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一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统及方法

2021-02-01 00:41:17

一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统及方法

  技术领域

  本发明涉及车辆行走系统的技术领域,具体涉及一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统及方法。

  背景技术

  随着无人平台技术的发展,如何提高其对复杂地形的适应性、通过性,逐渐成为其行走系统的重要发展方向,而摇臂悬架以其优异的越障、过壕性能受到越来越多的关注,成为未来无人车辆、有人高机动平台的急需部件,美国两款车型MULE和CRUSHER涉及摇臂悬架技术,它们借助摇臂悬架都具有很强的越障和过壕能力。

  基于齿轮齿条式的摇臂悬架原理如图1所示。车体两侧的齿轮齿条式摇臂悬架均由齿轮轴、下齿条总成、上齿条总成、四个油缸、左气缸E、右气缸F等组成,以一侧摇臂悬架为例,以摇臂旋转轴为中心,左上方油缸液压腔为A、右上方油缸液压腔为B、左下方油缸液压腔为C、右下方油缸液压腔为D。当摇臂逆时针旋转驱动齿轮轴逆时针旋转时,与其齿轮轴啮合的上齿条总成向左运动,从而使A、D液压腔的油液受到压缩压力上升,相反的,当摇臂顺时针旋转时,上齿条总成向右运动,使B、C液压腔油液受到压缩压力上升。当摇臂处于图1(a)状态时即中线右侧,承载腔为A、D,当摇臂处于图1(b)状态时即中线左侧,承载腔为B、C。

  如图2所示,当摇臂处于不同位置时,整车车姿不同会造成各个车轮负载Fq分布不均,同时负载Fq的扭矩力臂Lsinα也随摇臂位置变化而改变,从而引起摇臂悬架承载腔压力在位置调整的过程中实时变化,并存在通过垂直位置时因承载腔的改变造成摇臂位置的突变的问题,这都将影响位置控制的稳定性和精确性。现有技术仅进行位置控制,通过充油令摇臂到达目标位置,而目标位置对应相应的压力值即对应车姿悬架承载腔的静载压力,停止充油时,承载腔的压力达不到相应的静载压力,导致摇臂位置发生改变,位置控制不精确。

  发明内容

  有鉴于此,本发明提供了一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统及方法,提高摇臂悬架的控制稳定性、快速性和准确性。

  本发明采用的技术方案如下:

  一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统,所述控制系统包括摇臂悬架、液压系统、角位移传感器、压力传感器及控制器;

  所述控制器输入端与角位移传感器和压力传感器连接,输出端与液压系统连接;所述角位移传感器和压力传感器和摇臂悬架连接;所述液压系统与摇臂悬架连接;控制器通过角位移传感器采集到的摇臂悬架的摇臂位置和压力传感器采集到的油腔压力,判断摇臂悬架的状态:处于承载腔静载压力增大方向或者承载腔静载压力减小方向;控制器根据摇臂悬架的状态控制液压系统推动摇臂旋转到设定的目标位置并协同调节承载腔压力调整到目标压力值,所述目标压力值为实时整车姿态下各悬架承载腔所需静载压力值,若所需静载压力值小于设定阈值时,则目标压力值为设定阈值,所述设定阈值为在保证推动力的同时防止跨越垂直位置时因承载腔的改变造成的位移突变的压力值,由此完成压力-位移综合控制。

  进一步地,所述液压系统包括液压泵、压力-位移控制回路和负载反馈回路;

  所述压力-位移控制回路包括双向电磁换向阀、左单向比例电磁换向阀、右单向比例电磁换向阀;双向电磁换向阀的四个油口分别与右单向比例电磁换向阀进油口、左单向比例电磁换向阀进油口、定差减压阀出油口和油箱连接;左单向比例电磁换向阀出油口与摇臂悬架左上方、右下方的油腔连接;右单向比例电磁换向阀出油口与摇臂悬架右上方、左下方的油腔连接;

  所述负载反馈回路包括差压式溢流阀、定差减压阀、负载压力传感梭阀、安全阀;差压式溢流阀进油口与液压泵出油口连接,差压式溢流阀出油口与定差减压阀进油口、油箱连接,差压式溢流阀控制油路与定差减压阀控制油路连接;负载压力传感梭阀的三个油口分别与定差减压阀控制油口、左单向比例电磁换向阀出油口、右单向比例电磁换向阀出油口连接。

  一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制方法,采用上述控制系统,所述控制方法步骤如下:

  步骤一,设定摇臂目标位置作为位置闭环控制的目标值,同时采集整车各摇臂实时位置以此解算整车实时姿态,并计算对应此实时姿态下各悬架承载腔所需静载压力值,并以此作为压力闭环控制的目标压力值;当所需静载压力值小于设定阈值时,则目标压力值为设定阈值,所述设定阈值为在保证推动力的同时防止跨越垂直位置时因承载腔的改变造成的位移突变的压力值;

  步骤二,当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力增大方向时,控制器以接收到的角位移、油腔承载腔和非承载腔的压力值为反馈值,控制液压系统对非承载腔比例充油,推动摇臂顺时针或者逆时针旋转到达设定的目标位置,完成位置闭环控制;同时,通过控制液压系统对承载腔进行比例放油,将承载腔压力控制在目标压力值,完成压力闭环控制;

  当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力减小方向时,控制器以接收到的角位移、油腔承载腔和非承载腔的压力值为反馈值,控制液压系统对承载腔比例充油,推动摇臂向设定的目标位置顺时针或者逆时针旋转,进行位置闭环控制;同时,通过控制液压系统对非承载腔比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值;摇臂到达设定的目标位置后,控制器控制液压系统对承载腔和非承载腔单独进行比例充油或者放油,将承载腔和非承载腔的压力调整到目标压力值,完成压力闭环控制。

  进一步地,液压系统包括液压泵、压力-位移控制回路和负载反馈回路;

  所述压力-位移控制回路包括双向电磁换向阀、左单向比例电磁换向阀、右单向比例电磁换向阀;双向电磁换向阀的四个油口分别与右单向比例电磁换向阀进油口、左单向比例电磁换向阀进油口、定差减压阀出油口和油箱连接;左单向比例电磁换向阀出油口与摇臂悬架左上方、右下方的油腔连接;右单向比例电磁换向阀出油口与摇臂悬架右上方、左下方的油腔连接;

  所述负载反馈回路包括差压式溢流阀、定差减压阀、负载压力传感梭阀、安全阀;差压式溢流阀进油口与液压泵出油口连接,差压式溢流阀出油口与定差减压阀进油口、油箱连接,差压式溢流阀控制油路与定差减压阀控制油路连接;负载压力传感梭阀的三个油口分别与定差减压阀控制油口、左单向比例电磁换向阀出油口、右单向比例电磁换向阀出油口连接;

  液压系统对承载腔、非承载腔比例充油或放油的过程如下:

  当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力增大方向顺时针旋转,控制器将双向电磁换向阀打到左位,并控制左单向比例电磁换向阀阀口大小对非承载腔进行比例充油;同时,控制器通过控制右单向比例电磁换向阀阀口大小对承载腔进行比例放油;

  当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力增大方向逆时针旋转,控制器将双向电磁换向阀打到右位,并控制右单向比例电磁换向阀阀口大小对非承载腔进行比例充油;同时,控制器通过控制左单向比例电磁换向阀阀口大小对承载腔进行比例放油;

  当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力减小方向顺时针旋转,控制器将双向电磁换向阀打到左位,并控制左单向比例电磁换向阀阀口大小对承载腔进行比例充油;同时,通过控制右单向比例电磁换向阀阀口大小对非承载腔进行比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值;摇臂到达目标位置后,关闭右单向比例电磁换向阀,控制双向电磁换向阀方向和左单向比例电磁换向阀开口大小对承载腔放油或者充油,直至将承载腔压力调整为目标压力值;承载腔压力调整完毕后,关闭左单向比例电磁换向阀,通过控制双向电磁换向阀方向和右单向比例电磁换向阀开口大小对非承载腔放油或者充油,直至将非承载腔压力也调整为目标压力值;

  当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力减小方向逆时针旋转,控制器将双向电磁换向阀打到右位,并控制右单向比例电磁换向阀阀口大小对承载腔进行比例充油;同时,通过控制左单向比例电磁换向阀阀口大小对非承载腔进行比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值;摇臂到达目标位置后,关闭左单向比例电磁换向阀,控制双向电磁换向阀方向和右单向比例电磁换向阀开口大小对承载腔放油或者充油,直至将承载腔压力调整为目标压力值;承载腔压力调整完毕后,关闭右单向比例电磁换向阀,通过控制双向电磁换向阀方向和左单向比例电磁换向阀开口大小对非承载腔放油或者充油,直至将非承载腔压力也调整为目标压力值。

  有益效果:

  1、本发明的压力-位移综合控制系统可以在进行位置控制的同时对承载腔的压力进行协调控制,避免承载腔压力变化对位置调整的影响和垂直位置处的位置突变,极大提高摇臂悬架控制的稳定性、精确性和响应速度,以此提高车辆对恶劣路面的通过能力,并为整车平台越障和悬架主动控制的实现提供基础;

  其次,当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力减小方向时,最终将承载腔和非承载腔的压力调整到目标压力值,能够实现减振,保证整车运行的稳定性。

  2、本发明的负载反馈回路可以根据工作中最大外负载的大小变化调节输出到各个支路摇臂悬架上的液压油量,同时保证流量大小只与压力-位移控制回路中各阀开口大小有关,并消除各支路之间的相互影响,保证各个支路实现同步控制。

  附图说明

  图1(a)为摇臂前摆状态图,图1(b)摇臂后摆状态图;

  图2为摇臂悬架受力示意图;

  图3为基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统原理图;

  图4为实施例一基于摇臂悬架的压力-位移综合控制过程图;

  图5为实施例二基于摇臂悬架的压力-位移综合控制过程图;

  图6为实施例三基于摇臂悬架的压力-位移综合控制过程图;

  图7为基于摇臂悬架的压力-位移综合控制方法流程图;

  图8为基于摇臂悬架的压力-位移综合控制方法步骤B流程图;

  图9为基于摇臂悬架的压力-位移综合控制方法步骤C流程图;

  其中,2-液压泵,3-差压式溢流阀,4-定差减压阀,5-双向比例电磁换向阀,6-左单向比例电磁换向阀,7-右单向比例电磁换向阀,8-负载压力传感单向阀,9-安全阀,11-液压系统,12-摇臂悬架,13-角位移传感器,14-压力传感器,15-控制器。

  具体实施方式

  下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。

  本发明提供了一种基于摇臂悬架的压力-位移综合控制系统,如图3所示,控制系统包括摇臂悬架12、液压系统11、角位移传感器13、压力传感器14、控制器15。

  控制器15输入端与角位移传感器13和压力传感器14连接,输出端与液压系统11连接;角位移传感器13和压力传感器14和摇臂悬架12连接;液压系统11与摇臂悬架12连接。控制器15通过角位移传感器13采集到的摇臂悬架的摇臂位置和压力传感器14采集到油腔压力,以此判断摇臂悬架12的状态:处于承载腔静载压力增大方向或者承载腔静载压力减小方向,其中需要设置两个压力传感器分别采集承载腔和非承载腔的压力;控制器15根据摇臂悬架12的状态控制液压系统11推动摇臂旋转并协同调节承载腔压力,完成压力-位移综合控制过程。

  如图7所示,步骤A,设定摇臂目标位置作为位置闭环控制的目标值,同时采集整车各摇臂实时位置以此解算整车实时姿态,并计算对应此实时姿态下各悬架承载腔所需静载压力值,并以此作为压力闭环控制的目标压力值;当所需静载压力值小于设定阈值时,则设为设定阈值,所述设定阈值为在保证推动力的同时防止跨越垂直位置时因承载腔的改变造成的位移突变的压力值;

  步骤B、步骤C没有先后顺序之分,只代表两种工况。

  步骤B,当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力增大方向(悬臂远离垂直位置顺时针旋转或者远离垂直位置逆时针旋转)时,如图8所示,控制器以接收到的角位移、油腔承载腔和非承载腔的压力值为反馈值,控制液压系统对非承载腔比例充油,推动摇臂顺时针或者逆时针旋转到达设定的目标位置,完成位置闭环控制;同时,通过控制液压系统对承载腔进行比例放油,将承载腔压力控制在目标压力值,完成压力闭环控制;

  步骤C,当摇臂悬架状态处于向承载腔静载压力减小方向(悬臂靠近垂直位置逆时针旋转或者靠近垂直位置顺时针旋转)时,如图9所示,控制器以接收到的角位移、油腔承载腔和非承载腔的压力值为反馈值,控制液压系统对承载腔比例充油,推动摇臂向设定的目标位置顺时针或者逆时针旋转,进行位置闭环控制;同时,通过控制液压系统对非承载腔比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值;摇臂到达设定的目标位置后,控制器控制液压系统对承载腔和非承载腔单独进行比例充油或者放油,将承载腔和非承载腔的压力调整到目标压力值,完成压力闭环控制。

  液压系统11主要由液压泵2、压力-位移控制回路和负载反馈回路组成;

  压力-位移控制回路主要包括双向电磁换向阀5、左单向比例电磁换向阀6、右单向比例电磁换向阀7;液压系统11压力-位移控制回路中双向电磁换向阀5的四个油口分别与右单向比例电磁换向阀7进油口、左单向比例电磁换向阀6进油口、定差减压阀4出油口和油箱连接;左单向比例电磁换向阀6出油口与摇臂悬架12的A、D油腔连接;右单向比例电磁换向阀7出油口与摇臂悬架12的B、C油腔连接;此回路可实现对摇臂悬架各腔充油和放油的切换,完成摇臂位置调整的方向切换以及各腔压力的调整。

  负载反馈回路主要包括差压式溢流阀3、定差减压阀4、负载压力传感梭阀8、安全阀9;液压系统11负载反馈回路中差压式溢流阀3进油口与液压泵2出油口连接,差压式溢流阀3出油口与定差减压阀4进油口、油箱连接,差压式溢流阀3控制油路与定差减压阀4控制油路连接;负载压力传感梭阀8的三个油口分别与定差减压阀4控制油口、左单向比例电磁换向阀6出油口、右单向比例电磁换向阀7出油口连接;此回路可以根据工作中最大外负载的大小变化调节输出到各个支路摇臂悬架11上的液压油量,同时保证流量大小只与压力-位移控制回路中各阀开口大小有关,并消除各支路之间的相互影响,保证各个支路实现同步控制。

  当双向电磁换向阀5通电打到左位,左单向比例电磁换向阀6通电打开时,摇臂悬架12的A、D腔进行充油,充油速度通过左单向比例电磁换向阀6通电电流大小控制;当双向电磁换向阀5通电打到左位,右单向比例电磁换向阀7打开时,摇臂悬架12的B、C腔进行放油,放油速度通过右单向比例电磁换向阀7通电电流大小控制。

  当双向电磁换向阀5通电打到右位,右单向比例电磁换向阀7通电打开时,摇臂悬架12的B、C腔进行充油,充油速度通过右单向比例电磁换向阀7通电电流大小控制;当双向电磁换向阀5通电打到右位,左单向比例电磁换向阀6打开时,摇臂悬架12的A、D腔进行放油,放油速度通过左单向比例电磁换向阀6通电电流大小控制。

  在工作过程中,负载压力传感梭阀8将整车所有摇臂悬架12支路的最大负载压力通过控制油路反馈给差压式溢流阀3,差压式溢流阀3节流口大小变化调节流回到油箱的流量,保证进入到各支路摇臂悬架12的流量随负载大小变化而变化,减少能耗;同时定差减压阀4的节流口变化将对压力-位移控制回路进油起到压力补偿作用(串联压力补偿),使压力-位移控制回路进出口压差基本保持不变,从而使进入摇臂悬架12的流量只与双向电磁换向阀5、左单向比例电磁换向阀6、右单向比例电磁换向阀7阀口大小有关。

  实施一具体控制调节过程如图4、图5、图6所示,①②③④为一个连续的调节过程。在进行摇臂位置调整时,若起始状态如图4中a所示,此时摇臂悬架的承载腔为A、D,非承载腔为B、C,其中①②调节过程为摇臂悬架位置向承载腔静载压力减小方向顺时针旋转,控制器将双向电磁换向阀5打到左位,并控制左单向比例电磁换向阀6阀口大小对承载腔A、D进行比例充油,推动摇臂向目标位置顺时针旋转,进行位置闭环控制;同时,在位置闭环控制过程中因活塞压缩非承载腔B、C压力升高,通过控制右单向比例电磁换向阀7阀口大小对非承载腔B、C进行比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值,本实施例设定阈值为2MPa,一方面保证摇臂调整过程有足够的推动力,另一方面防止在接近垂直状态时因承载腔突然的改变引起摇臂位移的突变;摇臂到达目标位置后,以解算的对应车姿下悬架承载腔A、D所需静载压力为目标压力值(若计算值小于2MPa,则设为2MPa),关闭右单向比例电磁换向阀7,控制双向电磁换向阀5方向和左单向比例电磁换向阀6开口大小对承载腔A、D放油或者充油,直至将承载腔压力调整为目标压力值;承载腔压力调整完毕后,关闭左单向比例电磁换向阀6,通过控制双向电磁换向阀5方向和右单向比例电磁换向阀7开口大小对非承载腔B、C放油或者充油,直至将非承载腔压力也调整为目标压力值,最终完成压力闭环控制。

  ③④调节过程为摇臂悬架位置向承载腔静载压力增大方向顺时针旋转,摇臂越过垂直状态后承载腔变为B、C,非承载腔变为A、D,此时控制器将双向电磁换向阀5打到左位,并控制左单向比例电磁换向阀6阀口大小对非承载腔A、D进行比例充油,摇臂顺时针旋转到达目标位置,完成位置闭环控制;同时,在位置闭环控制过程中因活塞压缩承载腔B、C压力升高,通过控制右单向比例电磁换向阀7阀口大小对承载腔B、C进行比例放油,并以对应车姿下解算的悬架承载腔B、C的静载压力为目标压力值控制承载腔压力,完成压力闭环控制。

  实施例二,在进行摇臂位置调整时,若起始状态如图5左图所示,此时摇臂悬架的承载腔为A、D,非承载腔为B、C,其中⑨调节过程(摇臂位置从左图变成右图)为摇臂悬架位置向承载腔静载压力增大方向逆时针旋转,控制器将双向电磁换向阀5打到右位,并控制右单向比例电磁换向阀7阀口大小对非承载腔B、C进行比例充油,推动摇臂逆时针旋转到达目标位置,完成位置闭环控制;同时,在位置闭环控制过程中因活塞压缩承载腔A、D压力升高,通过控制左单向比例电磁换向阀6阀口大小对承载腔A、D进行比例放油,并以对应车姿下解算的悬架承载腔A、D的静载压力为目标压力值控制承载腔压力,完成压力闭环控制。

  若进行如图4中的⑤⑥⑦⑧过程,⑤⑥调节过程为摇臂悬架位置向承载腔静载压力减小方向逆时针旋转,与①②相比,承载腔、非承载腔互换,控制器将双向电磁换向阀5打到右位,并控制右单向比例电磁换向阀7阀口大小对承载腔B、C进行比例充油,推动摇臂向目标位置逆时针旋转,进行位置闭环控制;同时,在位置闭环控制过程中因活塞压缩非承载腔A、D压力升高,通过控制左单向比例电磁换向阀6阀口大小对非承载腔A、D进行比例放油,将非承载腔压力控制在设定阈值,本实施例设定阈值为2MPa,一方面保证摇臂调整过程有足够的推动力,另一方面防止在接近垂直状态时因承载腔突然的改变引起摇臂位移的突变;摇臂到达目标位置后,以解算的对应车姿下悬架承载腔B、C所需静载压力为目标压力值(若计算值小于2MPa,则设为2MPa),关闭左单向比例电磁换向阀6,控制双向电磁换向阀5方向和右单向比例电磁换向阀7开口大小对承载腔B、C放油或者充油,直至将承载腔压力调整为目标压力值;承载腔压力调整完毕后,关闭右单向比例电磁换向阀7,通过控制双向电磁换向阀5方向和左单向比例电磁换向阀6开口大小对非承载腔A、D放油或者充油,直至将非承载腔压力也调整为目标压力值,最终完成压力闭环控制。

  ⑦⑧调节过程与实施例二⑨调节过程一致。

  实施例三,若进行图6中⑩过程,起始状态如图6中左图所示,摇臂位置从左图变成右图,为摇臂悬架位置向承载腔静载压力增大方向顺时针旋转,具体控制过程如实施例一③④调节过程一致。

  综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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