液壓驅動裝置性能比較

液壓驅動裝置性能比較

1.3轉速性能對比在上一節(jié)中，討論了低速、低速和高速執(zhí)行器之間的性能差異。為了更了解它們之間的性能差異，比較了啟動能力、低速穩(wěn)定性、傳動效率、畸變性能和旋轉性能、安裝尺寸和價格。(1)高速馬達驅動裝置等效排量相同的各種液壓驅動裝置在同等工作條件下進行的效率比較試驗資料不多，圖20是POCLAIN公司提供的內曲線低速大扭矩馬達與高速馬達減速驅動裝置的總效率對比圖；圖20(a)為S18-2C內曲線低速馬達，排量1747mL/r，背壓1MPa，油溫50℃；圖20(b)為高速馬達裝置，馬達排量為58mL/r，等效排量為5636mL/r，背壓為1MPa，油溫50℃。兩種裝置等效排量和工作轉速均不相同，可比性稍差，但定性分析仍具意義。高速馬達驅動裝置在平均意義上比低速驅動裝置效率低6%左右，圖示高速驅動裝置中減速機速比為98.7，為多級行星傳動，一級行星傳動損失效率約為2%，可以認為兩種驅動裝置效率的差異主要由減速機造成，馬達本身傳動效率相當。中速馬達驅動裝置的擺缸式徑向馬達效率高于低速馬達和高速馬達2%以上，與一級行星減速傳動組成中速驅動裝置后效率仍然很高，特別是繞開了馬達的低轉速區(qū)，高轉速區(qū)轉速也不太高，不致造成減速機損失增加，因此中速驅動裝置在整個工作區(qū)域有最高的傳動效率。(2)高速裝置結構設計表3列舉了幾種驅動裝置的特性參數(shù)。由表中的直徑尺寸看，內曲線低速馬達和中速裝置相當，高速裝置有多級減速機使結構復雜尺寸稍大。幾種裝置尺寸盡管略有差異，但均可滿足使用要求。(3)運行轉速和轉速受液壓驅動裝置目前在轉速限制多作用的低速大扭矩馬達和擺缸式高速徑向柱塞馬達均有很高的啟動機械效率，由于小速比減速機機械損失很小，因而低、中速液壓驅動裝置均有啟動扭矩大的特點。高速馬達本身啟動機械效率低，加之多級減速損失大，故啟動能力差。低速穩(wěn)定性與低速時的機械效率及容積效率有關，機械摩擦和泄漏為低速不穩(wěn)定的主要因素，由各種馬達顯示出的低速特性可知，低速驅動裝置有良好的低速穩(wěn)定性，1～2r/min的轉速下可帶載穩(wěn)定工作；中速驅動裝置的擺缸式馬達盡管各效率很高，由于為單作用工作原理，低速平穩(wěn)性仍較多作用低速馬達為差，但與小速比減速機組成中速驅動裝置后適當升高了馬達轉速，整個裝置的低速穩(wěn)定性更好，可在1r/min以下穩(wěn)定工作；斜盤式高速馬達最低穩(wěn)定轉速為100～150r/min，斜軸式高速馬達為50～100r/min，因此當用于履帶或輪式低速機械(如壓路機)等驅動時，減速比大約在70～110之間，考慮減速機本身扭矩損失，高速液壓驅動裝置有望在2～3r/min的輸出轉速下帶載穩(wěn)定工作，而用于較高車速的輪式車輛時減速比在10～42之間，有望在5～10r/min以上的輸出轉速時帶載穩(wěn)定工作。(4)大排量范圍內運行速度對驅動裝置性能的影響對表3所列舉的性能參數(shù)可作如下分析。(1)低速驅動裝置最高輸出轉速由馬達本身轉速限制。中速驅動裝置減速機速比小，減速機輸入轉速為中低速范圍，整個驅動裝置的輸出轉速由馬達最高轉速限制。而高速驅動裝置由于減速機速比大，要求減速機輸入轉速很高才能達到輸出轉速要求，現(xiàn)代的高速馬達可以承受的轉速很高，而減速機(即使功率不大)受潤滑條件(一般為飛濺潤滑)和噪聲及散熱條件(自然散熱)等因素限制，允許的最高輸入轉速不超過4000r/min，當考慮到傳動效率后一般為3000r/min以下，因而整個驅動裝置的輸出轉速受減速機允許的輸入轉速限制。表3中的數(shù)據(jù)未考慮傳動效率限制條件，否則高速驅動裝置的輸出轉速將更低。(2)當?shù)刃帕枯^小在1500mL/r以下時，低速驅動裝置最高輸出轉速最低，高速裝置略高，而中速裝置最高(高1/3左右)，假定表3中各裝置最高壓力相當且不計等效排量的微小差異，則轉速高低表明裝置角功率大小及傳遞能量的能力和變換范圍的大小。顯然在小等效排量范圍內，低速和高速裝置扭矩和轉速性能相當，而中速裝置有明顯優(yōu)勢；當排量增加到中等排量范圍(2500～5000mL/r)，各種傳動裝置性能參數(shù)接近；當排量繼續(xù)增大到大排量范圍(一般為5000～10000mLr)，三種驅動裝置性能差異增大，轉速高低依次為中速、低速、高速裝置。等效排量增大，高速驅動裝置性能變差的主要原因是：在小排量和中等排量范圍內，高速裝置可以使用較小速比減速機和較小排量馬達構成所需等效排量，此種情況下減速機速比一般在20～30之間可形成馬達和減速機的最優(yōu)配合(指驅動裝置性能價格比最高)，由于減速機速比較小因而輸出轉速較高，多為輪式車輛使用，因而又稱為輪式驅動裝置；當達到大排量范圍時，可以使用大速比減速機和較小排量馬達或者使用較小速比減速機和較大排量馬達組成所需的等效排量驅動裝置，由于馬達排量增大轉速降低不多，因而選用較小速比減速機和較大排量馬達組成相同等效排量的驅動裝置時，輸出轉速較高，即角功率較大；然而用小排量馬達和大速比減速機組合時情況就不同了。表3中兩種等效排量相近的高速馬達減速驅動裝置(等效排量為5063和5166以及9684和10529兩組)參數(shù)說明了這一點。因此應根據(jù)驅動所要求的等效排量和輸出轉速決定使用大排量馬達與小速比減速機組合還是選用小排量馬達和大速比減速機來組合驅動裝置，前者輸出轉速高，角功率大；但由于馬達大，小速比減速機功率大，因而驅動裝置成本高。表3中在5000～10000mL/r大排量范圍內高速驅動裝置顯示出較低的輸出轉速和角功率，正是由于選用了較小排量馬達和大速比減速機組成驅動裝置的緣故。這是基于最佳性能價格比考慮的，這一性能價格比對應之速比大約為80～110。由于速比大，輸出轉速低，因而多用于超低速的輪式車輛或履帶驅動，又稱為履帶驅動裝置。如上所述，通過加大馬達排量，專門設計一種減速比約為40～55的小速比大功率減速機，同樣可以組成一種與低速驅動裝置或中速驅動裝置性能參數(shù)相當?shù)拇笈帕?、高輸出轉速的高速驅動裝置，但這種裝置的代價太高了。由此可見，在大等效排量范圍內扭矩和轉速性能最高的為中速驅動裝置，既可用于低速車輛驅動，又可用于高速車輛驅動，其次為低速驅動裝置，性能較差的為高速驅動裝置，它僅適用于低速的輪式或履帶車輛驅動。(5)輪中獨立驅動幾種驅動裝置安裝均比較方便，常用于車輪(履帶)獨立驅動，也稱為分置式驅動。此外，高速馬達驅動裝置由于變量控制方式多還常用于車輛中央驅動，使用更廣泛。(6)．不同樹種，兩種低速驅動裝置受到馬達排量規(guī)格限制，有時不得不制造專用馬達，通用性差。中速和高速驅動裝置通過系列標準馬達和具有多種減速比的系列減速機組合，可以獲得更多的等效排量驅動裝置，可與多種工況要求匹配，馬達通用性強。(7)連續(xù)變量和驅動方式低速和中速驅動裝置多采用定量馬達或兩級變量馬達，變矩范圍小，中速驅動裝置僅有少數(shù)規(guī)格可連續(xù)變量。高速軸向柱塞馬達具有多種控制方式的連續(xù)變量馬達，必要時可加裝變速器(用于車輛中央驅動方式)，通過改變變速器速比可獲得更大的變換范圍。加以多種控制方式配合，適用范圍最廣，控制性能最佳，正因為如此，高速驅動裝置是現(xiàn)代自控式車輛發(fā)展的主流。(8)高速驅動系統(tǒng)與車輛低速驅動裝置直接在馬達輸出端設制動器，由于制動扭矩大，因而結構尺寸大，可靠性差，價格也高，低速內曲線徑向柱塞馬達及端面曲線軸向柱塞馬達“自由輪”工況可以空轉，無需離合器離合動力。高速驅動裝置制動器設置在減速機的高速級上，扭矩小，結構簡單，體積小，價格低。具有零排量的變量馬達在零排量時有空轉能力，而絕大多數(shù)最小排量非零的馬達則需要設置離合器，在馬達成為被動輪工況時切斷傳動，以防因高速拖動中馬達中循環(huán)油液流量大而發(fā)熱(馬達成為被動輪時均為車輛的輕載高速工況，只有部分馬達驅動工作，而另一部分馬達切斷供油，進出口接通成為小循環(huán))，同時還應設置特殊的補油系統(tǒng)以防馬達在高速空轉中因油液泄漏而產生空穴。由于使用不便，因此高速驅動裝置幾乎不在被動輪工況下工作。這在一定程度上影響著車輛變速范圍的擴大，成為制約四輪獨立驅動車輛普及發(fā)展的一個障礙(這一問題在后述車輛驅動方式中還將討論)。中速驅動裝置的制動器制動扭矩及特性介于低速與高速驅動裝置制動器之間。其擺缸式徑向柱塞馬達可以通過“真空”工作來形成類似的“自由輪”工況。與“自由輪”工況不同的是它的柱塞仍為往復運動但缸體中無油成為真空，而內曲線徑向柱塞馬達的柱塞縮入缸體不再往復運動，馬達的轉子體成為真正的自由輪空轉，“真空”工作與“自由輪”工作的液壓系統(tǒng)油路如圖21和圖22所示。(9)%抗溫性和抗污染性內曲線凸輪式低速馬達滾輪與軌道為線接觸且非勻速轉動，接觸應力大，潤滑條件差，耐溫和抗污染能力低。中速和高速驅動裝置這一性能好。(10)液壓馬達幾種基本概念液壓驅動裝置由精密機械元件(馬達)和普通機械元件(減速機)組成，這兩部分元件的技術含量(為成本一部分)和制造成本差異很大，作為一個將液壓能轉換為機械能的驅動裝置，存在著通過多大比例的精密元件和普通機械元件來完成這種能量轉換的問題。利用多大比例的液壓方式和多大比例的機械方式說到底是利用多大排量的馬達和多大速比的減速機，液壓馬達達最大排量使液壓比例達100%則為純液壓傳動，液壓馬達排量減小，則需增大減速機速比才能實現(xiàn)要求的等效排量。從理論上講，盡量多的利用機械元件來完成能量轉換是降低成本最佳的方式，然而這種方式變換性能差，當液壓馬達排量過小時會因轉速過高而無法達到所要求的性能指標，并且減速機速比過大使結構變得復雜，可靠性變差，效率降低，成本反而增加。因此合理的液壓環(huán)節(jié)和機械環(huán)節(jié)比例是使性能價格比最高的方式，中速馬達減速驅動裝置正是基于這一思想而發(fā)展起來的新型傳動裝置。實際情況與此相符：在小排量范圍內，由于能量變換難度低、數(shù)值小，簡單結構的純液壓元件即低速驅動裝置即可完成能量變換，因此低速和中速驅動裝置價格接近，而復雜的高速驅動裝置價格明顯偏高，這也正是在小排量范圍內內曲線低速馬達普遍應用的原因；在中、大排量范圍內，由于傳動難度增加，低速裝置和高速裝置或因成本增加，或因性能變差，最終均使性能價格比降低，中速傳動裝置取兩者之長，保持液壓和機械環(huán)節(jié)最佳分配比例，因而有較高的性能價格比。(11)動態(tài)性能對比幾種驅動裝置的慣性矩大小依次為高速、中速、低速驅動裝置，結合傳動效率和啟動扭矩考慮，則快速反應的動態(tài)性能以低速裝置最高，中速裝置與之接近，高速裝置最差。在需快速反應的車輛上，以及頻繁往復的機械上如叉車、小型裝載機、小型壓路機等使用低速、中速驅動裝置有良好的機動性和快速反應性，啟動、制動迅速，定位準確。(12)參數(shù)匹配問題影響液壓傳動裝置可靠性與壽命的關鍵因素是使用條件，即負荷模式、使用壓力、轉速等。低、中速驅動裝置工作中的薄弱環(huán)節(jié)為馬達，當達到高壓、高速時，馬達的可靠性與壽命對轉速和負荷模式(高壓作用時間)非常敏感，并且其敏感程度與油液溫度和過濾精度密切相關。為了使低、中速驅動裝置工作可靠