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液压机械无级传动的特性研究 |
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作者：北京理工大学 胡纪滨 苑士华 |
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摘要:研究液压机械无级传动的工作特性。以二段式液压机械无级传动装置为例，推导了其输出转速和系统效率的计算公式，绘制了其理论性能曲线，并对其台架试验结果与理论性能进行了分析和对比。使二段式液压机械无级传动装置的试验结果与理论分析曲线比较吻合，在工况转换时系统工作平稳，输出转速基本成无级线性变化；系统具有较高的传动效率，且高效率范围较宽。从而得出液压机械无级传动具有可控的无级调速特性、以小功率的液压元件传递大功率特性及高效率特性。
关键词:无级传动；液压机械传动；传动效率
1 前 言
现代车辆动力传动系统为充分利用发动机的功率，节约能源以及获得优良的动力性能，最理想的方法是从传统的有级传动发展为无级传动。现在普遍采用的液力变矩器及其闭锁装置、自动换档机构等均是为了弥补有级传动的不足而产生的传动型式，不能实现真正的无级变速。
在车辆传动系统中，纯液压传动日益受到重视。纯液压传动具有许多优点，最主要的是可以在较宽的正反转范围内实现可控的无级变速，当车辆行驶中工作阻力不稳定时，液压传动可以保证车辆具有稳定的行驶速度。但是，纯液压传动的主要问题是传动效率偏低。按当代技术水平，纯液压传动中最高效率在80%～85%左右，在车辆使用中，一般只能达到50%～60%。此外，适用于重型车辆使用的大功率的液压元件难以加工制造。
液压机械无级传动以其可控的无级调速特性、以小功率的液压元件传递大功率特性、高效率特性，为车辆传动解决上述问题找到了理想的道路。
2 液压机械无级传动的工作原理
液压机械无级传动属于双功率流传动这一范畴，其工作原理如图1所示。在液压机械无级传动中，构件F之前和构件R之后为单功率流传动，构件H和构件M构成双功率流传动。通常，构件H由一组变排量液压元件和定排量液压元件组成，传递液压路功率，称为液压部分；构件M由齿轮或行星排构成，传递机械路功率，称为机械部分。液压部分传递的功率是随变排量液压元件和定排量液压元件的排量比ε的变化连续可调的，机械部分传递的功率为阶跃式变化的。
图1 液压机械无级传动工作原理
二段式液压机械无级传动就是依照此原理为高速履带车辆传动转向装置研制的。其传动简图及各元件的代表符号如图2所示。
图2 二段式液压机械无级传动简图
3 液压机械无级传动的工作特性
3.1 可控的无级调速特性
定排量液压元件的转速nm：
式中：n0——输入转速，r/min；
η±2v——变排量液压元件和定排量液压元件总的容积效率，当变排量液压元件驱动定排量液压元件时，取+2，当定排量液压元件驱动变排量液压元件时，取-2；
ε——变排量液压元件和定排量液压元件的排量比；
I0,I1——图2所示传动比。
工况1：CH制动器接合，CL制动器和CR制动器分离时：
系统输出转速nb：
式中：k1——行星排P1的特性参数，为行星排齿圈的齿数与太阳轮齿数之比(下同)；
I3——图2所示传动比。
工况2：CL制动器接合，CH制动器和CR制动器分离时：
输出转速nb：
式中：k2、k3——行星排P2、行星排P3的特性参数；
I2——图2所示传动比。
工况3：CR制动器接合，CH制动器和CL制动器分离时：
输出转速nb：
式中：k4——行星排P4的特性参数。
二段式液压机械无级传动装置通过操纵拉杆控制变排量液压元件和定排量液压元件的排量比及制动器的接合与分离，从而控制系统输出转速的大小。操纵拉杆的位移s与输出转速以及定排量液压元件的转速的理论关系曲线如图3所示。
图3 操纵拉杆的位移与输出转速以及定排量液压元件转速的理论关系曲线
3.2 以小功率的液压元件传递大功率特性
在研究以小功率的液压元件传递大功率特性时，引入功率放大倍数这一概念，所谓功率放大倍数是指在液压机械无级传动中，系统所能传递的最大功率与系统所使用的液压元件所能传递的最大功率之比，以λ表示。
依照不同的传动方案，液压机械无级传动从无级变速的连续段数来分，可分为二段、三段、四段等，连续的段数愈多，机构和操纵都愈复杂，但功率放大倍数愈大。
如图2所示的二段式液压机械无级传动装置的理论功率放大倍数为λ=3，即系统所能传递的最大功率为液压元件最大功率的3倍。一般来说，传动形式与其类似的方案，若连续的段数为n，无级传动的总功率为液压元件最大功率的2n-1倍，即功率放大倍数λ：
λ=2n-1
3.3 高效率特性
系统的总效率与工况和液压元件的排量比有关，对于工况1，系统总效率ηz：
ηz=η3wf.η2v.η2m
式中：ηwf——一对外齿传动的效率；
η2m——变排量液压元件和定排量液压元件总的液压机械效率。
对于工况2，系统总效率ηz：
式中：η±2m——变排量液压元件和定排量液压元件总的液压机械效率，当变排量液压元件驱动定排量液压元件时，取+2，当定排量液压元件驱动变排量液压元件时，取-2。
对于工况3，系统总效率ηz：
二段式液压机械无级传动装置理论的效率特性曲线及传递同样功率的纯液压传动理论的效率特性曲线如图4所示。
图4 理论效率特性曲线
4 液压机械无级传动工作特性的试验验证
二段式液压机械无级传动装置经台架试验，其台架试验无级调速特性曲线如图5所示，其台架试验效率特性曲线如图6所示。二段式液压机械无级传动装置台架试验中最大的传递功率达到了所选液压元件所能传递功率的3倍。
图5 二段式液压机械无级传动台架试验无级调速特性曲线
比较图3和图5，图4和图6可知，试验结果与理论分析曲线比较吻合，在工况转换时系统工作平稳，输出转速基本成无级线性变化，达到了无级调速的目的；系统具有较高的传动效率，且高效率范围较宽，与纯液压传动相比，由于溶入了高效率的机械路功率流，不但最高效率得到了显著的提高，更重要的是，传动效率在全程范围内明显高于纯液压传动，从而可以显著地降低传动装置的功率损失。
图6 二段式液压机械无级传动台架试验效率特性曲线
5 结论
多段液压机械无级传动是一项应用于车辆无级传动领域的新技术，具有可控的无级调速特性、以小功率的液压元件传递大功率特性和较高的传动效率。
(end)
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(6/7/2004) |
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