双泵合流液压系统转向动力学特性与能耗分析

季 鹏

（三江学院机械与电气工程学院，江苏 南京 210012）

1 引言

铰接式工程车辆由于转向过程中受力情况复杂多变，车体会产生有较大的滑动，严重影响重型载重车辆的转向性能。如何在降低能耗的同时提高转向效率已成为研究的重点。因此，研究装载机作业过程中的转向特性对整车安全性及行驶稳定性具有现实意义。目前对装载机转向装置的研究主要集中在液压系统的动态特性和动力学模型的研究，文献[1-2]研究了给定任意前瞬心点的后驱四轮模型和等效三轮模型。文献[3]研究了空载和满载两种状态下转向系统的动力学特性。文献[4]研究了实际工况中影响转向稳定性的因素和能量消耗。文献[5]研究发现离心力对车辆转向性能具有一定程度的影响。文献[6]通过AMEsim与ADAMS软件研究了工作装置液压系统压力、流量等参数的动态特征和能耗分布。

综上，以装载机转向系统为研究对象，通过动力学模型和虚拟样机联合仿真模型研究车速和载荷对转向机构动态特性的影响，对液压系统进行了试验，得到了不同作业过程下转向过程液压系统内部的压力和功率随外载荷的变化规律及节能效果。

2 转向过程运动学分析

2.1 转向机构动力学模型

铰接式装载机转向机构原理图，如图1所示。0点为前后车架铰接点，轴距为L1+L2，轮距为B，铰接点与前桥的距离为L1，铰接点与后桥距离为L2。θ为转向角。E和E1为转向油缸与前车架的铰点，F和F1为转向油缸与后车架的铰点。

图1 转向机构原理图Fig.1 Diagram of Steering Mechanism

式中：Cd—阀流量系数；w—阀口面积梯度；xv—阀芯位移；ps—恒定供油压力；ρ—液压油密度。

优先阀阀芯平衡方程有：

式中：P1、P2—节流前后的压力；A1—优先阀阀芯端面面积；k—优先阀控制弹簧刚度；x—优先阀控制弹簧压缩量。

驱动轮胎的主动转矩为[8]：

式中：TK1—驱动轮胎主动转矩；PK1—轮胎驱动力；rd1—轮胎动力半径；f1—轮胎滚动阻力参数；Z—垂直方向上轮胎载荷。

转向时外侧活塞所受作用力[9]：

式中：η—转向液压缸的效率；P1—无杆腔压力；P2—有杆腔压力；D—活塞直径；D1—活塞杆直径。

2.2 转向系统仿真模型

转向系统依靠泵、阀和液压缸等执行机构和液压驱动系统的联合动作来实现转向，其原理图，如图2所示。当转动方向盘开始转向时，控制系统会优先让转向泵的部分液压油来驱动转向系统，多余的油则通过优先阀被输入其他工作装置液压系统。

图2 液压转向系统Fig.2 Hydraulic Steering System

动力学仿真所需的虚拟样机模型，如图4所示。发动机、变速箱和传动轴等用等效质量代替，比如质量中心的位置和转动惯量等，并增加轮胎和道路模型，具体参数[10]，如表1所示。

图3 转向液压系统机-液联合仿真模型Fig.3 Joint Simulation Model of Machine and Liquid

图4 装载机虚拟样机模型Fig.4 Virtual Prototype Model of Loader

表1 轮胎参数Tab.1 Tire Parameters

具体参数[11-12]，如表1～表3所示。

表2 整车各部件特性参数Tab.2 Characteristic Parameters of Each Part of the Vehicle

表3 转向系统仿真参数Tab.3 Simulation Parameters of Steering System

3 行驶转向仿真分析

3.1 转向系统动力学分析

轮胎承受的垂直载荷与转向角之间的关系，如图5所示。在将转向角由0°增加到40°的过程中，左前轮和左后轮的垂直载荷几乎呈线性增加，而右后轮的垂直载荷变化正好相反，并且后轮胎负荷的变化率大于前轮。轮胎的侧向力和转向角之间的关系，各个轮胎的侧向力随转向角的增大而线性增大，侧向力以相对较小的转向角增大，如图6所示。

图5 轮胎垂直载荷与转向角关系Fig.5 Relation between Vertical Load and Steering Angle of Tyres

图6 轮胎侧向力与转向角关系Fig.6 Relationship between Lateral Force and Steering Angle of Tyres

随着转弯角度的增大，侧向力趋于稳定，并且与轮胎滑动速率的变化有关。转向角越大，转向半径越小，轮胎的侧向力越大，转向难度越大，转向能力越低，轮胎的磨损和能耗越大。在四个不同挡位车速下转向过程的油缸刚度变化曲线，刚度在加载初期变化很小，载重量超过2000kg后，动臂油缸刚度变化较大，如图7所示。由于油液可压缩，随着载重量的不断增加，油缸的刚度值增大，且随着装载机物料的增加，转向速度越大，刚度值变化越显著。

图7 刚度随载重量的变化Fig.7 Stigma with Load

3.2 转向液压系统能耗分析

根据流量和压力的变化即可计算出转向液压系统各处的功耗分配，如图8所示。当装载机操作员以恒定的速度转弯时，在转向初期，装载机具有较大的惯性载荷，产生较大的冲击，导致转向泵出口和转向液压缸压力上升，造成较大的能量损失。在转向过程中，随着时间的推移，压力会逐渐降低到稳定状态。

图8 转向液压系统功耗Fig.8 Power Consumption of Steering Hydraulic Systems

根据各处的功耗和转向泵的功率计算出各处的能耗及各处转向效率，如表4所示。当发动机处于高速运转时，在满载快速转动方向盘时液压系统效率非常低大约为17.5%。主要原因是在高速时转向泵出口的流量比转向所需的流量大得多。在转向方向盘的过程中，液压油通过优先阀泄漏回油箱，并损失大量能量。当发动机处于怠速状态转向时液压系统的效率为45.7%，主要原因是当引擎闲置并转向快速方向盘时，转向泵出口的流量完全用于转向，使得通过优先阀溢流回到油箱的流量为0。然而，当发动机处于空转状态时，转向装置中的液压马达起到油泵的作用，用转向泵提供所需的能量。所以，转向液压系统的效率与车速和转向的快慢密切相关。

表4 满载转向能耗Tab.4 Energy Consumption for Fully Loaded Steering

4 转向测试结果

为了研究装载机同轴流量放大转向液压系统的工作特性，对装载机在典型工况下的转向状态进行了现场试验，并对双泵组合液压系统的压力参数进行了测试。

图9 铰接式转向系统Fig.9 Hinged Steering System

试验样机在满载工况下实现转向过程，对转向液压缸的压力和转向泵的出口压力进行测量，转向泵通过优先阀与工作泵结合，因此，压力不仅取决于左右转向缸的负载，也取决于工作的液压缸。液压系统压力值在转向中波动较大，压力损失较大，会造成较大的能量损失，如图10（a）所示。由于路面粗糙度的影响，如果方向盘一直处于调整状态，转向液压缸压力出现一定的波动。工作泵输出功率减去液压系统的消耗功率即为转向过程的能耗，由于双泵合流后减小了溢流，从而使转向过程更节能，如图10（b）所示。

图10 实验结果Fig.10 Experimental Results

5 结论

由于装载机工作环境恶劣、行驶路况较差且承载重量较大，转向性能的好坏直接影响整车的结构安全和节能性能，基于整车虚拟样机模型模拟了不同作业工况下不同参数对转向过程动态特性的影响。通过试验测试了作业过程中转向液压系统内部的动态变化，得到如下结论：（1）建立整机的虚拟样机模型，模拟转向系统的多体动力学特性，得到了各个轮胎的载荷特性，发现转向角越大，轮胎所受的载荷越大；转向半径越小，轮胎的侧向力越大。（2）当发动机处于高速运转时，在满载快速转动方向盘时液压系统效率非常低大约为17.5%；当发动机处于怠速状态转向时液压系统的效率为45.7%。