差速驱动范文

差速驱动范文（精选5篇）

差速驱动 第1篇

移动机器人作为机器人学中的一个重要分支,在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。差速驱动技术是目前机器人移动机构中广泛采用的技术,差速机构按实现差速的方法分为机械式差速和电子式差速2种结构。机械式差速器采用机械的方式分配机器人两驱动轮的转速和扭矩,节省了动力源的数目。电子式差速器分别采用2个电机驱动机器人的两个驱动轮,利用微处理器控制机器人的行驶速度和方向,从而简化了机械结构,提高了传动效率和控制的灵活性,在移动机器人中得到广范应用。本文研究在移动机器人中广泛采用的电子式差速驱动机器人及其路径控制。

1 差速驱动移动机器人结构及运动分析

图1所示为轮式差速驱动机器人常采用的几种结构形式,图中有剖面线的长方形为机器人可控制驱动轮,小圆圈表示全向自由轮,主要起辅助支撑作用。其中(a)为两轮差速驱动,(b)为带有第3个接触点的三轮差速驱动,(c)为具有附加接触点的四轮差速驱动,(d)为六轮差速驱动。

以机器人两差速驱动轮连线作为机器人坐标系的YR轴,以过机器人中心垂直于YR轴的方向作为机器人坐标系X轴方向,以机器人坐标原点R作为机器人位置参考点,机器人任意时刻在世界坐标系OXY中的位姿可表示为ζ0=(x yθ)T(图2)。设机器人驱动轮半径为r,两轮之间的距离为l,两驱动轮转速分别为n1和n2,根据差速原理机器人沿其自身坐标XR轴方向的线速度v和姿态角的变化率ω分别为:

根据刚体平动原理,机器人在任意时刻的运动都可以看成是绕车体瞬心P的转动,转动半径R为:

其取值范围为[0)。

因此机器人的运动方程可以表示为:

由上式可知,差速驱动机器人系统为全局可控系统,通过控制机器人两轮的转速n1和n2,间接控制机器人的线速度v和转角速度ω,可以实现机器人在任意位姿的运动;同时差速驱动机器人系统又是非线性定常系统,存在约束条件,因此在分析中假设机器人车轮与地面之间为纯滚动,且无侧向滑动。

2 差速驱动机器人路径控制系统

差速驱动机器人路径控制系统的任务是通过控制机器人两驱动轮的转速,从而控制机器人的线速度和角速度,以实现机器人按直线或圆弧的方式从任意位姿(x,y,θ1)移动到另一位姿(x,y,θ2)。

2.1 系统硬件组成

控制系统硬件由微型计算机系统、步进电机驱动系统、传感器检测系统和电源系统等部分组成,如图3所示,其中微型计算机系统采用以C8051F040为核心的单片机系统,主要进行路径控制算法,并将计算结果转化成机器人左右轮的转速,发送给电机驱动系统;步进电机驱动系统采用SH-2024B2模块,对控制系统发送的电机指令进行功率放大,驱动电机旋转;传感器检测系统包括磁罗盘、编码器和超声传感器,磁罗盘采用V2XE传感器,用于判别机器人的姿态,编码器采用ISC3806,用来测量机器人两驱动轮的实际速度和移动距离,超声传感器采用URM37 V3.2模块,用来检测机器人移动方向的障碍物,如存在障碍物,发出警报。

2.2 系统软件结构

软件系统采用模块化设计方法,包括机器人姿态检测模块、直线运动模块、圆弧运动模块、电机驱动模块、报警模块等部分,总体结构如图4所示。

位姿检测模块用于检测和记录机器人的方位角和移动路径,直线运动模块实现机器人沿任意方向的直线运动,圆弧运动模块实现机器人圆弧运动;电机驱动模块接收直线运动和圆弧运动计算的驱动电机的转速,转化成一定频率的脉冲,输送给电机驱动系统;报警模块用于当超声传感器检测到机器人前方存在障碍物时,发出报警,当障碍物被移走时,按原路径运动。

3 路径控制算法

路径控制算法主要实现机器人的直线、圆弧运动。由差速驱动机器人运动学知,以机器人的线速度和角速度为输入量,通过控制机器人左、右轮的转速,可以实现机器人的直线运动、任意半径圆弧运动和原地回转运动。

3.1 直线路径控制算法

若要求机器人按直线运动方式,在保证机器人姿态与直线方向一致的情况下,令ω=0,v按设定速度运动即可。如令机器人从图5中起始点S(xg,yg,θg)移动到目标点G(xg,yg,θg),机器人控制算法如下:首先计算出直线段SG的倾角,并根据位姿检测模块检测出的机器人当前方位角θ2,通过控制,实现机器人原地回转(θ2-θ1)角度,使机器人的姿态与运动方向一致,然后控制机器人左右轮以的转速沿θ1方向移动距离。

3.2 圆弧路径控制算法

同样,机器人在进行圆弧运动时,首先保证在起始点机器人坐标系的XR轴沿着圆弧的切线方向,在令v不变的情况下,根据圆弧半径R,调整机器人姿态角的变化率,即,令,即可实现机器人做半径为R的圆弧运动,直至机器人的姿态角θ=θg。

4 实验及结论

采用图2所示差速驱动机器人,机器人驱动轮半径为100mm,两驱动轮之间的距离为220mm,机器人总重5.5 kg,机器人初始位姿为R(10,10,0),线速度v=0.1m/s,在长5m、宽3m的区域内按直线和圆弧路径运动,最大路径误差为53mm。

本文的差速驱动机器人控制系统采用开环控制方式,由于存在制造误差,机器人的运动轨迹和规划轨迹不完全重合,而且机器人不能自动修正路径,累积误差随机器人的运动时间逐渐增大。但由于控制系统结构简单、容易实现,在由直线和圆弧构成固定路径的移动机器人领域有着一定的应用。

摘要：文章介绍了目前移动机器人中广泛采用的差速驱动方式的结构和原理,并对其运动学进行了分析,设计了基于8051F的差速驱动机器人控制系统,使其具有位姿检测、直线运动、圆弧运动、障碍物检测等功能。系统通过控制机器人的线速度和姿态角的变化率,实现机器人以直线和圆弧的方式从任意位姿到达另一位姿。

关键词：差速驱动,移动机器人,路径控制

参考文献

[1]R.西格沃特,I.R.诺巴克什.移动机器人导论[M].西安:西安交通大学出版社,2006,9.

[2]Robin R.Murphy.人工智能机器人学导论[M].北京:电子工业出版社,2004,10.

[3]钟新华,蔡自兴,邹小兵.移动机器人运动控制系统设计及控制算法研究[J].华中科技大学学报.2004,10(Vol.32 Sup).

[4]葛英辉,倪光正.新型电动车电子差速控制策略研究[J].浙江大学学报(工学版)2005,12(Vol.39).

差速器的工作原理 第2篇

你将会了解到汽车为什么需要一个差速器，它工作的方式及其优缺点。我们也将会了解到防滑差速器。

工作原理：当汽车直走时，两个行星齿轮只公转，不自转。如图中右上所示。

右下图表示的是汽车（方向是朝读者这边走的）右转。

根据力学原理，转弯时内侧车轮势必会转的慢些，此时驱动轴转速不变，行星轮此时一边绕半轴

公转，一边自转。

为什么需要差速器

当汽车转向时，车轮以不同的速度旋转。在下面的动画中你可以看到，在转弯时，每个车轮驶过的距离不相等，即内侧车轮比外侧车轮驶过的距离要短。因为车速等于汽车行驶的距离除以通过这段距离所花费的时间，所以行驶距离短的车轮转动的速度就慢。同时需要注意的是：前轮较之后轮，所走过的路程是不同

的。

对于后轮驱动型汽车的从动轮，或前轮驱动型汽车的从动轮来说，不存在这样的问题。由于它们之间没有相互联结，它们彼此独立转动。但是两主动轮间相互是有联系的。因此一个引擎或一个变速箱可以同时带动两个车轮。如果你的车上没有差速器，两个车轮将不得不固定联结在一起，以同一转速驱动旋转。这会导致汽车转向困难。此时，为了使汽车能够转弯，一个轮胎将不得不打滑。对于现代轮胎和混凝土道路来说，要使轮胎打滑则需要很大的外力，这个力通过车桥从一个轮胎传到另一个轮胎，这样就给车桥零部件

产生很大的应力。

什么是差速器

差速器就是一种将发动机输出扭矩一分为二的装置，允许转向时输出两种不同的转速。

在现代轿车或货车，包括许多四轮驱动汽车上，都能找到差速器。这些四轮驱动车的每组车轮之间都需要差速器。同样，其两前轮和两后轮之间也需要一个差速器。这是因为汽车转弯时，前轮较之后轮，走过的

距离是不相同的。

部分四轮驱动车前后轮之间没有差速器。相反的，他们被固定联结在一起，以至于前后轮转向时能够以同

样的平均转速转动。这就是为什么当四轮驱动系统忙碌时，这种车辆转向困难的原因。

不同车速下转弯

我们将从最简单的一类差速器――开式差速器，讲起。首先，我们需要了解一些技术：下图就是一个开式

差速器部件。

当一辆轿车沿着一条路直线行驶时，两侧车轮以同一转速转动。输入小齿轮带动螺旋锥齿轮和壳体。壳体

内的小齿轮都不转动，两边的齿都有效的将壳体锁住。

注意到输入小齿轮的齿比螺旋锥齿轮的齿小。如果主减速比为4.10，螺旋锥齿轮的齿数就要比输入小齿轮

的.齿多4.10倍。更多关于传动率的信息请参阅齿轮是如何工作的。

当一辆汽车转弯时，车轮必须以不同的转速旋转。

从上图中，你可以看到壳体内的小齿轮在车辆转向时开始转动。以此实现两侧车轮以不同的转速旋转。内

侧车轮要比壳体转得慢。但外侧车轮就要转得相对快点。

在薄冰上行驶

开式差速器一般都是将相同大小的扭矩分配到两侧车轮上。有两个因素决定分配到车轮扭矩的多少：设备及牵引力。在干燥的环境、有充足的牵引力的情况下，分配到车轮的扭矩受到发动机及齿轮的限制；在牵引力较小的情况下，诸如在冰面上行驶。在这种情况下，扭矩的大小受限于车轮不至于打滑。所以，即使一辆车可以产生更大的扭矩，同样需要足够的牵引力用以将这些扭转力矩传输到地面上。如果当车轮开始

打滑时，你用力睬油门，只会使车轮转得更快。

如果你曾经在冰面上开过车，你可能知道使加速变得容易的方法。那就是你不以一档起步而是二档起步，甚至是三档。因为变速器里的档位越高，传到车轮上的扭矩会变的更少。这样就会让车轮在不转的情况下

加速更快。

当一个汽车主动轮在附着系数较高的路面上，而另一个主动轮却在冰面上时，会发生什么情况呢？这就是

开式差速器的问题所在。

记住，开式差速器总是运用于两轮转矩相等的情况下，最大扭矩受限于最大防滑系数的限制。他并不会给在冰面上的车轮以更大的扭矩。而且牵引力好的那个车轮仅获得很少量的扭矩。此时，你的车就不能正常

运行。

越野行驶

除此之外，开式差速器可能在你越野的时候给你带来麻烦。如果你有一辆前后都有差速器的四轮驱动车或

越野车，你可能被卡住。

现在，记得――就如我们之前已经提到过的，开式差速器一般都是给两轮传递相等的扭矩。如果一侧前轮

及一侧后轮陷入地中，两轮只能在空无助的旋转，汽车根本无法移动。

这类问题只能通过防滑式差速器（LSD）来解决，有时也叫做“po差速器的工作原理sitraction”。防滑差速器使用多种机械技术

来实现常规差速器使车辆转弯的行为。当一侧车轮打滑时，提供更多的扭矩给不打滑的轮子。 接下去的几章将详细介绍不同类型的防滑差速器，包括离合器式防滑差速器，粘性锁止式差速器，托森差

差速驱动 第3篇

汽车差速器是驱动桥的主件, 向两边半轴传递动力, 同时允许两边半轴以不同的转速旋转, 满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶。普通差速器主要由行星齿轮、差速器壳体、半轴齿轮等零件组成。差速器壳体主要起支撑与传递动力的作用, 其加工工艺较为复杂, 因此对差速器壳体多采用经验法进行设计。

有限元分析法在一定的条件下, 可以计算出各种机械零件的几乎所有的应力和应变。随着科学技术的发展, 这种方法已大量应用于汽车零部件的强度分析中。

本文以差速器在汽车运动行驶中的不同工况下, 建立了差速器壳体的约束反力有限元数学模型, 通过仿真结果进行优化, 并对轻量化前后的差速器壳体仿真结果进行分析。

2 差速器壳体数学模型

F1-差速器轴承的反轴向力;F2-半轴齿轮的轴向反力;F3-从动齿轮产生的径向力;M1-摩擦阻力矩。

差速器壳体在汽车运动中的受力相当复杂, 可将其简化为受力的简支梁, 同时受到摩擦转矩, 半轴齿轮的轴向力, 其受力模型如图1所示。

2.1 差速器轴承约束反力的计算

(1) 圆周力P

齿面宽中点处的圆周力P

T-作用在该齿轮齿面的转矩;dm-该齿轮齿面宽中点的分度圆直径。

(2) 轴承轴向力

轴承的轴向载荷为齿轮的轴向力, 其计算结果为:

当主动齿轮为左旋顺时针转动时, 其轴向力与径向力为:

当主动齿轮为左旋逆时针转动时, 其轴向力与径向力为

β-双曲面齿轮的螺旋角;α-齿廓表面的法向压力角;γ-节锥角。

(3) 轴承径向载荷

主动齿轮左旋顺时针转动时, 从动齿轮轴承的径向载荷:

当主动齿轮左旋逆时针转动时, 从动齿轮轴承的径向载荷

由以上计算求得:

訩当主动齿轮顺时针转动时, 根据轴承的计算公式及轴承的约束反力:

差速器轴承4:Fd4=27.637k N, Fr4=41.03k N

差速器轴承5:Fd5=10.99k N, Fr5=41.03k N

訪当主动齿轮逆时针转动时, 根据轴承的计算公式及轴承的约束反力:

差速器轴承4:Fd4=73.317k N, Fr4=71.758k N

差速器轴承5:Fd5=19.227k N, Fr5=71.758k N

2.2 半轴齿轮约束反力的计算

半轴齿轮产生的轴向力

2.3 差速器壳体最大摩擦扭矩

3 有限元模型

通过UG建立差速器壳体的三维模型, 然后导入Msc.patran中, 进行网格划分、属性定义、载荷以及约束的施加。差速器壳体三维模型如图2、图3所示。

3.1 有限元模型的划分

由于差速器壳体的结构比较复杂, 因此有限元网格采用的是10节点的四面体单元, 网格尺寸大小为10mm。

3.2 载荷及约束的加载

根据已建立的差速器壳体的数学模型, 在有限元分析软件patran中加载不同工况下的载荷, 其摩擦扭矩则在作用面内建立MPC, 然后在该节点处加载力与扭矩。

3.3 仿真分析结果

轻量化前差速器壳体的仿真分析结果:

(1) 差速器顺时针转动 (图4, 图5)

(2) 差速器逆时针转动 (图6, 图7)

轻量化后差速器壳体的分析结果:

(1) 差速器顺时针转动 (图8, 图9)

(2) 差速器逆时针转动 (图10, 图11)

由以上仿真结果, 可以看出轻量化前后的差速器壳体主要参数如表1所示。

由表1可以看出, 差速器壳体经过轻量化设计, 重量减少了1.34kg;在强度与刚度方面, 由位移与应力分布图可知, 差速器壳体在顺时针转动时, 其位移变化不大, 应力增加了13MPa;差速器壳体在逆时针转动时, 位移变化也不大, 而应力减少了18MPa, 产生应力减小的主要原因是应力集中减少, 应力分布均匀是最大应力减少的主要原因。由以上两种工况可以看出, 其最大应力均小于材料的屈服强度310MPa, 因此轻量化后的差速器壳体是满足设计要求的。

4 结论

本文建立了驱动桥差速器壳体的有限元分析模型, 并完成了差速器壳体从三维模型的建立到仿真分析的过程。同时通过有限元仿真分析得到了驱动桥差速器壳体应力分布, 并根据分析结果对差速器壳体进行轻量化设计, 同时降低了制造成本。目前轻量化的差速器壳体已小批量试装, 无不良市场反馈。

参考文献

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社, 2001.

[2]朱峥涛, 丁成辉.不同厚度驱动桥桥壳有限元分析[J].现代制造工程, 2006 (11) :55-58.

[3]刘斌.桥壳的有限元分析及结构优化[J].上海汽车, 2004 (8) :23-25.

[4]王良模, 彭育辉, 曾小平.双向自增力鼓式制动器有限元模型的建立与分析[J].南京理工大学学报, 2002, 26 (5) :937-938.

差速驱动 第4篇

故正确的显示差速锁的状态对整车是一个很重要的性能指标, 而对差速锁信号的输入与输出起决定性作用的零件为压力开关和工作缸, 其次是装配和调整。

压力开关和工作缸的作用及工作原理

压力开关的主要作用是将差速锁当前所处状态的信号输出到驾驶室, 使驾驶员清楚当前的差速状态, 正常情况下使用差速锁时指示灯亮, 不使用差速锁时指示灯灭。工作缸的作用是将驾驶员的指令通过充放气转化为伸出或收缩的动作, 当需要差速锁时, 按下对应的差速锁开关, 供气系统对工作缸进行充气, 工作缸的推杆伸出, 推动操纵杆总成转动, 进而滑动啮合套和固定啮合套啮合, 差速锁锁止, 使两个车轮 (或两桥) 获得相同的转速 (或动力输入) 。压力开关及工作缸在桥上的布置如图1所示, 压力开关及差速锁结构示意图如图2所示, 差速锁的工作原理如图3所示。

1.压力开关2.操纵杆总成3.工作缸4.桥壳5.固定啮合套6.滑动啮合套7.拨叉

存在问题

装配过程及调整过程复杂, 效率低;常出现差速锁灯常亮或不亮的情况, 售后反馈质量问题多;差速锁压力开关与工作缸为独立式结构, 相关零件多, 结构复杂;对桥壳上装配压力开关的孔的位置及尺寸要求严格, 成本高。

改进型结构

将工作缸与压力开关设计为一体式, 通过活塞的往复运动控制信号的输入与输出, 结构如图4所示, 关键尺寸为图示的A, 当A=0时, 开关闭合, 即开关输出信号, 滑动啮合套与固定啮合套开始啮合。此结构取消了桥壳上的压力开关螺纹孔, 取消拨叉铣平面与螺纹孔的加工, 降低了加工成本, 提高了加工效率。在采用整体式结构后, 减少了零件数量, 如凸台、弯板、开槽平端紧固螺钉、压力开关及销等, 共计节约成本23.27元/根, 综合节约30.27元/根;按年产10万根车桥计算, 可节约成本302.7万元。

结语

通过一体化设计, 减少零件和节约加工成本共计约302.7万元/年。装配时不用对压力开关进行调整, 可减少一个操作工, 提高了装配效率。整体式结构简单, 可靠性高, 质量保证能力强, 值得推广应用。

差速驱动 第5篇

机械摩擦片式自锁限滑差速器是高端装载机实现驱动防滑的重要部件,虽然它能够在一侧车轮出现打滑时在一定程度上提高驱动能力,但在正常转弯时自锁作用不能解除,增加了轮胎磨损,影响了操纵性和安全稳定性。随着计算机控制技术在车辆上的应用,主动控制式限滑差速器必将在工程机械上得到推广应用[1]。

目前在汽车上应用的主动限滑差速器可分为电机式、电磁式和电液式[2],但其限滑作用有限,不适合在装载机上应用。

装载机经常在两侧车轮非对称附着的工地上作业,会出现一侧车轮打滑的现象,因此,研究主动控制式驱动防滑对提高装载机驱动能力、提高工作效率,同时又不影响操纵性和安全稳定性具有重要的工程意义。

1 电液式主动限滑差速器及其控制系统

针对ZL50装载机设计了一款主动限滑差速器,其结构如图1所示。该差速器在普通差速器的基础上增加了限滑机构,限滑机构由产生摩擦扭矩的湿式摩擦副、产生推力的油缸和将高压油送往油缸的输油环组成,它与普通摩擦片式自锁差速器相比在结构上作了重大改进,高压油通过输油环和差速器壳体上的油道进入油缸,推动活塞压向摩擦副产生限滑扭矩,缸内的压力由外部液压控制系统通过计算机程序调节,因此,差速器的锁紧系数可以根据装载机的工作状态按需求调整,从而实现主动控制。

液压控制系统借助装载机上的高压油,增加进油阀、回油压力控制阀等元件,实现油缸内的压力控制,需要解决的关键问题是压力的控制精度、系统反应敏捷性和鲁棒性。

2 四轮驱动系统动力学模型

图2为限滑差速器工作示意图,差速器的输入扭矩由差速齿轮和摩擦副分配到左右半轴上,摩擦副的摩擦力决定扭矩的分配关系[3]。

若不计差速机构的摩擦损失,其扭矩分配的关系为

转速的关系为

式中,Tl、Tr分别为左右半轴齿轮的输出扭矩;T0为主减速器的输入扭矩;Tc为摩擦副的摩擦力矩;ω0、ωl、ωr分别为差速器的输入转速、左半轴输出转速、右半轴输出转速。

ZL50装载机的四轮驱动系统中无中央差速器,发动机输出扭矩经变矩器、变速器、分动器,由前后传动轴直接分配给前后驱动桥[4],前后传动轴等同于刚性连接,装有限滑差速器的四轮驱动系统结构如图3所示。

前后差速器的输入扭矩与动力装置输出扭矩的关系为

式中,Tf为前差速器的输入扭矩;Tb为后差速器的输入扭矩;T为发动机和变矩器共同工作的输出扭矩;i1、i2分别为变速器和主减速器的传动比。

由式(1)、式(2)得

式中,T1、T2、T3、T4分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的输入扭矩;i3为轮边减速器的传动比。

单个轮胎的力学平衡关系为

式中,Tt为输入扭矩;Ft为驱动力;R为滚动半径;I为转动惯量;$\dot{\omega }{}_{\text{t}}$为转动加速度。

考虑传动效率,传动系整体的力学关系为

式中,FΣ为驱动力总和;F1、F2、F3、F4分别为左前、右前、左后、右后各轮的驱动力;$\dot{\omega }{}_1$、$\dot{\omega }{}_2$、$\dot{\omega }{}_3$、$\dot{\omega }{}_4$分别为左前、右前、左后、右后各轮的转动加速度;$\dot{\omega }$为所有车轮的平均加速度;ηdrive为传动效率。

由整机的纵向力平衡得出驱动系统的动态微分方程:

式中,m为整机的质量;a为整机纵向加速度;g为重力加速度;f为阻力系数;ω为所有车轮的平均转速;T(ω)为发动机与变矩器共同工作的输出扭矩。

由式(3)可知,传动轴的转速为

传动轴的旋转加速度为

当路面附着条件发生变化时,通过数值迭代法解式(13)的动态微分方程,结合各转动件间转速和扭矩的关系得出各传动件动力学参数的变化,从而得到驱动系统整体的动态特性。

3 整机仿真系统

以加装电液式主动限滑差速器的ZL50装载机在非对称附着路面上四轮驱动的动力学模型为基础[5],建立了车辆仿真系统,图4为前桥仿真系统框图,前后差速器独立控制,前后车桥结构和控制方式相同。

(1)差速器控制算法。

当两侧轮胎转速差达到限定值且一侧滑转率低于最佳滑转率时,以低速轮胎的滑转率与最佳滑转率的差值作为输入信号,控制器利用增量PID计算液压系统的输出油压。控制器输出的增量为

式中,Δu(k)为液压系统出口压力的控制增量;e(k)为左右车轮滑转率的差值;Δe(k)为差值的增量;Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数。

(2)仿真工况。

装载机载重29.4kN,前桥载荷为117.6kN,后桥载荷为78.4kN,低速行驶过程中路面分离,如图5所示,左侧附着系数μ0(μ0=0.6)保持不变,右侧附着系数变为μ(μ=0.2)。

(3)仿真过程。

装载机无中央差速器的特殊四轮驱动系统中前后桥动力特性耦合,当右前轮进入低附着区(图5),附着条件变化使各车轮的输入扭矩重新分配,需要对式(13)进行一轮迭代循环。当右后轮也进入低附着区(图6),各车轮的输入扭矩再次重新分配,需要再进行一轮迭代循环。这样,通过两轮对动态微分方程的迭代求解,可获得全程的动力学参数。

4 仿真结果分析

分别使用普通差速器、摩擦片式被动限滑差速器和电液式主动限滑差速器进行仿真,可以得到不同的装载机驱动性能。

先进行前轮驱动仿真。分动器只连接前传动轴,动力全部传递到前桥,图7是使用主动限滑差速器情况下的前轮转速曲线,1s时右前轮进入低附着区,其转速迅速上升,当左右车轮转速差达到限定值时,差速器产生限滑作用,使右前轮转速降低。

图8是使用不同差速器的整机驱动力曲线,比较三条曲线可知,路面分离后,驱动力与限滑作用有关,对应图7中的转速变化,有转速差时,被动限滑差速器立即产生限滑作用,保持整机驱动力较高;而主动限滑差速器在转速差达到一定限值后,才产生限滑作用,逐渐提升驱动力,反应较慢;普通差速器无限滑作用,驱动力降幅较大。

四轮驱动工况下,分动器使前后传动轴刚性连接,动力同时传递到前后桥上,前后桥的动力特性耦合。图9是四轮驱动直行的整机驱动力曲线,对比图8可以看出,四轮驱动状态的整机驱动力明显高于两轮驱动状态。图9中,1s时右前轮进入低附着区,被动限滑差速器的曲线变化不大,而主动限滑差速器的曲线与普通差速器的曲线相近,有一定的降幅,说明此时主动限滑差速器的限滑作用很小。5.5s后,右后轮进入低附着区,主动限滑差速器的优点明显体现出来,限滑作用使对应的整机的驱动力曲线大幅上升。

图10、图11分别是四轮驱动直行的前后桥驱动力曲线,对比两图可以发现,在1s时右前轮进入低附着区,图10中三种差速器的前桥驱动力全部降低,此时,前后桥的耦合作用使图11中的后桥驱动力相应上升。同样,5.5s后,右后轮进入低附着区,图11中三种差速器的后桥驱动力全部降低,耦合作用使图10中的前桥驱动力相应上升。

综合图9、图10、图11可以看出,装载机四轮驱动工况下,单个车轮进入低附着区时,虽然前后桥驱动力的变化较大,但耦合作用使整机的驱动力变化不大,且主动限滑差速器和普通差速器效果相近,表明主动限滑差速器此时的限滑作用较小。但在单侧都处于低附着区时,主动限滑差速器的前后桥驱动力和整机驱动力都较高,优点明显。

为了全面说明装载机使用主动限滑差速器的驱动性能,还需进行转向工况仿真。图12是四轮驱动工况下、转向角为30°时,整机前进方向上的驱动力曲线。装载机使用铰接车体转向,前车体的轴线方向作为整机的前进方向,前后桥驱动力在该方向上合成为整机驱动力,变化趋势与图9中相同,但数值较小。

图13是四轮驱动转向的前桥侧向附着力曲线,对比图10的前半部分曲线可以看出,右前轮进入低附着区,左右前轮的平均路面附着条件变差,使前桥的驱动力和侧向附着力都降低。对比图10的后半部分曲线可以看出,相同路面条件下,相同差速器的前桥驱动力的上升,引起了前桥侧向附着力的降低。

图14是四轮驱动转向的后桥侧向附着力曲线,对比图11可以看出,右前轮进入低附着区,后桥驱动力的上升使侧向附着力降低。右后轮进入附着区后,由于后桥左右车轮的平均附着系数降低,后桥侧向附着力先有一个明显的下降过程,然后在前后桥的耦合作用下有所回升。

总体看来,对于四轮驱动工况下前后传动轴刚性连接的装载机,主动限滑差速器在单轮处于低附着区时作用不大,在单侧车轮都处于低附着区时,才真正体现对整机驱动性能的提升作用,类似前驱工况下单轮处于低附着区的状态。

5 结论

仿真结果表明电液式主动限滑差速器适用于ZL50轮式装载机,其系统构成、控制算法是合理的。在单侧车轮都处于低附着区时,ZL50装载机上的主动限滑差速器的限滑作用明显,既提升了整机驱动力,又保证了单桥的侧向附着力,使装载机具有较好的动力性和行驶稳定性。

参考文献

[1]王云成,王建华,谢飞,等.电控限滑差速器对汽车动力性的影响[J].吉林大学学报(工学版),2008,38(增刊):18-22.

[2]Marklund P,Maki R,Jang J.Thermal Influence onTorque Transfer of Wet Clutches in Limited Slip Dif-ferential Applications[J].Tribology International,2007,40(5):876-884.

[3]Piyabongkarn D,Grogg J,Yuan Qinghui,et al.DynamicModeling of Torque Biasing Devices for Vehicle YawControl[C]//SAE Automotive Dynamics,Stability andControls Conference and Exhibition.Michigan,2006.

[4]赵丁选,马铸,杨力夫,等.工程车辆液力机械传动系统的动力性分析[J].中国机械工程,2001,12(8):948-950.