功率分流液压调速技术基本特性分析

摘 要:功率分流液压调速系统有效的利用了液压传动与齿轮传动的优点。相比于由液压泵和液压马达组成的普通液压调速系统,这种系统在传递大功率时可以保持较高的传动效率。本文介绍了功率分流液压调速系统的结构组成、工作原理,通过其调速特性分析了系统在保持液力传动传统优势的同时具有较高工作效率的特点。

关键词:液压 功率分流 调速 车辆

由液压泵与液压马达组成的液压调速系统在动力传输方面具有很多优点,如对负载平稳启动、无级变速、过载保护和可观的节能效果等。但普通液压调速系统,随着传递动力的增加使其容量过大,这样一来其传动效率在泵和马达中都有降低,即使在最佳状态下传动效率也只能达到80%。于是出现了把行星差动轮系与液压调速装置组合起来的功率分流液压调速系统,它是将液压与机械装置“并联”分别传输功率流的传动系统,借助液压功率流的可控性,使这两股功率流在重新汇合时可无级调节总的输出转速。它既保持了传统的可调式液力元件的传动特点,又改善了液力元件低速运行传动效率低的缺陷。

目前,世界最先进的工程机械制作公司,如Caterpillar、Fendt、Claas、Johndeere和Styer等公司均不断推出各自配备功率分流无级传动的拖拉机系列,并随着控制技术不断提高,其传动性能日臻完善。国外在上世纪就已有了许多成功的应用,在国内技术发展还不是十分成熟,近些年通过引进和借鉴国外技术,也开展了大量的研究工作和应用。本文主要针对由单排行星轮系与液压传动回路组成的最基本的功率分流传动形式进行介绍和分析。

1 功率分流液压调速系统工作原理

功率分流液压调速系统主要由3部分组成:液压路、机械路和功率分汇流机构。根据行星齿轮系与液压马达组合的不同,该系统有内功率分流和外功率分流两种。常见的是外功率分流装置,其原理如图1所示,行星机构的太阳轮1与输入轴连接,行星架3与输出轴相连,齿圈2通过齿轮连到液压马达上,液压泵则通过齿轮与输入轴相连。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。其中,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(qB/qM)的变化连续可调的,机械部分传递的功率为阶跃式变化的。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。

2 功率分流液压调速系统的特性

2.1无级调速特性分析

如图1所示,设此行星齿轮机构中太阳轮与齿圈半径之比α,则单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程式为:

a(1)

如果设输出轴速度比为,齿圈轴速度比,则上式可变为:

(2)

由式(2)可知通过液压传动可使齿圈轴速度比i"发生可逆的变化,所以输出轴速度比i将以标准速度比为中心进行变速(如图2所示)。

式(2)反映了功率分流液压调速系统的无级调速特性。不难看出,系统工作时,仅有液压元件相对排量比(qB/qM)为变量,调节(qB/qM)即可得到一个连续变化的传动比i。另外,由图2可知,对外功率分流传动系统来说,系统传动比i与(qB/qM)之间总是呈线性关系,因此在实际应用中易于实现线性控制。

2.2功率分流比分析

把液压系统传递的功率与整个传递功率的比设为,称为功率分流比。则由行星排的连接关系可得液压系统功率分流比:

(3)

式(3)给出了分流传动液压功率分流比ε与系统传动比i之间的关系。分析可知:

当1﹥ε>0(i>ic)时,液压系统输出为正值,系统处于液压机械分流传动状态;

当ε=0(i=ic)时,液压输出为零,全都输入功率由机械系统传递;

当ε<0(i

2.3系统效率分析

功率分流液压变速装置的传动效率要受到液压传动系统性能和液压系统传递动力比例的影响。

由能量守恒定律可知

(4)

式中ΔP、ΔPh和ΔPj分别为传动系统总功率损失、液压功率损失和机械功率损失。

当ε<0,系统存在液压循环功率时,有:

;;

将以上三式代入式(4)并化简可得系统总效率为:

(5)

式中η,ηj,ηh分别为系统总效率、机械传动回路的效率和液压回路的效率。

当1﹥ε>0时,系统不出现循环功率,

,系统总效率为:

(6)

式(5)、(6)反映了功率分流液压调速传动系统两种工况下的传动效率,分析可知,系统效率直接受机械传动效率ηj、液压回路传动效率ηh及分流比ε三者所影响。当ηj、ηh不变时,系统效率η随ε的成反比变化。当ε=0时,系统效率η最高,此时η=ηj。若ε不变,液压传动效率ηh提高,系统效率也提高,反之亦然。

3 结束语

(1)功率分流液压调速系统是一种液压功率流与机械功率流并联的传动形式,本文所讨论的单排行星轮系与液压传动回路组成的复合传动是最基本的功率分流传动形式,是组成各种液压机械复合传动的基础。

(2)液压功率分流比ε的大小反映了系统功率流状态,恰当的液压功率分流比可提高传动系统效率。

(3)本文给出的速比与变量泵和定量马达排量比、液压功率分流比、传动效率的关系式,可为该类传动装置传动方案的确定、参数匹配和性能分析提供一定的理论依据。

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