车辆静液传动液压系统研究现状及发展趋势.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3 卷 第 1 3 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S J u 1 ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 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 5 ． 1 3 ． 0 3 7 车辆静液传动液压系统研究现状及发展趋势 王岩 ，张永龙 ，秦绪情 ，徐鸣 1 ． 北京航空航天大学交通科学与工程学院， 北京 1 0 0 1 9 1 ； 2 ．中国北方车辆研究所车辆传动国家重点实验室， 北京 1 0 0 0 7 2 摘要静液传动液压系统可实现履带车辆无级变速、平稳转向，提高车辆机动性、同时大幅提高传动系统功率密度 ， 在车辆传动系统中广泛应用。介绍了国内外静液驱动系统的应用及发展趋势，并通过分析和梳理，归纳了变量泵一 变量马 达控制理论发展中的一些重要问题，进一步探究变量泵一 变量马达系统的发展趋势。 关键词车辆传动 ； 静液驱动 ； 履带车辆 ； 变量泵一 变量马达 ； 控制策略 中圈分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 3 - 1 4 9 - 7 Re s e a r c h S t a t u s a n d De v e l o p me n t Tr e n d o n Ve h i c l e Hy d r o s tat i c Tr a n s mi s s i o n Hy dr a u l i c S y s t e m WA N G Y a n ，Z H A N G Y o n g l o n g ，Q I N X u q i n g ，X U Mi n g 1 ． S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， B e i h a n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y 1 h o r a t o r y o f v e h i c l e T r a n s m i s s i o n ， C h i n e s e N o rt h V e h i c l e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 。 C h i n a Ab s t r a c t I t i s t h e t e n d e n c y o f v e h i c l e t r a n s mi s s i o n t h a t a d o p t i n g t h e h y d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n f o r h i g h - s p e e d t r a c k e d v e h i c l e b e - c a u s e o f i t s s t e p l e s s s p e e d r e g u l a t i o n，s t e p l e s s s t e e rin g ，h i s h mo t i l i t y a n d h i s h p o w e r d e n s i t y i mp r o v e d，h y d r o s t a t i c tr a n s mi s s i o n h y - d r a u l i c s y s t e m h a s b e e n r a p i d l y a p p l i e d ． T h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f o v e r s e a s an d d o me s t i c h y d ros t a t i c tr a n s mi s s i o n s y s t e rn we r e d e s c rib e d，and s o me i mp o r t a n t i s s u e s i n d e v e l o p me n t o f c o n t rol t h e o r y f o r t h e v a r i a b l e p u mp - v a r i a b l e mo t o r we r e s u mma r i z e d b y me a n s o f a n a l y s i s a n d c l a s s i fi c a t i o n ． F i n all y ．t h e d e v e l o p me n t tre n d s i n t h e v a ri a b l e p u mp v a r i abl e mo t o r s y s t e m w e r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Ve h i c l e trans mi s s i o n；Hy d ros t a t i c d r i v e；T r a c k e d v e h i c l e ；Va r i a b l e p u mp - v a ri abl e mo t o r ；C o n t r o l s t r a t e g y 0前言 随着科技的不断进步和新军事变革思想的深入， 现代以及未来战争将是高技术的非对称战争 。这为 高速履带车辆的发展提出了更高的要求 ，体现在良好 的战略、战术机动性和快速部署能力 ；信息化战争条 件下 良好的车际通讯和指挥与协同作战等能力。这就 要求车辆传动系统具有更高的功率密度、更高的传动 效率和更高的自动化程度。传统的车辆传动系统 ，包 括液力机械在内的传动装置功率密度不高，即使最先 进的水平，也只有 4 0 0 ～5 0 0 k W／ t ，而静液驱动 所用主要泵马达元件的功率密度高达 3 0 0 0 k W／ t ，甚 至更高 ，再加上采用静液驱动无级变速系统后 ，结 构简单 ，这样就可以大幅度减轻传动装置质量。同 时 ，静液驱动系统泵马达布置灵活 ，可方便地适应发 动机的纵置和横置，使得动力舱布置灵活 ，减小动力 舱体积，显著地扩大乘员空间，明显地增加搭载武器 基数 。 车辆传动系统可分为机械传动 、液力传动 、液 压传动和电传动等类型 。静液式传动系主要由油泵 、 液压马达和控制装置等组成。发动机的机械能通过油 泵转换成液压能 ，然后由液压马达再又转换为机械 能，实现整车的全液压驱动；利用液压泵、马达的工 作特点，实现液压制动 ，提高车辆制动装置等零部件 的使用寿命 ；并且静液式传动系统可使汽车平稳 地进行 自动无级变速 ，并具有非常理想的特性；对于 静液传动的研究主要在于静液传动元件用于车辆行走 传动系统的组合方式、性能匹配以及控制方式与策略 的研究 。虽然近些年来 ，压力耦合的二次调节系统 在轮式液压混合动力车辆领域得到了较快发展 。 。 ， 但迄今为止 ，由于履带车辆本身的特点 ，应用于履带 车辆驱动方面的静液驱动系统主要为传统的流量耦合 一 次调节 变量泵一 定量马达或一、二次联合调节 变量泵一 变量马达 的闭式静液驱动系统 。最 近，采用压力耦合与流量耦合相结合的闭式静液驱动 系统，能解决静液驱动系统在部分载荷时效率低的问 题，有效改善主动力源的效率，同时具有能量回收功 能 。同时，静液驱动系统具有较强的变形适应能 力，可应用于城市交通车辆、工程机械、履带抢险车 收稿日期2 0 1 4 - 0 4 - 2 8 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 3 7 5 0 2 9 作者简介王岩 1 9 7 5 一 ，男，博士，讲师，主要从事液压系统设计、车辆控制和热管理方面的研究工作。E - m a i l wy b u a a b u s s ． e d u ． c n 。 1 5 0 机床与液压 第 4 3卷 辆等特种车辆。由于静液驱动系统结构特点 的独特 性 ，因此静液驱动技术研究具有显著的社会、军事意 义和工程应用价值。 由于履带车辆工作环境复杂多变 ，并且行驶原理 与轮式车辆不同，这也增大了静液驱动系统作为主传 动应用于高速履带车辆的难度 ，同时静液驱动系统普 遍存在着非线性强、参数摄动范围大、外界干扰严重 等问题。为解决上述问题 ，查阅静液驱动高速履带车 辆的动力传动系统匹配和行驶控制策略相关研究，以 期在满足高速履带车辆机动性能的同时具有较好的经 济性，提高车辆的综合性能 ，为该项技术能进一步深 人研究提供技术基础。 1 静液传动研究现状及发展趋势 1 ． 1 国外静液传动研究现状及发展趋势 国外在静液驱动技术的研究及应用上开展了卓有 成效的工作。静液驱动技术最早应用于军用武器系 统，典型的应用例子是作为飞机 、舰船或作业车辆的 炮塔驱动装置。战后 2 0世纪 5 0年代开始转入民用， 白2 0世纪 5 0 年代英国国家农业工程研究所研制成功 静液驱动拖拉机后 ，静液驱动技术在行走机械上的应 用得到了极大的发展 ，随着技术的成熟，部分研究机 构开始尝试将静液驱动技术应用到高速车辆。静液驱 动在高速履带车辆上得到广泛应用的主要是液压转向 技术 ，即静液驱动系统与机械变速机构或液力机械传 动相结合构成综合传动系统，其中具有代表性有美国 阿里逊公司 于 1 9 7 2年为 M1主战坦 克成 功研 制 出 x 一 1 1 0 0综合传动，其转 向液压元件采用径向柱塞变量 泵和定量马达；英国大卫布朗齿轮工业有限公司研制 的应用于挑战者 2主战坦克的 T N 5 4综合传动装置 ， 其液压转向机构由双泵双马达组成 ；法国西斯姆公司 在 2 O世纪 7 O年代先后成功研制出采用液压转向技术 的 E N C 2 0 0与 E N C 2 5 0 综合传动，在 8 0年代初为勒克 莱尔 L e c l e r c 主战坦克研制成功的 E S M 5 0 0则代表 当今综合传动技术的最高水平 。 到 2 0 世纪 8 0年代，静液驱动作为大功率的主传 动还很不完善，但是对静液驱动应用于车辆上的研究 却日益深入，涉及到军用车辆有 2 0世纪 8 0年代美国 大卫一 泰勒研究 中心 D a v i d T a y l o r R e s e a r c h C e n t e r 为车重 1 2 ． 6 t 的美国军用两栖装甲车辆研制的静液驱 动系统，采用双泵四马达的形式 ，其中双泵均为变量 泵，4个马达 中有两个变量马达作为陆地行驶变速 用，另两个定量马达作为海上行驶变速用，其陆地行 驶的最大速度达到了 6 4 ． 4 k m ／ h ，海上行驶速度也达 到了9 ． 6 k m ／ h 1 4 ] 。近 3 0年来 ，液压技术得到了飞速 发展。主要由于随着新材料、新工艺和加工手段的完 善 ，静液驱动的元件和加工手段的完善，静液驱动元 件的性能和可靠性、寿命得到显著提高，设计 良好的 液压传动系统具有与液力机械传动相媲美的传动效率 和工作寿命 。近些年来 ，电控技术 的发展 日新 月异，在具备了优良的液压元件及系统和先进的电子 信息技术后 ，静液驱动系统的性能得以大幅提升，在 车辆主传动中的应用也 日益增多，尤其是在农业生产 车辆和工程车辆中更是被普遍采用。其中，应用在高 速履带车辆上的有车重 7 t ，已经少量装备挪威陆军 的 N a t e c h P 6 ． 3 0 0 M静液驱动全地形军用履带装甲车 辆 ，采用双侧变量泵变量马达独立驱动加行星变速的 传动形式 。意大利 A R I S公司在 2 1世纪初 以美 国 M5 4 8 履带式装甲运货车为基型，将该车原传动系统 改造为静液驱动系统，开发出了 A R K型静液驱动履 带式装甲运货 车。A R K采用双泵四马达形式 ，其中 两个马达用于陆地行驶驱动，另外两个马达用于水上 驱 动系统 。 静液驱动混合动力车辆作为混合动力车辆的一个 重要分支，近些年成为研究的热点。静液驱动能量回 收技术在国外得到了快速发展，德国、日本、美国都 进行了相关的研究并应用于不同的车辆 ，其中美国环 保署对推动其应用做出了重要贡献。2 0 0 2年，美国 军方与 P e r m o d ri v e公司合作研发了 R D S R e g e n e r a t i v e D ri v e S y s t e m并联式静液驱动系统 ，并应用到重 型卡车上。在模拟城市频繁起、停 的行驶工 况下， R D S 系统可将燃油经济性提高 3 7 ． 7 ％。同时，研究 结果表明R D S系统可将噪声降低 l 0 d B，加速性能 提高 3 5 ％，制动距离减少 5 0 ％ 。2 0 0 4年，福特公 司与 E a t o n公司完成了首辆基于静液驱动能量回收技 术的运动型多用途车 S U V样 车 ，试 验表 明 该 样 车在城市工况下节油达 2 5 ％一4 5 ％、废气排放减少 2 0 ％～ 3 0 ％，此外 ，还获得了良好的加速性能和可靠 的制动性能。2 0 0 6年，U P S公司推 出了两款基 于二 次调节静液驱动技术的包裹运送车，已在密歇根州试 运行。样车的试验研究表明，该车将燃油经济性提高 了 4 5 ％～5 0 ％以上，c 0 i的排放量 降低 了 3 0 ％ 。 2 0 1 0年 5月 ，博 世 力 士 乐 公 司 的 H R B H y d r o s t a t i c R e g e n e r a t i v e B r a k i n g 并联式静液驱动混合动力系统 首次应用于以压缩天然气为动力系统的垃圾车上 ，该 车辆在纽 约街 道进 行为期 9 - 1 2个月 的道路测试 。 1 ． 2 国内静液传动研 究现状及发展 趋势 国内在静液驱动技术 的研究工作上，中国农机 院 、北 京理工大学 、吉林大学 、南京理工大学 、哈尔 滨工业大学、长安大学、北京航空航天大学等单位都 开展了相应的研究工作，也取得了丰硕的成果。早在 1 9 6 5年，中国农业化机械研究所研制出了静液压传 动拖拉机。湖南三一重工股份有限公司研究院与长安 大学成功研制开发了 T Q 2 3 0静液驱动履带式推土机， 其在牵引效率、作业效率、小时油耗 、噪声等方面性 能指标 明显优 于国内品牌 的液力机械式推土机 。 1 5 2 机床与液压 第 4 3卷 态特性的影响。由于一般的静液驱动系统模型多数用 来作稳态或准稳态工况的分析 ，所以绝大多数传统的 静液驱动系统模型都忽略了系统基本元件，特别是斜 盘和相关排量控制机构的动态特性对系统动态特性的 影响，斜盘角度决定了泵的排量 ，从而决定了定量马 达的输出转速，因此，斜盘机构的研究相当重要。 2 ． 1 ． 2 变量泵一 变量马达控制研究现状 随控制理论的发展，静液传动系统的中变量泵一 变量马达控制算法主要有- 蚰 』 1 P I D控制 国外对于静液驱动系统动态特性和控制技术的理 论研究很多 ，在动力匹配、控制策略、控制方法等方 面都做 了大量的研 究工作。约翰 内斯堡 L i e b e n b e r g L E O N等 用 P I D控制器来控制泵的工作压力和马达 输出转速，以使泵马达系统处于高效区，从而进一步 实现整个动力传动系统的匹配。 2 模糊 P I D控制 土耳其 A V A K K A Y A 。 。 对静液驱动系统输 出角 速度分别采用 P I D控制器 和模糊控制器 的控制效果 进行了检验分析 ，在利用 M a t l a b - S i m u l i n k 对系统进行 仿真分析时，作者考虑了体积弹性模量对系统控制的 影响，仿真结果显示，要使模型更加的贴近实际，体 积弹性模量应该作为一个系统参数被考虑到。另外， 作者得 出结论在考虑 了体积弹性模量的系统 中， P I D控制器不能满足控制需求 ，而模糊控制器则可以 取得很好的效果。芬兰的 S T I K K A N E N等 建立 了 包括发动机、泵马达、控制阀在内的静液驱动系统的 非线性模型，仿真分析了其速度控制系统的动态特 性 。 国内学者做了详细研究 ，整理如下北京理工大 学陈宝瑞博士制定了静液驱动高速履带车辆的转速调 节方案，设计了模糊 P I D控制器 ，仿真结果表明，所 设计的控制器能有效的抑制系统的超调，加快系统的 响应速度 ；研究 了静液驱动高速履带车辆 的控制规 律，提出了基于主从式的同步控制策略并设计了同步 控制器，最后通过试验验证了所制定的控制策略的有 效性 。 3 神经网络 P I D控制 杨磊博士建立了静液驱动系统转向模型 ，对静液 驱动高速履带车辆的转向动态特性、转向功率平衡和 控制规律等方面进行了研究 ，确定了车辆在各种工况 下均采用独立式转 向方式 ；基于 Ma t l a b ／ S t a t e fl O W 进行了可调整驾驶员输入静液驱动履带车辆转向控制 策略的设计与建模 ，设计了基于遗传算法的神经网络 P I D转向控制器，对不 同路面情况、不同转 向工况 、 驾驶员不同操纵展开了仿真研究，结果显示该控制器 可使得车辆在无侧滑、打滑、系统压力满足最高压力 限制的条件下进行迅速安全转 向 ” 。张海玲博士 针对静液驱动履带车辆转向特点和面临的问题，制定 了外侧静液驱动子系统采用改进的功率控制方案 自动 控制变量泵、马达排量 ，内侧速度闭环控制以动态跟 随外侧的转向控制策略。建立 了方向盘一 目标相对转 向半径一 两侧 目标速 比的函数关系，对外侧泵 、马达 排量控制参数进行了匹配，并设计了内侧单神经元 自 适应 P I D控制器。对不同转向工况进行了仿真分析 ， 验证了控制策略的有效性 。 4 T - S模糊系统控制 德国的 H O R S T S c h u l t e 分析了用 T ． S 模糊系统 描述静液驱动非线性动力学 的适用性，建立了变量 泵 、变量马达的非线性状态空间模型，此后将非线性 状态空间系统变换成了T S 模糊系统。H O R S T S c h u 1 ． t e 进一步建立了由变量泵、变量马达组成的静液驱动 系统的非线性状态空间模型，随之将状态空间模型转 变换成为 T s模糊系统，然后得到降阶的T ． S 模糊观 测器 ，最后通过实验，验证了其 T - s模型描述系统可 以充分体现系统的非线性，同时文中设计的 T - S模糊 观测器可以在不同的负载情况下用于系统冗余分析 ， 预测系统压力 。 5 自适应 P I D控制 自适应控 制可分 为两类 ，一类 是 自校 正控制 S e l f - T u rni n g C o n t r o 1 ，另一类是模型参考 自适应控 制 M o d e l R e f e r e n c e A d a p t i v e C o n t r o 1 。 由于 自校 正 控制在线辨识参数需要实时计算 ，时间长 ，一般用于 慢时变的对象调节 ，而具有参数突变和突加外部干扰 的电液伺服系统往往不能满足要求。因此 ，液压伺服 采用的自适应控制大多为模型参考 自适应控制或其 变型 。 王岩等人 根据 目前变量泵一 变量马达系统的速 度调节过程相当于变量泵控制定量马达或定量泵控制 变量马达，这种方式存在系统溢流损失大、调节速度 慢和没有发挥系统潜能等缺点。为克服这些不足，提 出变量泵一 变量马达 自适应控制算法。变量泵对马达 转速进行主动闭环控制，变量马达根据变量泵排量作 随动控制而实现变量泵和变量马达排量的同时调节。 采用单神经元 自适应 P I D控制算法进行变量泵控制， 采用预测 自适应控制算法进行变量马达控制。给出了 变量泵一 变量马达 自适应控制算法基本原理和框 图， 仿真和实验表明该算法可以提高系统响应速度、减少 溢流损失。 6 变结构控制 王岩 提出基于反馈线性化理论的变量泵变量 马达系统变结构控制算法。建立变量泵控制变量马达 系统数学模型，并针对系统的相乘非线性，运用精确 反馈线性化理论将其线性化；根据该闭式液压系统双 变量调速的特点 ，利用变量马达期望转速和马达排量 计算变量泵排量 ；运用变结构算法进行变量马达转速 第 1 3期 王岩 等车辆静液传动液压系统研究现状及发展趋势 1 5 3 控制，并进行算法的 L y a p u n o v 稳定性证 明。仿真表 明，基于本控制策略可有效地提高系统的响应速度、 减小超调量，而且算法具有较强的鲁棒性。 2 ． 2 静液传动 系统控制难点 变量泵控制变量马达系统因具有效率高、调速范 围宽等优点在大型采掘机械和部分工程机械中广泛应 用，在 不考 虑 系统 泄 漏 时 ，马达 转 速 如 式 1 所示 ∞ 。 1 一 ∞ 。 L l gm 式中 为马达转速 ； 为变量泵转速；q 为变量 泵排量；q 为变量马达排量。 由式 1 可以看出，变量泵控制变量马达系统 是一个双输入 变量泵排量和变量马达排量单输 出 变量马达转速 的双变量耦合本质非线性液压 系统。当∞ 一定时 ，对于期望转速 有无穷多组 输入 q 。 ，q 满足要求 ，控制量存在不确定性，常 规控制方法很难取得满意控制效果 。 3总结和展望 通过研究 国内外静液驱动系统的应用及发展趋 势 ，变量泵一 变量马达系统因具有调速范围宽、控制 灵活等特点 ，是静液传动系统未来主要发展方向。 变量泵驱动变量马达系统是强耦合、非线性系统， 目前主要是将变量泵一 变量马达系统分解为变量泵一 定 量马达和定量泵一 变量马达系统加以控制，在降低控制 难度同时也降低了系统的快速性和经济性，变量泵和 变量马达排量同时调节是未来研究重点和难点，也是 提高变量泵驱动变量马达系统性能的有效途径之一， 是液压驱动履带车辆未来研究重点方向之一。 参考文献 [ 1 ] 刘华． 轮式装甲机动平台技术发展趋势[ J ] ． 四川兵工学 报． 2 0 0 8 ， 2 9 4 8 8 - 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