Introduction of Hydraulic system

• 1. Study on hydraulic transmission

Hydraulic Transmission are a discipline that is based on fluid medium energy of compressive fluid(pressure oil) to accomplish mechanical transmission and automatic control. Hydraulic and pneumatic transmissions are similar in operating principle and control means. Special sub-circuits built by various hydraulic (or pneumatic) components are used to build up particular hydraulic pneumatic transmission systems to realize energy transfer and control. Having a sound grip of knowledge in physical performances and static dynamic characters of fluid, operating principle and construct several hydraulic element and sub-circuit and hydraulic pneumatic system designs are the best way to study power (hydraulic or pneumatic) transmission and control technology

1.2 Composition of hydraulic transmission system.

Any hydraulic system can be divided into five logical segments:

1. Power input segment(energy portion): It usually consists of pumps.In effect,the pump converts a mechanical force to hydraulic power and supply hydraulic oil to the system.
2. The power output segment(actuator portion): It usually consists of rotary and oscillatory motors or linear cylinders,while it converts the hydraulic power back to mechanical force to do work.
3. Control elements: It can be used in a hydraulic system to restrict the pressure,regulate the volume of oil directed to or from the actuator,such as relief valves,flow control valves,directional control valves and so on.
4. Assistant elements: They can be used to maintain system working,such as reservoir,filter,tubing connectors,swivel joints and flexible hose and so on.
5. Working oil: hydraulic oil,etc.

1.3 Features of hydraulic transmission

1.3.1 The advantages of hydraulic transmission

1. A hydraulic system can produce higher power than electrical equipment under the same volume.The hydraulic equipment system has smaller volume,light,high power consistency and compact configuration at a given power.The volume and weight of a hydraulic motor are about 12% of an electric motor.
2. Hydraulic equipment has a good working stability.It is because of high,less inertia,quick response : the hydraulic equipment can realize celerity start-up,brake and frequent change in motion direction.
3. The hydraulic transmission can reach a wide range of speed regulation(with the range of 2000:1),and the speed can also be regulated during the work processing.
4. The hydraulic transmission can easily realize automation and the pressure,flow rate and the flow direction can be regulated and controlled. If we combine it with electric,electron or pneumatic.control system,a more complex transmission system with remote control can be realized.
5. The hydraulic system can protect from over-load easily,which cannot be done by electricity or machine equipment.
6. Because of standardization,series,and all-purpose application；the hydraulic system is easier in design,fabrication and application.
7. The hydraulic system is easier than machine equipment in dong line motion.

1.3.2 The shortages of hydraulic transmission

(1) Leak:oil leak are inevitable because of the loss in fluid resistance.So more energy loss exists in a hydraulic transmission.

(2) Working temperature: the working temperature has strong effect on the working property of a hydraulic system because of the viscosity-temperature character of hydraulic oil.It is suitable for working in a proper temperature.

(4) Cost:the cost is high because of the needs in high precision fabricate for hydraulic elements.

(5) It is difficult to find the reasons of fault.

1.4 The development history and application of hydraulic transmission

Recently hydraulic and pneumatic pressure transmission technology has been developed with a large scale petrolic industry in the 19th century,and the barbette displace was the first one successful using hydraulic equipment,and then hydraulic machine tool.In World WarⅠmany new machines based on the principles of hydraulic had been used.The great automotive industry introduced hydraulic brakes in the early thirties and hydraulic transmission in the late thirties.The tractor industry began using hydraulics in the 1940 to increase the flexibility and utility of farm equipment.In World War Ⅱ because of demand transmission and control equipment in fast reaction,precision action and high output powers boosted development in hydraulic technology.After the war,the hydraulic development turned into civil industry,such as machine tool,engineering,

metallurgy,plastic machine,farm machine,vehicle and watercraft.In more recent years the roles of leadership in hydraulic power application equipment has been taken over largely by some of the larger earthmoving and construction equipment manufacturers.The total power involved is often greater than that required in even the largest aircraft systems.

With the development of higher automation of hydraulic machines and increasing use of hydraulic and pneumatic elements,the scaled elements and integrated hydraulic system with miniaturization in inevitable.

Vehicle Dynamics and Control

1.1 Definition of the vehicle

Ground vehicles can be divided into two main categories: vehicles that are restricted by a track set on the ground (e.g., the railway vehicles) and vehicles that are unrestricted by tracks, free to move in any direction on the ground by steering the wheels (e.g., road vehicles).

Aircraft are free to fly in the air, while ships can move freely on the water surface. In the same way, the road vehicle is free to move, by steering its wheels,and shares similarities with airc

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液压系统的介绍

1.1 液压系统所研究的内容

液压传动是研究以有压流体（压力油）为能源介质，来实现各种机械传动和自动控制的学科。液压与气压传动实现传动和控制的方法基本相同，它们都是利用各种控制元件组成能够实现特定功能的基本回路，再由若干基本回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统，从而进行能量的传递、转换与控制。因此，要研究液压与气压传动及其控制技术，首先要了解传动介质的基本物理性能及其静力学、动力学特性；还要了解组成系统的各类液压与气压元件的结构、工作原理、工作性能以及由这些元件所组成的各种控制回路的性能和特点，并在此基础上进行液压与气压传动控制系统的设计。

1.2 液压传动系统的组成

液压传动系统主要由以下5个部分组成：

1. 功率输入装置（能源装置）：把机械能转换成流体压力能的装置，如各类液压泵，为系统提供压力油。
2. 功率输出装置（执行元件）：把流体的压力能转换成机械能输出的装置，如作直线运动的液压缸和作 回转运动的液压马达。
3. 控制元件：对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置，如溢流阀、流量控制阀与换向阀等。
4. 辅助元件：保证液压系统正常工作所需的上述三种装置以外的装置。如油箱、过滤器、管件等。
5. 工作介质：液压油等。

1.3 液压传动系统的特点

1.3.1 液压转动的优点

（1）在相同体积下，液压装置比电气装置产生更高的动力。在相同功率下，液压装置体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。

（2）液压装置故障比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速起动、制动和频繁的换向。

（3）液压装置能在范围内实现无极调速（调速比可达2000:1),它还可以在运行过程中进行调速。

（4）液压传动易于实现自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节和控制。当讲液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动系统能实现复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。

（5）液压装置易于实现过载保护，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。

（6）由于液压元件已经实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。

（7）用液压传动实现直线运动远比机械传动简单。

1.3.2 液压转动的缺点

（1）由于流体流动的阻力损失和泄露是不可避免的，所以液压传动在工作过程中常有较大的能力损失。

（2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜用在很高或很低的温度条件下工作。

（3）为了减小泄露，液压元件的制造精度要求较高，因而价格较高。

（4）出现故障时不易找到原因。

1.3 液压传动的应用概况

近代液压、气压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器，其后才应用在机床上。第一次世界大战期间引入基于液压原理的新武器。在20世纪30年代初期和后期在大型自动化工业中引入液压传动。1940年开始使用拖拉机以增强农机设备的机动性和效率。第二次世界大战期间，由于军事工业和装备迫切需求反应迅速、动作准确、输出功率大的液压传动及控制装置，促使液压技术迅速发展；战后，液压技术很快转入民用工业。在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到了广泛的应用和大幅度的发展。近几年液压传动应用到大型挖掘机和建筑施工的设备中，所涉及的总的动力常比最大型的航空系统所需的动力还高。

随着液压机械自动化程度的不断提高，液压、气压元件的应用数量急剧增加，元件小型化、系统集成化是必然的发展趋势。

车辆动力学与控制

1.1 车辆的定义

地面车辆可分为2个主要类别：车辆被限制在地面上（例如，铁路车辆）和车辆是不受限制的轨道，自由在地面任何方向上移动的车轮（例如，道路车辆）。

道路车辆通过转向控制车辆可以自由得移动，飞机和船舶以同样的方式自由地移动，在这种程度上来说，它的运动是不受限制的。

从动态运动的观点来看，这三个移动体的相似性在于，接收它们自己的运动所产生的力，用于实现所需要的动作。飞机依赖于机翼和空气的相对运动所产生的升力；船舶依赖于船体和海水的相对运动所产生的升力；地面车辆依赖于车轮和道路的相对运动产生的横向力。

在上述的三个行为中，三个运动体的动力学与控制和它们所受的自然阻力密切相关，这个力在飞机中被称为飞行动力学；在船舶上被称为船舶动力学；类似的，在车辆中被称为车辆动力学。

在这本书中所研究的车辆，类似于飞机和船舶，其能够在地面上独立运动，利用由自身运动所产生的力。

1.2 虚拟四轮车辆模型

对于车辆动力学胡控制的研究，假设一种典型的汽车的数学模型。这种模型车辆具有转向轮：两个在前，两个在后，并且固定在刚性物体上。乘用车、卡车、公共汽车和农用车都属于这一类。乍一看，这些车辆似乎没有共同的动力学，但是通过建立一个简单的四轮汽车模型，就可以得到这些车辆所拥有的共同的动力学的基本知识。

在数学车辆模型中，如图1.1所示，假设车辆是失重的，并且刚体表示车辆的总重量，坐标系被固定在车辆中，X轴在纵向上，Y轴在横向上，Z轴在垂直的方向上，坐标系的原点在车辆的重心。

在这个坐标系中，车辆拥有6各独立的自由度：

1. 在Z轴上垂直运动；
2. 在Y轴上左右运动；
3. 在X 轴上纵向运动；
4. 绕X轴滚动；
5. 绕Y轴的俯仰运动；
6. 绕Z轴的偏转运动。

这些运动可以分为两组，一组包含1，3，5的运动，这些运动和车辆的转向没有直接的关系。

运动1是由不平坦的路面所引起的垂直运动，并且其和车辆的行驶相关。运动3是由加速或制动过程中产生的牵引力或制动力所引起的纵向的直线运动。运动5是由道路不平、加速或制动所造成的，并且其和车辆的行驶密切相关。

动作2和6，摇摆和横向运动，是由车辆转向在最初产生的。动作4主要由动作2和6产生，但道路不平动作也可能发生。

正如前面叙述的那样，本文所研究的是可以在平面上自由地向各个方向运动的车辆，这些运动可以通过车辆转向来实现。在这儿，主要研究的是由车辆转向所引起的运动2，4，6。运动2是横向运动，运动4是横摆运动，运动6是滚动运动。

图1 车辆动力学模型

1.3 运动的控制

对于一般的车辆而言，车辆的运动是由驾驶员控制的，车辆的横向运动、横摆运动，滚动运动由驾驶员控制，并且取决于车辆的动力学特性。这并不意味着驾驶员在毫无意义地驾驶车辆。驾驶员不断地看着前面的道路，或者是遵循已有的目标行驶，或者遵循一个新设定的目标行驶。驾驶员要观察许多事情，例如车辆参照的行驶目标路径，车辆当前的运动位置。驾驶员也要预测车辆接下来的行为。根据预测的信息，驾驶员决定是否转向和使车辆舒适地转向。通过这种方式，车辆以驾驶员已经设定的目标路径的轨迹行驶。

车辆在平面内自由地运动并且不脱离地面设定的目标路径，当驾驶员合理地操纵车辆时，车辆会发生一个有意义的动作。

现在本文研究的兴趣在于车辆本身的固有动态特性。从车辆运动到一个具体的转向输入的过程是非常清晰的。下面所研究的是当车辆被一个人类驾驶员控制时的动态特性。最后，本文的目的是研究车辆的动态特性，使驾驶员能够更好地操控车辆。

2.1 前言

车辆和地面之间的接触是在车轮上。如果车轮具有垂直于它的旋转平面的速度分量，它将得到一个垂直于其行进方向的力。换句话说，使车辆运动产生的车轮力是由车辆的相对运动产生的，并且是在地面产生的。这类似于垂直作用于飞行中的体翼的升力和升力垂直于一个旋转的船的运动方向（对于船舶来说，这称为横向力）。

适合车辆行驶的车轮，不仅支持车辆的重量，同时可以旋转和产生牵引力/制动力，而且在使运动独立于轨道或引导方式也发挥了重要作用。这是我们车辆的基本功能。

在处理车辆的动力学和控制时，必须了解在车轮上作用的力。因此，本章主要讨论的是使车辆相对地面产生运动的机械力，并解释其特点。

2.2 产生侧向力的轮胎

2.2.1 轮胎的侧偏角

一般而言，当车辆行驶在一条直线上时，车轮的方向与行驶方向一致。换句话说，车轮行驶方向与车轮旋转平面是一致的。然而，当车辆具有横向运动和（或）偏航运动时，行驶方向可以与旋转平面不一致。

图2.1是车轮从顶部看，在图a中，车轮行驶方向与车轮旋转平面是一致的，而在图b中，行驶方向可以与旋转平面不一致，即在图b中的车轮有侧滑。车轮行驶方向与旋转平面或其航向方向的夹角，称为侧滑角。

图 2.1 移动中的车辆轮胎

车轮在行驶时产生牵引力作用于车轮，或在制动时施加制动力。在此期间，滚动阻力总是在工作中。例如图b所示，如果你的车轮发生侧偏，通常生成的力与产生的旋转平面是垂直的。这是一个重要的力，车辆依赖于而独立运动。通常，这种力称为横向力，而垂直于车轮旋转平面的分力，称为侧偏力。当侧滑角小，这2个被视为相同。

如图2.2所示，这股力量相当于提升力，在流体力学中被解释为作用于一个按一定角度流动的流体的力。有很多种轮子，但当车辆与发生侧滑动旋转时，所有的车轮都会产生垂直于旋转平面的力。如图2.3所示，在小的侧滑角，一个充气轮胎，实心橡胶轮胎车轮，和一个铁轮产生的侧向力大小的比较。

从这里，很显然可以看出，产生的力的大小取决于车轮的类型，不同的轮胎产生的里的大小是非常不同的。特别是，铁轮能产生最大的力小于橡胶轮胎所产生的力的三分之一。相比于实心橡胶轮胎，充气轮胎会产生较大的作用力。因此，在平面上自由移动的行驶车辆，没有外部的限制，车轮通常安装的是充气轮胎。这些设置都是以车辆更好的行驶为目的，并产生了一个横向力，这个力便于车辆的操作。

在下面的章节中，气动轮胎被称为轮胎，并解释产生侧向力并作用于轮胎的侧向滑移的机制。

图 2.2 提升力

图 2.3 不同轮胎的侧向力

2.2.2 轮胎的侧滑变形和侧向力

一般情况下，力的作用是通过轮胎和路面之间的接触面而产生的。如图2.4所示，一个产生侧向滑移的轮胎，其外部接触表面变形的示意图：图（a）是轮胎变形的前视图和侧视图；图（b）显示的是轮胎接触面变形的俯视图。接触表面的前视图来看，变形方向几乎平行于轮胎的行驶方向。在这一部分中，相对地面而言没有发生滑动。当轮胎的滑移角小，整个接触面是类似于这和接触表面的后端具有最大的横向变形。

当轮胎的滑动角变大时，表面的前面依然几乎平行于轮胎的行驶方向。变形减小靠近车轮中心的接触面的大小，并且横向变形在某些特定的点之间的前部和后部的接触表面变大。在此之后，轮胎中心线的接触面和横向变形都不增加。

随着轮胎的滑移角变大，侧向变形的点在向前方迅速移动。当滑移角约为10-12°时，平行于轮胎行驶方向的接触面消失。接触面变形几乎是关于轮中心附近对称的，包括几乎所有的滑移区。

轮胎的侧向变形会产生作用于接触面的侧向力，侧向力是根据变形分布的。当侧滑角很小的时候，这种侧偏力有时被称为横向力。通过观察轮胎侧向变形，所得到的侧向力可能不与接触面中心对准。因此，侧向力在轮胎接触面中心附近一个瞬间所产生的。这一瞬间就是所谓的自动回正力矩和行为的方向的最佳时刻，并且减少了轮胎的滑移角。

图 2.4 轮胎侧滑变形

2.2.3 轮胎外倾角和侧向力

如图2.5所示，轮胎旋转平面与垂直轴之间的角度称为外倾角。如图2.5所示，如果有一个外倾角大小为 ϕ 的轮胎在一个水平面上自由地旋转，轮胎产生了一个半径为R / sin ϕ 和圆心为O的圆。如果带有外倾角的轮胎的圆周运动被禁止，并且轮胎只能在直线上行驶，如图所示，那么将会有一个力作用在轮胎上。由于轮胎和地面之间存在外倾角，这股力被称为外推力。

图 2.5 轮胎外倾角和外倾角

2.3 转向系统模型和运动方程

一般车辆的转向系统如图2.6所示。方向盘的转动是通过方向盘轴和齿轮箱转移到拉杆，然后通过转向节臂，使前轮绕主销转动。

图 2.6 车辆转向系统

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