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車用液壓機械復合傳動特性及應用研究
發布時間：2017-09-01
引言
在無級自動變速傳動中,液壓傳動日益受到重視,主要因為其具有一系列優點,如:實現連續地在正反轉范圍內平穩地無級變速、能容量大、體積小、重量輕、轉動慣量小、起動快、動作靈活等。液壓傳動在農用車輛、工程機械(如推土機)等得到了廣泛應用。但在傳遞大功率工作場合,純液壓傳動表現出效率低、液壓元件體積重量較大等缺點。而在現有的技術條件下,液壓元件性能提高有限,研制性能良好的大功率液壓元件非常困難,因而出現了將液壓傳動與機械傳動相結合的傳動形式,在液壓傳動之后串聯機械傳動和將機械傳動與液壓傳動并聯兩種改進形式。前者,由于液壓元件仍要傳遞全部功率,故傳動效率仍然較低。而將機械傳動并聯入液壓傳動的方式則提高了傳動系統的傳動能力和傳動效率,因為液壓傳動支路只傳遞小部分功率,大部分功率流從傳動效率高的機械路傳遞,因而可以獲得較高的傳動效率,這種方法起到了放大無級變速元件功率的作用,這種復合傳動形式也被稱為液壓機械傳動。
1 液壓機械傳動工作原理與分類
液壓機械傳動最早出現在農用領域,用于田間作業的拖拉機。由于液壓機械傳動的固有優勢,使其進入軍用領域,應用到履帶車輛轉向和傳動上,發揮了出色的性能[1]。
液壓機械傳動主要由3部分組成:液壓路、機械路和功率分匯流機構。根據行星排的輸入、輸出端位置的不同可以將其分為分速匯矩式和分矩匯速式兩種。
由于行星排3個構件的端口輸入/輸出連接具有不同方式,故分矩匯速式液壓機械傳動和分速匯矩式液壓機械傳動各有6種不同的基本布置形式。多段式和復合分流式液壓機械傳動都是在基本型基礎開發的。
在液壓機械傳動車輛中,發動機發出的功率由分流機構(行星排或定軸齒輪)分流,從液壓路和機械路并聯傳遞,通過匯流機構(定軸齒輪或行星排)合流共同驅動車輛。
液壓機械傳動憑借其出色的傳動和轉向性能,成為軍用車輛、坦克的寵兒,在軍用車輛傳動領域起著舉足輕重的作用。從現有可獲取的參考資料分析可知:在軍用車輛和坦克上采用的液壓機械傳動主要以分矩匯速形式為主。典型代表就是DMT25液壓機械傳動箱。其傳動簡圖如圖2所示。該變速器采用了兩段式液壓機械傳結構,第一段為純液壓工況,第二段為液壓機械工況,其傳動功率分別為110kW(150馬力)和184kW(250馬力)[1]。控制系統根據外界載荷變化情況自動調節傳動比,使發動機工作在最佳特性曲線附近。
而采用分速匯矩式液壓機械傳動最為成功的要數德國芬德公司,其配備Vario CVT的系列拖拉機暢銷全世界,并以其出色性能成為拖拉機領域的領軍角色。具有代表性的Fendt Vario900傳動簡圖如圖3所示,液壓路由一個雙向變量泵和兩個單向變量馬達組成,機械路設置了高低兩個檔位來分別實現田間作業模式和運輸工作模式功能。同時擁有先進的控制系統TMS,保證了車輛的出色的傳動性能。目前Vario900系列拖拉機傳動能力已經達到300kW以上。
2 性能比較
分速匯矩式液壓機械傳動系統與分矩匯速式液壓機械傳動系統的傳動特性區別較大。前者則通常為簡單一段式結構,在輸出端設置不同檔位,實現不同作業工況需求;后者常采用多段式結構,擴大了傳動系統速比范圍,提高了系統傳動效率和傳動能力[2]。
2.1 速比、轉矩及功率特性分析
主要研究液壓路元件的在車輛運行過程中的轉速與輸入轉速的變化關系,及與變排量液壓元件的變量參數變化關系[3]。
以CRO型分速匯矩式液壓機械傳動為例,通過對傳動系統運動學分析和力學分析可以得出基本分速匯矩式液壓機械傳動和分矩匯速式液壓機械傳動的速比特性。
,ik為行星排結構參數,對于CRO型;i1為泵輸入端速比;i2為馬達輸出端速比。
其速比特性如圖5所示。可以看出系統速比隨液壓路速比變化呈非線性變化規律。
同理可得分矩匯速式液壓機械傳動的變量比關系。
系統速比特性i=i'1i'2(1-i'k)ih+i'k
式中,i'k為匯流排機構參數,IRC型機構值為。
分矩匯速式液壓機械傳動系統的系統速比隨液壓路速比變化呈線性關系,如圖6所示。且系統速比為液壓路速比和機械路速比的線性疊加。
2.2 系統傳動效率分析
對于配備簡單分速匯矩式液壓機械傳動系統的車輛,起步或低速行駛階段,由于大部分功率從液壓路傳遞,故系統傳動效率主要取決于液壓路傳動效率。車速逐漸升高,液壓路傳動效率下降,但是由于流經機械路功率比例逐漸增加,故系統效率呈增大趨勢。
對于配備簡單分矩匯速式液壓機械傳動系統的車輛,車輛起步及低速行駛階段,大部分功率從液壓路傳遞,系統工作在功率循環模式,且在液壓路循環。隨著車速升高,液壓路傳動效率下降,但由于液壓路功率流所占比例減少,所以系統傳動效率呈上升狀態。
2.3 功率需求分析
簡單分矩匯速式系統對發動機功率要求最高。分速匯矩式系統對發動機功率要求低于分矩匯速式系統。而多段式分矩匯速式結構則具有更低的功率需求水平[4]。通常對發動機的功率需求表征著能量消耗水平,也就是燃油消耗量。
盡管從能耗角度看多段式分矩匯速式傳動結構為最佳選擇,但是車輛油耗水平不能簡單以此為定論,因為車輛的油耗很大程度上取決于車輛運行的工況等其他因素。
3 液壓機械傳動應用
在傳動功率較小、控制要求較低的場合,簡單分速匯矩式系統表現的性能優于分矩匯速式系統,德國芬德公司的Vario900系列目前可以實現300kW的功率傳動水平。應用對象為拖拉機、城市小公交車、中型卡車等,尤其在農業、林業和工程機械上應用,其優勢尤為突出。由于一段式分矩匯速式系統不能充分發揮其固有的優點,故通常以多段式結構出現。多段式分矩匯速式系統適合應用到要求結構緊湊、大功率要求的場合,其控制系統要求較高。應用對象:城市公交車、垃圾收集車、重型卡車和拖拉機等。而且隨著段數增加,傳遞功率能力提高,在軍用車輛領域發展潛力無限,主要應用在履帶車輛和坦克傳動上。
4 結論
(1)分速匯矩系統傳動效率較穩定,其顯著優點是:在初始階段液壓路效率較高情況下,系統效率依賴液壓路效率;在液壓路傳動效率下降的情況下,機械路傳動的功率份額增加,故系統傳動效率較高。
(2)分矩匯速式系統與兩段式結構的系統傳動效率主要取決于液壓路傳動效率,無論液壓路效率高低均遵循這個規律,故當液壓路效率低時引起系統效率低下。
(3)分矩匯速式液壓機械傳動功率放大倍數較大,適合高功率傳動場合。在傳遞同樣功率情況下,采用分速匯矩式結構要選用較大的液壓變量元件。
(4)兩種結構都有循環功率存在,分速匯矩式系統在常用工作工況循環不存在循環功率;分矩匯速式系統中低速存在循環功率。
綜上所述,分速匯矩式液壓機械傳動系統對于功率要求較小場合優秀的工作性能,而在大功率場合則分矩匯速式(尤其多段式結構)發揮得更加出色,故將兩種傳動結構組合必將是一種有發展潛力的傳動方式,在輸入端和輸出端設置行星排機構,通過響應的離合器和制動器來實現機構轉換,在中低速采用分速匯矩式傳動方式,高速時切換為分矩匯速式傳動模式。
摘自：中國計量測控網
