吳仁智，鄭賽花

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

平地機(jī)是一種裝有以鏟土刮刀為主，可選配推土板、推雪鏟、松土器、松土耙等多種可換輔助作業(yè)裝置，進(jìn)行土壤切削、平整和攤鋪的作業(yè)機(jī)械，功能多樣，用途廣泛［1］.平地機(jī)的工作裝置靠機(jī)器行走的牽引力推動(dòng)，其工作過(guò)程就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳σ钥朔ぷ餮b置阻力的過(guò)程.現(xiàn)代平地機(jī)的傳動(dòng)方式主要有機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)和全液壓傳動(dòng)三大類(lèi).無(wú)論采用何種傳動(dòng)方式，平地機(jī)生產(chǎn)商在傳動(dòng)系統(tǒng)性能方面的追求目標(biāo)都是一致的，即使之實(shí)現(xiàn)寬廣的扭矩和速度變換范圍，以滿(mǎn)足平地、挖溝、刮坡、推土、疏松等各種不同作業(yè)工況下的負(fù)載和行駛速度變化范圍的作業(yè)要求，從而獲得最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和最大的作業(yè)生產(chǎn)率.

1 平地機(jī)的三種典型傳動(dòng)方式

1.1 機(jī)械傳動(dòng)

以卡特彼勒(Caterpillar)、沃爾沃(Volvo)和約翰迪爾(John Deere)等為代表的歐美平地機(jī)生產(chǎn)商，始終堅(jiān)持在多檔位變速箱的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理利用的技術(shù)路線(xiàn)［2］，由變功率發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)多檔位機(jī)械變速箱，最大限度地發(fā)揮機(jī)械傳動(dòng)效率高的優(yōu)勢(shì).如圖1所示，其動(dòng)力傳遞路線(xiàn)依次為:發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力換檔變速箱、驅(qū)動(dòng)橋、平衡箱、驅(qū)動(dòng)輪.為滿(mǎn)足平地機(jī)速度和扭矩變換范圍大的作業(yè)要求，增強(qiáng)機(jī)器對(duì)變化負(fù)載的適應(yīng)能力，機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)的變速箱檔位多設(shè)置為八個(gè)以上前進(jìn)檔、四個(gè)以上后退檔.

圖1 平地機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 M echanical transm ission structure of grader

1.2 液力機(jī)械傳動(dòng)

機(jī)械傳動(dòng)是平地機(jī)較為理想的傳動(dòng)方式，但由于國(guó)內(nèi)制造加工技術(shù)水平的限制，自主生產(chǎn)符合要求的多檔位機(jī)械變速箱短時(shí)間內(nèi)還存在一定的困難，且換檔控制技術(shù)也未獲得突破，這一傳動(dòng)方式對(duì)國(guó)內(nèi)平地機(jī)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)暫時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)［3］，因此國(guó)產(chǎn)平地機(jī)基本上采用液力變矩器+動(dòng)力換檔變速箱的傳動(dòng)方案.如圖2所示，其動(dòng)力傳遞路線(xiàn)依次為:發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、動(dòng)力換檔變速箱、驅(qū)動(dòng)橋、平衡箱、驅(qū)動(dòng)輪.在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間增加液力變矩器，利用變矩器良好的自適應(yīng)特性，擴(kuò)大動(dòng)力范圍，降低對(duì)變速箱檔位的技術(shù)要求.變矩器+動(dòng)力換檔變速箱的傳動(dòng)方案中，變速箱一般僅設(shè)置六個(gè)前進(jìn)檔和三個(gè)后退檔.

1.3 全液壓傳動(dòng)

目前市場(chǎng)上全液壓平地機(jī)產(chǎn)品采用無(wú)變速箱、無(wú)傳動(dòng)軸和無(wú)驅(qū)動(dòng)橋的靜液壓傳動(dòng)方式.如圖3所示，其動(dòng)力傳遞路線(xiàn)依次為:發(fā)動(dòng)機(jī)、變量液壓泵、變量液壓馬達(dá)、平衡箱、驅(qū)動(dòng)輪.這種傳動(dòng)方式易于通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速［4］，但限于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)自身固有特點(diǎn)，以下全液壓傳動(dòng)的一些關(guān)鍵技術(shù)難題仍未獲得理想的解決:

圖2 平地機(jī)液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hydro-mechanical transm ission structure of grader

(1)變速范圍小

由于取消了變速箱，完全由液壓泵和液壓馬達(dá)通過(guò)排量變化進(jìn)行調(diào)速，限于泵和馬達(dá)的結(jié)構(gòu)、軸承的最大轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑條件的形成等制約，全液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)相比，調(diào)速范圍較窄，最高車(chē)速僅為31 km·h－1，達(dá)不到國(guó)內(nèi)外平地機(jī)最高車(chē)速通常大于35 km·h－1的要求，不能很好地滿(mǎn)足高速轉(zhuǎn)場(chǎng)的需要.

(2)同步(偏載)作業(yè)性能差

由并聯(lián)雙液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)左右側(cè)車(chē)輪，缺少傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)或液力機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)驅(qū)動(dòng)橋上的差速鎖定機(jī)構(gòu)，在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪地面附著條件不同或偏載(如鏟刀向側(cè)邊刮土、刮邊坡等)作業(yè)時(shí)，液壓油優(yōu)先供往載荷較小的液壓馬達(dá)，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪不能實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)，從而引起單邊打滑現(xiàn)象，這樣就降低了平地機(jī)的有效牽引力，加劇輪胎磨損.

圖3 平地機(jī)全液壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Hydraulic transmission structure of grader

因此，本文提出采用液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)方式，即采用單變量液壓泵+單變量液壓馬達(dá)+機(jī)械式變速箱+驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示.其中變量液壓泵和變量液壓馬達(dá)通過(guò)液壓管路連接成閉式液壓系統(tǒng)，變速箱為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的兩檔或三檔變速箱.

圖4 平地機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Hydraulic-mechanical-compound transmission structure of grader

變量液壓馬達(dá)耦合變速箱構(gòu)成復(fù)合變速器，相當(dāng)于兩臺(tái)變速器的串聯(lián)聯(lián)接.復(fù)合變速器中，變量液壓馬達(dá)通過(guò)不同排量的選擇(變量液壓馬達(dá)的最小排量Vmmin約為最大排量Vmmax的1/3～1/4，在Vmmin和Vmmax之間選擇若干個(gè)不同的排量值，其意義完全等同于機(jī)械式變速箱設(shè)置幾個(gè)不同的檔位)，即檔位的選擇，再同與之串聯(lián)耦合的變速箱進(jìn)行組合，即可實(shí)現(xiàn)不同速比的多檔變速功能.

由變量液壓泵和變量液壓馬達(dá)組成的閉式液壓系統(tǒng)中，在每一個(gè)選定的液壓馬達(dá)排量下，變量液壓泵的排量均可在最大排量Vpmax到零排量之間無(wú)級(jí)變化，在實(shí)現(xiàn)機(jī)器不同工作檔位的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速在該檔位下的最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速之間的連續(xù)調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器每一工作檔位下的無(wú)級(jí)變速.

新型液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)與一般的全液壓平地機(jī)相比增加了兩檔(或三檔)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋，可以有效地解決全液壓平地機(jī)變速范圍小及同步(偏載)作業(yè)性能差的問(wèn)題.

2 性能分析

選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率在145 kW左右，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)銷(xiāo)量最大的三種典型傳動(dòng)系統(tǒng)平地機(jī)，分別對(duì)其牽引性能、傳動(dòng)效率等特性進(jìn)行對(duì)比分析.機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)選擇國(guó)外某品牌平地機(jī)，整機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量為15 970 kg，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用變功率控制技術(shù)，變速箱檔位為前八后四;液力機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)選擇國(guó)內(nèi)某品牌平地機(jī)，整機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量為15 400 kg，變速箱檔位為前六后三;根據(jù)新型液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，類(lèi)比同功率平地機(jī)的技術(shù)參數(shù)，自行匹配設(shè)計(jì)新型復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)，整機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量15 500 kg，選用QSB6.7型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，ZF－2HL型兩檔變速箱，整機(jī)檔位設(shè)置為前八后八.

2.1 牽引性能的對(duì)比分析

牽引性能反映了整機(jī)行駛(或作業(yè))速度與牽引力之間的關(guān)系，牽引性能的好壞決定了平地機(jī)在各種作業(yè)速度下能否發(fā)揮最佳牽引功率和最高作業(yè)效能.

三種傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引特性曲線(xiàn)如圖5所示.

圖5 三種傳動(dòng)方式平地機(jī)的牽引特性曲線(xiàn)Fig.5 Traction performance of three transmission systems for grader

從圖6中三種傳動(dòng)方式平地機(jī)的牽引特性對(duì)比曲線(xiàn)可以看出，液力機(jī)械傳動(dòng)與液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)的行駛(或作業(yè))速度變化范圍相近，最高車(chē)速均可達(dá)到42 km·h－1左右，略低于機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)的最高車(chē)速.一方面反映出，利用變矩器的自動(dòng)適應(yīng)性能，液力機(jī)械傳動(dòng)采用較少檔位的變速箱可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)械傳動(dòng)相近的車(chē)速變化范圍;另一方面反映出，液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)中后置的機(jī)械變速箱可以拓寬液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的覆蓋匹配范圍，有效地解決了全液壓平地機(jī)變速范圍較小的問(wèn)題.

由于平地機(jī)遇到最?lèi)毫庸r時(shí)，原則上都要使用1檔作業(yè).因此，將平地機(jī)1檔的牽引特性單獨(dú)列出比較(見(jiàn)圖7)，其余各檔位的趨勢(shì)基本與1檔相同.

圖6 三種傳動(dòng)方式平地機(jī)牽引特性比較Fig.6 Traction performance comparison of three transmission systems for grader

圖7 三種傳動(dòng)方式平地機(jī)1檔牽引特性比較Fig.7 Traction performance comparison of the first gear of three transmission systems for grader

平地機(jī)的最大切線(xiàn)牽引力取決于兩個(gè)方面，一是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞至驅(qū)動(dòng)輪上的最大切線(xiàn)牽引力，二是由地面附著條件決定的最大切線(xiàn)牽引力，兩者的較小值即為平地機(jī)的最大切線(xiàn)牽引力.由地面附著條件決定的最大切線(xiàn)牽引力Fkφ由下式?jīng)Q定:

式中:ms為整機(jī)使用質(zhì)量，g為重力加速度，ζ為附著重量利用系數(shù)，φ為行走機(jī)構(gòu)與地面的附著系數(shù)，f為滾動(dòng)阻力系數(shù).

綜合三種平地機(jī)的整機(jī)使用質(zhì)量，ms取為15 500 kg.平地機(jī)工作的典型地面條件下，ζ取為0.7，φ 取為0.7，f取為 0.1.代入各數(shù)值，計(jì)算得到典型地面附著條件決定的平地機(jī)最大切線(xiàn)牽引力Fkφ=85 kN，如圖7中水平虛線(xiàn)所示.從圖7可看出，三種傳動(dòng)方式平地機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩決定的最大切線(xiàn)牽引力均超過(guò)由地面附著條件決定的最大切線(xiàn)牽引力，牽引力有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)備，這樣平地機(jī)的牽引系統(tǒng)可較好地適應(yīng)不同的工作重量和地面附著條件，以及可能的外部負(fù)載突變.

平地機(jī)正常工作時(shí)的牽引力由負(fù)載決定，負(fù)載線(xiàn)與牽引特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)即為機(jī)器的穩(wěn)定工作點(diǎn).圖7中取平地機(jī)的牽引負(fù)載達(dá)到地面附著力這一工況為例進(jìn)行比較.如圖所示，該負(fù)載線(xiàn)與機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)和液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)的牽引特性曲線(xiàn)分別交于點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C，對(duì)應(yīng)的行駛速度分別為4.3，3.9和4.2 km·h－1.

機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)在2.7 km·h－1的行駛速度下可達(dá)到最大切線(xiàn)牽引力145 kN(對(duì)應(yīng)圖7中點(diǎn)A')，該行駛速度下，液力機(jī)械傳動(dòng)和液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)的切線(xiàn)牽引力分別為118 kN和128 kN(分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)B'和點(diǎn)C').點(diǎn)A'、點(diǎn)B'和點(diǎn)C'分別為 2.7 km·h－1的速度線(xiàn)與機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)和液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)的牽引特性曲線(xiàn)的交點(diǎn).

牽引特性曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的牽引力值和對(duì)應(yīng)行駛速度值的乘積即為平地機(jī)的牽引功率.在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率相同的條件下，通過(guò)三種傳動(dòng)方式平地機(jī)牽引力或行駛速度量化值的比較可知，機(jī)械傳動(dòng)提供的牽引功率最大，液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)次之，液力機(jī)械傳動(dòng)最小.

2.2 傳動(dòng)效率的對(duì)比分析

平地機(jī)在牽引作業(yè)(或高速轉(zhuǎn)場(chǎng))的工作過(guò)程中，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率沿傳動(dòng)系統(tǒng)各組成部件的傳遞路線(xiàn)如圖8所示.

圖8中各組成部件相關(guān)參數(shù)意義如下:

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Me和轉(zhuǎn)速ne.

(2)變速箱的參數(shù)包括傳動(dòng)比it、機(jī)械效率ηt、功率損失 ΔPt、輸出轉(zhuǎn)矩Mt及轉(zhuǎn)速nt.

(3)液力變矩器的參數(shù)包括傳動(dòng)比itc、效率ηtc、功率損失 ΔPtc、輸出轉(zhuǎn)矩Mtc及轉(zhuǎn)速ntc.

(4)變量液壓泵的參數(shù)包括變換比Rp(與排量Vp相關(guān))、機(jī)械效率 ηpt、容積效率 ηpv、功率損失ΔPp、壓力p和流量Q.

(5)變量液壓馬達(dá)的參數(shù)包括變換比Rm(與排量Vm相關(guān))、機(jī)械效率ηmt、容積效率ηmv、功率損失ΔPm、輸出轉(zhuǎn)矩Mm及轉(zhuǎn)速nm.

(6)驅(qū)動(dòng)橋平衡箱總成的參數(shù)包括傳動(dòng)比ih、機(jī)械效率 ηh、功率損失 ΔPh、輸出轉(zhuǎn)矩Mh及轉(zhuǎn)速nh.

(7)在不考慮行走機(jī)構(gòu)的滑轉(zhuǎn)和滾動(dòng)阻力的情況下，行走機(jī)構(gòu)(即驅(qū)動(dòng)輪)的參數(shù)包括驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑rd、切線(xiàn)牽引力Fk及理論行駛速度vT.

圖8 三種傳動(dòng)系統(tǒng)的功率流傳遞示意圖Fig.8 Power flow of three transm ission systems for grader

圖8直觀地顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在傳動(dòng)系統(tǒng)中的流向、分配和能量轉(zhuǎn)換的情況.黑色箭頭表示功率的流向.流入或流出每個(gè)組成部件的功率可表示為兩個(gè)變量的乘積:機(jī)械功率中為轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，或力F和速度v;液壓功率中為壓力p和流量Q.功率每流經(jīng)一個(gè)部件時(shí)，由于傳動(dòng)效率η的影響，都造成一定的功率損失ΔP.在不考慮行走機(jī)構(gòu)的滑轉(zhuǎn)和滾動(dòng)阻力的情況下，傳遞至終端(行走機(jī)構(gòu))的功率通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著作用，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)輪上的切線(xiàn)牽引力Fk及理論行駛速度vT，兩者乘積即為平地機(jī)的牽引功率.平地機(jī)的牽引功率與相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率之比稱(chēng)為平地機(jī)的牽引效率.牽引效率是衡量平地機(jī)牽引作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的有效利用程度，是各個(gè)組成效率綜合影響的結(jié)果.由圖8可知，牽引效率主要由機(jī)械傳動(dòng)效率、液力傳動(dòng)效率、液壓傳動(dòng)效率等構(gòu)成.

由第2.1節(jié)的分析可知，與液力機(jī)械傳動(dòng)和液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)相比，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率相同的條件下，機(jī)械傳動(dòng)的牽引功率最高，即牽引效率最高.液力機(jī)械傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)的主要差別在液力傳動(dòng)效率上，正是由于在變矩器中存在功率損失的緣故，使得液力機(jī)械傳動(dòng)的牽引效率低于機(jī)械傳動(dòng).液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)中變量液壓泵與變量液壓馬達(dá)通過(guò)管路連接成閉式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，液壓傳動(dòng)基于能量?jī)纱无D(zhuǎn)化原理，就傳動(dòng)裝置本身而論，液壓傳動(dòng)的穩(wěn)態(tài)效率確實(shí)不如傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng).

由零部件生產(chǎn)廠家提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)的變速箱和驅(qū)動(dòng)橋平衡箱總成的機(jī)械效率均為0.9左右，因此該平地機(jī)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率 η∑1約為0.8(η∑1=ηtηh).

圖9為液力變矩器原始特性曲線(xiàn).變矩器原始特性是指泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ1、變矩系數(shù)K、傳動(dòng)效率ηtc與傳動(dòng)比itc之間的關(guān)系.液力變矩器高效區(qū)域很窄，通常認(rèn)為傳動(dòng)效率ηtc在0.75以上為高效區(qū)，即傳動(dòng)比在itc1～itc2之間，如圖9所示.當(dāng)遇到重載時(shí)，隨著負(fù)載的增大，變矩器工況點(diǎn)沿圖中曲線(xiàn)K向左上方移動(dòng)，同時(shí)變矩器的傳動(dòng)效率沿曲線(xiàn)ηtc向左下方急劇下降［5－6］.

圖9 液力變矩器原始特性Fig.9 Original characteristic curve of torque converter

液力機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)采用變矩器結(jié)合六檔變速箱的傳動(dòng)方案，主要依靠多檔位變速箱的換檔來(lái)適應(yīng)各種工況下負(fù)載的大幅度變化，降低了液力變矩器的作用，使之只在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以適應(yīng)每一工作檔位下負(fù)載的小幅度波動(dòng)，保證了變矩器始終處于高效區(qū)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到較好發(fā)揮.

圖10為液力機(jī)械傳動(dòng)各檔傳動(dòng)效率情況.該平地機(jī)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率為 η∑2=ηtcηtηh.當(dāng)變矩器在高效區(qū)(ηtc＞0.75)工作時(shí)，可使總傳動(dòng)效率η∑2保持在0.6以上.圖中點(diǎn)A～E分別為相鄰檔位牽引特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，即換檔點(diǎn).當(dāng)負(fù)載逐漸增加，平地機(jī)工作點(diǎn)沿牽引特性曲線(xiàn)左移，同時(shí)效率η∑2沿效率曲線(xiàn)不斷下降，直至工作點(diǎn)與換檔點(diǎn)重合，此時(shí)只需將變速箱降低一個(gè)檔位，在保證牽引力不降低的情況下，可將η∑2重新拉回到較大值.從圖中可看出，各檔位最高傳動(dòng)效率η∑2均在0.73左右，各換檔點(diǎn)的傳動(dòng)效率η∑2在0.64以上，則該平地機(jī)各工況下的總傳動(dòng)效率約為0.64～0.73(可保證變矩器一直處于高效區(qū)工作).

圖10 液力機(jī)械傳動(dòng)各檔傳動(dòng)效率Fig.10 Each shifting efficiency of hydromechanical transm ission

平地機(jī)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)中，變量液壓馬達(dá)耦合機(jī)械變速箱構(gòu)成的復(fù)合變速器，依靠液壓馬達(dá)不同排量的設(shè)定及變速箱檔位的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)多檔位變速功能，從而滿(mǎn)足不同工況下的牽引力及行駛速度要求.在每一工作檔位下，該平地機(jī)對(duì)負(fù)載波動(dòng)的適應(yīng)依靠泵排量的無(wú)級(jí)變化進(jìn)行調(diào)節(jié).圖11為該傳動(dòng)方式平地機(jī)各檔傳動(dòng)效率情況.

圖11 液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)各檔效率Fig.11 Each shifting efficiency of hydraulicmechanical-compound transm ission

液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率為 η∑3=ηpmηtηh，其中 ηpm為由變量液壓泵和變量液壓馬達(dá)組成的閉式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，是造成平地機(jī)各檔位下傳動(dòng)效率η∑3差異的主要因素.ηpm等于各部分效率之積，如下式所示:

式中:ηp為變量液壓泵總效率，ηm為變量液壓馬達(dá)總效率，ηc為管路效率.

變量液壓泵的容積效率ηpv、機(jī)械效率ηpt和總效率ηp分別為

式中:Cs為層流泄漏系數(shù)，μ為油液動(dòng)力黏度，Δp為液壓系統(tǒng)工作壓差，βp為泵排量比，Cv為層流阻力系數(shù)，Cf為機(jī)械阻力系數(shù)，Tc為與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的一定的扭矩?fù)p失［7］.

變量液壓馬達(dá)的容積效率ηmv、機(jī)械效率ηmt和總效率ηm分別為

式中:βm為馬達(dá)排量比.

由圖11可看出，液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)在1檔和5檔工作時(shí)的傳動(dòng)效率最高，在0.68 ～0.73范圍內(nèi);4檔和8檔的傳動(dòng)效率最低，約為0.60;中間其余各檔的傳遞效率遞減.

液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)處于1檔和5檔工作時(shí)，變量液壓馬達(dá)固定在最大排量處工作(1～4檔時(shí)變速箱處于低檔位工作，5～8檔時(shí)變速箱處于高檔位工作);平地機(jī)處于4檔和8檔工作時(shí)，變量液壓馬達(dá)固定在最小使用排量處工作;中間其余各檔的液壓馬達(dá)排量依次遞減.

由式(3)～(8)可知，變量液壓泵和液壓馬達(dá)的效率與排量、壓力和轉(zhuǎn)速息息相關(guān).根據(jù)大多數(shù)試驗(yàn)研究得知，隨著排量V的減小，泵及馬達(dá)的容積效率和機(jī)械效率一般都下降很多，其乘積總效率也顯著降低，故與1檔和5檔相比，4檔和8檔的傳動(dòng)效率明顯有所降低.

綜上分析，三種傳動(dòng)方式平地機(jī)各檔位下的傳動(dòng)效率如表1所示.

表1 三種傳動(dòng)方式平地機(jī)各檔傳動(dòng)效率Tab.1 Each shifting efficiency of three transm ission systems for grader

3 結(jié)論

(1)平地機(jī)三種典型傳動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)具有最高的牽引功率和牽引效率，是平地機(jī)較為理想的傳動(dòng)方式.

(2)液力機(jī)械傳動(dòng)和液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)分別利用液力變矩器的自動(dòng)適應(yīng)性能和后置串聯(lián)的機(jī)械變速箱，可以拓寬平地機(jī)的變速范圍，實(shí)現(xiàn)與機(jī)械傳動(dòng)平地機(jī)相近的最高車(chē)速.

(3)平地機(jī)液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)依靠多檔位變速箱的換檔來(lái)適應(yīng)不同工況下負(fù)載的大幅度變化，降低了液力變矩器的作用，保證了變矩器始終處于高效區(qū)工作.同時(shí)，由于變矩器中存在功率損失的緣故，使得液力機(jī)械傳動(dòng)的傳動(dòng)效率比機(jī)械傳動(dòng)低10%～20%.

(4)液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)平地機(jī)利用馬達(dá)不同排量的設(shè)定及變速箱檔位的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)多檔位變速功能.隨著排量的減小，馬達(dá)的傳動(dòng)效率顯著降低，因此造成不同檔位下平地機(jī)總傳動(dòng)效率的不同.在使用馬達(dá)最大排量的檔位下，液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)的傳動(dòng)效率比機(jī)械傳動(dòng)低10% ～15%;在使用馬達(dá)最小使用排量的檔位下，傳動(dòng)效率比機(jī)械傳動(dòng)低25%.

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