汽車裝載增壓控制臺(tái)設(shè)計(jì)研究

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摘要:為提升汽車裝載系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)效率，提出一種液壓增壓控制平臺(tái)。針對(duì)壓力和流量控制機(jī)理，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主模塊包括負(fù)載增壓模塊、流量飽和模塊和負(fù)流量控制模塊等。在比例多路閥控制下，對(duì)閥口壓力和比例泵輸出特性進(jìn)行了仿真和測(cè)試。結(jié)果表明，該平臺(tái)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，增壓值與期望值的偏差低于5%。

關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng);增壓控制;壓力;流量;模塊設(shè)計(jì)

0引言

汽車裝載過程承受著較大的載荷，動(dòng)力主要依賴于液壓控制系統(tǒng)［1］，能夠方便地獲取所需的機(jī)械能。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)的元件趨于高集成性［2］和低功耗性［3］，整個(gè)液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于車輛裝載的可控性和節(jié)能效果均有著重要的影響。由于汽車裝載標(biāo)準(zhǔn)逐年升高，用戶對(duì)于車輛裝載的穩(wěn)定性［4］、控制精度以及功耗等都提出更高的要求。傳統(tǒng)的液壓裝載系統(tǒng)基于機(jī)械力傳遞目標(biāo)來設(shè)計(jì)，缺少對(duì)負(fù)載敏感度［5］和流量飽和度［6］的精確控制，在特定情況下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)效率低、振動(dòng)劇烈、能量損失較大等問題。由此可見，具有較高壓力響應(yīng)敏感度的液壓系統(tǒng)是非常有必要的。針對(duì)以上問題，文中提出一種汽車裝載增壓控制平臺(tái)，通過多路補(bǔ)償［7］系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提升壓力與流量的控制精度。

1液壓平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

對(duì)于液壓系統(tǒng)，雖然不同的控制元器件功能不同，但運(yùn)行時(shí)仍需要依據(jù)控制流程，協(xié)同工作才能發(fā)揮系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。因此，在裝載增壓平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合流量控制、負(fù)載衡穩(wěn)、出口增壓等功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。汽車裝載增壓控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求如下:(1)除了滿足額定的裝載力矩和增壓比例之外，還應(yīng)具備低功耗和高穩(wěn)定性特性;(2)盡量采用感應(yīng)技術(shù)和電控技術(shù)代替原有的機(jī)械控制方案，對(duì)于閥口信號(hào)的監(jiān)測(cè)具備補(bǔ)償功能，避免溫度等因素的干擾;(3)泵體的流量控制混合使用節(jié)流法和容積法［8］，要求不但具備較高的響應(yīng)效率和流量精準(zhǔn)度，還需要保持良好的功耗狀態(tài)。

1.2負(fù)載增壓模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的負(fù)載控制主要以回路中的預(yù)設(shè)值作為控制變量，參考值為最高負(fù)載下的變量泵輸出壓力，對(duì)于反饋控制很少涉及。但是，由于負(fù)載具有顯著的反饋敏感性特點(diǎn)，因此梭閥需要增加參照量響應(yīng)元件，通過對(duì)變量泵自身功率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)流量的控制，從而實(shí)現(xiàn)最終的輸出壓力不低于預(yù)設(shè)值。根據(jù)裝載液壓控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)負(fù)載增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，壓力可有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［9－10］，變量泵能夠根據(jù)流量要求不斷反饋壓力值，擺脫了溢流耗散問題［11］，功耗損失降低，這對(duì)于能量效率的提升有重要意義。負(fù)載增壓模塊中的反饋參數(shù)基于管路傳感器的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)優(yōu)先選用動(dòng)態(tài)特性良好的元件。負(fù)載增壓模塊作為液壓裝載系統(tǒng)重要的組成部分，能夠有效地響應(yīng)液壓回路中較為劇烈的振動(dòng)，弱化外界因素對(duì)壓力輸出特性的影響，能夠在起重機(jī)、叉車、挖掘機(jī)等工程車輛中得到良好的應(yīng)用效果。

1.3流量飽和控制模塊

流量飽和控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能為基于流量飽和度的控制來實(shí)現(xiàn)多路壓力補(bǔ)償。因此，在系統(tǒng)中增設(shè)多路聯(lián)動(dòng)的壓力補(bǔ)償器，當(dāng)回路中的壓力載荷超過預(yù)設(shè)值時(shí)，模塊開始進(jìn)行節(jié)流操作，當(dāng)不同的節(jié)點(diǎn)入口壓力偏差低于允許值時(shí)，再次分配初設(shè)值，使得出口壓力的壓力差同樣保持穩(wěn)定，即入口壓差與出口壓差相匹配。根據(jù)流量飽和控制模塊的工作機(jī)理可知，油液在回路中經(jīng)過執(zhí)行器的實(shí)際流速與過流面積之間為線性關(guān)系，便于實(shí)現(xiàn)分布式控制和獨(dú)立控制的結(jié)合。為確保流量控制精度，增設(shè)溢流閥，將負(fù)載因素離散化，避免壓力偏差對(duì)閥口流量造成干擾，使其僅與閥口閉合度相關(guān)。

1.4負(fù)流量控制模塊

負(fù)流量控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要用于匹配變量泵流量信號(hào)與反饋信號(hào)之間的線性關(guān)系，其核心組成部分為液壓回路中的節(jié)流器。在該模塊的控制下，流量控制可以轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)條件。當(dāng)傳感器檢測(cè)到單油路的流量變動(dòng)值超過20%時(shí)，將反饋信號(hào)傳輸至控制器，進(jìn)而與流量飽和控制模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，最終將油液回路中的流量保持在許用范圍內(nèi)。根據(jù)負(fù)流量控制模塊的工作機(jī)理可知，其能量效率較高，功率損失主要發(fā)生在旁路控制和負(fù)載響應(yīng)。當(dāng)裝載增壓系統(tǒng)工作時(shí)，將觸動(dòng)變幅液壓缸的位移，使其發(fā)送引導(dǎo)性控制參數(shù)，進(jìn)而帶動(dòng)變幅聯(lián)主閥和比例減壓閥工作，使得閥芯朝上運(yùn)動(dòng)。負(fù)載增壓模塊所控制的油液在功率補(bǔ)償［12］作用下以增壓模式進(jìn)入梭閥，此時(shí)，增壓元件將液壓油引入增加補(bǔ)償器內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到流量差值較大時(shí)，設(shè)定增壓器的前后腔為連通狀態(tài)，油液在輔助閥作用下以分支方式回流至變幅液壓缸。在負(fù)流量控制模塊的作用下，大大降低了梭閥對(duì)負(fù)載變化的敏感度。再次調(diào)節(jié)輸出壓力時(shí)，能夠直接接收負(fù)載壓力的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)變量泵的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載壓力的穩(wěn)定。

1.5比例多路閥設(shè)計(jì)

裝載增壓控制臺(tái)各個(gè)功能模塊之間的油路連接通過比例多路閥實(shí)現(xiàn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。比例多路閥的壓力與流量屬性是平臺(tái)性能仿真和測(cè)試的依據(jù)，其控制機(jī)理為泵體與閥體的聯(lián)合性功能補(bǔ)償，包括變幅和伸縮聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程，功率補(bǔ)償?shù)?。?dāng)油路循環(huán)工作時(shí)，負(fù)載增壓模塊中的壓力補(bǔ)償器首先以最大功耗運(yùn)行，隨后通過流量飽和控制模塊調(diào)節(jié)至理想的閥口壓力與泵口流量。比例多路閥具有傳感器接口和油路接口，對(duì)處于不同工作參數(shù)條件下的功能模塊均具有良好的控制效果。

2性能測(cè)試與仿真分析

2.1閥壓分析

主閥的輸入壓力和輸出壓力控制精度是衡量裝載增壓系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。文中針對(duì)比例多路閥的機(jī)械特點(diǎn)，將各路功能模塊連接，得到管路與傳感器的連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。在試驗(yàn)測(cè)試中，設(shè)定流程如下:首先開啟電液比例泵，使其在額定轉(zhuǎn)速下工作，設(shè)定先導(dǎo)壓力值并將油液增壓進(jìn)入補(bǔ)償器，抵消外部重力和彈力載荷后流入節(jié)流器并到達(dá)主閥入口;然后在負(fù)載增壓模塊作用下持續(xù)提高入口壓力，當(dāng)兩腔油壓接近平衡時(shí)，停止增壓;最后控制其他補(bǔ)償器管路接通，輸出壓力達(dá)到最大負(fù)載狀態(tài)，同步測(cè)量入口壓力、出口壓力和負(fù)載壓力，整個(gè)過程的液壓仿真可基于AMESim實(shí)現(xiàn)。壓力隨流量變化的測(cè)試與仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出:入口壓力、出口壓力和負(fù)載壓力的控制精度較高，測(cè)試值與仿真值具有較高的匹配性，增壓效果與預(yù)期值差別很小，低于5%;當(dāng)油液進(jìn)入主閥口時(shí)，負(fù)載即達(dá)到了穩(wěn)定值，響應(yīng)效率非常高;在閉環(huán)控制條件下，整體壓力變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)載荷突變問題。

2.2比例泵輸出特性

在汽車裝載增壓控制臺(tái)中，比例泵的輸出特性能夠有效地體現(xiàn)系統(tǒng)最大承載性能，其在控制平臺(tái)中的安裝結(jié)構(gòu)如圖7所示。在功能試驗(yàn)測(cè)試中，設(shè)定操作流程如下:首先將所有的閥口置于開啟狀態(tài)，使得比例泵的擺角位移處于極速模式，即不需要預(yù)設(shè)相應(yīng)的運(yùn)行程序;預(yù)設(shè)主閥壓力峰值為2．5MPa，將變量泵的檢測(cè)信號(hào)導(dǎo)入上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);改變輸入電流，調(diào)整比例閥，使回路油壓增益不超過1MPa。通過測(cè)試與仿真分析，可得出不同輸入電流條件下的流量與壓力變化規(guī)律如圖8所示。可以看出:仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢(shì)上的一致性較高，由于未考慮摩擦損耗，仿真值略大于測(cè)試值;在穩(wěn)定的負(fù)載作用下，隨著輸入電流的增大，比例泵的輸出流量表現(xiàn)出線性增大至平穩(wěn)狀態(tài)的變化規(guī)律。在試驗(yàn)中，比例溢流閥的開啟與閉合需要一定的時(shí)間，并非直接導(dǎo)通，在壓力積聚作用下將產(chǎn)生局部應(yīng)力過大。文中所設(shè)計(jì)的流量飽和控制模塊可實(shí)現(xiàn)良好的過載泄壓效果，使得泵扣壓力與仿真結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)。

3結(jié)論

車輛工程的快速發(fā)展是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)與社會(huì)進(jìn)步的必然結(jié)果。作為裝載車輛，其液壓系統(tǒng)的性能是安全性和可靠性的關(guān)鍵因素。本文基于精準(zhǔn)控制和節(jié)能要求，對(duì)一種增壓控制平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過研究得出以下結(jié)論:(1)該系統(tǒng)對(duì)于壓力和流量的控制能夠達(dá)到預(yù)期效果，各個(gè)性能的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果具有顯著的一致性;(2)系統(tǒng)對(duì)電液比例控制信號(hào)的響應(yīng)效率較高，變量泵在閉環(huán)的反饋回路控制中能夠有效減小能量損失，從而得到更高的控制效率。

作者:韓笑 單位:煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院