CN110171423A - 一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在解决现有轮毂液压驱动系统由于液压系统泄漏导致液压马达实际分配转矩与理论分配转矩不符，动力分配不合理，系统传动效率降低等问题，提出了一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法。本发明根据轮速跟随思想和流量连续性原理，建立考虑系统效率的液压泵目标开度和挡位、温度、压力、转速的关系并对液压泵目标开度进行合理补偿。本发明提供的方法通过对轮毂液压驱动系统助力模式下的泵目标开度进行合理补偿，可以合理高效地分配发动机动力，实现动力在机械路径和液压路径的协调控制，充分发挥轮毂液压驱动系统的优势，使整车牵引性能达到最佳。

Description

一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法

技术领域

本发明属于汽车控制系统，更确切地说，本发明涉及一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法。

背景技术

重型商用车由于常常运行在泥泞、积水、沙地等低附着系数路面，行驶工况复杂多变，因此容易导致驱动力不足而发生驱动轮打滑的情况。运用轮毂液压驱动技术可以解决这一问题，在车辆前轮轮毂中安装有液压马达，打开助力模式后，可以适时地为车辆提供辅助驱动力，使车辆从传统的后轮驱动变为四轮驱动。但是，液压系统会存在泄露问题，特别是当外界工况或系统内部条件变化时，液压油泄漏量会急剧增加，从而使液压系统效率降低，使液压马达实际转速达不到理论要求。根据轮毂液压驱动系统的特点，设计一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法，可以合理补偿液压泵排量，使液压马达转速达到理论要求，协调机械路径与液压路径的动力分配，提高整车牵引能力。

日本、欧美等的一些车企如力士乐、波克兰、MAN等公司都已相继推出了自己的轮毂液压驱动车辆，并将其成功运用于实车。而近几年，为充分运用轮毂液压驱动系统的突出优势以满足实际工程需要，国内学者也对轮毂液压驱动系统展开了相关研究。如中国专利公布号为CN103660915A，公布日为2014-03-26，公开了一种轮毂马达液压驱动系统液压泵排量控制方法，该方法采用前馈+反馈的控制方法使汽车前轮转速能够跟随后轮转速，达到轮速跟随的目的，使整车的滑转效率达到最佳，但该专利并未提出轮毂液压驱动系统的泵排量的泄漏量合理补偿的确切方法；中国专利公布号为CN108412760A，公布日为2018-08-17，公开了一种变量泵排量的调节方法及变量泵，该方法通过改变变量泵结构，比较液压系统实际压力值与理论压力值的大小，调节变量泵定子套偏心距，使变量泵排量维持在理想范围内，但该方法需要改变变量泵结构，增加了成本，且维修困难。针对轮毂液压驱动系统的特点，本发明制定了相应的轮毂液压驱动系统的泵排量的补偿方法，对提高重型商用车的系统传动效率、协调前后轮动力分配、增强整车牵引能力等方面都具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有轮毂液压驱动系统由于液压系统流量损失导致液压马达实际转速达不到理论要求等问题，提供了一种轮毂液压驱动系统的泵排量补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案来实现，包括下列步骤：

第一步，计算轮毂液压驱动系统液压泵容积效率和液压马达容积效率

液压泵容积效率和液压马达容积效率通过理论公式计算或试验测定方式获取：

①理论公式计算获取

在液压油为牛顿流体，油液流动均为层流状态，且忽略工作时部件间隙变化和液体压缩性影响的条件下，液压泵的容积效率为

式中，η_pv——液压泵容积效率

C_ps——液压泵层流泄露系数

Δp——系统主回油路压差

μ——油液动力粘度

n_p——液压泵转速

D_P——液压泵目标开度值

在上述相同的条件下，液压马达的容积效率为

式中，η_mv——液压马达容积效率

C_ms——液压马达层流泄露系数

n_m——液压马达转速

②试验测定方式获取

通过台架试验测定方式得到液压泵容积效率和液压马达容积效率；

第二步，计算轮毂液压驱动系统总容积效率

首先，将第一步得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率相乘即为轮毂液压驱动系统总容积效率；然后，建立液压泵转速和液压马达转速之间的关系，将轮毂液压驱动系统总容积效率中的液压马达转速n_m消去，轮毂液压驱动系统总容积效率的详细推导方法如下：

根据考虑了液压系统容积效率的流量连续性原理，可得

D_pn_pV_pmaxη_pvη_mv＝2n_mV_m (3)

式中，V_pmax——液压泵最大排量

V_m——液压马达排量

从式(3)可得液压马达转速为

将液压马达转速代入式(2)中得到

由式(4)和式(5)可以得到轮毂液压驱动系统总容积效率为

第三步，计算包含系统效率的泵目标开度值

设定控制目标为车辆前轮轮速跟随后轮轮速，则

n_m＝n_f＝n_r (7)

式中，n_m——液压马达转速

n_f——前轮转速

n_r——后轮转速。

又有发动机转速n_e和液压泵转速n_p的关系

n_p＝n_e/i_p (8)

式中，n_p——液压泵转速

n_e——发动机转速

i_p——取力器速比

结合式(7)和式(8)，从式(3)中反解出包含系统效率的泵目标开度值

第四步，计算经过补偿的泵目标开度值

结合式(6)和式(9)，最终得到经过补偿的泵目标开度值为

从推导得到的经过补偿的泵目标开度值表达式(10)可以看出，该式包含两个部分，第一项是未考虑液压系统流量损失的仅与挡位相关的固定值，第二项是考虑液压系统流量损失的随系统状态变化的补偿值，从第二项变化项可见，泵目标开度的补偿量与系统主回油路压差、油液粘度和液压泵转速相关，而粘度的主要影响因素是油温；

根据轮毂液压驱动系统当前状态的传感器信号，包括系统主回油路压差、液压泵转速、油液温度，再根据式(10)得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值；

另外，通过第一步②试验测定方式获取得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率可直接带入式(9)，得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法通过推导轮毂液压驱动系统的泵目标开度值，确定泵目标开度值的具体影响因素，有利于从源头上对泵排量进行合理补偿；

2.本发明所述的一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法通过对液压泵目标开度进行合理补偿，使液压马达转速能够满足实际要求，进而实现前轮转速跟随后轮转速，减小了液压系统泄露对驱动系统的影响，提高整车牵引能力；

3.本发明所述的一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法根据液压系统状态量温度、压力等的变化进行针对性的补偿，可以有效提高系统的环境适应能力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明所述轮毂液压驱动车辆构型图；

图2为本发明所述一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法流程示意图；

图3为本发明所述不同挡位下泵目标开度与温度、压力的关系示意图

图4为本发明所述不同挡位下泵目标开度与温度、转速的关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的物理量或具有相同或类似意义的物理量。且下面通过参考附图所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护范围。下面结合附图对本发明做详细的描述：

本发明公开了一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法，根据轮速跟随思想和流量连续性原理，推导考虑液压系统效率的泵目标开度。该控制系统的基本原理是通过对液压泵目标开度进行补偿，使液压马达转速能达到理论要求，即前轮转速能够跟随后轮转速，使整车牵引力达到最大，实现前后轮动力合理分配。

参阅图1，该控制系统运用于图中所示轮毂液压驱动车辆，发动机输出动力通过机械路径传递给后轮，通过液压路径传递给前轮，前后轮在路面耦合，共同驱动车辆行驶。机械路径动力传递经过离合器、变速器、主减速器，最后传到后轮；液压路径动力传递经过取力器、万向节，传到变量泵组件，变量泵组件连接液压组合阀，通过控制液压泵排量控制前轮轮毂中的液压马达转速，使前轮轮速能够跟随后轮轮速，当前后轮转速差最小时，整车牵引效率最高，而液压泵排量可以通过改变泵目标开度值来调节，因此轮速跟随控制通过调节变量泵目标开度来实现；变量泵组件、液压组合阀和液压马达共同组成泵控马达系统闭式回路，该回路包括主油路和回油路，主油路和回油路的压力差称为主回油路压差。

参阅图2，下面分步具体叙述轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法，包括下列步骤：

第一步，计算轮毂液压驱动系统液压泵容积效率和液压马达容积效率

由于液压泵和液压马达自身存在的泄露问题，液压泵和液压马达因此存在容积效率，液压泵容积效率和液压马达容积效率通过理论公式计算或试验测定方式获取：

①理论公式计算获取

液压泵的容积效率与油液粘度、泵转速、工作压力及液压泵目标开度有关，在液压油为牛顿流体，油液流动均为层流状态，且忽略工作时部件间隙变化和液体压缩性影响的条件下，液压泵的容积效率为

式中，η_pv——液压泵容积效率

C_ps——液压泵层流泄露系数

Δp——系统主回油路压差

μ——油液动力粘度

n_p——液压泵转速

D_P——液压泵目标开度值

液压马达与液压泵结构相似，液压马达容积效率也与油液粘度、马达转速、工作压力有关，在上述相同的条件下，液压马达的容积效率为

式中，η_mv——液压马达容积效率

C_ms——液压马达层流泄露系数

n_m——液压马达转速

②试验测定方式获取

通过台架试验测定方式得到液压泵容积效率和液压马达容积效率；

第二步，计算轮毂液压驱动系统总容积效率

首先，将第一步得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率相乘即为轮毂液压驱动系统总容积效率；然后，建立液压泵转速和液压马达转速之间的关系，将轮毂液压驱动系统总容积效率中的液压马达转速n_m消去，轮毂液压驱动系统总容积效率的详细推导方法如下：

根据考虑了液压系统容积效率的流量连续性原理，可得

D_pn_pV_pmaxη_pvη_mv＝2n_mV_m (3)

式中，V_pmax——液压泵最大排量

V_m——液压马达排量

从式(3)可得液压马达转速为

将液压马达转速代入式(2)中得到

由式(4)和式(5)可以得到轮毂液压驱动系统总容积效率为

第三步，计算包含系统效率的泵目标开度值

在实际运用中，液压系统必然存在流量损失，且液压泵和液压马达的效率随液压系统温度、压力的变化而变化，下面为考虑系统效率的泵目标开度计算方法：

对于四驱车辆，为了使车轮间滑转产生的功率损失更少，整车滑转效率最优，应服从轮速跟随原理，即使得前轮转速跟随后轮转速，也就是保持前后轮的轮速差尽可能小，而在轮毂液压驱动系统中，想要实现轮速跟随的控制目标，需要对液压回路的流量即液压泵的输出排量进行精确控制，根据轮速跟随思想，有液压马达转速跟前轮轮速以及后轮轮速相等，则

n_m＝n_f＝n_r (7)

式中，n_m——液压马达转速

n_f——前轮转速

n_r——后轮转速。

又有发动机转速n_e和液压泵转速n_p的关系

n_p＝n_e/i_p (8)

式中，n_p——液压泵转速

n_e——发动机转速

i_p——取力器速比

结合式(7)和式(8)，从式(3)中反解出包含系统效率的泵目标开度值

从式(9)可以看出，在不考虑系统效率时，泵目标开度值与各挡位一一对应，

且随着挡位的增加，泵目标开度也逐渐变大，这也正符合了前轮转速跟随后轮转速

的要求，但当考虑系统效率后，泵目标开度不仅受挡位影响，还受系统总容积效率

影响；

第四步，计算经过补偿的泵目标开度值

结合式(6)和式(9)，最终得到经过补偿的泵目标开度值为

从推导得到的经过补偿的泵目标开度值表达式(10)可以看出，该式包含两个部分，第一项是未考虑液压系统流量损失的仅与挡位相关的固定值，第二项是考虑液压系统流量损失的随系统状态变化的补偿值，从第二项变化项可见，泵目标开度的补偿量与系统压差、油液粘度和泵转速相关，而粘度的主要影响因素是油温。

根据轮毂液压驱动系统当前状态的传感器信号，包括系统主回油路压差、液压泵转速、油液温度，再根据式(10)得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值；

另外，通过第一步②试验测定方式获取得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率可直接带入式(9)，得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值。

参阅图3和图4，可以看出，随着温度的升高，泵目标开度的补偿量增大，在高温区域，泵目标开度值很大，甚至是全开状态；在低温低压状态下，泵目标开度值补偿量较小，温度较高时，泵目标开度值随着压力的升高，增大较明显；而在低速状态，泵目标开度值随着温度的升高，需要更早地进行大量的补偿，反之，在高速状态，泵目标开度值随着温度的上升，可以更晚地进行补偿。总的来说，温度对泵目标开度的影响很大，而转速的影响则小得多。从以上泵目标开度与温度、压力及转速的关系也可以得到如下结论：当系统处于效率较低的状态时，系统流量损失较大，则泵目标开度值的补偿量需求也更大，可以根据轮毂液压驱动系统的当前状态，结合泵目标开度值的影响因素，对泵目标开度值进行合理补偿。

Claims (1)

1.一种轮毂液压驱动系统助力模式下的泵排量补偿方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步，计算轮毂液压驱动系统液压泵容积效率和液压马达容积效率

液压泵容积效率和液压马达容积效率通过理论公式计算或试验测定方式获取：

①理论公式计算获取

在液压油为牛顿流体，油液流动均为层流状态，且忽略工作时部件间隙变化和液体压缩性影响的条件下，液压泵的容积效率为

式中，η_pv——液压泵容积效率

C_ps——液压泵层流泄露系数

Δp——系统主回油路压差

μ——油液动力粘度

n_p——液压泵转速

D_P——液压泵开度值

在上述相同的条件下，液压马达的容积效率为

式中，η_mv——液压马达容积效率

C_ms——液压马达层流泄露系数

n_m——液压马达转速

②试验测定方式获取

通过台架试验测定方式得到液压泵容积效率和液压马达容积效率；

第二步，计算轮毂液压驱动系统总容积效率

首先，将第一步得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率相乘即为轮毂液压驱动系统总容积效率；然后，建立液压泵转速和液压马达转速之间的关系，将轮毂液压驱动系统总容积效率中的液压马达转速n_m消去，轮毂液压驱动系统总容积效率的详细推导方法如下：

根据考虑了液压系统容积效率的流量连续性原理，可得

D_pn_pV_pmaxη_pvη_mv＝2n_mV_m (3)

式中，V_pmax——液压泵最大排量

V_m——液压马达排量

从式(3)可得液压马达转速为

将液压马达转速代入式(2)中得到

由式(4)和式(5)可以得到轮毂液压驱动系统总容积效率为

第三步，计算包含系统效率的泵目标开度值

设定控制目标为车辆前轮轮速跟随后轮轮速，则

n_m＝n_f＝n_r (7)

式中，n_m——液压马达转速

n_f——前轮转速

n_r——后轮转速；

又有发动机转速n_e和液压泵转速n_p的关系

n_p＝n_e/i_p (8)

式中，n_p——液压泵转速

n_e——发动机转速

i_p——取力器速比

结合式(7)和式(8)，从式(3)中反解出包含系统效率的泵目标开度值

第四步，计算经过补偿的泵目标开度值

结合式(6)和式(9)，最终得到经过补偿的泵目标开度值为

从推导得到的经过补偿的泵目标开度值表达式(10)可以看出，该式包含两个部分，第一项是未考虑液压系统流量损失的仅与挡位相关的固定值，第二项是考虑液压系统流量损失的随系统状态变化的补偿值，从第二项变化项可见，泵目标开度的补偿量与系统主回油路压差、油液粘度和液压泵转速相关，而粘度的主要影响因素是油温；

根据轮毂液压驱动系统当前状态的传感器信号，包括系统主回油路压差、液压泵转速、油液温度，再根据式(10)得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值；

另外，通过第一步②试验测定方式获取得到的液压泵容积效率和液压马达容积效率可直接带入式(9)，得到最终泵排量的控制信号，即经过补偿的泵目标开度值。