基于路面状态识别的装载机限滑差速器防滑性能研究

摘要

轮式装载机由于其所处工作环境复杂，经常会在分离附着路面、不平路面等的工地上行驶和进行铲掘作业时发生不同程度的驱动轮过度滑转。轮胎的过度滑转会造成装载机机动性、动力性、经济性、作业效率等大大降低，而车辆驱动防滑控制系统(ASR)可以有效提高车辆在不同路面工况下的操纵稳定性和行驶安全性，对有效减少驱动轮过度滑转造成的轮胎快速磨损、提高工程作业效率具有重要的工程意义和研究价值。
　　在查阅了国内外相关文献和资料的基础上，本文以ZL50型轮式装载机为研究对象。首先，以限滑差速器为防滑控制方式，介绍了其结构与工作特性及液压系统分析，并对其进行了运动学、动力学分析及SIMULINK建模。在分析ZL50型装载机的动力传动系统结构组成与工作特性基础上分别建立了发动机与液力变矩器匹配模型、变速器、驱动桥、驱动轮、轮胎和装载机整机驱动动力学数学模型以及转向运动学动力学模型。根据建立的动力传动系统各部件数学模型在MATLAB/Simulink环境下分别搭建其相应仿真模型。
　　其次，在装载机滑转率控制目标上仅凭人为经验设定所存在的不足，设计了一种以驱动轮角加速度为判别参数的路面状态识别方法。该方法用于识别不同路面工况下的最优滑转率，以此作为防滑系统控制目标，并搭建了路面识别系统相应仿真模型。
　　再次，鉴于模糊控制与PID控制算法各自的优缺点，本文采用模糊PID复合控制算法。利用MATLAB工具箱设计了二维模糊控制器，包括对输入、输出变量隶属函数、模糊控制规则设计。在设计复合控制器基础上搭建了其相应的SIMULINK仿真模型。结合驱动防滑控制方式、控制算法和建立的路面状态识别系统以及车辆动力学系统模型设计了装载机驱动防滑控制系统，并搭建了装载机整机防滑系统的SIMULINK仿真模型。
　　最后，研究了以限滑差速器为控制方式的控制策略。在分离附着路面仿真条件下对装载机直行和转向行驶工况进行了仿真验证。通过仿真结果分析与对比，施加驱动防滑控制相对于未施加驱动防滑控制的装载机驱动性能有了明显的提高，有效抑制了低附着路面驱动车轮过度滑转，同时验证了设计的路面状态识别方法的有效性和控制算法的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外驱动防滑研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 驱动防滑控制原理

1．4 驱动防滑控制方式与控制算法

1．4．1 控制方式

1．4．2 控制算法

1．5 驱动防滑研究平台

1．6 论文研究的主要内容

第二章 装载机限滑差速器工作特性及SIMULINK建模

2．1 差速器

2．2 电液式主动限滑差速器

2．2．1 限滑差速器结构分析

2．2．2 限滑差速器液压系统分析

2．3 限滑差速器运动学、动力学分析及SIMULINK建模

2．4 本章小结

第三章 基于限滑差速器的装载机整车驱动动力学建模

3．1 装载机传动系统结构组成及工作特性

3．1．1 装载机动力传动系统结构组成

3．1．2 装载机动力传动系统工作特性

3．2 发动机与液力变矩器匹配模型

3．3 变速器模型

3．4 驱动桥模型

3．5 轮胎与驱动车轮模型

3．5．1 轮胎模型

3．5．2 驱动车轮模型

3．6 整车模型

3．7 转向运动学及动力学建模

3．7．1 转向运动学分析

3．7．2 转向动力学分析

3．8 本章小结

第四章 装载机四轮驱动防滑控制系统设计

4．1 路面状态识别方法

4．2 F控制与PID控制组成及基本原理

4．2．1 模糊控制

4．2．2 PID控制

4．2．3 模糊控制算法和PID控制算法的比较

4．3 驱动防滑系统复合控制器的设计

4．3．1 模糊控制器结构设计

4．3．2 系统量化因子及比例因子确定

4．3．3 隶属函数的设计

4．3．4 模糊规则的设计

4．3．5 反模糊化

4．3．6 复合控制器

4．4 复合控制器SIMULINK仿真模型的搭建

4．5 本章小结

第五章 仿真结果及分析

5．1 限滑差速器控制策略

5．2 装载机驱动防滑系统仿真参数及整车模型的搭建

5．2．1 仿真参数

5．2．2 装载机整车防滑系统SIMULINK仿真模型的搭建

5．3 装载机直行驱动过程仿真

5．3．1 仿真条件

5．3．2 仿真结果分析

5．4 装载机转向驱动过程仿真

5．4．1 转向仿真条件

5．4．2 仿真结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果