CN102673643A - 提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法。针对液压机械差速转向系统中的行星排特性参数、液压闭式回路系统参数、马达后传动比及定轴齿轮传动比等多优化参数，综合评价履带车辆转向动力性（动力因数）、转向灵活性（转向半径）和转向快速性（转向时间）等多项评价子目标，采用层次化划分问题空间的方法处理各优化参数之间的相互耦合关系，使每个优化参数对应一层问题空间，从而增加了优化参数选择的灵活性，避免了优化过程中对无效参数组合方案的分析计算，提高了参数优化效率。

Description

提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法

技术领域

本发明涉及履带车辆液压机械差速转向系统及其优化领域。

背景技术

履带车辆的转向系统大致经历了转向离合器-制动器、机械式双功率流转向系统和液压机械差速转向系统等。液压机械差速转向系统是液压传动、机械传动和行星齿轮传动复合的双功率流新型转向系统(如图1)。同传统转向系统相比，它具有动力学特性优良、能使履带车辆实现无级转向、作业效率高、操作轻便、劳动强度低、直驶稳定性好、转向轨迹精确等优点。

为了提高履带车辆液压机械差速转向系统性能，工程上通常采用优化设计的方法对系统进行优化，以使其性能更强。系统优化分为结构优化和参数优化。

然而，参数优化需要考虑的因素很多，而且系统参数之间存在着约束与耦合，改变任一参数，都可能会影响其他参数。目前关于履带车辆液压机械差速转向系统参数的选取还仅采用常规静态、经验设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法，用以解决现有技术参数优化的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1)根据液压机械差速转向系统中各部分的传动结构，确定与系统性能相关的、需要优化的优化参数；

2)根据优化需求和系统使用需要，建立优化参数的模型，确定优化参数的评价子目标，以及各子目标的权重系数和解集大小；

3)根据优化参数的关联性将问题空间划分层次，使每个优化参数对应一层问题空间；根据所述问题空间划分层次执行遗传算法进行寻优，由上一层问题空间对应的种群个体生成下层问题空间对应的种群，以避免生成无效参数组合；

4)寻优结束，由计算机系统生产优化参数的最优解；根据所述最优解调节液压机械差速转向系统。

步骤3)包括：

3.1设定优化参数的初始值；

3.2确定某一优化参数对应的问题空间，随机选择个体组成初始种群Q₁；

3.3循环选择种群Q₁的个体Si(1≤i≤M)，确定第二个优化参数对应的问题空间，生成其初始种群Q_2Si；

3.4以此类推，直至生成最后一个参数对应问题空间的初始种群Q_{nSi_…_j_m}(1≤j≤M，1≤m≤M)；

3.5循环选择Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x(1≤x≤M)，并根据各层种群所选个体对应的参数组合，生成相应的优化模型，仿真得到各子目标值；

3.6基于Pareto解的优胜关系对Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x进行排序，并确定其适应度值；

3.7将Q_{nSi_…_j_m}中的最优个体复制到该群体对应的外部优势集G_{nSi_…_j_m}，并将G_{nSi_…_j_m}中的劣解删除。

3.8如果未达到优化设定的迭代次数，使用联赛竞争机制从当代和上一代种群中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.5步继续进行；

3.9将G_{nSi_…_j_m}作为Q_{nSi_…_j_m}的解集，计算上一层种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中各个个体的适应度，如果未达到种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}优化设定的迭代次数，则使用联赛竞争机制从种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.4步继续进行；

3.10循环3.4至3.9，直至达到所设定的迭代次数，寻优结束，输出优化参数最优解。

3.9中计算个体适应度值采用如下方法：在最底层，基于Pareto解的优胜关系对种群中个体进行排序，根据当代种群劣于该个体数目计算其适应度值；在非最底层，取该层种群中各个个体对应解集的并集，在该并集中得到属于该个体对应参数组合方案的数目计算其适应度值。

液压机械差速转向系统作为履带车辆的一种新型转向系统，其参数优化目标主要涉及履带车辆的转向动力性、灵活性、快速性、系统制造成本及空间结构布置等目标，其参数优化属于多目标优化，优化结果并不是单个唯一解，而是一组解，即所谓的Pareto最优解。

遗传算法是一种典型进化算法，具有通用性和鲁棒性好、搜索能力强等特点，特别是在求解存在多个冲突目标的多准则优化方面具有较大优势。

本发明采用层次化划分问题空间方法处理系统参数之间的相互约束与耦合关系，从而增加系统参数选择的灵活性，提高优化效率，并有助于保持群体多样性。根据车辆类型和使用工况，对履带车辆的转向动力性、灵活性、快速性、系统制造成本及空间结构布置等评价子目标进行权衡，尽可能使各评价子目标达到最优。

附图说明

图1为履带车辆液压机械差速转向系统结构示意图；

图2为系统参数优化流程图；

图3为问题空间层划分结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

所述的液压机械差速转向系统构成如图1所示。它包括动力输入(1)，定轴齿轮机构(2)，直驶变速系统(3)，液压闭式回路系统(4)，中央传动(5)，马达后传动(6)，反向系统(7)，左行星排(8)，右行星排(9)，左动力输出(10)，右动力输出(11)等。其中，动力输入为发动机或其它动力源，液压闭式回路系统为变量泵定量马达系统，马达后传动、反向系统均为一级定轴齿轮机构，左、右行星排包括太阳轮(8a、9a)、齿圈(8b、9b)、行星架(8c、9c)。

本发明的优化过程如图2所示，主要包括以下几部分：

1.首先通过液压机械差速转向系统性能分析及履带车辆液压机械差速转向性能分析，确定需要优化的系统参数。由图1知，液压机械差速转向系统参数主要有直驶变速系统参数(传动比)、中央传动比、行星排特性参数、液压闭式回路系统参数(压力、排量)、马达后传动比、定轴齿轮传动比和反向系统传动比等。直驶变速系统参数(传动比)由车辆的直驶性能决定，通常在进行转向系统设计时，直驶变速系统参数(传动比)、中央传动比可认为是已知值。反向系统的设置是由履带车辆的转向原理需要，反向系统传动比通常取为1。因此，需要优化的系统参数包括行星排特性参数α、液压闭式回路系统参数(系统压力p_H、马达排量q_m)、马达后传动比i_y及定轴齿轮传动比i_f。针对优化参数将问题空间进行划分，使每个优化参数对应一层问题空间。

2.根据优化需求和系统使用需要，确定系统参数优化的评价子目标。主要有车辆的转向动力性(转向牵引性能)、转向灵活性、转向快速性、系统制造成本及空间结构布置等，其中，系统制造成本及空间结构布置可作为优化的约束条件。履带车辆种类繁多，有农用履带车辆(履带拖拉机、推土机等)和军用装甲车辆等。车型不同，其性能要求也不尽相同。农用履带车辆主要用于动力输出作业，液压机械差速转向系统参数优化要满足车辆的转向动力性(转向牵引性能)，而军用装甲车辆不带工作装置，系统参数优化时主要考虑其转向灵活性和转向快速性。不同车型均要在满足其整车布置空间、制造成本及性能要求的基础上，确定各子目标的权重系数和解集大小，实现液压机械差速转向系统参数最优。

3.根据优化参数的关联性将问题空间划分层次，如图3所示，采用遗传算法进行寻优，具体步骤如下：

3.1优化初始参数设定，包括车辆参数、行驶地面参数、各子目标权重系数(由车型分配决定)、遗传算法所需参数(种群大小M、迭代次数T、交叉概率P_c、变异概率P_m等)等；

3.2确定某一优化参数对应的问题空间，随机选择个体组成初始种群Q₁；

3.3循环选择种群Q₁的个体Si(1≤i≤M)，确定第二个优化参数对应的问题空间，生成其初始种群Q_2Si；

3.4以此类推，直至生成最后一个参数对应问题空间的初始种群Q_{nSi_…_j_m}(1≤j≤M，1≤m≤M)。当两个优化参数之间存在约束耦合关系时，就可以根据前一参数的问题空间对后一个参数的问题空间进行裁剪，避免无效参数组合方案；

3.5循环选择Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x(1≤x≤M)，并根据各层种群所选个体对应的参数组合，生成相应的优化模型，仿真得到各子目标值；

3.6基于Pareto解的优胜关系对Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x进行排序，并确定其适应度值；

3.7将Q_{nSi_…_j_m}中的最优个体复制到该群体对应的外部优势集G_{nSi_…_j_m}，并将G_{nSi_…_j_m}中的劣解删除。

3.8如果未达到优化设定的迭代次数，使用联赛竞争机制从当代和上一代种群中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.5步继续进行；

3.9将G_{nSi_…_j_m}作为Q_{nSi_…_j_m}的解集，计算上一层种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中各个个体的适应度，如果未达到种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}优化设定的迭代次数，则使用联赛竞争机制从种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.4步继续进行；

3.10以此类推(循环3.4到3.9)，直至达到所设定的迭代次数，寻优结束，输出液压机械差速转向系统参数最优解。

结合图1所示的液压机械差速转向系统构成方案，对本发明的具体实施方式作进一步描述：

1.确定需要优化的系统参数包括定轴齿轮传动比i_f、液压闭式回路系统参数(马达排量q_m、系统压力p_H)、马达后传动比i_y及行星排特性参数α。

2.建立系统参数优化评价目标计算模型

主要有车辆的转向动力性模型(动力因数)、转向灵活性模型(转向半径)、转向快速性模型(转向时间)。

2.1转向动力性模型

转向动力性用转向动力因数评价。转向动力因数是指履带车辆转向时每单位重力所分配的两侧履带牵引力之和，它表示了车辆转向时所能克服的内、外侧阻力大小，其值越大，转向越容易，转向动力性越好。

液压机械差速转向的履带车辆两侧履带牵引力的大小与发动机转矩、液压闭式回路系统输出转矩及地面附着力有关，发动机、液压闭式回路系统及地面所提供的车辆转向牵引能力可分别用发动机动力因数、液压闭式回路系统动力因数及地面动力因数表示。

(1)发动机动力因数

由履带车辆转向受力分析知，当R＜0.5B时，内、外侧履带牵引力均为驱动力，当R≥0.5B时，外侧履带牵引力为驱动力，内侧履带牵引力为制动力。由转向动力因数定义可得两种工况下的发动机动力因数分别为

$D_e=\frac{\mathrm{\&alpha;}(1+\mathrm{\&alpha;})i_f{i}_y{i}_m{M}_e}{\mathrm{G\&epsiv;\&alpha;}{r}_q}(R<0.5B)$

$D_e=\frac{\mathrm{\&alpha;}(1+\mathrm{\&alpha;})i_f{i}_y{i}_m}{\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&epsiv;}}^2}(\frac{M_e}{{\mathrm{Gr}}_q}-\frac{\mathrm{f\&alpha;}}{i_g{i}_z{i}_m(1+\mathrm{\&alpha;})})(R\&GreaterEqual;0.5B)$

式中，D_e为发动机动力因数；i_m为最终传动比；M_e为发动机转矩，Nm；G为车辆重力，N；ε为液压闭式回路系统排量比(0≤ε≤1)；r_q为驱动轮驱动半径，m；f为履带滚动阻力系数；i_g为直驶变速系统传动比；i_z为中央传动比；R为车辆转向半径，m；B为履带轨距，m。

(2)液压闭式回路系统动力因数

履带车辆转向时，其内、外侧履带牵引力通过最终传动、行星排作用到液压闭式回路系统的马达输出轴上，即为液压闭式回路系统负载转矩，其大小等于系统输出转矩。液压闭式回路系统动力因数为

$D_m=\frac{(1+\mathrm{\&alpha;}{)i}_y{i}_m{q}_{m}p}{0.314\&times;{10}^4{\mathrm{Gr}}_q{i}_f}$

式中，D_m为液压闭式回路系统动力因数。

(3)地面动力因数

地面动力因数分R＜0.5B、R≥0.5B两种工况计算，分别为

$D_0=\frac{\mathrm{\&mu;L}}{(1.95B+\frac{0.6\mathrm{\&alpha;}{i}_f{i}_y}{\mathrm{\&epsiv;}{i}_g{i}_z})}(R<0.5B)$

$D_0=\frac{\mathrm{\&mu;L}}{2B}+f(R\&GreaterEqual;0.5B)$

式中，D₀为地面动力因数；μ为地面附着系数。

2.2转向灵活性模型

履带车辆的转向灵活性用最小转向半径评价，它反映了车辆在狭窄区域内实现转向的能力。最小转向半径越小，车辆转向越灵活。液压机械差速转向的履带车辆各挡均有一个最小转向半径，挡位不同，最小转向半径也不同。不考虑履带滑移(滑转)及转向中心偏移时，转向半径为

$R=\frac{\mathrm{\&alpha;}{i}_f{i}_{y}B}{2\mathrm{\&epsiv;}{i}_g{i}_z}$

2.3转向快速性模型

履带车辆的转向快速性用最短周转向时间(或最大转向角速度)评价，最短周转向时间是指履带车辆在某一挡位下，以某一转向半径回转一周所需的最短时间，它反映了车辆转向的快慢。为提高车辆的转向快速性，各挡的最短周转向时间越短越好。液压机械差速转向的履带车辆最短周转向时间(或最大转向角速度)与直驶变速系统挡位无关。不考虑履带滑移(滑转)及转向中心偏移时，周转向时间为

$t_c=\frac{30B(1+\mathrm{\&alpha;})i_m{i}_f{i}_y}{r_q{n}_e\mathrm{\&epsiv;}}$

式中，n_e为发动机转速，r/min。

3.设定优化初始参数，包括车辆参数(结构参数、直驶变速系统参数、中央传动比、最终传动比等)、行驶地面参数(附着系数、行驶阻力系数等)、各子目标权重系数(由车型和使用工况决定)、遗传算法所需参数(种群大小、迭代次数、交叉概率、变异概率、种群规模等)。

4.确定行星排特性参数α对应的问题空间，随机选择个体产生初始种群Q₁；

5.循环选择种群Q₁的个体Si(1≤i≤M)，生成液压闭式回路系统压力p_H对应的问题空间，随机选择个体构成初始种群Q_2si；

6.循环选择Q_2si中的个体Si_j，生成液压闭式回路系统中马达排量q_m对应的问题空间，随机选择个体构成初始种群Q_{3si_j}；

7.循环选择Q_{3si_j}中的个体Si_j_m，生成马达后传动比i_y对应的问题空间，随机选择个体构成初始种群Q_{4si_j_m}；

8.循环选择Q_{4si_j_m}中的个体Si_j_m_x，生成定轴齿轮传动比i_f对应的问题空间，随机选择个体构成初始种群Q_{5si_j_m_x}；

9.循环选择Q_{5si_j_m_x}中的个体Si_j_m_x_z，根据各层种群所选个体对应的参数组合，仿真计算Si_j_m_x_z的子目标值；

10.基于Pareto的优胜关系对Q_{5si_j_m_x}中的个体Si_j_m_x_z进行排序，得到当代种群中劣于Si_j_m_x_z的个体数目，作为其适应度值；

11.将Q_{5si_j_m_x}中的最优个体复制到该群体对应的外部优势集G_{5si_j_m_x}，并将G_{5si_j_m_x}中的劣解剔除；

12.如果未达到优化设定的迭代次数，使用联赛竞争机制从当代和上一代种群中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群Q_{5si_j_m_x}转到第9步继续进行；

13.将G_{5si_j_m_x}作为个体Si_j_m_x的解集，按上述方法计算上一层种群Q_{4si_j_m}中各个个体的适应度值；

14.如果未达到种群Q_{4si_j_m}优化设定的迭代次数，继续选择、交叉、变异，生成新的种群Q_{4si_j_m}转到第8步继续进行；

15.按上述步骤，直至种群Q₁迭代生成的次数也达到最大迭代次数；

16.寻优结束，输出液压机械差速转向系统参数最优解。

上述通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域科研开发人员还可意识到液压机械差速转向系统构成方案变型和可选实施例的多种可能性，例如本实施例中液压、机械两路输入及输出与行星排三元件的连接方式就有6种。因此，可以理解的是这些液压机械差速转向系统构成方案变型和可选实施例将被认为在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1)根据液压机械差速转向系统中各部分的传动结构，确定与系统性能相关的、需要优化的优化参数；

2)根据优化需求和系统使用需要，建立优化参数的模型，确定优化参数的评价子目标，以及各子目标的权重系数和解集大小；

3)根据优化参数的关联性将问题空间划分层次，使每个优化参数对应一层问题空间；根据所述问题空间划分层次执行遗传算法进行寻优，由上一层问题空间对应的种群个体生成下层问题空间对应的种群，以避免生成无效参数组合；

4)寻优结束，由计算机系统生产优化参数的最优解；根据所述最优解调节液压机械差速转向系统。

2.根据权利要求1所述的提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法，其特征在于，步骤3)包括：

3.1设定优化参数的初始值；

3.2确定某一优化参数对应的问题空间，随机选择个体组成初始种群Q₁；

3.3循环选择种群Q₁的个体Si(1≤i≤M)，确定第二个优化参数对应的问题空间，生成其初始种群Q_2Si；

3.4以此类推，直至生成最后一个参数对应问题空间的初始种群Q_{nSi_…_j_m}(1≤≤M，1≤m≤M)；

3.5循环选择Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x(1≤x≤M)，并根据各层种群所选个体对应的参数组合，生成相应的优化模型，仿真得到各子目标值；

3.6基于Pareto解的优胜关系对Q_{nSi_…_j_m}中的个体Si_…_j_m_x进行排序，并确定其适应度值；

3.7将Q_{nSi_…_j_m}中的最优个体复制到该群体对应的外部优势集G_{nSi_…_j_m}，并将G_{nSi_…_j_m}中的劣解删除；

3.8如果未达到优化设定的迭代次数，使用联赛竞争机制从当代和上一代种群中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.5步继续进行；

3.9将G_{nSi_…_j_m}作为Q_{nSi_…_j_m}的解集，计算上一层种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中各个个体的适应度，如果未达到种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}优化设定的迭代次数，则使用联赛竞争机制从种群Q_{(n-1)Si_…_j_m}中选择优势个体，生成新的配对池，进行交叉、变异，生成新的种群转到3.4步继续进行；

3.10循环3.4至3.9，直至达到所设定的迭代次数，寻优结束，输出优化参数最优解。

3.根据权利要求2所述的提高履带车辆液压机械差速转向系统性能的方法，其特征在于，3.9中计算个体适应度值采用如下方法：在最底层，基于Pareto解的优胜关系对种群中个体进行排序，根据当代种群劣于该个体数目计算其适应度值；在非最底层，取该层种群中各个个体对应解集的并集，在该并集中得到属于该个体对应参数组合方案的数目计算其适应度值。

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