CN105966381B - 煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属煤矿井下无轨辅助运输设备的设计与制造的技术领域，具体涉及一种煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统及方法，解决了现有轴间扭矩分配方式使得车辆实际应用油耗增加、无法与其它控制系统协同工作、成本高、可靠性性差和自动控制程度低等问题。其包括扭矩分配装置、防爆电磁阀、压力传感器、TCS控制单元以及轮速传感器，扭矩分配装置为具有湿式制动功能的行星齿轮式轴间扭矩分配装置。所述方法集四轮驱动技术、扭矩分配技术、轴间差速器和行星齿轮控制策略于一身。本发明成本低、效果好，最大限度地利用地面所能提供的牵引力，提高了整车加速性、稳定性和燃油经济性。

Description

煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统及方法

技术领域

本发明属煤矿井下无轨辅助运输设备的设计与制造的技术领域，具体涉及一种煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统及方法。

背景技术

煤矿井下车辆通常在巷道路面崎岖不平，多粉尘和煤泥，常有积水，并含有瓦斯的狭小空间内作业，井下车辆行驶的巷道一般坡道起伏较大，几公里之内多次需要上、下坡道，因此对车辆的转弯半径、附着能力和通过能力等有着严格要求，为了改善牵引附着能力和通过能力，提高整车的动力性，降低燃油消耗率，增强适用性，几乎毫无例外地采用了双桥驱动。若该类车辆不安装“脱开”某一驱动桥的机构或无桥间差速器，将加速了车辆轮胎磨损，从而使功率损失和油耗增加，同时也增大了传动系负荷，降低了传动系寿命。

煤矿井下辅助运输车辆通常采用在分动箱（或变速箱）通往某个驱动桥的传动路线上加装超越离合器、安装轴间差速器及安装“脱桥”结构等扭矩分配装置，实现车辆发动机输出扭矩、轴间扭矩分配装置向前后轮的力矩分配、前轴轮间扭矩分配装置向左右轮的力矩分配，后轴轮间扭矩分配装置向左右轮的力矩分配的控制策略，但其无法兼顾车辆转弯、左右两轮气压不等、胎面磨损不均匀、两侧车轮上的负荷不一致使得车轮的滚动半径不相等，左、右两轮接触的路面条件不同和行使阻力不等使得各传动轴之间出现转速差等因素，使得车辆实际应用油耗增加、无法与其它控制系统协同工作、成本高、可靠性性差和自动控制程度低等问题，使用效果差强人意。

发明内容

本发明为了解决现有轴间扭矩分配方式使得车辆实际应用油耗增加、无法与其它控制系统协同工作、成本高、可靠性性差和自动控制程度低等问题，提供了一种煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统及方法。

本发明采用如下技术方案实现：煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统，包括扭矩分配装置、防爆电磁阀、压力传感器、TCS控制单元以及轮速传感器，

扭矩分配装置布置于前传动轴之后，前传动轴之前连接变速箱，变速箱连接发动机，发动机前置，所述的扭矩分配装置为具有湿式制动功能的行星齿轮式轴间扭矩分配装置，右端通过传动轴驱动后轮，左端通过齿轮传动驱动前轮，湿式电磁制动器机构采用防爆电磁铁控制，

防爆电磁阀的出油口、前后桥的油路与压力传感器的连接，压力传感器又连接TCS控制单元，

轮速传感器包括装于后车桥上的两个四通道轮速传感器和装于前车轮上的两个三通道轮速传感器，轮速传感器与TCS控制单元连接。

扭矩分配装置包括前输入轴、行星齿轮机构、后输出轴、前输出轴、湿式电磁制动器机构，行星齿轮机构采用齿圈固定式，动力从太阳轮输入，由行星齿轮输出，行星齿轮分别与太阳轮和齿轮固定架啮合，太阳固定于前输出轴上，行星齿轮的齿轮轴连接惰轮，惰轮与输出轮、输入轮啮合，输出轮连接前输出轴，前输入轴与后输出轴通过滚针轴承与输入轮连接在一起。

所述的湿式电磁制动器机构采用闭式油冷却湿式制动，包括浸在循环油液中的对耦片和摩擦片，摩擦片与动壳通过花键与后输出轴连接在一起，对耦片与中间壳体用花键连接，中间壳体用螺栓与前端盖及后端盖相固定，湿式电磁制动器机构还包括大活塞和小活塞，小活塞设置于大活塞和中间壳体之间，大活塞和后端盖之间设置电磁铁。

所述的防爆电磁阀为O型三位三通防爆电磁阀。

用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制方法，其步骤如下：

在车辆行驶过程中，使用防爆电磁阀总成控制系统油压：车辆正常制动时，防爆电磁阀不通电，扭矩分配装置不起作用，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等；

车辆起步或加速时驱动轮出现滑转需要制动时，压力传感器检测到来自轮速传感器的信号，车速传感器将行驶汽车驱动车轮转速及非驱动车轮转速转变为电信号，并将此信号输送给电子控制单元，

电子控制单元根据车速传感器的信号计算驱动车轮的滑移率，若滑移率超限，控制器再综合考虑各种因素确定控制方式，输出控制信号，控制防爆电磁阀使其通电，防爆电磁阀换至上位，蓄能器中的压力油流入扭矩分配装置中，制动压力升高，使相应的执行器动作，通过控制制动器使其接合，重新分配扭矩使前后扭矩分配比适时变化，使驱动车轮的滑移率控制在目标范围之内；当防爆电磁阀处于半通电的状态时，阀在中位制动活塞保持原位不动，制动压力保持不变，前后桥输出扭矩的分配比保持合适的状态不变；防爆电磁阀断电阀处于左位时，制动压力下降，通过重新分配扭矩时控制单元可通过控制制动器使其接合，使前后扭矩分配比适时变化，通过智能电子式轴间扭矩分配系统，将变速箱输出的动力均匀分配到前后轴，同时吸收前后驱动轴的转速差，当前后车轮间发生转速差时，按照转速差控制油压多盘制动器的结合力，从而控制前后轮的转矩分配，适应车辆的行驶状态把驱动扭矩分配到前后车轮上去。

在正常行驶状态下，扭矩分配控制装置没有任何作用，内部的湿式电磁制动器机构处于松开状态，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等。当有需要的时候，车辆扭矩分配控制系统在TCS控制单元的判断下被通电，此时电液制动器会被压紧，齿轮传动中的输入轮开始旋转，带动齿轮传动，齿轮传动连接到的前输出轴也就开始旋转，前轴也就有了驱动扭矩，从而切换到分时四驱模式。根据轴间扭矩分配装置上的限滑装置工作状态，前后车轮动载荷比例大小确定前后桥输出扭矩的分配比，由于湿式电磁制动器机构被通电压紧的程度不同，前轴得到的驱动扭矩可以从发动机总输出扭矩的0％—50％之间随意调整。前轴扭矩达到50％最大值时就是多片电控制动器完全锁紧，前后轴同步转动，此时前后轴拥有相同的扭矩。当需要重新分配扭矩时控制单元可通过控制湿式电磁制动器机构使其接合，使前后扭矩分配比适时变化。

本发明所述的煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统，充分有效地利用各车轮的地面附着条件，充分发挥出车辆的动力性，根据前后轴的轴荷大小确定出向前后桥输出扭矩的分配比。通过控制发动机输出扭矩、轴间扭矩分配装置和制动器制动实现前后轮的力矩分配和各车轮之间的力矩调整，精确控制智能分动器向四轮传递出大小可控的扭矩，提高整车加速性、稳定性和燃油经济性。

本发明是一种车辆牵引力控制采取的重要的扭矩控制方法，它集四轮驱动技术、扭矩分配技术、轴间差速器和行星齿轮控制策略于一身，能够调节转速差，解决目前煤矿井下车辆急转弯制动和前后轮干涉问题，成本低、效果好，最大限度地利用地面所能提供的牵引力，提高车辆的起步加速性能、转向性能和通过性能。

附图说明

图1为本发明的控制系统原理图，

图2为本发明的控制装置结构示意图，

图中：1、发动机装置，2、变速器，3、压力管路，4、扭矩分配装置，5、防爆电磁阀，6、压力传感器，7、TCS控制单元，8、车轮速度传感器Ⅰ，9、车轮速度传感器Ⅱ，10、后输出法兰，11、挡盖， 12、后端盖，13、中间壳体，14、齿圈固定架，15、前输入轴，16、压盘，17、防爆电磁铁，18、大活塞，19、制动器油腔Ⅰ，20、制动器油腔Ⅱ，21、小活塞，22、对耦片，23、摩擦片，24、惰轮，25、太阳轮，26、行星齿轮，27、齿圈，28、前端盖，29、前输出轴，30、前输出法兰， 31、行星齿轮机，32、后输出轴，33、输入轮，34、输出轮，35、湿式电磁制动器机构，36、动壳。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明涉及的一种煤矿四驱车辆用智能电子式轴间扭矩分配控制系统， 其特征在于，该系统可以应用于前置发动机的四轮驱动矿用车辆上充分有效地利用各车轮的地面附着条件，充分发挥出车辆的动力性，根据前后轴的轴荷大小确定出向前后桥输出扭矩的分配比。根据车轮打滑或转向信息，精确控制智能扭矩分配控制系统向四轮传递出大小可控的扭矩，提高整车加速性、稳定性和燃油经济性。车辆在正常行驶时主要靠后轮驱动，发动机1前置，变速箱2后联接前轴3，前传动轴3之后布置轴间扭矩分配控制装置4。在车辆行驶过程中，使用防爆电磁阀总成5控制系统油压：车辆正常制动时，防爆电磁阀5不通电，扭矩分配装置不起作用，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等；车辆起步或加速时驱动轮出现滑转需要制动时，压力传感器6检测到来自轮速传感器8、9的信号，车速传感器将行驶汽车驱动车轮转速及非驱动车轮转速转变为电信号，并将此信号输送给电子控制单元7，电子控制单元7根据车速传感器的信号计算驱动车轮的滑移率，若滑移率超限，控制器再综合考虑各种因素确定控制方式，输出控制信号，控制防爆电磁阀5使其通电，阀换至上位，蓄能器中的压力油流入控制装置4中，制动压力升高，使相应的执行器动作，通过控制制动器使其接合，重新分配扭矩使前后扭矩分配比适时变化。使驱动车轮的滑移率控制在目标范围之内；当防爆电磁阀5处于半通电的状态时，阀在中位制动活塞保持原位不动，制动压力保持不变，前后桥输出扭矩的分配比保持合适的状态不变；防爆电磁阀5断电阀处于左位时，制动压力下降，通过重新分配扭矩时控制单元可通过控制制动器使其接合，使前后扭矩分配比适时变化。通过智能电子式轴间扭矩分配系统，将变速箱输出的动力均匀分配到前后轴，同时吸收前后驱动轴的转速差。当前后车轮间发生转速差时，按照转速差控制油压多盘制动器的结合力，从而控制前后轮的转矩分配。时适应车辆的行驶状态把驱动扭矩分配到前后车轮上去。

轴间扭矩分配控制装置4其特征在于控制装置4中布置一个具有湿式制动功能的行星齿轮式轴间扭矩分配装置，行星齿轮机构31可以进行降速增扭，将变速箱输入的扭矩放大。湿式电磁制动器机构35采用防爆电磁铁17控制，右端通过传动轴驱动后轮，左端通过齿轮传动驱动前轮。控制装置4由3部分壳体组成：前端盖28、中间壳体13、后端盖12。输入端有5个联接螺柱、止口定位、一个圆周定位销，和变速箱采用花键连接；前后输出采用法兰结构，用大螺母锁紧，法兰采用双唇口油封密封。控制装置4的内部结构由以下几部分组成：前输入轴15、行星齿轮机构31、后输出轴32、前输出轴29、惰轮24、输入轮33、输出轮34、电磁制动器机构35等组成。这种集成了行驻车功能和行星减速增扭功能的轴间扭矩分配控制装置结构紧凑，扭矩容量大，适时四驱分动解决方案，在辅助运输大巷及路面行驶时保持后驱，在停车时，传递给前轮扭力非常低或为零，提高了操作的便利和舒适性。在制动系统工作时，短时间内迅速切断前轮动力传递，确保刹车时整车的稳定性。加速时，在四个轮上实现最大的牵引力，加速性更好。在湿滑路面上时，与其他安全系统通讯，实现最佳的牵引力和安全性能。各种制动、减速功能齐全，特别符合煤矿井下车辆的使用条件。

行星减速器31采用齿圈固定式，动力从内侧的太阳轮25输入，由行星齿轮26输出，太阳轮25通过花键安装在前输入轴15的中间并定位，前输入轴15与后输出轴32通过滚针轴承与输入轮33连接在一起。行星齿轮26分别与太阳轮25和齿圈27啮合。齿圈固定架14和前端盖28用螺钉固定在一起，从变速箱2和前输入轴15传过来的力矩经太阳轮25、行星齿轮26传到输入轮33上按照设计的控制策略进行分配并传递到前后桥。

湿式电磁制动器机构35采用闭式油冷却湿式制动，刹车片（对耦片23，摩擦片22）浸在循环油液里，制动器的热量通过油液进行冷却，使用寿命长，免维护。制动器35内有两组活塞，其中一组小活塞21采用电制动和液压释放工作方式实现车辆驻车制动和紧急制动，摩擦片22与动壳36通过花键与后输出轴32连接一起转动，对耦片23与与中间壳体13用花键连接，而中间壳体13用螺栓与前端盖28及后端盖12相固定。小活塞21在防爆电磁铁17作用下向右运动压紧刹车片产生制动力矩，解除制动时，压力油经脚踏制动阀进入制动器油腔Ⅱ20，推动小活塞21向左运动，使制动器松闸；另一组大活塞18采用液压制动和电释放工作方式实现车辆行车制动及力矩控制，压力油经脚踏制动阀进入制动器油腔Ⅰ19，大活塞18在压力油的作用下向右运动压紧刹车片产生制动力矩，解除制动时，脚踏制动阀动作切断压力油，大活塞18在防爆电磁铁17的作用下向左运动返回，使制动器松闸。湿式制动器两套功能共用一套防爆电磁铁17和刹车片（对耦片23，摩擦片22），刹车片22、23在油腔内接合，该制动器右端通过传动轴驱动后轮，左端通过齿轮传动驱动前轮。

在正常行驶状态下，扭矩分配控制装置4没有任何作用，内部的湿式电磁制动器机构35处于松开状态，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等。当有需要的时候，车辆扭矩分配控制系统在TCS控制单元的判断下被通电，此时电液制动器会被压紧，齿轮传动中的输入轮33开始旋转，带动齿轮传动，齿轮传动连接到的前输出轴29也就开始旋转，前轴也就有了驱动扭矩，从而切换到分时四驱模式。根据轴间扭矩分配装置上的限滑装置工作状态，前后车轮动载荷比例大小确定前后桥输出扭矩的分配比，由于多片电控制动器35被通电压紧的程度不同，前轴得到的驱动扭矩可以从发动机总输出扭矩的0％—50％之间随意调整。前轴扭矩达到50％最大值时就是多片电控制动器35完全锁紧，前后轴同步转动，此时前后轴拥有相同的扭矩。当需要重新分配扭矩时控制单元可通过控制制动器使其接合，使前后扭矩分配比适时变化。

所采取的控制策略满足以下七种重要工况下的控制目标：

1、车辆起步时，前后轮扭矩分配比例为50:50；

2、车辆正常行驶时，前后轮扭矩分配比例为0:100；

3、车辆加速时，前后轮扭矩分配比例从0:100变化为50:50；

4、车辆在光滑路面转弯时，前后轮扭矩分配比例从0:100变化为50:50；

5、车辆在干燥路面转弯时，前后轮扭矩分配比例从0:100变化为50:50；

6、车辆制动时，前后轮扭矩分配比例从0:100变化为50:50；

7、车辆加速爬坡时，前后轮扭矩分配比例为50:50。

Claims (5)

1.一种用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制系统，其特征在于包括扭矩分配装置、防爆电磁阀、压力传感器、TCS控制单元以及轮速传感器，

扭矩分配装置布置于前传动轴之后，前传动轴之前连接变速箱，变速箱连接发动机，发动机前置，所述的扭矩分配装置为具有湿式制动功能的行星齿轮式轴间扭矩分配装置，右端通过传动轴驱动后轮，左端通过齿轮传动驱动前轮，湿式电磁制动器机构采用防爆电磁铁控制，

防爆电磁阀的出油口、前后桥的油路与压力传感器的连接，压力传感器又连接TCS控制单元，

轮速传感器包括装于后车桥上的两个四通道轮速传感器和装于前车轮上的两个三通道轮速传感器，轮速传感器与TCS控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制系统，其特征在于扭矩分配装置包括前输入轴、行星齿轮机构、后输出轴、前输出轴、湿式电磁制动器机构，行星齿轮机构采用齿圈固定式，动力从太阳轮输入，由行星齿轮输出，行星齿轮分别与太阳轮和齿轮固定架啮合，太阳固定于前输出轴上，行星齿轮的齿轮轴连接惰轮，惰轮与输出轮、输入轮啮合，输出轮连接前输出轴，前输入轴与后输出轴通过滚针轴承与输入轮连接在一起。

3.根据权利要求2所述的用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制系统，其特征在于所述的湿式电磁制动器机构采用闭式油冷却湿式制动，包括浸在循环油液中的对耦片和摩擦片，摩擦片与动壳通过花键与后输出轴连接在一起，对耦片与中间壳体用花键连接，中间壳体用螺栓与前端盖及后端盖相固定，湿式电磁制动器机构还包括大活塞和小活塞，小活塞设置于大活塞和中间壳体之间，大活塞和后端盖之间设置电磁铁。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制系统，其特征在于所述的防爆电磁阀为O型三位三通防爆电磁阀。

5.一种用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制方法，基于如权利要求4所述的用于煤矿四驱车辆智能电子式轴间扭矩分配控制系统完成，其步骤如下：

在车辆行驶过程中，使用防爆电磁阀总成控制系统油压：车辆正常制动时，防爆电磁阀不通电，扭矩分配装置不起作用，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等；

车辆起步或加速时驱动轮出现滑转需要制动时，压力传感器检测到来自轮速传感器的信号，车速传感器将行驶汽车驱动车轮转速及非驱动车轮转速转变为电信号，并将此信号输送给电子控制单元，

电子控制单元根据车速传感器的信号计算驱动车轮的滑移率，若滑移率超限，控制器再综合考虑各种因素确定控制方式，输出控制信号，控制防爆电磁阀使其通电，防爆电磁阀换至上位，蓄能器中的压力油流入扭矩分配装置中，制动压力升高，使相应的执行器动作，通过控制制动器使其接合，重新分配扭矩使前后扭矩分配比适时变化，使驱动车轮的滑移率控制在目标范围之内；当防爆电磁阀处于半通电的状态时，阀在中位制动活塞保持原位不动，制动压力保持不变，前后桥输出扭矩的分配比保持合适的状态不变；防爆电磁阀5断电阀处于左位时，制动压力下降，通过重新分配扭矩时控制单元可通过控制制动器使其接合，使前后扭矩分配比适时变化，通过智能电子式轴间扭矩分配系统，将变速箱输出的动力均匀分配到前后轴，同时吸收前后驱动轴的转速差，当前后车轮间发生转速差时，按照转速差控制油压多盘制动器的结合力，从而控制前后轮的转矩分配，适应车辆的行驶状态把驱动扭矩分配到前后车轮上去，

在正常行驶状态下，扭矩分配控制装置没有任何作用，内部的湿式电磁制动器机构处于松开状态，从发动机传递到前后桥的扭矩不相等，

当有需要的时候，车辆扭矩分配控制系统在TCS控制单元的判断下被通电，此时电液制动器会被压紧，齿轮传动中的输入轮开始旋转，带动齿轮传动，齿轮传动连接到的前输出轴也就开始旋转，前轴也就有了驱动扭矩，从而切换到分时四驱模式，

根据轴间扭矩分配装置上的限滑装置工作状态，前后车轮动载荷比例大小确定前后桥输出扭矩的分配比，由于湿式电磁制动器机构被通电压紧的程度不同，前轴得到的驱动扭矩可以从发动机总输出扭矩的0％—50％之间随意调整，

前轴扭矩达到50％最大值时就是多片电控制动器完全锁紧，前后轴同步转动，此时前后轴拥有相同的扭矩，

当需要重新分配扭矩时控制单元可通过控制湿式电磁制动器机构使其接合，使前后扭矩分配比适时变化。