履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺設(shè)計

履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺設(shè)計王鵬;徐立友;周志立【摘要】液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置是一種液壓傳動與機械傳動組合而成的新型傳動機構(gòu)，能夠顯著提高履帶車輛的行駛機動性和工作效率.根據(jù)履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗要求，提出了其試驗臺設(shè)計方案，確定了試驗臺驅(qū)動裝置及加載裝置，設(shè)計了試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng).以東方紅1302R拖拉機液壓機械無差速轉(zhuǎn)向裝置為被試對象，完成了液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向特性試驗，結(jié)果表明:所設(shè)計試驗臺自動化程度高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，滿足設(shè)計要求.【期刊名稱】《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》【年(卷)，期】2014(052)008【總頁數(shù)】5頁(P1-4,12)【關(guān)鍵詞】履帶車輛;液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置;試驗臺;控制系統(tǒng)【作者】王鵬;徐立友;周志立【作者單位】471003河南省洛陽市河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院;471003河南省洛陽市河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院;471003河南省洛陽市河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院【正文語種】中文【中圖分類】U467.4;S219.20引言傳統(tǒng)的離合器式履帶車輛轉(zhuǎn)向裝置存在轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性及操作性差、功率損失大、轉(zhuǎn)向時平均行駛速度低等缺點。與離合器式轉(zhuǎn)向機構(gòu)相比，液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置是一種新型的履帶車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)，具有良好的轉(zhuǎn)向動力學(xué)特性，轉(zhuǎn)向靈活，操作簡便，作業(yè)效率高，在履帶車輛上具有良好的應(yīng)用前景［1］。國外對于液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的研究和應(yīng)用開始較早，在軍用履帶車輛、拖拉機及工程車輛上已經(jīng)裝備應(yīng)用，具有代表性的是美國的卡特彼勒公司和日本的小松公司所開發(fā)的液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置［2］。國內(nèi)對于液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的的研究開始較晚，應(yīng)用也相對較少，其中北京理工大學(xué)開發(fā)了用于軍用履帶車輛的液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置，河南科技大學(xué)以東方紅1302R拖拉機為裝機對象開發(fā)了液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置［3］。在液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的理論研究、優(yōu)化設(shè)計、出廠檢驗和故障分析過程中，對其性能進(jìn)行試驗尤為重要。目前，對液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的試驗主要依靠實車試驗，實車試驗成本高，試驗周期長［4］。本文以東方紅1302R履帶拖拉機液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置為被試對象，設(shè)計一種適合于履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的試驗臺，以期為液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的性能測試奠定基礎(chǔ)。1液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置工作原理圖1所示為東方紅1302R履帶拖拉機液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置原理示意圖，由分流機構(gòu)、機械變速箱、液壓轉(zhuǎn)向閉式回路和左、右匯流行星排等組成［5］。機械變速箱輸出齒輪與匯流行星排的齒圈嚙合，液壓轉(zhuǎn)向閉式回路通過一副齒輪與一側(cè)匯流行星排的太陽輪相聯(lián)接，通過兩副齒輪與另一側(cè)匯流行星排的太陽輪相聯(lián)接，左、右匯流行星排的齒圈聯(lián)為一體，兩側(cè)匯流行星排的行星架分別與左、右終傳動軸相聯(lián)接。發(fā)動機輸出功率通過分流機構(gòu)分為兩路，一路流向機械變速箱，另一路流向由變量泵-定量馬達(dá)組成的液壓轉(zhuǎn)向閉式回路，兩路功率分別通過左、右匯流行星排的齒圈和太陽輪進(jìn)入左、右匯流行星排，然后經(jīng)左、右行星架輸出至左、右終傳動，從而驅(qū)動兩側(cè)履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動履帶車輛行駛。圖1液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置原理示意圖Fig.1Principleofhydro-mechanicaldifferentialturningmechanism當(dāng)液壓轉(zhuǎn)向閉式回路不工作時，發(fā)動機輸出功率全部經(jīng)機械變速箱傳遞到兩側(cè)履帶的驅(qū)動輪，由于左、右匯流行星排的齒圈聯(lián)為一體，兩側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速大小相等、方向相同，車輛作穩(wěn)定的直線行駛；當(dāng)變速箱為空擋時，發(fā)動機輸出功率全部經(jīng)液壓轉(zhuǎn)向閉式回路傳遞到兩側(cè)的驅(qū)動輪，由于兩側(cè)匯流行星排的太陽輪與液壓轉(zhuǎn)向閉式回路之間的聯(lián)接相差一副齒輪，因此兩側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速大小相等、方向相反，此時若兩側(cè)匯流行星排的齒圈制動，則車輛作穩(wěn)定的中心轉(zhuǎn)向行駛，若兩側(cè)匯流行星排的齒圈不制動，驅(qū)動輪受地面行駛阻力的影響，車輛作不穩(wěn)定的中心轉(zhuǎn)向；當(dāng)液壓轉(zhuǎn)向閉式回路和機械變速箱同時向兩側(cè)驅(qū)動輪傳遞功率時，駕駛員通過方向盤調(diào)節(jié)液壓轉(zhuǎn)向閉式回路中變量泵排量大小和流向，從而改變定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的大小和方向，車輛具有無窮且可連續(xù)變化的轉(zhuǎn)向半徑，實現(xiàn)車輛的無級轉(zhuǎn)向。2液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺設(shè)計液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺用于其性能試驗，試驗內(nèi)容主要包括空載損耗特性試驗、無級轉(zhuǎn)向特性試驗、功率分流特性試驗和效率特性試驗［6］。要求試驗臺功能齊全，能源消耗少，具有可調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置和加載裝置，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、響應(yīng)快、精度高，控制軟件界面友好、操作簡單、便于維護和升級。2.1試驗臺方案與工作原理液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，主要由動力裝置、分動箱、機械變速箱、無級轉(zhuǎn)向后橋、多擋升速箱、加載裝置、方向盤、聯(lián)軸器與支撐、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。圖2液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2Structureofthehydromechanicdifferentialturningmechanismtestbench試驗臺動力裝置用于為被試液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置提供動力輸入，滿足試驗對輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的要求。常用的動力裝置包括發(fā)動機、液壓馬達(dá)、直流電動機、交流電動機。由于使用發(fā)動機作為動力裝置可使被試液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的試驗情況和實車使用情況最為接近，而且相比于液壓馬達(dá)、直流電動機和交流電動機，發(fā)動機具有較好的價格優(yōu)勢，因此試驗臺采用東方紅1302R拖拉機所配的6RAZT10型柴油發(fā)動機。試驗臺加載裝置用于模擬液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置所受的載荷，滿足試驗對加載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的要求。常用的加載裝置主要有水力測功機、電渦流測功機、磁粉式制動器、液壓加載裝置、直流電力測功機和交流電力測功機［7］。水力測功機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維護，但無法實現(xiàn)能量的回收利用，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，不利于轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)控制，低速下無法實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩加載。電渦流測功機結(jié)構(gòu)較為簡單，動態(tài)反應(yīng)快，穩(wěn)定性好，但能量無法回收利用，而且無法實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩加載。磁粉制動器可實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩加載，能滿足被試設(shè)備的低速要求，但磁粉容易老化，而且無法滿足被試設(shè)備高速工況的試驗要求。液壓加載裝置動態(tài)性能良好，響應(yīng)迅速，但設(shè)備復(fù)雜昂貴。直流電力測功機將直流電機發(fā)出的直流電由四象限直流調(diào)速器逆變?yōu)榻涣麟娀仞伒诫娋W(wǎng)，可實現(xiàn)能源的再生利用，而且可實現(xiàn)雙向加載，但電機轉(zhuǎn)速范圍相對較小，功率因數(shù)較低。交流電力測功機由交流電機將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)化為電能，由變頻一逆變單元將電能回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)能源的再生利用，測功機具有低速恒轉(zhuǎn)矩加載、高速恒功率加載特性，且能夠?qū)崿F(xiàn)雙向加載［8］。比較各類型的加載裝置，試驗臺選用CAC-160型交流電力測功機作為加載裝置，額定功率160kW,額定轉(zhuǎn)矩為1000N?m,額定轉(zhuǎn)速1500r/min，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。發(fā)動機輸出動力經(jīng)主離合器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器后傳送至分動箱，由分動箱將動力分為兩路，一路用于驅(qū)動機械變速箱，另一路用于驅(qū)動液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的液壓轉(zhuǎn)向閉式回路，兩路動力在無級轉(zhuǎn)向后橋的左右匯流行星排匯流，然后分別傳遞給左右半軸，輸出的動力經(jīng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、多擋升速箱后傳遞至交流電力測功機。試驗臺油門執(zhí)行器是一個帶有位置反饋的力矩電機，通過改變電機轉(zhuǎn)角的大小，改變發(fā)動機油門拉桿位置，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機油門開度。方向盤位置執(zhí)行器用于調(diào)整方向盤按指定的角速度轉(zhuǎn)到指定角度，從而調(diào)節(jié)液壓轉(zhuǎn)向閉式回路的排量比。多擋升速箱用于在不同試驗工況下變換左右輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使得左右輸出軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與交流電力測功機的轉(zhuǎn)矩特性相匹配。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器分別安裝在液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的輸入輸出軸、液壓轉(zhuǎn)向閉式回路的變量泵輸入軸和定量馬達(dá)的輸出軸處，用以測量各處的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速并提供給數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。聯(lián)軸器與支撐將試驗臺各個機械部分連接起來。輔助系統(tǒng)為各種機械部件提供必要的工作環(huán)境。2.2試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖3所示，主要由工控機、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、角位移傳感器、信號調(diào)理模塊、各控制器及執(zhí)行器、數(shù)據(jù)采集卡等組成。圖3試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)Fig.3Measurementandcontrolsystemoftestbench工控機的功能是根據(jù)試驗任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)的程序、向各控制器發(fā)出控制指令、對系統(tǒng)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)安全監(jiān)控和保護、故障診斷等功能。工控機通過兩種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，一種是傳感器將采集的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊處理后送給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行運算處理，工控機通過各通信端口獲取測量數(shù)據(jù)；另一種是信號傳送給相應(yīng)的控制器，經(jīng)控制器運算處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后發(fā)送給工控機，工控機對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，記錄不同試驗工況下的測試數(shù)據(jù)，并最終顯示和輸出。工控機的控制指令通過串口通信卡發(fā)送給各控制器，由各控制器完成對相應(yīng)執(zhí)行器的控制。試驗臺選用研華IPC-610工控機，數(shù)據(jù)采集卡選用研華PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選用湘儀測控JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺控制系統(tǒng)的功能主要包括對發(fā)動機油門、方向盤位置、交流電力測功機的控制。試驗臺對發(fā)動機的控制主要通過油門控制器接收來自工控機的油門控制指令，控制油門執(zhí)行器完成對發(fā)動機油門大小的調(diào)節(jié)，油門執(zhí)行器是一個具有位置反饋的力矩電機，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。試驗臺通過角位移傳感器對方向盤位置進(jìn)行測量，測量信號送至方向盤位置控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送給工控機，工控機向方向盤位置控制器發(fā)送轉(zhuǎn)角控制指令，控制器根據(jù)指令向方向盤位置執(zhí)行器發(fā)送控制信號，從而使方向盤按一定角速度轉(zhuǎn)動一定的轉(zhuǎn)角。交流電力測功機控制器根據(jù)工控機的控制指令，通過變頻器對交流電力測功機進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)被試液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置動態(tài)加載。在交流電力測功機控制器控制下，測功機可以運行在恒轉(zhuǎn)矩模式、恒轉(zhuǎn)速模式或者恒功率模式。2.3試驗臺控制軟件系統(tǒng)液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺控制軟件系統(tǒng)用來實現(xiàn)對被測物理量的采集、轉(zhuǎn)換、分析、處理、存儲、顯示等功能，要求控制軟件通用性強、易于維護、可以提供友好的人機界面、具有數(shù)據(jù)的實時處理功能和數(shù)據(jù)后處理功能，而且可以自動生成試驗報告。本試驗臺選用LabVIEW軟件作為控制軟件開發(fā)平臺，采用模塊化編程思想進(jìn)行控制軟件開發(fā)。試驗臺控制軟件系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖4。圖4試驗臺數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4Applicationstructurediagramofmeasurementandcontrolsystemoftestbench參數(shù)設(shè)置模塊用于對數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)置以及工控機與各控制器之間的通信設(shè)置；系統(tǒng)標(biāo)定模塊用于完成對系統(tǒng)誤差的補償和零點的調(diào)整；性能試驗?zāi)K用于完成對液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置各項試驗過程的控制；試驗結(jié)果處理模塊實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和顯示。3試驗結(jié)果分析根據(jù)液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺設(shè)計要求，對液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了性能試驗，本文以轉(zhuǎn)向特性試驗為例對試驗過程進(jìn)行說明。試驗工況：調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速至2300r/min、液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置直駛變速系統(tǒng)選二擋、通過加載裝置將轉(zhuǎn)向裝置驅(qū)動輪負(fù)載加至3000N?m，待試驗臺運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)方向盤轉(zhuǎn)角，改變液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置液壓閉式回路系統(tǒng)的排量比。分別測量液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、兩側(cè)輸出端轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速及方向盤行程，轉(zhuǎn)向機構(gòu)左、右側(cè)驅(qū)動輪速比隨方向盤行程（方向盤向右轉(zhuǎn)時）的變化曲線如圖5所示。圖5液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向特性試驗曲線Fig.5Testcurveofhydromechanicdifferentialturningmechanismturningperformancetest由試驗曲線可知，在負(fù)載的作用下，液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置左、右側(cè)驅(qū)動輪速比隨方向盤行程基本呈線性變化，可實現(xiàn)車輛從直駛到最小轉(zhuǎn)向半徑的無級轉(zhuǎn)向行駛，工作隨動性較好，未出現(xiàn)失穩(wěn)或失控現(xiàn)象。通過試驗可知，試驗臺可以對液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行動態(tài)加載，模擬被試裝置實際使用工況，能夠根據(jù)設(shè)定的條件完成對發(fā)動機、加載裝置的連續(xù)控制；能夠自動完成試驗數(shù)據(jù)的采集、記錄和處理，系統(tǒng)具有較高的自動化程度，本試驗臺能夠完成液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置的性能試驗任務(wù)。4結(jié)論1） 提出了履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置試驗臺方案，對試驗臺的動力裝置、加載裝置、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。2） 對履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明，液壓機械差速轉(zhuǎn)向裝置可實現(xiàn)車輛從直駛到最小轉(zhuǎn)向半徑的無級轉(zhuǎn)向行駛，工作隨動性較好，未出現(xiàn)失穩(wěn)或失控現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】胡紀(jì)濱，苑士華.液壓機械無級傳動的特性研究[J].機械設(shè)計，2000,22(4):28-30.曹付義.履帶車輛液壓機械差速轉(zhuǎn)向性能分析與參數(shù)匹配[D].西安：西安理工大學(xué)，2009.曹付義，周志立.液壓機械雙功率差速式轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)