全驱平地机转向限滑差速控制研究

李良周 刘光喜 白健信 李大尤

摘要：对全驱平地机在转向时的限滑差速问题进行研究，提出解决措施：流量分配，负载传感，压力控制。给出流量自动分配及内外轮差速的原理、计算 公式及实现流程，并进行试验，得出样机试验曲线与结论，为解决同类问题提供参考。

关键词：平地机 全驱限滑差速

1引言

平地机是用途广泛的土方作业机械，主要适用于公路、铁路、机场、农田等大面积的地面平整和挖沟、刮坡、推土、松土、除雪等工作。平地机一般采用后轮动力输出，当增加前轮动力输出以后，整机的牵引力可以提升30%，并拥有更好的操控性能。传统的液力传动平地机动力传动路线是：发动机→变矩器→变速箱→传动轴→后桥→平衡箱→后轮。选配前轮动力输出后，其动力传动路线：发动机→液压泵→液压马达→前轮。

现有平地机前轮辅助液压驱动系统常采用一个驱动泵并联两个马达组成的开式液压系统，当左右轮胎的地面附着系数差异较大时，液压油会更多地流向附着系数小的轮胎马达，造成该轮胎滑转，引起轮胎过早磨损，牵引力降低。

2 解决措施

2.1流量分配阀—转向油缸组成联动机构

1-液压泵 2—组合阀 3—流量分配阀 5—拉杆 6—钢丝软轴 7—右转向油缸 8—左转向油缸 9—油箱 41—左行走马达 42—右行走马达

平地机前桥由桥架、拉杆、转向关节、左右转向油缸等部件組成。桥架、拉杆、转向关节等零件形成向梯形机构。左右转向油缸依次伸缩动作带动转向梯形机构变化，实现平地机的左转弯或右转弯。

如图1所示，流量分配阀3有三个工作位置，处于上工作位时，进入左侧马达41的压力油多于右行走马达42；进入中间位置时，进入左侧马达41的压力油等于右行走马达42；处于下工作位时，进入左侧马达41的压力油少于右行走马达42。

将右转向油缸7的活塞杆与流量分配阀3的阀芯通过钢丝软轴6、拉杆5实现联动。平地机直线行驶时，通过钢丝软轴6将右转向油缸7活塞杆与流量分配阀3连接在一起，标定右转向油缸7活塞杆的位置使流量分配阀3阀芯的位置处于中位。平地机左转弯，右转向油缸7活塞杆伸出，流量分配阀3阀芯上移，阀芯置于下工作位，右行走马达42获得更多的压力油，右侧轮胎转速更快；右转弯时，情况相反。

这样平地机转向时，因内外轮的速度不同，该转向流量调节机构会为左右马达提供不同流量的压力油，达到左右轮需要的转速，实现平地机转向时即差速又限滑，充分发挥前轮驱动能力。

2.2 前轮转向角度测量——负载传感液压系统

2.2.1转向梯形机构

图2转向示意图

平地机的转向示意如图2所示，铰点H处放置转角传感器，测出的角度就是角度α。

转向梯形机构存在如下关系式：

cotα- cotβ=M/L（1）

式中α——右前轮转向角；

β——左前轮转向角；

M——前轮转向节中心距；

L——前后轴轴距。

通过关系（1）得到

β=arc cot（cotα-M/L） （2）

通过图2，可以得出：

R左=L/sinβ-e （3）

R右=L/sinα+e （4）

R后= L*cotβ+M/2（5）

式中e——前轮转向节中心至轮胎的距离

R左——左前轮转弯半径

R右——右前轮转弯半径

R后——后桥中心转弯半径

平地机绕O点转动，具有相同的角速度ω，从关系式（3）、（4）、（5）可以得到

V左=R左*ω=（L/sinβ-e）*ω（6）

V右=R右*ω=（L/sinβ+e）*ω（7）

V后=R后*ω=（ L*cotβ+M/2）*ω（8）

式中V左——左前轮速度

V右——右前轮速度

V后——后桥中心处整机速度

通过关系（8）得到

ω= V后/（ L*cotβ+M/2）（9）

将（9）代入（6）、（7）得到

V左= V后*（L/sinβ-e）/（L*cotβ+M/2）（10）

V右= V后*（L/sinβ+e）/（L*cotβ+M/2）（11）

1-液压泵 2-组合阀 3-左前轮马达 4-右前轮马达 5-背压阀 10-伺服柱塞 11-LS阀 20-左控制阀 21-压力补偿阀 22-梭阀 23-补油阀 24-主溢流阀 25-右控制阀 26-压力补偿阀 27-补油阀 28-背压阀 29-自由轮阀

2.2.2 前轮驱动液压系统

前轮驱动液压系统采用负荷传感液压系统，如图3所示。具体的原理如下：

1）前轮驱动工况：液压泵1经压力补偿阀21、左控制阀20与左前轮马达3连通，驱动左前轮马达3转动；同时液压泵1经压力补偿阀26、右控制阀25与右前轮马达4连通，驱动右前轮马达4转动。

通过压力补偿阀的调节，使左前轮马达3、右前轮马达4得到的流量只与左控制阀20、右控制阀25的阀开度有关，与左前轮马达3、右前轮马达4负载大小无关。

电磁铁Y1控制左前轮马达3前进，电磁铁Y2控制左前轮马达3后退。电磁铁Y1、Y2的电流大小决定左控制阀20阀的开度，即左前轮马达3行驶速度的大小。右前轮马达4与左前轮马达3相似。自由轮阀29得电，进入马达3、4的液压油从马达3、4出口流出，经控制阀21、25，最后经过背压阀28流回油箱。补油阀23、27在马达3、4出现吸空超速时补充液压油。

2）前轮自由轮工况，即前轮此时为从动轮：左前轮马达3、右前轮马达4都是内曲线径向柱塞马达。自由轮阀29不得电，左控制阀20和右控制阀25也不得电，外部油源的压力油从S点进入左前轮马达3、右前轮马达4的壳体，将柱塞压回到柱塞腔；与此同时左前轮马达3、右前轮马达4的进油口和出油口连通，并通过左控制阀20、右控制阀25和自由轮阀29与油箱连通，从而实现左前轮马达3、右前轮马达4的自由轮工况。

2.2.3 限滑差速控制

当前轮马达通过压力油后有如下关系式：

V前轮=2*π*R*n=2*π*R*Q/V（12）

式中V前轮——前輪轮胎的线速度

n——前轮马达转速

R——前轮滚动半径

V——前轮马达排量

Q——前轮马达通过的流量

左控制阀20、右控制阀25上电磁铁通过电流大小控制着进入前轮马达的压力油流量，也就是控制了前轮轮胎的速度大小。当左前轮速度、右前轮速度按照关系式（10）（11）给定时，平地机前轮就实现了转向时的纯滚动限滑差速行驶。

2.3 采用液压系统压力控制

2.3.1工作原理

图4前轮驱动液压系统由两个相对独立的液压分系统组成，分别控制左前轮及右前轮的转动，一侧的轮胎负荷大小不对另一侧产生影响。

在液压分系统中，设定转向时系统压力，如工作压力设定为P。平地机开始行驶，液压系统工作压力低于P时，控制器会增加液压泵的排量，这样液压泵为系统提供更多的压力油，系统压力持续升高；当液压系统工作压力达到P时，液压泵的排量就不再增加，排量保持不变，液压系统压力也不再升高。

平地机匀速行驶，系统压力保持为P，液压泵的排量保持恒定。

平地机减速行驶，系统压力升高，超过P，液压泵的排量减少。

平地机加速行驶，系统压力降低，低于P，液压泵的排量增加，直至压力等于P。

2.3.2限滑差速试验

图5所示为一段平地机转弯时的试验数据曲线，可以看出：

平地机是绕着一个圆心做匀速转动，左马达转速与右马达转速的数值及两者的差值相对稳定。

左马达和右马达的系统压力是独立的，相互没有影响。

压力曲线前段，液压传动系统（前轮）变化速度慢于机械传动系统（后轮），系统压力快速下降；压力曲线中段，液压泵排量由小增大，系统压力也逐渐增加，并在60bar附近波动；压力曲线后段，因为地面附着条件的变化，左马达压力和右马达压力产生了较大差异。

图5试验数据曲线

四 结束语

本文针对全驱平地机在转向时遇到的限滑及差速问题，提出三种解决方法，给出工作原理、计算公式及试验数据曲线，可以有效增加平地机牵引力，减少轮胎过早磨损。本文章的工作可为解决同类问题提供参考。

参考文献：

1、 何挺继 筑路机械手册[M]北京：人民交通出版社，2001.

2、 刘桦 中国筑养路机械设备手册[M] 北京：人民交通出版社，2012.

3、 林涛 同步分流阀在全液压平地机上的试验研究[J].筑路机械与施工机械化，2008 25（5）：52-54.

作者简介：

1.李良周（1970-），男，籍贯：广西桂平人，学历：本科，职称：高级工程师，研究方向：从事平地机总体开发设计工作。

2.刘光喜（1986-），男，籍贯：广西河池人，学历：本科，职称：工程师，研究方向：从事平地机液压系统设计工作。

3.白健信（1983-），男，籍贯：广西南宁人，学历：本科，职称：工程师，研究方向：从事平地机液压系统设计工作。

4.李大尤（1989-），男，籍贯：广西钦州人，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：从事平地机液压系统设计工作。