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车用液压机械复合传动特性及应用研究
发布时间：2017-09-01
引言
在无级自动变速传动中,液压传动日益受到重视,主要因为其具有一系列优点,如:实现连续地在正反转范围内平稳地无级变速、能容量大、体积小、重量轻、转动惯量小、起动快、动作灵活等。液压传动在农用车辆、工程机械(如推土机)等得到了广泛应用。但在传递大功率工作场合,纯液压传动表现出效率低、液压元件体积重量较大等缺点。而在现有的技术条件下,液压元件性能提高有限,研制性能良好的大功率液压元件非常困难,因而出现了将液压传动与机械传动相结合的传动形式,在液压传动之后串联机械传动和将机械传动与液压传动并联两种改进形式。前者,由于液压元件仍要传递全部功率,故传动效率仍然较低。而将机械传动并联入液压传动的方式则提高了传动系统的传动能力和传动效率,因为液压传动支路只传递小部分功率,大部分功率流从传动效率高的机械路传递,因而可以获得较高的传动效率,这种方法起到了放大无级变速元件功率的作用,这种复合传动形式也被称为液压机械传动。
1 液压机械传动工作原理与分类
液压机械传动最早出现在农用领域,用于田间作业的拖拉机。由于液压机械传动的固有优势,使其进入军用领域,应用到履带车辆转向和传动上,发挥了出色的性能[1]。
液压机械传动主要由3部分组成:液压路、机械路和功率分汇流机构。根据行星排的输入、输出端位置的不同可以将其分为分速汇矩式和分矩汇速式两种。
由于行星排3个构件的端口输入/输出连接具有不同方式,故分矩汇速式液压机械传动和分速汇矩式液压机械传动各有6种不同的基本布置形式。多段式和复合分流式液压机械传动都是在基本型基础开发的。
在液压机械传动车辆中,发动机发出的功率由分流机构(行星排或定轴齿轮)分流,从液压路和机械路并联传递,通过汇流机构(定轴齿轮或行星排)合流共同驱动车辆。
液压机械传动凭借其出色的传动和转向性能,成为军用车辆、坦克的宠儿,在军用车辆传动领域起着举足轻重的作用。从现有可获取的参考资料分析可知:在军用车辆和坦克上采用的液压机械传动主要以分矩汇速形式为主。典型代表就是DMT25液压机械传动箱。其传动简图如图2所示。该变速器采用了两段式液压机械传结构,第一段为纯液压工况,第二段为液压机械工况,其传动功率分别为110kW(150马力)和184kW(250马力)[1]。控制系统根据外界载荷变化情况自动调节传动比,使发动机工作在最佳特性曲线附近。
而采用分速汇矩式液压机械传动最为成功的要数德国芬德公司,其配备Vario CVT的系列拖拉机畅销全世界,并以其出色性能成为拖拉机领域的领军角色。具有代表性的Fendt Vario900传动简图如图3所示,液压路由一个双向变量泵和两个单向变量马达组成,机械路设置了高低两个档位来分别实现田间作业模式和运输工作模式功能。同时拥有先进的控制系统TMS,保证了车辆的出色的传动性能。目前Vario900系列拖拉机传动能力已经达到300kW以上。
2 性能比较
分速汇矩式液压机械传动系统与分矩汇速式液压机械传动系统的传动特性区别较大。前者则通常为简单一段式结构,在输出端设置不同档位,实现不同作业工况需求;后者常采用多段式结构,扩大了传动系统速比范围,提高了系统传动效率和传动能力[2]。
2.1 速比、转矩及功率特性分析
主要研究液压路元件的在车辆运行过程中的转速与输入转速的变化关系,及与变排量液压元件的变量参数变化关系[3]。
以CRO型分速汇矩式液压机械传动为例,通过对传动系统运动学分析和力学分析可以得出基本分速汇矩式液压机械传动和分矩汇速式液压机械传动的速比特性。
,ik为行星排结构参数,对于CRO型;i1为泵输入端速比;i2为马达输出端速比。
其速比特性如图5所示。可以看出系统速比随液压路速比变化呈非线性变化规律。
同理可得分矩汇速式液压机械传动的变量比关系。
系统速比特性i=i'1i'2(1-i'k)ih+i'k
式中,i'k为汇流排机构参数,IRC型机构值为。
分矩汇速式液压机械传动系统的系统速比随液压路速比变化呈线性关系,如图6所示。且系统速比为液压路速比和机械路速比的线性叠加。
2.2 系统传动效率分析
对于配备简单分速汇矩式液压机械传动系统的车辆,起步或低速行驶阶段,由于大部分功率从液压路传递,故系统传动效率主要取决于液压路传动效率。车速逐渐升高,液压路传动效率下降,但是由于流经机械路功率比例逐渐增加,故系统效率呈增大趋势。
对于配备简单分矩汇速式液压机械传动系统的车辆,车辆起步及低速行驶阶段,大部分功率从液压路传递,系统工作在功率循环模式,且在液压路循环。随着车速升高,液压路传动效率下降,但由于液压路功率流所占比例减少,所以系统传动效率呈上升状态。
2.3 功率需求分析
简单分矩汇速式系统对发动机功率要求最高。分速汇矩式系统对发动机功率要求低于分矩汇速式系统。而多段式分矩汇速式结构则具有更低的功率需求水平[4]。通常对发动机的功率需求表征着能量消耗水平,也就是燃油消耗量。
尽管从能耗角度看多段式分矩汇速式传动结构为最佳选择,但是车辆油耗水平不能简单以此为定论,因为车辆的油耗很大程度上取决于车辆运行的工况等其他因素。
3 液压机械传动应用
在传动功率较小、控制要求较低的场合,简单分速汇矩式系统表现的性能优于分矩汇速式系统,德国芬德公司的Vario900系列目前可以实现300kW的功率传动水平。应用对象为拖拉机、城市小公交车、中型卡车等,尤其在农业、林业和工程机械上应用,其优势尤为突出。由于一段式分矩汇速式系统不能充分发挥其固有的优点,故通常以多段式结构出现。多段式分矩汇速式系统适合应用到要求结构紧凑、大功率要求的场合,其控制系统要求较高。应用对象:城市公交车、垃圾收集车、重型卡车和拖拉机等。而且随着段数增加,传递功率能力提高,在军用车辆领域发展潜力无限,主要应用在履带车辆和坦克传动上。
4 结论
(1)分速汇矩系统传动效率较稳定,其显著优点是:在初始阶段液压路效率较高情况下,系统效率依赖液压路效率;在液压路传动效率下降的情况下,机械路传动的功率份额增加,故系统传动效率较高。
(2)分矩汇速式系统与两段式结构的系统传动效率主要取决于液压路传动效率,无论液压路效率高低均遵循这个规律,故当液压路效率低时引起系统效率低下。
(3)分矩汇速式液压机械传动功率放大倍数较大,适合高功率传动场合。在传递同样功率情况下,采用分速汇矩式结构要选用较大的液压变量元件。
(4)两种结构都有循环功率存在,分速汇矩式系统在常用工作工况循环不存在循环功率;分矩汇速式系统中低速存在循环功率。
综上所述,分速汇矩式液压机械传动系统对于功率要求较小场合优秀的工作性能,而在大功率场合则分矩汇速式(尤其多段式结构)发挥得更加出色,故将两种传动结构组合必将是一种有发展潜力的传动方式,在输入端和输出端设置行星排机构,通过响应的离合器和制动器来实现机构转换,在中低速采用分速汇矩式传动方式,高速时切换为分矩汇速式传动模式。
摘自：中国计量测控网
