CN106494404A - 检测牵引车辆上的载荷力以预测车轮滑移的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的方法，所述牵引车辆包括动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具。该方法包括估算抵靠地面接合机具作用的第一力，估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮所提供的第二力，以及基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具。

Description

检测牵引车辆上的载荷力以预测车轮滑移的系统和方法
技术领域
本发明涉及检测牵引车辆上的载荷力以预测车轮滑移或滑动。
背景技术
当诸如自动平地机的牵引车辆在较差的牵引条件下时，车轮滑移或滑动可能导致车辆的功能较差并且还可能使车轮下方的支撑表面的质量退化。当车轮滑移被最小化时，在较差的牵引条件中的牵引车辆的牵引力被增强。
发明内容
提供一种在牵引控制系统中预测车轮滑移的方法将改善车辆后面的支撑表面的质量，改善车辆生产率，辅助新的车辆操作员，并且减少有经验的车辆操作员的工作量。
在一方面中，本发明提供一种最小化牵引车辆中的车轮滑移发生的方法，所述牵引车辆包括动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具。该方法包括估算抵靠地面接合机具作用的第一力，估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮所提供的第二力，以及基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具。
在另一方面中，本发明提供一种最小化牵引车辆中的车轮滑移发生的方法，所述牵引车辆包括动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具。该方法包括估算抵靠地面接合机具作用的第一力，估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮所提供的第二力，以及向至少一个车轮应用差速锁以用于与车辆的第二车轮共同转动。
在又一方面中，本发明提供一种用于最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的系统，所述牵引车辆包括动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具。用于最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的该系统包括控制器，控制器被配置成用于估算抵靠地面接合机具作用的第一力，估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮所提供的第二力，以及基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具或动力传动系统中的至少一个。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1A是根据本发明的具有牵引控制系统的牵引车辆。
图1B是用于图1A的牵引车辆的牵引控制系统的示意图。
图2是牵引车辆的一部分的详细视图，此外图示了抵靠地面接合机具作用的拖曳力或阻力。
图3是图示预测和最小化牵引车辆的车轮滑移的方法的流程图。
具体实施方式
在本发明的任何实施例被具体地描述之前，应该理解本发明在其应用方面不被限制到在下文阐述的或在附图中图示的构造细节和部件实现方式。本发明能够具有其它实施例并且以各种方式被实践或执行。
在图1B中被示意性地图示的、具有控制器14的牵引控制系统10在本文中被描述为用于牵引车辆18。例如，牵引车辆18可以包括如图1A所示的自动平地机。然而，本文中描述的牵引控制系统10在其应用方面不被限制到自动平地机，并且可以应用于其它的牵引车辆。例如，牵引控制系统10可以用在诸如但是不受限于，土壤移动设备、施工设备、除雪设备、砂子移动设备、林业收割设备、农业设备、货物移动设备、采矿设备、公路设备、汽车等车辆上。牵引控制系统10还可以用在配置有增加牵引车辆18的载荷的地面接合机具的其它车辆上，如下更详细地所述。
举例来说，图1A图示了牵引车辆18，例如，自动平地机，牵引车辆具有由动力传动系统30驱动的多个轴46、50、54和多个驱动车轮26，动力传动系统30包括原动机34和传动装置70。牵引车辆18可以具有任意数量的轴和驱动车轮。例如，车辆18可以具有第一轴46、第二轴50、第三轴54和与之对应的六个驱动车轮26，如图所示。动力传动系统30可以提供动力以驱动一些或所有车轮26，例如，仅驱动后车轮，驱动前车轮和后车轮二者，等等。车辆18可以包括驱动车轮26，驱动车轮26具有轮胎、连续履带或接合支撑表面58(例如，地面)的其它牵引装置。驱动轮26与支撑表面58直接地相互作用，并且负责车辆18的运动和牵引力。
原动机34可以包括任何用于提供驱动系转动动力的动力源。例如，原动机34可以包括，但是不受限于，内燃机、活塞式发动机、旋转式发动机、液压马达、静液力系统、电动马达等。在整个文件中使用的术语“发动机”(例如，如在“发动机转速”中)通常指原动机34，并且不受限于发动机或任何特定类型的原动机。
传动装置70可以包括单速或多速传动装置70，或利用直接联轴器装置的无级传动装置、转矩变换驱动器、静液压驱动器、电动马达驱动器、或在本领域的技术人员现在或未来已知的任何其它传动装置。为了本文中使用的示例，使用直接驱动多速传动装置。然而，应用不受限于直接驱动变速系统。牵引控制系统10可以应用于任何动力变速系统。来自传动装置的输出动力驱动所述驱动车轮26，并且可以直接地齿轮传动到驱动车轮26。
参照图1A和2，图示的牵引车辆18包括定位在第二轴50和第三轴54之间的地面接合机具62(本文中称为刮铲或平铲)。通常，在平地操作过程中，刮铲62刮擦支撑表面58以使支撑表面58变平。刮铲62连接到牵引车辆18的机架64上的至少两个连接点。特别地，连接到刮铲62的刮铲臂68通过多个提升液压缸或致动器72(仅一个液压缸或致动器被图1A和2示出)和邻近第三轴54定位的枢转连接点A也连接到机架64。刮铲62被构造成用于通过提升液压缸72相对于支撑表面58大致上下运动，例如，在大致垂直于支撑表面58的方向63上，以朝向和远离支撑表面58。换句话说，提升液压缸72能够操作以在方向63上移动刮铲臂68，刮铲臂68又在方向63上移动刮铲62。提升液压缸72定位在从枢转连接点A离开水平距离X1和从刮铲臂68的与枢转连接点A相对的边缘离开水平距离X2的位置处。在图示的实现方式中，水平距离X1约是八英尺，并且水平距离X2约是两英尺；然而，在其它的实现方式中，水平距离X1、X2可以限定不同距离。图示的提升液压缸72包括活塞直径D1。在图示的实现方式中，活塞直径D1约是六英寸；然而，在其它的实现方式中，活塞直径D1可以是不同的直径。
参照图2，刮铲62还可以围绕枢转点B沿着(例如，垂直于支撑表面58的)竖直轴线65枢转，以通过多个刮铲角液压缸或致动器76(仅一个被图2示出)使刮铲62的面66从前部转向侧面。枢转点B是刮铲62相对于刮铲臂68的枢转点，使得刮铲62可以类似地于球窝接头而围绕多个轴线转动。因此，刮铲62可以通过刮铲角液压缸76来围绕本文中未具体地公开的其它轴线枢转。竖直距离Y1由刮铲臂68的定位在枢转点B和刮铲臂68的水平部之间的竖直部限定。图示的刮铲角液压缸76定位在从枢转点B离开竖直距离Y2的位置处。在图示的实现方式中，竖直距离Y1约是两英尺，并且竖直距离Y2约是一英尺；然而，在其它的实现方式中，竖直距离Y1、Y2可以限定不同距离。图示的刮铲角液压缸76包括活塞直径D2。在图示的实现方式中，活塞直径D2约是四英寸；然而，在其它的实现方式中，活塞直径D2可以是不同的直径。另外，刮铲62还可以定位在最前方轴(例如，第三轴54)的前部，在最后方轴(例如，第一轴46)的后部或在其它轴中间。在其它实现方式中，牵引车辆18可以在这些或其它位置处包括两个或多个刮铲62，和/或其它机具，诸如犁、扫除机、铲、碎土器等。
用户致动式控制器82(例如，操纵杆控制器)定位在牵引车辆18的驾驶室42中，并且能够操作以用于手动移动刮铲62(图1A)。在图示的实现方式中，操纵杆控制器82在两个相反方向上径向地移动。操纵杆控制器82还被偏压在中间位置或空挡位置处。中间位置或空挡位置对应于刮铲62相对于支撑表面58的固定高度。以另一方式说明的是，当操纵杆控制器82位于中间位置或空挡位置处时，刮铲62不相对于机架64移动。在操纵杆控制器82在向前方向上运动(例如，远离就坐在驾驶室42中的操作员)时，刮铲62朝向支撑表面58降低和/或降低进入支撑表面58中。相反，在操纵杆控制器82在向后方向上运动(例如，朝向就坐在驾驶室42中的操作员)时，刮铲62抬高远离支撑表面58。用户致动式控制器82从中间位置或空挡位置的运动程度或量对应于刮铲62的不同的移动速度。
再次参照图1A和1B，牵引车辆18可以具有用于系统操作的用户接口38，用户接口38可以定位在牵引车辆18的驾驶室42中，定位在车辆上的另一位置处，或定位在远离车辆的其它位置处(例如，用户接口可以是具有至控制器的无线通信的个人便携式装置)。控制器14接收来自用户接口38的、来自操纵杆控制器82的、和来自多个传感器86的输入。控制器14还具有用于控制原动机34、传动装置70、动力传输驱动选择机构90(例如，以将动力引导至后车轮、前车轮、所有的车轮等)和刮铲62的输出。因而，控制器14可操作地连接到传动装置70、原动机34、刮铲62和驱动选择机构90。另外，用户接口38被用于选择支撑表面58的牵引条件。例如，如果支撑表面58是在较差(例如，疏松的土壤)或较好(例如，夯实的土壤)的牵引条件下，则用户接口38的对应设置被选择。在其它的实现方式中，用户接口38可以包括超过两个的牵引条件设置和/或可以包括适于不同天气条件(例如，雪、雨等)的设置。
参照图2，传感器86包括压力传感器，该压力传感器被连接在液压缸72、76中并且被构造成用于测量液压缸72、76中的压力。在其它的实现方式中，传感器86可以定位在液压缸72、76的外部。控制器14包括用于进行下文进一步详述的计算、比较和执行逻辑的处理器。额外的传感器86可以连接到牵引车辆18的其它特征。例如，传感器86可以测量原动机34的发动机速度和/或传动装置70的离合器压力。
如下进一步地详细，可能期望预测在车轮26和支撑表面58之间何时将发生车轮滑移或滑动，使得适当的动作(即，相对于支撑表面58移动刮铲62)可以在车轮滑移或滑动出现之前被操作员或控制器14执行。包括牵引控制系统10的本发明描述了一种通过监测和控制作用在刮铲62上的阻力而预测和最小化车轮滑移或滑动的方法。
在操作中，随着通过致动操纵杆控制器82以使刮铲62降低进入支撑表面58中，牵引车辆18在第一方向上沿着支撑表面58移动以执行平地操作。作用在刮铲62上的力由支撑表面58产生，示出为因而产生的阻力F1，阻力F1与由驱动车轮26提供的、用于牵引装置18沿着支撑表面58的运动的移动力F2相反(图1A)。因此，净力或合力由阻力F1和移动力F2的总和提供。为了使牵引车辆18沿着支撑表面58移动，力F2必须大于阻力F1(承认由于风阻、滚动摩擦力等而在车辆上导致的额外的力)。如果净力或合力是零或近似零，例如阻力F1近似于或等于移动力F2(再次承认车辆上的由于风阻、滚动摩擦力等而导致的额外力)，则驱动车轮26将相对于支撑表面58滑移或滑动。
参照图3，牵引控制系统10的控制器14逻辑被图示。如图所示，在步骤96中，牵引车辆18的操作员利用用户接口38选择支撑表面58的牵引条件。牵引条件涉及在支撑表面58和车轮26之间可获得的摩擦力。支撑表面58和车轮26之间的摩擦力可以在不同的表面条件(例如，疏松的土壤、夯实的土壤等)以及不同的天气条件(例如，雨、雪等)之间改变。
在步骤100中，由车轮26抵靠支撑表面58提供的移动力F2(图1A)被确定。由控制器14利用车轮26的物理参数(例如，车轮26的圆周)和从动力传动系统30供应到车轮26的转矩来计算移动力F2，例如，所述转矩依赖于原动机34的发动机速度和传动装置70的齿轮选择。移动力F2还依赖于由动力传动系统30驱动的车轮26的数量，例如，两个、四个或六个车轮。
在步骤104中，控制器14通过连接到提升和刮铲角液压缸72、76的压力传感器86确定阻力F1。将阻力F1与液压缸72、76的压力关联的计算公式和方程如下所述。
参照图2，阻力F1作用在面66上，使得阻力F1在顺时针方向(负方向)上产生围绕枢转点B的力矩。在相同示例中，由刮铲角液压缸76施加于刮铲62的力F76在逆时针方向(正方向)上产生围绕枢转销B力矩。在静态条件下围绕枢转点B的力矩的总和被描述为：
∑MB＝F76·Y2-F1·DF＝0 (1)
竖直距离DF被限定在阻力F1和枢转点B之间。力F76是刮铲角液压缸P76的压力(磅每平方英寸)和直径D2的函数，如下所述：
为了求解竖直距离DF，存在如下关系：
由提升液压缸72施加到刮铲臂68的力F72在顺时针方向上产生围绕枢转连接点A的力矩，阻力F1在逆时针方向上产生围绕枢转连接点A的力矩。因此，在静态条件下围绕枢转连接点A的力矩的总和被描述为：
∑MA＝F1·(Y1-DF)-F72·X1＝0 (4)
力F72是提升液压缸P72的压力(磅每平方英寸)和直径D1的函数，如下所述：
因此，将方程(3)和(5)代入方程(4)中并且求解阻力F1，以下关系存在于阻力F1和压力P72、P76之间：
因为液压缸72、76中的压力P72、P76由传感器86测量，并且刮铲臂68的物理尺寸X1、Y1、Y2是已知的，所以可以由控制器14计算阻力F1。
支撑表面58和车轮26之间的摩擦力在不同的牵引条件下变化，使得可获得的最大移动力F2变化。在较低的摩擦力条件下，并且因而在较低的可获得的移动力F2的情况下，更小的阻力F1对于车轮26滑移或滑动是必要的。通过操作员从用户接口38选择牵引条件(步骤96)，在控制器14的步骤108中确定与输入的支撑表面条件相关的阈值力。阈值力是移动力F2的百分比或其它量，如用于提供偏移车轮滑移的点(即，阻力F1等于移动力F2的点)的偏移，因此允许控制器14在车轮滑移出现之前作出反应。在一个实现方式中，阈值力以低于最大移动力F2的预定量被设置(例如，阈值力比力F2小10％)，并且在其它的实现方式中可以或可以不与特定的牵引条件相关联。通常有利的是，将阈值力设置成接近车轮滑移或滑动阈值以最大化刮铲62的性能(例如，功效)。在其它的实现方式中，步骤108可以直接地跟随估算移动力F2的步骤100，或步骤108可以与步骤100和/或步骤104并行。
控制器14进至步骤112并且将阻力F1与阈值力进行比较。如果阻力F1小于阈值力，则控制器14将返回到步骤100，因为移动力F2完全地或足够地大于阻力F1。然而，如果阻力F1大于阈值力，则控制器14继续至步骤116。
在步骤116中，控制器14自动地修正阻力F1的增加量并且对所述增加量作出反应。控制器14可以执行多个不同的修改操作，包括向车轮26应用差速锁从而增加移动力F2，移动刮铲62远离支撑表面58从而减小阻力F1，或，可选地，减少由动力传动系统30提供到车轮26的转矩。
特别地，控制器14能够操作以在差速锁定条件下使动力传动系统30接合，从而锁定至少两个车轮26以用于共同转动。因而，更多个车轮26被动力传动系统30驱动，增加了移动力F2。转矩的减少可以包括减少原动机34的发动机速度和/或改变传动装置70的齿轮齿数比。通过减小转矩，移动力F2减小，从而减少了车轮26将滑移的机会。在其它的实现方式中，控制器14可以同时地移动刮铲62，应用差速锁，和/或减小转矩。在步骤116的其他实现方式中，控制器14可以经由用户接口38向牵引车辆18的操作员指示阻力F1大于阈值力或指示阻力F1接近阈值力。因此，操作员可以使用操纵杆控制器82手动地移动刮铲62，手动地应用差速锁，和/或减小动力传动系统30的转矩。在其它的实现方式中，控制器14可以自动地移动刮铲62，应用差速锁，和/或减小转矩并且经由用户接口38向操作员指示该情况。
如在步骤120中所示，控制器14继续测量阻力F1，并且如在步骤124中所示，将阻力F1与阈值力进行比较。如果阻力F1大于阈值力，则控制器14执行步骤116。相反，如果阻力F1减小成小于阈值力，则控制器14返回至步骤100以继续测量移动力F2。
在图示的实现方式中，一旦阻力F1小于阈值力，则控制器14将刮铲62移动返回至刮铲62的如在步骤116之前观察到的初始位置，分离差速锁，和/或将转矩增加到初始状态。控制器14可以用与阻力F1和阈值力之间的差值成比例的速度将刮铲62降低进入支撑表面58中，或在其它的实现方式中，可以用相对于阻力F1或阈值力的任何其它线性或非线性关系降低刮铲62。因此，通过将阻力F1保持成小于阈值力并且最终小于移动力F2，牵引车辆18的车轮滑移的发生被最小化。

Claims (19)

1.一种最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的方法，所述牵引车辆具有动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具，所述方法包括以下步骤：
估算抵靠地面接合机具作用的第一力；
估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮提供的第二力；以及
基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
控制地面接合机具的步骤包括相对于支撑表面移动地面接合机具。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
估算第一力的步骤包括测量可操作地连接到地面接合机具的致动器中的液压压力。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
至少部分地基于支撑表面的牵引条件，根据第二力确定阈值力。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括将第一力与阈值力进行比较，并且
其中基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具的步骤包括基于第一力和阈值力之间的差值来控制地面接合机具。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
基于第一力和阈值力之间的差值，应用将所述至少一个车轮与车辆的第二车轮连接以用于共同转动的差速锁。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
基于第一力和阈值力之间的差值，减少动力传动系统至所述至少一个车轮的转矩输出。
8.一种最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的方法，所述牵引车辆具有动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具，所述方法包括以下步骤：
估算抵靠地面接合机具作用的第一力；
估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮提供的第二力；以及
应用将所述至少一个车轮与车辆的第二车轮连接以用于共同转动的差速锁。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
估算第一力的步骤包括测量可操作地连接到地面接合机具的致动器中的液压压力。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
至少部分地基于支撑表面的牵引条件，根据第二力确定阈值力。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将第一力与阈值力进行比较，并且
其中基于第一力和第二力之间的差值应用差速锁包括基于第一力和阈值力之间的差值来应用差速锁。
12.一种用于最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的系统，所述牵引车辆具有动力传动系统、用于在支撑表面上提供牵引力的至少一个车轮、以及能够相对于支撑表面移动的地面接合机具，用于最小化牵引车辆中的车轮滑移的发生的所述系统包括控制器，该控制器被配置成用于：
估算抵靠地面接合机具作用的第一力；
估算由能够操作以在支撑表面上移动车辆的所述至少一个车轮提供的第二力；以及
基于第一力和第二力之间的差值控制地面接合机具或动力传动系统中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的系统，其中：
控制器被配置成用于测量可操作地连接到地面接合机具的致动器中的液压压力。
14.根据权利要求12所述的系统，其中：
控制器被配置成用于至少部分地基于支撑表面的牵引条件，根据第二力确定阈值力。
15.根据权利要求14所述的系统，其中：
控制器被配置成用于将第一力与阈值力进行比较，并且其中控制器进一步地被配置成用于基于第一力和阈值力之间的差值移动地面接合机具。
16.根据权利要求14所述的系统，其中：
控制器被配置成用于在所述至少一个车轮与车辆的第二车轮共同转动的差速锁定状态下使动力传动系统接合。
17.根据权利要求16所述的系统，其中：
控制器被配置成用于将第一力与阈值力进行比较，并且其中控制器进一步地被配置成用于基于第一力和阈值力之间的差值在差速锁定状态下使动力传动系统接合。
18.根据权利要求14所述的系统，其中：
控制器减小动力传动系统至所述至少一个车轮的转矩输出。
19.根据权利要求18所述的系统，其中：
控制器被配置成用于将第一力与阈值力进行比较，并且其中控制器进一步地被配置成用于基于第一力和阈值力之间的差值减小来自动力传动系统的转矩。
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