液驱混合动力车辆液压系统试验台设计与试验研究.pdf

2 0 1 1 年 1 月 第3 9卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS J a n ．2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 0 7 液驱混合动力车辆液压系统试验台设计与试验研究 张庆永 ，常思勤 1 ．湖北汽车工业学院汽车工程 系，湖北十堰 4 4 2 0 0 2 ； 2 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 4 摘要在分析液驱混合动力车辆试验装置的原理和组成方案的基础上，利用二次调节静液传动技术和虚拟仪器技术建 立液驱混合动力车辆的液压系统和测控系统，分析高速开关阀工作特性对双向变量马达转速响应的影响，针对高速开关阀 的响应滞后特性设计控制器。试验结果表明，该试验装置能够满足液驱混合动力车辆动态特性试验的需要。 关键词液压驱动；试验台；高速开关阀；虚拟仪器 中图分 类号 U 4 6 3 ． 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 0 2 3 4 De s i g n a n d Te s t o f a Hy dr a ul i c Be nc h f o r Hy dr a u l i c Sy s t e m o f Se r i e s Hy dr a u l i c Hy br i d Ve h i c l e s Z H A N G Q i n g y o n g ，C H A N G S i q i n 1 ． D e p a r t m e n t o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ，H u b e i U n i v e r s i t y o f A u t o m o t i v e T e c h n o l o g y ，S h i y a n H u b e i 4 4 2 13 0 2 ，C h i n a ； 2 S c h o o l o f M ech a n i c a l E n gi n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e rs i t y of S c i e n c e a n d T echno l o g y ， N a n j i n g J i a n s u 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r i n c i p l e a n d c o n fi g u r a t i o n o f t h e t e s t b e n c h f o r h y d r a u l i c s y s t e m o f s e r i e s h y d r a u l i c h y b rid v e h i c l e s w e r e d i s c u s s e d ． B a s e d o n h y d r o s t a t i c s e c o n d a r y r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y a n d v i r t u a l i n s t r u me n t s t e c h n o l o gy ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d me a s u r e me n t s y s t e m w e r e b u i l t ．By a n a l y z i n g t h e i n f l u e n c e o f h i g h s p e e d o n o ff v a l v e ’ S w o r k i n g c h a r a c t e ri s t i c o n s p e e d p e r f o r man c e o f b i d i r e c t i o n a l v ari a b l e d i s p l a c e me n t mo t o r ，a c o n t r o l l e r w a s d e s i g n e d d u e t o r e s p o n s e l a g o f t h e v a l v e ． T h e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h e t e s t b e n c h c a n s a t i s f y t h e n e e d t o t e s t d y n a mi c p e rf o rm a n c e o f h y d r a u l i c h y b ri d v e h i c l e s ． Ke ywo r dsHy d r o s t a t i c d r i v e；Te s t b e nc h； Hi g h s pe e d o n o ff v a l v e；Vi r t u a l i n s t rume nt 随着对环保要求的增强和石油价格的上涨，混合 动力车辆越来越受到人们的重视。混合动力车辆有混 合电动汽 车和液压混合动力车辆等形式 。储 能元件采 用液压蓄能器 ，蓄能器在 功率密 度方 面优于 蓄电池 ， 在存储能量的寿命方面优于飞轮 。作者论 述了一 种 串联式液驱混合动力车辆的工作原 理 ，在驱动车辆 行驶时 由液压泵 和液压 蓄能器提供压力油 ；在汽车频 繁起动 、制动时可回收或重 新利用 制动 时的惯性 能 。 在能源 E t 益 紧缺的今天 ，基于 能量 回收与重新利用而 提出的液驱混合动力车辆二次调节静液传动系统具有 重要的理论研究意义和实际应用价值 “ j 。 为更好地研究液驱混合动力车辆液压系统的动态 特性 ，在试验室 中设计试验装置对液驱混合 动力 车辆 的动态性能及其控制进行研究 。该 试验装置 以二 次调 节静液传动技术为基础 ，用 电机作 为原动机带动液压 泵工作 ，由磁粉制动器和惯 性飞轮的组合模拟 车轮 的 实际负载并可实现模拟负载的实时控制与调节，采用 计算机与电控单元并行采集数据与控制的方式。通过 应用 L a b V I E W 软件 编程 ，实 现计 算机控 制 ，继 而进 行 了有关的试验 研究 ，得 到了一些有益 的结论 1 液驱混合动力车辆液压系统试验装置构成 液驱混合动力车辆液压系统试验装置构成与工作 原理如图 1 所 示 。采 用 开式 系统 ，主要 由三部 分组 成 恒压 油源部分 、转速控制及机械加载系统部分和 计算机数据采集控制系统部分。恒压油源主要包括变 量泵 、油泵 电机组和液压蓄能器等部分 ，向系统 提供 恒定 的工 作压 力油 源 ，以满足 系统 对恒 压 网络 的要 求 ；转速控制及机械加载部分进行 转速的调节 ，以满 足系统不 同工况的需要 。主要包括 双向变量 马达 、转 速转矩传感器、高速开关阀及其排量控制机构、飞轮 以及磁 粉制动器等。由于数 字脉 冲信号功率较小 ，为 此设计了放大电路经放大后驱动磁粉制动器和高速开 关阀 ；计算机 数据采集控制 系统完成信号 的采集 、处 理、输出和离线分析等功能，对系统进行实时控制。 主要包括 N I P X I 测 控平 台 、放大 电路 及相应 的软 件 等。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 9 基金项目汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室 湖北汽车工业学院开放基金项目 Z D K 2 0 1 0 0 3 ；湖北汽车工业 学院博 士科研启动基金项 目 B K 2 0 1 0 0 5 作者简介张庆永 1 9 8 0 一 ，男，工学博士，讲师。电话1 3 9 9 7 8 0 4 9 6 1 ，Em a i l z h q y l 1 2 7 1 6 3 ． c o n。 2 4 机床与液压 第 3 9卷 l 一 电机2 一 变量 泵卜 单 向 阀 4 一 蓄 能器s 一 减压 阀6 一 高速 开关 阀7 _双 向变 量 马达8 一 转速 转 矩传感 器9 一 飞轮l O 一磁 粉制 动器 图 1 液驱混合动力车辆液压系统试验装置 电机模拟发动机的运行工况 ，带动液压泵转动， 与蓄能器组成恒压油源 ，带 动双 向变量马达转动。同 时经减压 阀减压后进入高速开关 阀，通过计算 机控制 两个高速开关阀的通断，以改变双向变量马达的排量 和方 向，从而可以模拟双 向变量马达的驱动和制动工 况。飞轮用来模拟车辆的惯量。系统的负载转矩可以 根据需要 由计算机对磁粉 制动器进行设定 ，模 拟双 向 变量马达的实际负载。 在该系统 中，没有节 流元件 ，其 中的溢流 阀只作 为安全阀使用，对系统进行过载保护，避免了节流损 失 。由此可见 ，该加载 系统不仅节能 ，而且 系统效率 大大提高 。 采用 N I P X I 测试平 台 自带 的工控机作 为试 验系 统的控制 机，该机 同时完成与用户 的交互。利用 P X I - 6 0 7 1 E多功能数据采集卡、P X I 一 6 7 1 1信号源 一模 拟输 出卡 完成 工控 机与 转速 转矩 传感 器 、排量 电位 器、压力传感器、高速开关阀等外设的通讯。 2响应特性分析 2 ． 1 高速开关阀的特性分析 高速开关阀采用脉冲流量控制方式，开关阀直接 根据一系列脉冲电信号进行开关动作 ，在出口输出一 系列的脉冲流 J 。 高速开关阀工作油口的平均流量为 厂 一 [ q u -c aA v √ 一 P H ⋯ 1 一 J 【q i2 D 2 C dA √ 吾 p sl p 高速开关阀工作油口的输出压力为 ． D I p u 了 { D 2 【 p 式 中q 、q L 2 分别 为与液 压缸 无杆 腔和有 杆腔相 连 的高速开关阀的流量 ，m ／ s ；C 为高速开关阀的流量 系数 ；D ， 、D 为两个高速开关 阀的 占空 比；A 、A 为高速开关 阀的阀口面积 ，m ； P 为高速开关阀控 制油 口压力，P a ；P P 为高速开关阀的工作油 口 压力 ，P a 。 2 ． 2 液压 缸 的特 性 方程 液压缸 的力平衡方程为 邶警“ A 。P 。 一 A 2p 3 液压缸流量方程为 A - “ - 警 l A 警 “m p 。 一 P 2 一 警 式中m 。 为活塞和负载折算到活塞上的质量，k g ；B 为液压缸的总黏性阻尼系数，N s ／ m；k 。 为负载的 弹簧 刚度 ，N ／ m； P 。 、 P 分别为液压缸无 杆腔和有杆 腔 的压力 ，P a ；q 。 、q 分别 为流 人液压 缸无杆 腔 和 流 出有杆 腔 的流量 ，r 【 I 3 ／ s ；A 、A 分别 为液 压 缸无 杆腔 和有杆腔活塞受力面积 ，n l ；Y为液压缸活塞位 移量 ，I n ；C 为液压 缸 的 内泄漏 系数 ，I I l 5 ／ N S ； 为无杆腔体积，m ； 为有杆腔体积，I n ； 为 系统 的有效容积系数 ，N ／ m 。 由连续性方程可知 q v l q 1 J ，q v 2 g ． 2 ，且 P 。 ， P2PL 2 0 由上述数学方程可以看出 ，流入双 向变量马达控 制液压缸的流体压力和流量决定于高速开关阀，与两 个高速开关阀的占空比有关。通过改变两个高速开关 阀的 占空 比 ，即可改变双 向变量马达 的排量从而改变 双向变量马达输 出的转速和转矩。 由于开关阀电磁铁的响应能力及阀芯运动时间的 影响，实际阀芯位移和脉冲信号之间存在一定的滞 后 。因此 ，双 向变量马达转速与高速开关 阀占空 比之 间存 在着非 线性关 系 ，在实际试验系统中应通过控制 策略加以修 正。 3 液压试验系统测控系统设计 3 ． 1软件 总体设 计 L a b V I E W 作为虚拟仪器软件开发平台，提供十 分方便 的采集程序和控 制量输 出功能 ，可 以在输入 、 输出节点中直接指明要输入、输出的相应硬件 采 集卡的设备号 D e v i c e 和端 口 C h a n n e 1 ，再将 数据线引入、导出程序即可。 测控系统对整个试验台进行集中控制，对试验参 数和环境进 行 监测 、记 录、分 析 及 图表 输 出。通 过 N I P X 1 测 试 平 台 对 系 统 进 行 实 时 控 制 研 究 ，用 L a b V I E W进行软件 编 程 ，利用 其 中的数 据采 集 子 Ⅵ 与数据采集卡进行通信，不必涉及对数据采集卡的硬 件操作 。测控系统的组成 如图 2所示 ，测控软件组 成 第 1 期 张庆永 等液驱混合动力车辆液压系统试验台设计与试验研究 。 2 5 如图 3所示 。 三 垡墨 } 功率放大模块 功 率放 大模 块 高速开关阀 H功率放大模块 口 转 换 二 转 换 图 2 测控 系统组成示意 图 工 控 机 键 盘 鼠 标 显 不 器 图 3 测控软件组成示意图 程序具有 以下特点 1 采用模块 化设计思 想 ， 将系统任 务 分解 为 几 个相 互 联 系 的模 块 进 行 编程 ； 2 在软件设计上 ，限定 系统 压力在 1 5～ 2 5 MP a 之 间，若压力大于 2 5 M P a ，则动力源停止运转 ，同时 对系统制动； 3 实时控制程序除具有控制功能外 ， 还完成系统运行前后双向变量马达斜盘 的零位调整 和超速保 护功能 ； 4 系统采样 结果 实时 分屏 显示 在显示器上 ； 5 按照需要，将采样和控制数据按 指定的路径 ，存入指 定 的文件 中，供离线分析 使 用 。 试验中的转速信号通过传感器转换成脉冲信号， 通过屏蔽电缆进入二次仪表 ，二次仪表显示被测参 数 ，并转换成与其成 线性 的电压信 号输 出，送人 A ／ D 卡换成相应 的数字 量 ，然后 由在工 控 机上 运行 的数据 采集软件 根据用 户设置 转 换成 相应 的试 验参 数 ，进行 监测 、记 录 、分 析 和绘 制特性 曲线 ，通 过 数字滤 波模 块对采集 后 的数 据进 行处 理 ，降低 干扰 信号 的影 响。 采用二次仪表和虚拟仪器相结合的测试方法，试 验结果可相互 比较 ，既可保证试验结果 的可靠性 ，又 具备实 时采集 、储存 、自动处理试验数据及结果 的能 力。 3 ． 2液压 系统 转速控 制 策略 采用差动脉宽 调制 的方式控制高速开关阀 。在每 个脉宽调制周期 内，两个高速开关阀总是处于脉宽调 制状态，互不干扰地进行开启或关闭动作，且每个脉 宽调 制周期 内两个 阀的脉宽差与控制信 号成 比例 ] 。 当偏差 e 0时，t 口 】 t D 2 ，使双向变量马达排量 增大 ，转速提高；当偏差 e 0时，￡ t 位，从 而使双 向变量马达较快地脱离零位 。待转 速超过期望转速时，再采用 P I D控制规律。采用以上 方法 ，可以加快 响应时间。 5结论 在分析系统响应特性的基础上 ，设计了试验装置 测控软件 系统 ，所设计的试 验装置可 以有效地模 拟系 统的动 态特性 。同时采用磁 粉制动器对双 向变量马达 进行加载，简化了液压试验系统 ，解决了以往试验装 置中转 速控制 系统 和转矩控制 系统出现 的耦 合 问题 ， 提高了转速 系统 的控制精度 。 通 过试验验证 ，检验了试验装置 的基本功能 ，完 成了对 双向变量 马达输 出转速 的加速 、匀 速的控制 ， 实现了车辆典 型工况 的模拟 。试验结果说 明了文中所 建立的试验装置能够满足液压混合动力车辆动态特性 模拟的需要 ，为液驱混合动力车辆 的研制和开发提供 了功能完善、可靠的试验手段。 参考文献 【 1 】T i m S o s n o w s k i ， P E L u c i e r ， J L u mk e s ， e t a 1 ． P u m p ／ m o t o r d i s p l a c e m e n t c o n t r o l u s i n g h i s h - s p e e d o n ／ o ff v a l v e s [ R] ． S AE Pa p e r 9 81 9 68， 1 9 98． 【 2 】魏英俊． 新型液压驱动混合动力运动型多用途车的研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 1 5 1 6 4 5 1 6 4 8 ． 【 3 】S u n H u i ， J i a n g J i h a i ， Wa n g X i n ． P a r a m e t e r s m a t c h i n g a n d c o n t r o l me t h o d o f h y d r a u l i c h y b ri d v e h i c l e s w i t h s e c o n d a r y r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 9， 2 2 2 5 7 6 3 ． 【 4 】常思勤， 易纲． 一种新型电控液驱车辆的性能仿真与分 析[ J ] ． 南京理工大学学报， 2 0 0 4 ， 2 8 4 1 6 9 1 7 3 ． 【 5 】周盛， 徐兵 ， 杨华勇． 高速开关阀液动力补偿 [ J ] ． 机械 工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 5 5 7 ． 【 6 】江永泉， 秦大同， 杨亚联， 等． 基于高速开关阀控制的液 压制动伺服系统研制[ J ] ． 重庆大学学报 自然科学版， 2 0 0 5． 2 8 1 2 1 92 2 ．