p o w e r s t e e r i n g b e n c h t e s t w a s c a r rie d o u t ．I t p r o v i d e s g u i d e f o r e n h a n c i n g mo b i l i t y an d i mp mv i n g u t i l i z a - t i o n o f v e h i c l e s t e e rin g p o we r ． Ke y wo r d s T r a c k e d v e h i c l e； R e n e wa b l e p o w e r ；B e n c h t e s t 目前 ，随着技术成熟的、高性能的、高功率密度 的液压元件的大量涌现 ，以及双功率流转向机构具有 转向时平均速度不降低 、转向工作效率高、左右履带 的速度差能够无级调节、可实现由方向盘操纵进行精 确的方向控制、机动性好等许多优点 ，静液差速 双流转向机构逐渐在德、美、英、法及我国军用履带 车辆传动系统中获得广泛应用。文中介绍了履带车辆 双功率流液压转向的工作原理及转向再生功率的理论 分析，并对其进行转向再生功率台架试验研究 ，对提 高车辆转向机动性和改善车辆转向功率利用性的研究 具 有指导意义 。 1 履带车辆液压转向原理 现代军用履带车辆综合传动广泛采用零差速式双 功率流传动原理。图 1 是采用液压转向机构的零差速 式双流传动机构原理图。双流传动液压转向机构的核 心部分是由液压变量泵 转向泵和液压定量马达 转向马达组成的液压转 向容积调速系统。通过无 级调节转向泵排量来控制转向马达和两侧汇流行星排 太阳轮的转速和旋转方向，使综合传动两侧输出产生 转速差 ，从而实现车辆无级转向。履带车辆转向示意 如图2所示。转向运动是在沿行驶方向 的直线运动 上 ，叠加一绕转向中心 O ． 运动的瞬时中心的回 转运动 。 图 1 传动系统传动简图 l I P’ ． ， ／ ＼ ＼ 图2 履带车辆转向示意图 0 t 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 4 作者简介朱颜 1 9 7 5 一 ，硕士， 讲师， 研究方向为车辆工程。电话1 3 1 7 6 2 5 8 9 4 2 ，E m a i l z h u y anl c u ． e d u _ c n 。 驱动力 - 动轮 II- ． ． 。 。 ， ， 。 ． ． ． ● ． J 4 6 机床与液压 第 3 9卷 2 履带车辆转向再生功率的理论分析 为明确建立转向行驶时履带上的速度、力和功率 之间的关系式，做如下假设 1 车辆在均匀平地 上行驶 ； 2 车辆的两条履带有相 同的横向载荷； 3 履带接地长 内有效接 地压力 均匀分布 ； 4 两 条履带直 驶行驶 阻力相等 ； 5 纵 向滑移和横 向滑 移可以不计，履带上的力等于主动轮上 的切线力； 6 每侧履带的瞬时转向中心在其接地长 的中心； 7 履带宽可以忽略不计 ； 8 车辆中心与车辆重 心重合。 根据图 2所示 ，定义履带车辆相对转 向半径 P为 车辆转向半径 R与车辆履带中心距 的比值 ，即 尺 p 百 根据相对转向半径P ，可以将车辆转向范围分为 大半径 区和小半径 区。大半径 区包括 从直驶 即 p 一 。 。 尺 一∞到围绕一侧履带转向即P 0 ． 5 R B ／ 2 之间的转向半径。小半径区则定义在P 0 ． 5和 P 0 之间。文中主要研究履带车辆在大半径转向区内的再 生功率流 向问题 。 在车辆大半径转向区内，高速侧履带速度 、低 速侧履带速度 ， 、车辆中心速度 分别如式 2 、 3 、 4 所示 刍 一 2 1 丁 负荷和功率损失增大。如车辆动力传动简图 1 所示， 履带的负荷变化规律直接反 映在综合传 动输出端 汇流行星排行星架 。根据动力传动系统动力传递 分析方法 ，可得动力传动系统在有再生功率产生的大 半径区内转向时 ，转 向再生功率流传递如示意图 3 。 传至外侧行星架的推进功率由4部分组成 1 经 直驶变 速机构 的发动机功 率 ； 2 经 外侧转 向分机 构的发动机功率； 3 经内侧转向分机构和综合传 动三轴的发动机功率 ； 4 经内侧行星架一内侧齿 圈一三轴一外侧齿圈一外侧行星架的从地面吸收的有 效循环功率即再生功率。随着相对转向半径的减小 ， 再生功率增加 ，转向机构和发动机负荷也随之增加。 2 图3 动力传动系统转向再生功率流传递示意图 ， 3 转向再 生功率台架试验研究 履带车辆在进行大半径转向时，综合传动高速侧 4 依据履带车辆稳定转向过程的负载分析方法，可 得大半径区内车辆高、低速侧履带所需输出牵引力 F 、F 。 的计算公式分别如式 5 一 6 所示 F 一 5 F 2 6 转 向阻力系数 的尼基金经验公式 mHx ／_、 A L ／ B 8 式中 为滚动阻力系数；G为车辆重力； ⋯为最 大转 向阻 力 系数 ；L为 履带 接 地 长 ；B为 履带 中心 距 。 转向时每侧履带功率 P1 2 F 1 2 ‘ l 2 9 依据式 2 一 9 可知在所有 大半径 区， 外侧履带功率为正值 ，即为推进功率；内侧履带功 率，在大半径区的常用范围内 P P 9 m A ，低速侧吸收功率增大，达到综合传 动转向功率平衡后 ，吸收功率的大小不再随排量的增 加而增加。吸收功率最大 约为高速侧 输出功率 的 41 ． 3 2％ 2 高速侧二次元件吸收功率 即综合传动高 速侧输出功率一定 ，随着低速侧吸收功率的增加， 所需发动机功率降低，直到系统功率平衡；与此 同 时，转向调速系统工作压力升高，这说明再生功率在 综合传动内部的传递是由低速侧汇流行星排经直驶变 速机构直接输出到高速侧 ，而不回传至转向功率流 ， 这与转向再生功率理论分析一致。 参考文献 【 1 】 Z A R E M B A A ， D A V I S R L ． D y n a m i c A n a l y s i s a n d S t a b i l i t y o f a P o w e r A s s i s t S t e e r i n g S y s t e m[ C] ／ ／ P r o c A C C ， S e a t t l e ， W a s h i n g t o n， 1 9 9 5 ． 6 4 2 5 3 4 2 5 7 ． 【 2 】T h e S y s t e m s O p e r a t i o n T e s t i n gA d j u s t i n g o f U n d e r c a r - r i a g e ， S t e e ri n g a n d B r a k e s f o r C a t e r p i l l a r s C h an g e r 3 5 P 4 5 P 5 5 A g ri c u l t u r a l T r a c t o r[ M] ．S e r v i c e Manu a l ， 1 9 9 5 ． 【 3 】 S C H O E N A U G J ， B U R T I N R T ， K A V A N A G H G I ’ ． D y n a m i c A n a l y s i s of a V a ri a b l e D i s p l a c e m e n t P u m p [ J ] ． T r a n s a t i o n s o f t h e AS ME， 1 9 9 0， 1 1 2 1 2 21 3 2 ． 【 4 】 K U G I A n d r e a s ， S C H L A C H E R K u r t ， A I T Z E T M L L E R H e i n z ， e t a1． Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f a Hy d r o s t a t i c T r a n s mis s i o n w i t h V a r i a b l e - D i s p l a c e m e n t P u m p [ M] ． M a t h e m a t i c s and C o m p nt e r s i n S i m ul a t i o n ， 2 O 0 0 ， 5 3 4 ／ 5 ／ 6 4 0 9 4 1 4 ． 【 5 】田全忠． 液压机械传动在大功率履带拖拉机上的应用与 分析[ J ] ． 拖拉机与农用运输车， 2 0 0 1 ， 6 2 3 1 3 3 ． 【 6 】曹付义， 周志立， 贾鸿社． 履带车辆转向机构的研究现状 及发展趋势[ J ] ． 河南科技大学学报 自然科学版， 2 0 0 3 3 8 9 9 2 ． 挖掘机行业不妨 “ 深挖”节能降耗人才 “ 近年来 ，随着基础设施建设力度在全国各地的 日益加大 ，中国挖掘机市场进入蓬勃发展 阶段 ，亟 须掌握专业知识技能的优秀挖掘机操作手” 。中国工程机械工业协会会长祁俊在 E t 前指出，我 国堪称 “ 世界上最大的建设工地” ，我国挖掘机市场也进入高速发展阶段。据统计 ，目前全国挖掘机拥有量近 1 0 0万台，全国挖掘机操作手已逾 1 0 0万人。祁俊认为 ，我国挖掘机操作手的操作技术参差不齐，帮助 挖掘机操作手掌握专业的节油操作技术 ，将成为推动行业可持续发展的一件大事。 在工业和信息化部节能与综合利用司副司长杨铁生看来 ，“ 十二五”规划是我国经济增长和转型的 一 个关键时期 ，如何通过发展低碳经济实现生产方式转变已成为社会各界的共识。目前我国挖掘机行业 面临着能源转换效率较低、操作水平落后、环境污染严重等一些问题，这给行业的节能降耗带来了严峻 挑战。目前我国一次能源消费总量 已经达到了3 2亿多吨标准煤 ，原油进 口对外依存度达到 5 5 ％左右。 石油消费主要领域是石油化工 ，交通运输和工程机械等。工程机械，特别是挖掘机行业的原油消费是不 可忽视的一个重要方面。 相关统计显示 ，在全国各地每天有 8 0万台挖掘机同时作业 ，如果每个操作手都坚持使用节油理念的 操作方式，并以专业技能对设备进行操作维护，就意味着每年至少节约 1 4 ． 4亿公升的燃油 ，相当于减少 了3 7 6万吨二氧化碳的排放。 谈到挖掘机行业的节能降耗，沃尔沃建筑设备 中国有限公司市场及销售支持部总经理李芳宇接 受记者采访时表示 ，操作手的行为是沃尔沃整个燃油战略中非常重要的一个部分，离开了操作手的配 合 ，任何高技术都不可能发挥它最大的效用。从整个社会生命周期的燃油消耗来看，重点不在生产制造 领域 ，而是在 日后的常年使用过程 中。在这个过程中，除了机器设备本身设计之外 ，就与驾驶员的操作 习惯、操作理念密不可分了。 内容来源中国经济导报