汽車裝載增壓控制臺設計研究

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摘要:為提升汽車裝載系統(tǒng)的控制精度和響應效率，提出一種液壓增壓控制平臺。針對壓力和流量控制機理，對平臺進行了功能和結(jié)構(gòu)設計，主模塊包括負載增壓模塊、流量飽和模塊和負流量控制模塊等。在比例多路閥控制下，對閥口壓力和比例泵輸出特性進行了仿真和測試。結(jié)果表明，該平臺具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，增壓值與期望值的偏差低于5%。

關鍵詞:液壓系統(tǒng);增壓控制;壓力;流量;模塊設計

0引言

汽車裝載過程承受著較大的載荷，動力主要依賴于液壓控制系統(tǒng)［1］，能夠方便地獲取所需的機械能。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)的元件趨于高集成性［2］和低功耗性［3］，整個液壓傳動結(jié)構(gòu)的設計對于車輛裝載的可控性和節(jié)能效果均有著重要的影響。由于汽車裝載標準逐年升高，用戶對于車輛裝載的穩(wěn)定性［4］、控制精度以及功耗等都提出更高的要求。傳統(tǒng)的液壓裝載系統(tǒng)基于機械力傳遞目標來設計，缺少對負載敏感度［5］和流量飽和度［6］的精確控制，在特定情況下經(jīng)常會出現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)響應效率低、振動劇烈、能量損失較大等問題。由此可見，具有較高壓力響應敏感度的液壓系統(tǒng)是非常有必要的。針對以上問題，文中提出一種汽車裝載增壓控制平臺，通過多路補償［7］系統(tǒng)的設計，提升壓力與流量的控制精度。

1液壓平臺設計

1.1設計要求

對于液壓系統(tǒng)，雖然不同的控制元器件功能不同，但運行時仍需要依據(jù)控制流程，協(xié)同工作才能發(fā)揮系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。因此，在裝載增壓平臺設計時，應結(jié)合流量控制、負載衡穩(wěn)、出口增壓等功能進行結(jié)構(gòu)改進。汽車裝載增壓控制平臺的設計要求如下:(1)除了滿足額定的裝載力矩和增壓比例之外，還應具備低功耗和高穩(wěn)定性特性;(2)盡量采用感應技術(shù)和電控技術(shù)代替原有的機械控制方案，對于閥口信號的監(jiān)測具備補償功能，避免溫度等因素的干擾;(3)泵體的流量控制混合使用節(jié)流法和容積法［8］，要求不但具備較高的響應效率和流量精準度，還需要保持良好的功耗狀態(tài)。

1.2負載增壓模塊設計

傳統(tǒng)的負載控制主要以回路中的預設值作為控制變量，參考值為最高負載下的變量泵輸出壓力，對于反饋控制很少涉及。但是，由于負載具有顯著的反饋敏感性特點，因此梭閥需要增加參照量響應元件，通過對變量泵自身功率的調(diào)節(jié)實現(xiàn)流量的控制，從而實現(xiàn)最終的輸出壓力不低于預設值。根據(jù)裝載液壓控制系統(tǒng)的功能特點，設計負載增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，壓力可有效地實現(xiàn)閉環(huán)控制［9－10］，變量泵能夠根據(jù)流量要求不斷反饋壓力值，擺脫了溢流耗散問題［11］，功耗損失降低，這對于能量效率的提升有重要意義。負載增壓模塊中的反饋參數(shù)基于管路傳感器的測試結(jié)果，應優(yōu)先選用動態(tài)特性良好的元件。負載增壓模塊作為液壓裝載系統(tǒng)重要的組成部分，能夠有效地響應液壓回路中較為劇烈的振動，弱化外界因素對壓力輸出特性的影響，能夠在起重機、叉車、挖掘機等工程車輛中得到良好的應用效果。

1.3流量飽和控制模塊

流量飽和控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能為基于流量飽和度的控制來實現(xiàn)多路壓力補償。因此，在系統(tǒng)中增設多路聯(lián)動的壓力補償器，當回路中的壓力載荷超過預設值時，模塊開始進行節(jié)流操作，當不同的節(jié)點入口壓力偏差低于允許值時，再次分配初設值，使得出口壓力的壓力差同樣保持穩(wěn)定，即入口壓差與出口壓差相匹配。根據(jù)流量飽和控制模塊的工作機理可知，油液在回路中經(jīng)過執(zhí)行器的實際流速與過流面積之間為線性關系，便于實現(xiàn)分布式控制和獨立控制的結(jié)合。為確保流量控制精度，增設溢流閥，將負載因素離散化，避免壓力偏差對閥口流量造成干擾，使其僅與閥口閉合度相關。

1.4負流量控制模塊

負流量控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要用于匹配變量泵流量信號與反饋信號之間的線性關系，其核心組成部分為液壓回路中的節(jié)流器。在該模塊的控制下，流量控制可以轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)條件。當傳感器檢測到單油路的流量變動值超過20%時，將反饋信號傳輸至控制器，進而與流量飽和控制模塊協(xié)調(diào)運行，最終將油液回路中的流量保持在許用范圍內(nèi)。根據(jù)負流量控制模塊的工作機理可知，其能量效率較高，功率損失主要發(fā)生在旁路控制和負載響應。當裝載增壓系統(tǒng)工作時，將觸動變幅液壓缸的位移，使其發(fā)送引導性控制參數(shù)，進而帶動變幅聯(lián)主閥和比例減壓閥工作，使得閥芯朝上運動。負載增壓模塊所控制的油液在功率補償［12］作用下以增壓模式進入梭閥，此時，增壓元件將液壓油引入增加補償器內(nèi)。當系統(tǒng)檢測到流量差值較大時，設定增壓器的前后腔為連通狀態(tài)，油液在輔助閥作用下以分支方式回流至變幅液壓缸。在負流量控制模塊的作用下，大大降低了梭閥對負載變化的敏感度。再次調(diào)節(jié)輸出壓力時，能夠直接接收負載壓力的反饋信號，調(diào)節(jié)變量泵的工作參數(shù)，實現(xiàn)負載壓力的穩(wěn)定。

1.5比例多路閥設計

裝載增壓控制臺各個功能模塊之間的油路連接通過比例多路閥實現(xiàn)，其機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。比例多路閥的壓力與流量屬性是平臺性能仿真和測試的依據(jù)，其控制機理為泵體與閥體的聯(lián)合性功能補償，包括變幅和伸縮聯(lián)動機構(gòu)的行程，功率補償?shù)?。當油路循環(huán)工作時，負載增壓模塊中的壓力補償器首先以最大功耗運行，隨后通過流量飽和控制模塊調(diào)節(jié)至理想的閥口壓力與泵口流量。比例多路閥具有傳感器接口和油路接口，對處于不同工作參數(shù)條件下的功能模塊均具有良好的控制效果。

2性能測試與仿真分析

2.1閥壓分析

主閥的輸入壓力和輸出壓力控制精度是衡量裝載增壓系統(tǒng)性能的重要指標。文中針對比例多路閥的機械特點，將各路功能模塊連接，得到管路與傳感器的連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。在試驗測試中，設定流程如下:首先開啟電液比例泵，使其在額定轉(zhuǎn)速下工作，設定先導壓力值并將油液增壓進入補償器，抵消外部重力和彈力載荷后流入節(jié)流器并到達主閥入口;然后在負載增壓模塊作用下持續(xù)提高入口壓力，當兩腔油壓接近平衡時，停止增壓;最后控制其他補償器管路接通，輸出壓力達到最大負載狀態(tài)，同步測量入口壓力、出口壓力和負載壓力，整個過程的液壓仿真可基于AMESim實現(xiàn)。壓力隨流量變化的測試與仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出:入口壓力、出口壓力和負載壓力的控制精度較高，測試值與仿真值具有較高的匹配性，增壓效果與預期值差別很小，低于5%;當油液進入主閥口時，負載即達到了穩(wěn)定值，響應效率非常高;在閉環(huán)控制條件下，整體壓力變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)載荷突變問題。

2.2比例泵輸出特性

在汽車裝載增壓控制臺中，比例泵的輸出特性能夠有效地體現(xiàn)系統(tǒng)最大承載性能，其在控制平臺中的安裝結(jié)構(gòu)如圖7所示。在功能試驗測試中，設定操作流程如下:首先將所有的閥口置于開啟狀態(tài)，使得比例泵的擺角位移處于極速模式，即不需要預設相應的運行程序;預設主閥壓力峰值為2．5MPa，將變量泵的檢測信號導入上位機進行實時監(jiān)測;改變輸入電流，調(diào)整比例閥，使回路油壓增益不超過1MPa。通過測試與仿真分析，可得出不同輸入電流條件下的流量與壓力變化規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯?仿真結(jié)果與測試結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢上的一致性較高，由于未考慮摩擦損耗，仿真值略大于測試值;在穩(wěn)定的負載作用下，隨著輸入電流的增大，比例泵的輸出流量表現(xiàn)出線性增大至平穩(wěn)狀態(tài)的變化規(guī)律。在試驗中，比例溢流閥的開啟與閉合需要一定的時間，并非直接導通，在壓力積聚作用下將產(chǎn)生局部應力過大。文中所設計的流量飽和控制模塊可實現(xiàn)良好的過載泄壓效果，使得泵扣壓力與仿真結(jié)果不會出現(xiàn)。

3結(jié)論

車輛工程的快速發(fā)展是當前經(jīng)濟與社會進步的必然結(jié)果。作為裝載車輛，其液壓系統(tǒng)的性能是安全性和可靠性的關鍵因素。本文基于精準控制和節(jié)能要求，對一種增壓控制平臺進行了設計，通過研究得出以下結(jié)論:(1)該系統(tǒng)對于壓力和流量的控制能夠達到預期效果，各個性能的測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有顯著的一致性;(2)系統(tǒng)對電液比例控制信號的響應效率較高，變量泵在閉環(huán)的反饋回路控制中能夠有效減小能量損失，從而得到更高的控制效率。

作者:韓笑 單位:煙臺汽車工程職業(yè)學院