双铰接轮式越野工程车辆机液复合驱动系统研究

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越野车辆是抢险救灾、探索自然和军事运输的重要工具,随着科技不断发展进步,在各领域发挥着越来越重要的作用。越野车辆的工作环境往往充满各种未知,作业地形复杂而恶劣,因此越野车辆需要具有高机动性和通过性。国内外车辆领域的研究人员一直致力于设计和研发可运行在非结构地形下,具有良好越障能力和越障稳定性的行驶系统。轮式车辆具有结构简单且易于实现高速稳定移动的优点,与其他移动机构相比拥有最高的能量利用率,被广泛的应用在移动机械领域。本文结合国家高技术研究发展计划(863计划)项目“面向复杂非结构地形具有二自由度铰接车体的轮式机器人”和校企合作项目“面向复杂非结构地形轮式越野工程车辆开发”设计研制了采用特殊双铰接连接结构的越野工程车辆,该车采用机液复合传动形式,极大地提高了发动机与液压系统的工作效率。通过组合铰接结构将前、后车体连接在一起,两车体可以进行铰接转向和绕车身纵轴相对摆动,车辆适应地形的能力提高,越野能力增强,允许车辆在爬坡、越野、涉水、冰雪路面等全地形下行驶。本文通过对车辆机液复合驱动系统及其元件的原理介绍,采用理论分析、仿真分析和实验研究对比的方法,研究了机液复合驱动系统的系统特性;综合研究行走系统与转向系统,分析所设计越野工程车辆的行驶稳定性。研究结果为该车驱动系统改进优化等提供依据。具体研究内容如下:1.阐明论文研究的意义,研究国内外轮式越野车辆的发展概况,分析各类驱动系统的特点。详细介绍了液压驱动系统的各种控制技术,发动机与液压泵的合理匹配方法和车辆行驶稳定性的相关内容。2.介绍了自主设计研制的双铰接轮式越野工程车的基本结构和越野原理,制定了越野车机液复合驱动系统的总体方案,详细分析了变量泵在恒功率控制,负荷传感控制等控制方式下的变量方式;开中位多路阀和平衡阀的工作原理;变量马达升压控制实现原理。对液压驱动系统的参数进行了匹配。同时还介绍了越野车液压转向系统,对系统中主要元件单稳阀和转向器的工作原理进行了分析。3.建立液压驱动系统中变量泵和变量马达的数学模型,理论分析元件性能;针对液压主泵可进行交叉总功率控制和负流量控制,建立泵-换向阀-马达系统控制数学模型,变量马达由平衡阀独自控制的数学模型,分析液压驱动系统特性。建立前后车体在三维复杂地形上的相对位置运动关系,对车辆在越障状态下行驶方向稳定性进行了相关分析。介绍铰接车辆转向原理,根据转向力学模型建立摩擦阻力矩和两侧车轮在不同滚动方向的滚动阻力矩数学模型。介绍轮胎力学性能对车辆转向系统的影响,对轮胎各种刚度特性进行理论分析,阐明各个刚度对车辆动力性能的影响。4.根据理论分析,建立驱动系统和转向系统的AMESim仿真模型,分别建立各主要组成元件的仿真模型,对仿真曲线进行分析,验证元件的实际工作特性;针对系统在平路行走、下坡和越野等工况条件下的负载特性各不相同,对液压驱动系统仿真进行行走系统性能分析;在转向系统建模时采用了新的方法阐述其工作原理,对转向系统以及其主要元件单稳阀和液压转向器仿真,分析转向器所需的流量及转向器进口流量和进出口压差,验证了方向盘转速决定转向速度的快慢。同时还分析得出了车辆在转向过程中左右转向缸运动位移和速度的变化规律。5.针对样机液压驱动系统及整车稳定性进行实验研究。通过对机液传动系统阻力的测试,得出样机前进档的阻力与后退档的阻力关系;多路阀阀口压力值与变量泵控制方式的关系。通过实验分析平衡阀在驱动系统中的作用。通过样机在非结构化地形中的越野性能测试,证明具有双铰接结构的越野车的静态与动态越障稳定性。6.利用多体动力学软件Virtual.Lab Motion建立双铰接轮式越野车辆驱动系统模型,根据已知条件设置轮胎相关参数,将液压系统的AMESim仿真模型和转向机构、轮胎与地面相互作用的Motion仿真模型进行联合仿真,分析仿真曲线,验证联合仿真结果与实际结果的异同,并分析原因。对影响系统性能的的主要因素进行了相关分析,找出了主要的影响因素,并提供了良好的分析结果。7.对全文的研究工作进行总结,提出下一步的工作展望。
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