鐘瑞，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

液壓機(jī)械無級傳動基本理論分析

鐘瑞，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章通過對液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)的組成、分類及原理進(jìn)行研究，以基礎(chǔ)的液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)為例，對其速度、扭矩等特性進(jìn)行分析，并歸納出特點(diǎn)，為后續(xù)深入研究及應(yīng)用復(fù)雜液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)提供分析方法和理論基礎(chǔ)。

液壓機(jī)械傳動；無級變速；分矩匯速；分速匯矩

CLC NO.:U461 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-73-02

引言

液壓機(jī)械復(fù)合傳動是將發(fā)動機(jī)的輸出功率分為液壓和機(jī)械兩路傳遞，并通過某種機(jī)構(gòu)進(jìn)行匯合輸出。這種傳動方式兼顧了液壓系統(tǒng)良好的無級變速性能和機(jī)械傳動的高效率，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)負(fù)載和發(fā)動機(jī)功率輸出的最優(yōu)匹配，從而提高車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，是中重型車輛理想的無級傳動型式。

1 組成及基本原理

液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)主要由液壓調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和功率分匯流系統(tǒng)三個部分組成。液壓調(diào)速系統(tǒng)主要由液壓泵和液壓馬達(dá)組成，可分為變量泵調(diào)速、變量馬達(dá)調(diào)速以及泵-馬達(dá)雙變量調(diào)速三種。功率分匯流系統(tǒng)一般采用固定軸齒輪副（分矩或匯矩）和行星齒輪排（分速或匯速）這兩種機(jī)構(gòu)[1]。

液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)將功率分為液壓和機(jī)械兩路傳遞，液壓馬達(dá)在正向和反向的最大速度之間來回?zé)o級變速，其每一行程與行星齒輪機(jī)械傳動的一種工況相配合，最后兩路匯合成為由若干無級段落相銜接并逐段升高的全程無級變化的功率輸出。

2 特性分析

圖1 液壓機(jī)械傳動示意圖

根據(jù)行星排的輸入、輸出端位置的不同，液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)可分為分速匯矩式和分矩匯速式，如圖1所示。在軍用車輛和坦克上使用的液壓機(jī)械傳動形式主要是分矩匯速式[2]。其中輸入轉(zhuǎn)速為n0，輸出轉(zhuǎn)速為nb，齒輪傳動比為l1和l2，行星排特性參數(shù)為k，液壓排量比ε=[-1,+1]。

普通行星排具有三個基本元件，即太陽輪、齒圈、行星架，分別與輸入端、輸出端以及液壓調(diào)速系統(tǒng)相聯(lián)，共有六種不同的連接方式，故分速匯矩式和分矩匯速式各有六種基本布置形式，本文以圖1中下圖所示的分矩匯速式液壓機(jī)械傳動為例進(jìn)行分析，調(diào)速系統(tǒng)采用變量泵-定量馬達(dá)。

2.1 速度特性

在整個液壓機(jī)械傳動系統(tǒng)中，輸入端為n0，輸出端為nb。在行星機(jī)構(gòu)中，太陽輪和齒圈為輸入端，其轉(zhuǎn)速為nt和na，行星架為輸出端，其轉(zhuǎn)速為nj。從圖中可以看出，nt= n0，nj= nb。 由普通行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系，可得：

總功率分為液壓功率和機(jī)械功率兩路分流傳遞，機(jī)械路直接輸出至行星機(jī)構(gòu)的太陽輪，液壓路經(jīng)過固定齒輪副j1傳遞至液壓調(diào)速系統(tǒng)，最終由液壓馬達(dá)輸出至行星機(jī)構(gòu)的齒圈，并由行星機(jī)構(gòu)匯合，行星架輸出。

由液壓機(jī)構(gòu)分流的功率，經(jīng)過固定齒輪副j1傳遞至液壓泵，液壓泵通過改變排量調(diào)速（容積調(diào)速）傳遞至液壓馬達(dá)，最終經(jīng)過固定齒輪副j2輸出至齒圈，與機(jī)械分流的功率匯合共同輸出。根據(jù)液壓分流的功率傳遞路線，暫不計容積和機(jī)械效率，可得齒圈轉(zhuǎn)速na：

將式②代入轉(zhuǎn)速關(guān)系式①，整理可得輸出轉(zhuǎn)速nb和輸入轉(zhuǎn)速n0的關(guān)系式：

假設(shè)排量比ε從-1至+1變化時（工況一），對于式③，由于k i1i2均為定值且為正，對于一定的輸入轉(zhuǎn)速n0，輸出轉(zhuǎn)速nb呈線性增長，直至ε=+1，輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。此時，通過行星機(jī)構(gòu)離合器的接合或分離，使行星機(jī)構(gòu)的太陽輪為輸出端，行星架與輸入軸相聯(lián)，同理可得輸入輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

圖2 轉(zhuǎn)速隨ε變化特性

此時，排量比ε開始從+1向-1方向變化（工況二），由式④可知，輸出轉(zhuǎn)速nb繼續(xù)呈線性增長，直至ε=-1，達(dá)到最大值。若選擇適當(dāng)?shù)膫鲃訁?shù)，使工況一的末尾輸出速度等于工況二的開始輸出速度，即兩個工況的轉(zhuǎn)速相銜接。這樣，當(dāng)液壓馬達(dá)不間斷地作一次往返無級變速時，輸出轉(zhuǎn)速可以不間斷地連續(xù)提高，如圖2所示。

2.2 扭矩特性

對于液壓機(jī)械傳動系統(tǒng)，其輸出軸上的負(fù)載扭矩增大時，定量液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩也隨之增大，當(dāng)馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到其最大輸出轉(zhuǎn)矩時，液壓系統(tǒng)將卸壓保護(hù)，產(chǎn)生輸出打滑現(xiàn)象，因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)扭矩足夠大時，液壓機(jī)械傳動系統(tǒng)的最大輸出扭矩由液壓馬達(dá)的最大輸出扭矩決定。

兩種工況下，nb1＜nb2,轉(zhuǎn)速呈上升趨勢，對于車輛來說，意味著車輛速度逐漸升高。而Mb1＞Mb2，傳動系統(tǒng)輸出扭矩下降，這樣的特性符合車輛行駛需求，滿足車輛低速大扭矩以及高速高轉(zhuǎn)速的需求。

2.3 功率特性

在輸入功率充分的前提下，若不計效率，液壓分流系統(tǒng)所傳遞的功率Py與機(jī)械分流系統(tǒng)傳遞的功率Pj之比β為：

ε=0時，液壓分流的功率為零，此時整個傳動系統(tǒng)為純機(jī)械傳動，效率最高。ε為負(fù)值時，液壓功率回流，即由馬達(dá)驅(qū)動泵，使整個傳動系統(tǒng)呈功率循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ε=- i1i2/k時，β=-1，液壓回流的功率正好抵消機(jī)械功率，總輸出功率為零。

3 結(jié)論

車輛的傳動系統(tǒng)以及行星齒輪機(jī)構(gòu)千變?nèi)f化，型式多樣，本文通過一種簡單的液壓機(jī)械無級傳動型式為例，對其液壓調(diào)速系統(tǒng)、行星齒輪傳動的速度、扭矩以及功率進(jìn)行分析，歸納出其轉(zhuǎn)速、扭矩及功率的特性參數(shù)，為后續(xù)深入研究并通過合理地設(shè)計傳動型式及參數(shù)，將復(fù)雜的液壓機(jī)械無級傳動系統(tǒng)應(yīng)用于車輛，提供了重要的理論基礎(chǔ)和分析方法。

[1] 劉修驥.車輛傳動系統(tǒng)分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,1998.

[2] 杜玖玉,苑士華,鄒云飛.車用液壓機(jī)械基本傳動形式及特性研究[J].機(jī)床與液壓,2008,36(9):214-216.

[3] 陳遠(yuǎn)玲,李挺璇,任瑞文,查雁鵬,吳龍.小型作業(yè)車輛液壓機(jī)械無級傳動的設(shè)計研究[J].液壓與氣動,2014,12:84-87.

[4] 時培成,龔建成.車輛液壓-機(jī)械復(fù)合傳動系統(tǒng)分析與應(yīng)用[J].液壓與氣動,2007,4:54-56.

The basic principle of Hydro-mechanical continuously variable transmissionsystem

Zhong Rui, Wang Lei
（Shaanxi heavy duty automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

Research the composition, classification and basic principle of Hydro-mechanical continuously variable transmission system(HMCVT), With a basic example for the HMCVT system, its specific properties of speed and torque is analyzed, at the same time, summarizes the characteristics. It also provides a method of analysis and a theory basis for further the developmental research and application on the complicated HMCVT system.

Hydro-mechanical transmission; continuously variable transmission; Input coupled type; Output coupled type

U461

A

1671-7988 (2017)15-73-02

鐘瑞，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍研所。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.026