謝宇航，王世成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002）

工程車輛液壓傳動系統(tǒng)構(gòu)成分析及工作參數(shù)配置

謝宇航，王世成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442002）

文章對液壓傳動系統(tǒng)的基本回路、調(diào)速方式和驅(qū)動方案進行了研究，結(jié)合設(shè)計要求，確定采用閉式回路，變量泵-變量馬達容積調(diào)速的高速驅(qū)動方案，并繪制液壓系統(tǒng)工作原理圖。而后對相關(guān)工作參數(shù)進行了配置，匹配發(fā)動機功率和工作壓力，并對液壓元件進行選型。最后使用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)模型，驗證前期系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)配置的正確性。

液壓傳動；閉式回路；容積調(diào)速；匹配壓力；AMESim

CLC NO.: TP271.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-135-05

引言

由于工程車輛作業(yè)的循環(huán)工作特性以及作業(yè)時負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的時變性，傳統(tǒng)的機械傳動的除雪車已經(jīng)不能滿足除雪工作對高效率、低能耗、自適應(yīng)工作載荷的要求。作為新型傳動方式，靜液壓傳動具有大扭矩、大范圍的速比、無級變速以及控制方式多樣的特點，同時可以通過改變回路流量方向?qū)崿F(xiàn)車輪的正反轉(zhuǎn)，加之液壓元件的管路排布能適應(yīng)緊湊型底盤布置，便于上裝結(jié)構(gòu)如滾刷的安裝。研究具有液壓傳動系統(tǒng)的新型工程車具有重大意義。

1 靜液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 液壓傳動的構(gòu)成

相比與傳統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，液壓傳動系統(tǒng)的組成較為簡潔，分為動力元執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)。其中：動力元件作為傳動系統(tǒng)的動力輸入端，其作用是把發(fā)動機機械動能轉(zhuǎn)化為液壓能；執(zhí)行元件作為液壓傳動系統(tǒng)的動力輸出端，與主減速器或車軸相連，將液壓能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能，克服行走裝置轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動；控制元件包括各種液壓閥、電磁閥等，組成各種控制系統(tǒng)來調(diào)控液壓回路中流量的大小和方向；輔助元件包括油箱、過濾器、液壓管道、蓄能器等；液壓介質(zhì)作為液壓傳動系統(tǒng)中液壓能的載體，其粘度溫度特性對工作的效率有巨大影響。

1.2 基本液壓回路

開式回路工作循環(huán)中液壓油按照油箱、液壓泵、液壓馬達的順序流動，并且在油箱中與外界空氣相接觸。如圖1所示，液壓泵1直接與油箱8連通，并且在發(fā)動機的驅(qū)動下，從油箱中抽取液壓油，它所輸出的壓力油經(jīng)過換向閥 2，控制油路的通斷和液壓油流向，最后供油給執(zhí)行元件液壓馬達3，驅(qū)動馬達后端的負(fù)載。液壓油的回油通過溢流閥4和馬達，經(jīng)過過濾器6和冷卻器7流回油箱，完成一次工作循環(huán)[1]。

圖1 開式回路

閉式回路區(qū)別于開式回路，液壓油工作在液壓泵和液壓馬達構(gòu)成的閉環(huán)回路中。如圖2所示，主泵1不直接從油缸吸油，而是由補油泵2吸油，再經(jīng)過單向閥組4和溢流閥9保持回路基礎(chǔ)補油壓力，同時給主泵和馬達閉環(huán)回路供油，高壓熱油進過沖洗閥11和冷卻閥10回油到油箱12。

圖2 閉式回路

1.3 調(diào)速方式與驅(qū)動方案的選擇

液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式分為節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速兩種。節(jié)流調(diào)速是在回路中設(shè)置各種控制閥，調(diào)節(jié)流量的通斷、大小與方向，繼而達到對馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；容積調(diào)速則是利用液壓泵和馬達排量的可調(diào)性，實現(xiàn)流量的調(diào)控，達到調(diào)速目標(biāo)。

圖3 低速方案

根據(jù)靜液壓驅(qū)動裝置中液壓馬達的輸出軸是直接驅(qū)動驅(qū)動輪，還是在輸出軸與驅(qū)動輪之間連接后置機械減速器或變速器間接驅(qū)動驅(qū)動輪，將驅(qū)動方案分為“低速方案”和“高速方案”，如圖3和圖4所示。

低速方案是由可以安裝在驅(qū)動輪輪轂內(nèi)的輪邊液壓馬達直接驅(qū)動車輪；高速方案的常見形式是液壓馬達通過機械變速箱、分動箱和萬向節(jié)傳動軸驅(qū)動車橋，進而驅(qū)動車輛。

圖4 高速方案

1.4 液壓傳動總體設(shè)計

通過對液壓回路、調(diào)速方式和驅(qū)動方案的分析，結(jié)合設(shè)計需求，確定靜液壓傳動系統(tǒng)總體設(shè)計方案為：采用閉式液壓回路，由一個主泵和兩個液壓馬達構(gòu)成閉路回路；系統(tǒng)中的動力元件和執(zhí)行元件分別為雙向變量泵和雙向變量馬達，通過容積調(diào)速控制泵和馬達排量；為擴大傳動系傳動比范圍，保證車輛啟動的大扭矩，采用高速驅(qū)動方案，兩個馬達并聯(lián)，分別驅(qū)動前后橋上的機械主減速器，帶動車輪轉(zhuǎn)動，如圖5。

圖5 除雪車靜液壓傳動布置方案

2 工作參數(shù)配置

2.1 設(shè)計性能參數(shù)及要求

以某公司研發(fā)的機場除雪車為研究對象，除雪車多運用在我國東北等降雪頻繁的嚴(yán)寒地區(qū)，設(shè)計要求機場除雪車工作環(huán)境溫度為。機場除雪車作業(yè)在平坦的機場跑道上，對跑道上的積雪、冰面進行行駛清除?；跈C場除雪車在除雪作業(yè)工況時，車速較低，以實現(xiàn)大扭矩作業(yè)；而為了提高除雪效率，要求除雪車在轉(zhuǎn)場過程中能以較高車速行駛，因而機場除雪車的設(shè)計行駛車速為最低車速、最高車速為。

2.2 發(fā)動機功率選型

工程車輛通常選用全程式調(diào)速柴油機作為其動力裝置，其功率的選擇對車輛的性能的發(fā)揮十分重要。通常發(fā)動機最大需求功率的選擇，不僅要實現(xiàn)車輛以最大行駛速度行駛的功能需求，還要滿足車輛的爬坡行駛要求。本文依據(jù)設(shè)計性能指標(biāo)，匹配計算發(fā)動機的最大功率、外特性功率，并以此作為除雪車發(fā)動機的選型指標(biāo)。

式（1）中：

Pe1——滿足最高車速要求的發(fā)動機最大功率（kw）；

Pe2——滿足最大爬坡度要求的發(fā)動機最大功率（kw）；

Pemax——發(fā)動機最大需求功率（kw）；

Pe——發(fā)動機外特性功率（kw）；

m——車輛滿載質(zhì)量（kg）；

g——重力加速度（m/s2）；

ηT——傳動系效率，按經(jīng)驗值，液壓驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率取0.8；

f——滾動阻力系數(shù)；

umax——最大車速（km/h）；

imax——最大爬坡度；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積（m2）

綜上所述，本文選取玉柴的型號的柴油發(fā)動機。該型號發(fā)動機的參數(shù)如表1所示。

表1 玉柴發(fā)動機主要參數(shù)

2.3 液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)配置

2.3.1 工作壓力降額匹配

液壓系統(tǒng)的工作壓力是由負(fù)載決定的，在進行液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配和元件選型之前，使用壓力的降額原則來匹配液壓系統(tǒng)工作壓力。中國液壓泵試驗方法規(guī)定：液壓泵的最高壓力Pm與額定壓力的PH之比不得小于1.25，本文取其比值為1.4認(rèn)為是可以滿足工程除雪車使用要求的；其次仿照柴油機15min功率與12h功率的標(biāo)定方法，將額定壓力PH降低20%，作為除雪車的匹配額定壓力P'm。

參考力士樂一系列型號的變量泵、變量馬達的壓力參數(shù)，選擇本文研究的液壓系統(tǒng)最大工作壓力Pm=45Mpa。根據(jù)壓力降額匹配，液壓系統(tǒng)額定匹配壓力由如下公式計算：

液壓系統(tǒng)最高匹配壓力為：

2.3.2 角功率

在液壓元件參數(shù)匹配中，常常采用一種簡便的方法——角功率法。即從同時使車輛要求的最大轉(zhuǎn)矩和最高車速得到滿足出發(fā)，使馬達角功率與車輛角功率相吻合來選定馬達的排量規(guī)格，進而確定馬達選型，然后根據(jù)馬達規(guī)格計算液壓泵的規(guī)格參數(shù)，整個匹配過程，在使用角功率法的基礎(chǔ)上，依照從后往前（從輸出到輸入）的方向，以此對馬達、泵的規(guī)格參數(shù)進行匹配，符合車輛實際作業(yè)中，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速隨負(fù)載大小變化而調(diào)節(jié)的原理。

角功率計算公式如下：

式中：Pjj——車輛的角功率，kw；

Mkmax——驅(qū)動輪的最大轉(zhuǎn)矩，Nm；

nkmax——驅(qū)動輪的最大轉(zhuǎn)速，r/min；

Ftmax——最大切線牽引力，N；

umax——最高設(shè)計車速，km/h。

2.3.3 馬達選型

機場除雪車的液壓傳動系統(tǒng)中有兩個排量相同的變量馬達，起到把液壓泵輸出的流量分流的作用，同時也是對泵的輸出功率進行分流。定義馬達的輸出功率為馬達的角功率，各個馬達角功率乘以主減速器機械效率的總和即為車輛的角功率。采用角功率法對馬達進行選型計算，從同時滿足車輛要求的最大轉(zhuǎn)矩和最高車速出發(fā)，使馬達角功率與車輛角功率匹配來選定馬達。

馬達角功率與車輛角功率的計算公式如下：

式中：Pmj——馬達的角功率，kw；

η2——馬達與驅(qū)動輪間主減速器的傳動效率，0.95～0.97，本文取η2=0.95；

Z——馬達數(shù)量，本文取Z=2；

將式（4）代入式（5），得：

兩口子忙了半下午,瞅瞅,日光已經(jīng)西斜了。看來覺是不能睡了,也睡不著了。相反,兩人的精神頭,倒比睡著了更好。

馬達排量規(guī)格需要滿足下式：

式中：

0.95 為馬達機械效率；

nmmax——馬達最大轉(zhuǎn)速，r/min；

Vmmax——馬達最大排量，ml/r；

P'm——液壓系統(tǒng)最高匹配壓力，上文已確定為35。

2.3.4 液壓泵選型

液壓泵應(yīng)該馬達之間存在流量平衡，需要滿足馬達流量需求，同時，液壓泵與發(fā)動機之間又存在功率平衡，吸收發(fā)動機輸入的功率[2]。有如下公式表示：

式中：

0.95 為液壓泵機械效率；

Vbmax——液壓泵最大轉(zhuǎn)速，r/min；

nsmm——馬達最大排量時要求的最高匹配轉(zhuǎn)速，r/min；

η1——發(fā)動機與泵之間的傳動效率；

ΔPb——泵的壓差，MPa；

neH——發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速，也是泵的額定匹配轉(zhuǎn)速，r/min；

本文選取型號為的變量泵，最大排量為180cm3/r，最小排量為0cm3/r。

3 AMESim液壓傳動系統(tǒng)建模與仿真

AMESim最早由法國Imagine公司于1995年推出，2007年被比利時LMS公司收購。AMESim是一多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，提供了一個系統(tǒng)工程設(shè)計的完整平臺，便于用戶進行仿真計算和深入分析。

AMESim中包含了豐富的元件應(yīng)用庫，用戶可以直接使用其內(nèi)的元件。此外，還能夠通過AMESet擴充或創(chuàng)建特殊的應(yīng)用庫。常用的應(yīng)用庫包括：機械庫、信號控制庫、液壓庫（包含管道模型）、液壓元件設(shè)計庫（HCD）、動力傳動庫、液阻庫、電機及驅(qū)動庫、冷卻系統(tǒng)庫等[3]。作為一個多元化的設(shè)計平臺，AMESim還具有與其他軟件聯(lián)合的接口，例如，Simulink、Adams、dSPACE、RTlab、Simpack、Flux2D7 等軟件。

圖6 除雪車靜液壓傳動模型

依照上文繪制的液壓工作原理圖,用 AMESim中的液壓庫、機械庫、信號控制庫建立除雪車液壓傳動系統(tǒng)模型如圖6所示。其中，發(fā)動機、柔性連軸器、負(fù)載來自機械庫，液壓泵、液壓馬達、溢流閥、沖洗閥、單向閥、過濾器、油箱來自液壓庫，信號輸入元件出自信號庫。發(fā)動機通過柔性聯(lián)軸器向液壓系統(tǒng)中輸入動力，補油泵向主泵和液壓馬達構(gòu)成的閉式回路中供油，兩個液壓驅(qū)動馬達并聯(lián)，分別驅(qū)動車輛前、后軸，沖洗閥起到輸出高溫?zé)嵊停⒔档突芈穳毫Φ淖饔?，另外，冷卻泵驅(qū)動冷卻馬達，對系統(tǒng)進行冷卻降溫。

圖7 液壓泵仿真結(jié)果

通過信號輸入控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一秒內(nèi)達到1300r/min，并在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作；研究中通常取變量泵和變量馬達排量為一系列定值，看做定排量進行靜態(tài)分析[4]，根據(jù)上文匹配的結(jié)果，選取主泵最大排量 180，兩個液壓馬達排量設(shè)為最大排量160；冷卻馬達排量為14，補油泵排量為39.8，冷卻泵排量為11，溢流閥壓力設(shè)為150bar；仿真時間設(shè)置為10s，運行模型，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖8 液壓馬達仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可知，液壓泵和馬達的工作壓力最終穩(wěn)定在330bar，小于上文降額匹配的最高匹配壓力350bar，符合設(shè)計需求；液壓泵的輸出流量最終穩(wěn)定為250L/min，單個馬達流量為100 L/min，兩個馬達并聯(lián)，馬達系統(tǒng)總輸入流量為200 L/min相差的50 L/min的流量在溢流中損失，滿足泵-馬達系統(tǒng)的流量連續(xù)性；泵的輸入轉(zhuǎn)矩為630Nm，馬達輸出轉(zhuǎn)矩為-530Nm；液壓泵和馬達的仿真曲線在第一秒沒存在明顯波動，之后達到穩(wěn)態(tài)，后期可以添加自適應(yīng)控制系統(tǒng)，提高液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 總結(jié)

本文就工程車輛液壓傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和工作參數(shù)的配置做了研究分析，確定了液壓系統(tǒng)工作原理圖，匹配發(fā)動機功率、液壓額定工作壓力， 對馬達和液壓泵進行了選型工作。這些是后續(xù)進行流量耦合、恒壓耦合系統(tǒng)研究，以及液壓傳動系統(tǒng)控制研究的必不可少的前期準(zhǔn)備，并且為建立液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型提供仿真參數(shù)依據(jù)。用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果驗證了參數(shù)配置的正確性，仿真曲線的擾動，指明了研究液壓系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的必要性[5]。

[1] 車輛全液壓行走系統(tǒng)的分析與研究[J]. 安輝,徐寶富,王鳳麗,鐘曉竹,宋蘊璞. 建筑機械. 2005(05)

[2] 車輛液壓驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理及參數(shù)匹配[J]. 姚懷新. 中國公路學(xué)報. 2002(03)

[3] 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究[D]. 劉海麗.西北工業(yè)大學(xué).2006

[4] 新型離心拋揚式除雪車液壓系統(tǒng)的設(shè)計[D].趙坤.大連交通大學(xué).2015

[5] 變量泵控制變量馬達系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制算法[J]. 王巖.北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2010(12).

Engineering vehicle hydraulic transmission system structure analysis and parameter configuration

Xie Yuhang, Wang Shicheng
( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002 )

in this paper, the basic circuit of hydraulic transmission system control mode and driving scheme is studied,combined with the design requirements, determine the use of closed circuit, high-speed driving scheme of variable pump variable motor speed control volume, and draw the working principle of hydraulic system diagram. Then, the relevant parameters are configured to match the power and work pressure of the engine, and the hydraulic components are selected.Finally, the hydraulic system model is established by using AMESim software to verify the correctness of the system design and parameter configuration in the early stage.

hydraulic transmission; closed loop; volume control; matching pressure; AMESim

TP271.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-135-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.047

謝宇航，(1992-)，男，碩士研究生，研究方向汽車傳動與控制?；痦椖浚簷C場除雪車靜液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計基金項目（Y2016 312）。