移動液壓的趨勢與最新進展2

1、移動液壓的趨勢和最新進展Hubertus Murrenhoff亞琛工業(yè)大學(xué)流體動力與控制研究所摘要：流體動力傳動尤其是移動液壓，在沒有電網(wǎng)的地方具有較強的競爭力，這些流體動力主要有內(nèi)燃機提供。本文首先介紹了這些差異與流體動力的系統(tǒng)控制，探討了傳動系統(tǒng)的主要進展，對于一些例子，本文展示了在全速度范圍內(nèi)的效率。由于燃油價格上升和減少溫室氣體二氧化碳增長的意識的提高，80年代初的一些回收制動能量的想法又變得重要起來。因此，本文討論了關(guān)于性能改進與節(jié)能的現(xiàn)代概念。第二部分探討了單一動力源下動力分配。通常由內(nèi)燃機帶動流量控制柱塞泵來提供工作壓力。最后介紹了工業(yè)中負(fù)載感知和電液控制的進展。本文是對五月七號

2、在意大利召開的“動力傳遞的未來”上所做演講的擴展。1. 引言在接下來的10年中，我們可以假設(shè)，在移動場合內(nèi)燃機作為的初級動力源將起到重要作用。這也將鞏固流體動力的地位。原因如圖1所示。在固定應(yīng)用場合，動力源通常為電力網(wǎng)，電力由位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)電廠提供。電能想機械能的轉(zhuǎn)換是必要的，且通常由電動機實現(xiàn)。電動機可以是恒速的也可以經(jīng)由變頻器變速。因此液壓驅(qū)動方案與電力驅(qū)動方案相比需要一套額外的能量變換系統(tǒng)。即使有這種先天性的不平等，液壓驅(qū)動在很多地方也有優(yōu)勢。例如在需要大的直線力時（壓力，車床，注塑機）或者間隔或者動態(tài)特性非常重要時。然而在移動應(yīng)用場合，我們從一開始就面臨同樣的條件。內(nèi)燃機為發(fā)電機提供

3、動力，發(fā)電機帶動變頻器或者變量泵進而驅(qū)動活塞或者電動機。由此，圖2指出了液壓傳動的特點。功率與重量的比值對于移動裝備設(shè)備來說非常重要。他也是表征出色加速能力和動態(tài)特性的指標(biāo)。它還具有與高動態(tài)相關(guān)聯(lián)的出色的加速度能力的優(yōu)勢。簡單的線性運動已經(jīng)在上文中提及，接下來我們將通過幾個例子來介紹其出色的可控性，其可控性可通過現(xiàn)代泵和閥控系統(tǒng)可以來實現(xiàn)出色的可控性，后面我們將看幾個例子。過載保護通過由簡單的泄壓閥提供，熱量將通過流體介質(zhì)排出循環(huán)回路。該回路設(shè)計容易，且具有柔性靈活，現(xiàn)代機械也允許可以使用可生物降解的合成酯作為壓力介質(zhì)。液體液壓動力也很容易分布到輪系驅(qū)動和工作液壓中，其效率也要優(yōu)于機械驅(qū)動，這

4、點我們將在下章進行討論。在開始設(shè)計和布置液壓回路時，我們需要將重點放在液壓動力控制的系統(tǒng)性上，。如圖3所示，其回路中分為水平軸的功率控制模式和垂直軸的液壓力動力供應(yīng)模式。其控制可以通過負(fù)載或者，液壓閥的動作或者單元動作動作單元來實現(xiàn)?？紤]到動力供應(yīng)就電源而言，我們可以區(qū)分流量與壓力。象限1圖通常應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。象限2圖應(yīng)用與動態(tài)特性比效率更加重要的標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)磚的伺服液壓解決方案，這里動態(tài)特性比效率更重要。在移動應(yīng)用領(lǐng)域，我們可以看到象限3圖和象限4圖在驅(qū)動解決方案中的使用應(yīng)用。在下一章將會具體討論幾個例子。對于工作壓力而言，其情況較為復(fù)雜，將在第三章進行舉例討論。2. 傳動系統(tǒng)為了能夠?qū)?nèi)燃

5、機的動力傳動給輪系需要一個傳動系統(tǒng)。他它的主要任務(wù)就是轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)輪系的要求。圖4展示了四速首都手動變速箱的質(zhì)量特性定性特征。最大功率曲線由發(fā)動機潛力性能確定。取決于所選擇的齒輪，雙曲線只在很小部分區(qū)域觸及。根據(jù)所選擇的齒輪的不同，曲線在幾個地方相切。這樣，為了最佳利用發(fā)動機，需要很多的齒輪。因此無級變速方法（CVT）是最合適的。對于利用典型的柴油發(fā)動機的運動特性，其效果如圖5所示。效果如圖5典型柴油發(fā)動機馬達(dá)特性圖所示，對比CVT與和具有扭矩轉(zhuǎn)換器的四速手動變速方法相比，CVT在部分載荷下可以節(jié)省12%的燃料。亞琛大學(xué)流體動力傳動與控制研究所（IFAS of RWTH Aachen

6、University），布倫瑞克大學(xué)，德累斯頓大學(xué)和卡爾斯魯厄大學(xué)，聯(lián)合德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會（VDMA）和企業(yè)開展了一個研究項目，項目內(nèi)容是以模擬和研究移動機械的傳動系統(tǒng)。其目標(biāo)是建立如圖6所示的典型傳動系統(tǒng)的仿真模型。這些模型包括從發(fā)動機到輪系間所有齒輪，離合器和靜壓裝置的效率。仿真模擬背后的一個重要部分就是進行零部件和整個傳動系統(tǒng)的實時測量以驗證模擬數(shù)據(jù)仿真數(shù)據(jù)。研究的驅(qū)動配置包括 傳動配置研究包括： 動力分配 多馬達(dá)概念 液力變矩器 單傳動要獲得可對比有對比性的仿真數(shù)據(jù)，有必要定義和使用負(fù)載周期，這里輪式裝載機的Y周期被用于比較不同的傳動系統(tǒng)。Y周期的仿真結(jié)果如圖7所示。用不同的顏色

7、標(biāo)示效率，紅色代表低效率，綠色代表高效率。虛線代表120kW的功率曲線為120kW。左上部分描繪了John Deere 6920 動力分配傳動。他它限制了最小速度和特征下的拉力，突出了隨著負(fù)荷和速度的增加，效率也上升了增加了托舉負(fù)荷和速度的效率。多馬達(dá)概念模擬了Liebherr L 544 齒輪，表明在隨著高負(fù)載的降低其在全速度范圍內(nèi)都有較好的效率，降低了高負(fù)載。左下角圖液力變矩器傳動系統(tǒng)的變速器傳動系是基于O & K L 25 B 并且使用了四檔速齒輪箱?？梢宰R別出高效率的環(huán)島區(qū)域，但是在低速時效率急劇下降。這是基于扭矩轉(zhuǎn)換器的性能。 單一驅(qū)動傳動仿真模擬不是基于某個已經(jīng)實現(xiàn)的驅(qū)動真實的傳動

8、概念。模擬仿真的主要目的是將其與其他概念進行對比。在沒有附加額外變速箱的情況下，只適合在低速范圍并具有較高效率其只在低速范圍內(nèi)具有較高的效率，除了特別低速效率較低外下除外。最終最后，圖8對兩個概念進行了直接進行了對比。對于這個比較，對比中實際上使用了通常使用在輪式裝載機上的傳動系統(tǒng)。這些是多馬達(dá)概念和液力變矩器。如圖所示使用了四個工作點。綠條代表輪上的功率輸出。藍(lán)色代表機械部分的功率損耗。紅色代表液力變矩器的功率損耗，橘黃色代表靜壓單元的功率損耗。盡管結(jié)果在2 3 4工作點沒有表現(xiàn)出特別的不同，但是我們可以清晰的看到靜壓驅(qū)動方案的優(yōu)勢，那就是在低速下具有較大的拉力。流體動力的一個優(yōu)勢就是具有回

9、收制動能量的能力。這很早以前就知道了。但是只是在80年代初的能源危機時才有了一點進展，也沒有真正大規(guī)模實施的案例。圖9 可以用來闡述關(guān)于儲能和再利用的兩個主要的克星的解決方案。這個閉環(huán)靜壓傳動系統(tǒng)將制動能量饋送給泵運行而不是作為馬達(dá)。在使用異步電動機的情況下，能量將反饋給電網(wǎng)。使用飛輪的內(nèi)燃機對于占用能量是非常必要的當(dāng)能量不應(yīng)該在內(nèi)燃機中轉(zhuǎn)換成熱量時。這對于二次控制的馬達(dá)是不同的。這里液壓儲能器可以儲存和施放能量。當(dāng)靜壓傳動時，壓力并不改變，當(dāng)制動單元作為泵偏心運行時將能量反饋給儲能器。過了將近四分之一個世紀(jì)的時間，想法才被莫納什大學(xué)和Permo-Drive公司再次使用開發(fā)。操作的示意圖如如1

10、0所示?？勺冹o壓單元被放置于驅(qū)動軸上，驅(qū)動軸的外殼安裝在底座上?？勺冹o壓單元具有偏心運動可以作為泵或者馬達(dá)運動的能力。所述單元叫做再生驅(qū)動軸。在靜態(tài)運動下，流量或者位移為0.當(dāng)制動時，單元被替換，泵驅(qū)動流體留下高壓儲能器，這在加速過程中反復(fù)使用，以反饋給單元而不是作為馬達(dá)運行。加速性能的提升如圖11所示，獲得軍用車所需速度16的時間為在沒裝RDS時間的一半。圖12為所述單元的剖面圖，并展示了單元在卡車中的位置。另一個想法就是利用附加的位移控制單元加到現(xiàn)有的驅(qū)動軸上驅(qū)動車輛。 這個單元通過離合器嚙合或者脫開，當(dāng)需要沖、放壓力的時候高壓蓄能器與單元相連接，如圖13.右側(cè)有顏色標(biāo)識的圖證明一個想法，

11、就是蓄能器尺寸是非常重要的對于質(zhì)量一定的車輛，當(dāng)其從一個速度剎車或者從停止開始加速。對于城市公交和垃圾車，蓄能器體積計算大約為30到60.1. 當(dāng)使用靜壓驅(qū)動系時，系統(tǒng)需要將閉環(huán)轉(zhuǎn)換為開環(huán)如圖9所示。最后，圖14顯示了系統(tǒng)性能潛力提升和獲得了30%的燃料節(jié)省。次級控制電機需要一個可調(diào)位移單元。在一些應(yīng)用中，像液壓缸這個選項沒有給出，由于不知道液壓缸的連續(xù)可調(diào)的有效面積。這就是為什么在一泵驅(qū)動多個液壓動力消耗情況下負(fù)載感知型依然在使用。發(fā)展趨勢將在下一章進行討論。具有恒壓供應(yīng)的能力的壓力變送器是必要的。他可以調(diào)節(jié)液壓動力到液壓缸所需的水平，也可以將過剩的動力補充給液壓動力網(wǎng)，其原理圖如圖15右側(cè)

12、圖，左側(cè)為產(chǎn)品單元的橫截面。INNAS，NL公司發(fā)明了更簡單的設(shè)計。此處的控制是通過在控制板上添加一個外端口并繞其軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的，如圖16.控制焦可以改變端口間的壓力比，壓力的提升也成為可能。當(dāng)四象限操作需要時，IHT型已經(jīng)在移動應(yīng)用中被測試和證明。為了進一步提高此項創(chuàng)新的效率，INNAS公司也發(fā)明了浮杯原理。他可以承受汽車應(yīng)用中大產(chǎn)量的潛在要求。浮杯是一個相當(dāng)新的軸向柱塞機，背靠背設(shè)計，裝有大量的活塞，擁有較低的摩擦性能。原理圖如圖17.浮杯的與活塞的最大角度由活塞形狀決定，摩擦優(yōu)化性在10%。浮杯原理的設(shè)計天特點在于他喲大量的活塞，大約是傳統(tǒng)活塞單元的三倍。這樣可以顯著的減少轉(zhuǎn)矩脈動，如P

13、arker在IFAS測量結(jié)果圖18所示對比這三個排量設(shè)計，浮杯原理的優(yōu)勢清晰的體現(xiàn)出來，高效、轉(zhuǎn)矩范圍廣。考慮到這些優(yōu)越性能，我們提議“液力-車輛”，如圖19所示。1. 恒流靜壓泵2. 液力變送器3. 通用液力軌道，高壓4. 通用壓力軌道；低壓5. 壓力儲存器6. 內(nèi)燃機7. 供應(yīng)泵它具有永久四輪驅(qū)動，每個車輪上有一個恒排量浮杯馬達(dá)。內(nèi)燃機驅(qū)動液壓泵，流入通用高壓軌道。低壓軌道可以保證單元充分填充。能量控制通過應(yīng)用浮杯原理的液力變送器實現(xiàn)。如從電業(yè)混合解決方案中所知道的，制動能量可以被儲存，但是不需要兩個驅(qū)動系統(tǒng)（機械和電力的）彼此相鄰。發(fā)動機從負(fù)載中解耦，變送器允許提高壓力以提升啟動和加速轉(zhuǎn)

14、矩。這一新型概念車的模擬結(jié)果將在于2008年春天德累斯頓召開的第六屆IFK上宣布。3 工作壓力在移動設(shè)備上不能使用液力變送器，能量的分配通常需要一個泵來驅(qū)動多個執(zhí)行器。這與驅(qū)動系不同，驅(qū)動系通常一個泵帶動一個馬達(dá)靜壓傳動，或者馬達(dá)作為二級控制單元。由于這個原因，負(fù)載感知系統(tǒng)在很長一段時間都在使用。兩種系統(tǒng)的應(yīng)用如圖20所示。左邊為電-機負(fù)載感應(yīng)保持計量閥之間的壓力差恒定。這個閥連接到操作員的操縱桿，最高的負(fù)載反饋給泵的LS控制器以保證壓力恒定。對于使用低壓的執(zhí)行器，要保持與之相連計量閥之間的壓力差恒定，需要單獨的壓力補償器。如果最大的泵流量超標(biāo)就會出現(xiàn)問題。在這種情況下，負(fù)載最高的執(zhí)行器減慢而

15、且不能被操作員充分控制。由于這個原因，可以通過一個簡單的方法客服這個問題，那就是在壓力補償器的上游放置一個計量閥。 每個執(zhí)行器的單獨壓力與系統(tǒng)的最高壓力進行對比，壓力補償器在可控的位置以防止兩端出現(xiàn)相同的壓力。在最高泵流量情況下，壓力將會降低以減小計量閥的壓力差，進而導(dǎo)致所有流量適當(dāng)減少。一個改進的想法，圖21，稱為有電子流匹配的負(fù)載感應(yīng)。這樣既可以節(jié)省時間有可以提高系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)LS系統(tǒng)的壓力控制泵被純排量控制單元替代。排量通過閥體的流量進行控制。這表明了一個有點就是泵可以不用根據(jù)負(fù)載壓力的改變而相應(yīng)動作。他的運作更強大穩(wěn)定。泵排量與閥門的開閉實時同步，通過液壓回路中的液體能量來繞開時間偏移

16、。壓力損失不在由一個固定的壓差決定按，而且通常比較低，因為p的減少。在割草拖拉機上行的真是測量表明，能量損失減少了24%，效率提升了5%，相對于傳統(tǒng)的電-機 LS系統(tǒng)。性能的提高如圖22所示。例子中的拖拉機具有循環(huán)負(fù)載。EFM系統(tǒng)中的階躍響應(yīng)更快，且顯示了更好的阻尼。最近另一個有趣的新進展如圖23所示。他包括一個電液閥門，閥門集成了多個傳感器和在電液負(fù)載感知電路中使用的電子器件。通過參數(shù)的增加了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。音圈系統(tǒng)在閉環(huán)中控制滑閥位移。壓力和排量傳感器集成于殼內(nèi)。最后圖25展示了控制器例子的設(shè)置。液壓缸通過使用在拉赫活塞面積的流量控制和桿面的壓力控制使挖掘機手臂向上移動。4 總結(jié)與展望著眼于移動液壓的特殊情況，流體傳動在傳動系和工作液壓體系應(yīng)用上的優(yōu)勢并未打破。然而 連續(xù)的改進現(xiàn)在的方案，產(chǎn)生并轉(zhuǎn)換新的想法與創(chuàng)意是非常重要的。我們可以看到四個象限都用到了來更好的服務(wù)顧客。由于燃料費用的上漲和減少溫室氣體排放意識的增強，能效驅(qū)動著相關(guān)的開發(fā)活動?？雌饋碓谥苿幽芰坷梅矫娴耐黄埔呀?jīng)很近了。把這些系統(tǒng)引入市場以增加對傳統(tǒng)解決方案的競爭優(yōu)勢是值得的。提出了新的高效的具有浮杯式流量單元混合動力系統(tǒng)解決