基于電子控制技術(shù)和壓力傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

輪式工程機(jī)械在行駛或工作中，由于轉(zhuǎn)彎、路面不平或道路阻力不同，左右兩側(cè)的車輪同一時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的距離不相等，所受滾動(dòng)阻力也不相等;即使直線行駛，由于輪胎直徑的差別、充氣氣壓不等、磨損程度不均勻、載荷不同等也導(dǎo)致兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)不會(huì)相等。

在上述情況下，若用一根整軸將兩側(cè)車輪剛性地連接起來，必然存在滑拖、滑轉(zhuǎn)，加速輪胎磨損、增加動(dòng)力消耗和轉(zhuǎn)向困難等問題，影響輪式工程機(jī)械操縱的穩(wěn)定性，也增加了功耗和燃料消耗量。

為了消除上述不良因素，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)防滑性能，提高了操作的穩(wěn)定性。

2、差速器

差速器按工作特性可分為普通差速器和防滑差速器。

2.1 普通差速器

目前，工程車輛基本都采用對稱式錐齒輪普通差速器。對稱式錐齒輪差速器由行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪軸（十字軸或一根直銷軸）和差速器殼等組成。如圖1所示。左半差速器殼和右半差速器殼用螺栓固緊在一起。主減速器的從動(dòng)齒輪用螺栓（或鉚釘）固定在差速器殼右半部的凸緣上。十字形行星齒輪軸安裝在差速器殼接合面處所對出的圓孔內(nèi)，每個(gè)軸頸上套有一個(gè)帶有滑動(dòng)軸承（襯套）的直齒圓錐行星齒輪，四個(gè)行星齒輪的左右兩側(cè)各與一個(gè)直齒圓錐半軸齒輪相嚙合。半軸齒輪的軸頸支承在差速器殼左右相應(yīng)的孔中，其內(nèi)花鍵與半軸相連。與差速器殼一起轉(zhuǎn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）的行星齒輪撥動(dòng)兩側(cè)的半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩側(cè)車輪所受阻力不同時(shí)，行星齒輪還要繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對兩側(cè)車輪的差速驅(qū)動(dòng)。

2.2 防滑差速器

普通差速器不僅使汽車通過復(fù)雜路面的能力差，而且高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪由于附著力減小會(huì)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，這不僅使汽車動(dòng)力不足，而且影響操縱穩(wěn)定性。為此，某些越野汽車、高級轎車和輕型汽車上裝用了防滑差速器。常用的防滑差速器可分為人工強(qiáng)制鎖住式和自鎖式兩大類。

人工強(qiáng)制鎖住式差速器是在普通差速器上加了一個(gè)差速鎖。當(dāng)需要時(shí)，由駕駛員操縱差速鎖，使兩半軸成為一個(gè)整體，差速器不起作用，破壞了差速器平分扭矩的特性，達(dá)到所需的行駛要求。

自鎖式差速器的種類很多，有摩擦片式、滑塊凸輪式和變傳動(dòng)式等。它們共同的特點(diǎn)是在兩驅(qū)動(dòng)輪（輪間差速器）或兩驅(qū)動(dòng)橋（軸間差速器）轉(zhuǎn)速不同時(shí)，不需要人工操縱，可自動(dòng)為轉(zhuǎn)速慢的車輪多分配一些扭矩，從而提高汽車的通過性和操縱的穩(wěn)定性。圖2所示為摩擦片式自鎖差速器，它是普通行星齒輪差速器的變形。

十字軸的端部均切有凸V形斜面，差速器殼上與之相配合的孔較大，有凹V形斜面，兩行星齒輪軸的V形斜面是反向安裝的。殼體通過V形斜面向行星齒輪軸傳遞扭矩。每個(gè)半軸齒輪的背面有壓盤和主、從動(dòng)摩擦片。壓盤的內(nèi)花鍵與半軸相連，從動(dòng)盤的內(nèi)花鍵與壓盤相連，主動(dòng)摩擦片的外花鍵與差速器殼相連。壓盤與主、從動(dòng)摩擦片均有微小的軸向移動(dòng)。

3、 一種新型自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)

工程機(jī)械的作業(yè)一般都在環(huán)境惡劣下，而傳統(tǒng)差速系統(tǒng)鎖止范圍小、牽引操作性差，本文提出了一種電子控制式的自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)。它可以把左、右輪的滑轉(zhuǎn)率之差控制在允許范圍內(nèi)。當(dāng)路面兩側(cè)附著系數(shù)不同時(shí)，低附著系數(shù)一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)，這時(shí)電子控制器驅(qū)動(dòng)鎖止閥，一定程度地鎖止差速器，使高附著系數(shù)一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力獲得充分發(fā)揮。從而提高車速和行駛穩(wěn)定性。差速器鎖止程度的控制還有利于彎道行駛穩(wěn)定性和操縱性。

3.1 系統(tǒng)組成原理

如圖3所示，在傳統(tǒng)差速系統(tǒng)輸出端的多片離合器片上安裝電磁閥和蓄能器，利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)增減壓控制。這種方式可以使鎖止程度逐漸變化，是一種電子控制液力操縱的可變鎖止差速系統(tǒng)，其控制來自蓄能器的高壓油液壓力。電控單元通過電磁閥調(diào)節(jié)來控制壓力值的大小;壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)輪輪速傳感器產(chǎn)生的信號反饋給電控單元，實(shí)行反饋控制。電子控制的差速系統(tǒng)，可以把左右驅(qū)動(dòng)輪或前后驅(qū)動(dòng)橋的滑移率控制在允許范圍內(nèi)。

當(dāng)車輛起步時(shí)，調(diào)節(jié)差速器的鎖止程度，能使驅(qū)動(dòng)力充分發(fā)揮，提高車速與行駛穩(wěn)定性;當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)輪在不同的分離附著系數(shù)路面上以及彎道上行駛時(shí)。能提高汽車穩(wěn)定性行駛能力。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)是以AT89C4051單片機(jī)為核心，處理傳感器信號和控制電磁閥的通斷。整個(gè)系統(tǒng)硬件電路包括;單片機(jī)及其外圍電路、輪速采樣處理電路、電磁閥控制電路、系統(tǒng)保護(hù)電路等，如圖4所示。AT89C4051的P3.4、P3.5引腳處理傳感器采集信號;P1.7引腳控制電磁閥的通斷可控制壓力的大小;P1.O-P1.3接X25045看門狗電路。

3.2.1 系統(tǒng)保護(hù)電路

X25045是集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEP-ROM三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對電路板空間的需求。

X25045的看門狗為系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過。RESET信號向CPU作出反應(yīng)。X25045提供了3個(gè)時(shí)間供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值。X25045的存儲(chǔ)器與CPU可通過串行通信接口，共有4096位，可以按512*8個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.2 輪速識別電路

自動(dòng)防滑差速系統(tǒng)科技感知輪速傳感

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