車輛液壓傳動與控制技術(shù)課件：車輛液壓行走驅(qū)動系統(tǒng) -

車輛液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，使讀者能夠掌握車輛液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)與液壓傳動裝置的參數(shù)匹配、車輛系統(tǒng)的控制方式以及車輛液壓傳動的參數(shù)設(shè)計(jì)、車輛的動力特性等方面的知識。上一頁下一頁教學(xué)要求

上一頁下一頁知識要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識發(fā)動機(jī)與液壓傳動裝置的參數(shù)匹配掌握發(fā)動機(jī)與液壓傳動裝置的匹配原則發(fā)動機(jī)的控制、液壓泵的靜態(tài)控制等液壓傳動的參數(shù)設(shè)計(jì)了解液壓傳動的參數(shù)設(shè)計(jì)角功率、有效傳動、馬達(dá)變換比、馬達(dá)選型、泵參數(shù)計(jì)算、輸入變速裝置車輛動力特性設(shè)計(jì)了解車輛動力特性設(shè)計(jì)的方法牽引性能指標(biāo)與牽引參數(shù)的關(guān)系以及驅(qū)動系統(tǒng)的效率導(dǎo)入案例

圖9.1車輛行走系統(tǒng)及控制上一頁下一頁導(dǎo)入案例

如同機(jī)械傳動和液力機(jī)械傳動方式一樣，當(dāng)發(fā)動機(jī)與液壓泵、馬達(dá)組成一個(gè)傳動系統(tǒng)后，該系統(tǒng)的綜合性能不僅受發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)各元件性能的影響，而且還要受到各部件性能參數(shù)之間是否合理匹配的制約。作為不同于傳統(tǒng)傳動方式的具有可控性的液壓傳動系統(tǒng)，其性能還特別受到控制方式的制約和影響。因此，液壓傳動系統(tǒng)必須很好地解決下列問題：（1）液壓泵與馬達(dá)性能參數(shù)的選擇；（2）液壓泵與發(fā)動機(jī)參數(shù)控制；（3）液壓馬達(dá)驅(qū)動方式選擇與控制。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上一頁下一頁圖9.2工程車輛液壓傳動系統(tǒng)示意圖9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖9.2所示為工程車輛液壓傳動系統(tǒng)示意圖，車輛驅(qū)動輪參數(shù)和發(fā)動機(jī)參數(shù)根據(jù)期望的車輛性能參數(shù)速度、牽引力等參數(shù)，這些參數(shù)滿足車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)生產(chǎn)率、作業(yè)質(zhì)量以及其它指標(biāo)要求，根據(jù)這些已知參數(shù)并結(jié)合液壓元件匹配的目標(biāo)要求可以對液壓元件參數(shù)進(jìn)行匹配計(jì)算。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓傳動元件匹配計(jì)算的目標(biāo)要求，是在滿足設(shè)計(jì)壽命要求下系統(tǒng)應(yīng)有較高的性能價(jià)格比。通常較小排量規(guī)格的元件有較低的成本，壽命則取決于匹配的最高壓力、持續(xù)壓力和工作轉(zhuǎn)速。降低使用壓力和轉(zhuǎn)速使壽命提高，但元件排量規(guī)格相應(yīng)增大使成本增高。因此滿足匹配目標(biāo)的要求實(shí)際上是通過合理設(shè)置工作壓力和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)圖9.2所示的傳動示意圖。實(shí)際匹配中常采用一種簡便方法：即從同時(shí)使車輛要求的最大扭矩和最高速度得到滿足出發(fā)，使馬達(dá)角功率與車輛角功率相吻合來選定馬達(dá)的排量規(guī)格，并以此作為后續(xù)匹配計(jì)算之基礎(chǔ)；減速器參數(shù)應(yīng)與馬達(dá)參數(shù)相匹配；然后根據(jù)馬達(dá)規(guī)格計(jì)算泵規(guī)格，泵必須能夠吸收要求的輸入功率，且必須與泵的驅(qū)動齒輪箱相匹配，泵還必須能夠提供馬達(dá)在達(dá)到要求轉(zhuǎn)速時(shí)所需的流量。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.角功率角功率是一種極限狀態(tài)的描述指標(biāo)，它不是通常能夠獲得的功率，但是它有效地綜合角功率性地反映了對傳動裝置規(guī)格和速比的要求，即反應(yīng)了傳動裝置的功率容量和變換能力。因此是設(shè)計(jì)過程中極為重要的參數(shù)。角功率P是最大驅(qū)動扭矩與最高轉(zhuǎn)速的乘積，圖9.3表明了這一概念。一個(gè)實(shí)際機(jī)器的動力裝置是由有限功率的動力源（發(fā)動機(jī)）與傳動裝置（液壓傳動裝置等）組成的，傳動裝置的任務(wù)就是根據(jù)外負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)動力源的有限功率中扭矩與轉(zhuǎn)速兩者之比例，使驅(qū)動扭矩與負(fù)荷扭矩相平衡。對一個(gè)有限功率值，扭矩大時(shí)則轉(zhuǎn)速小，因此角功率是不可能實(shí)際實(shí)現(xiàn)的。但是，一個(gè)傳動裝置如果具備了機(jī)器要求的角功率能力，則在其扭矩和轉(zhuǎn)速兩參數(shù)的調(diào)節(jié)變換過程中，總能找到一個(gè)滿足機(jī)器要求的最大扭矩點(diǎn)和另一個(gè)滿足機(jī)器要求的最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并且這兩個(gè)點(diǎn)均在傳動裝置所允許的工作范內(nèi)。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上一頁下一頁圖9.3機(jī)器的功率與角功率9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角功率公式如下:上一頁下一頁

對于具有多檔位機(jī)械變速器的傳動系統(tǒng)，必須根據(jù)每一擋位的工作范圍(輸出參數(shù))來計(jì)算機(jī)器角功率。9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.有效傳動比及泵、馬達(dá)變換比根據(jù)機(jī)器的角功率來確定滿足要求的液壓傳動裝置的有效傳動比Re，有效傳動比是機(jī)器角功率與傳動裝置額定輸出功率的比值，該比值類似于同等功率的機(jī)械傳動裝置的速比變換范圍，表示了所要求的液壓傳動裝置的變換比。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖9.3的B—C區(qū)間為液壓傳動裝置的變換區(qū)間，其輸入功率恒定，為發(fā)動機(jī)額定功率，通過液壓傳動裝置的無級調(diào)節(jié)來改變輸出參數(shù)，使之與驅(qū)動負(fù)荷相適應(yīng)。當(dāng)時(shí)，選用定量馬達(dá),速度和扭矩的調(diào)節(jié)由變量泵來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)時(shí)，用變量馬達(dá)，速度和扭矩的調(diào)節(jié)由變量泵和變量馬達(dá)共同完成；當(dāng)時(shí)，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)來綜合考慮選用定量馬達(dá)或變量馬達(dá)，對車輛傳動，變量泵需要有零排量功能。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對變量泵和變量馬達(dá)都有一個(gè)最佳變換比（即，最大排量/最小排量）的問題，對變量泵，發(fā)動機(jī)在額定工況時(shí)，輸入功率和轉(zhuǎn)速不變，不存在超速問題，通過排量和壓力兩參數(shù)乘積保持不變的恒扭矩調(diào)節(jié)方式即可完成功率傳遞及變換要求；變換比過大，則在最小排量時(shí)有可能使壓力過高影響傳動效率和元件壽命，或者在最大排量時(shí)有可能使壓力過低而不能充分發(fā)揮液壓泵能力。對馬達(dá)而言，通過改變排量，使其與壓力的乘積即輸出扭矩與負(fù)荷平衡，即完成自己的調(diào)節(jié)作用，通過與泵的流量耦合完成恒功率傳動；變換比過大，則最小排量時(shí)可能會使馬達(dá)超速，或者最大排量時(shí)會使轉(zhuǎn)速偏低而不能發(fā)揮工作能力。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)用定量馬達(dá)，時(shí)用定量馬達(dá)或變量馬達(dá)，時(shí)用變量馬達(dá)，即意味著變量泵的最佳變換比為2左右，最大不超過4，亦即排量比不小于0.25，最好不小于0.5；而變量馬達(dá)的最佳變換比大于2，一般推薦為2.5-3.5，以及排量比不小于0.3左右。根據(jù)泵和馬達(dá)的最佳排量比可以對傳動裝置的有效傳動比即各自的調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行分配。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)式中、分別為泵與馬達(dá)的變換比，、分別為泵與馬達(dá)的最小與最大排量比。當(dāng)時(shí)，應(yīng)在變量泵、變量馬達(dá)基礎(chǔ)上增加機(jī)械變速裝置。上一頁下一頁(9-3)9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.馬達(dá)選型計(jì)算由機(jī)器角功率計(jì)算要求的馬達(dá)的角功率：上一頁下一頁(9-4)式中：——要求的馬達(dá)角功率；

Z

——馬達(dá)數(shù)量；

——馬達(dá)與驅(qū)動輪間減速器傳動效率，0.95~0.97；

式（9-4）確定了能夠滿足機(jī)器工作要求的最小規(guī)格的馬達(dá)，對于具有變速器的多檔位傳動裝置，按不同檔位計(jì)算之角功率可能不同，應(yīng)將其中最大的角功率作為馬達(dá)選型的依據(jù)。9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)馬達(dá)排量規(guī)格由下式計(jì)算上一頁下一頁(9-5)式中：0.95——機(jī)械效率；

Pm

——液壓系統(tǒng)最高匹配壓力，由溢流閥限定；

qmmax——馬達(dá)最大排量；

nmmax——馬達(dá)最高匹配轉(zhuǎn)速（對變量馬達(dá)為最小排量時(shí)的最高匹配轉(zhuǎn)速表示為）。

一個(gè)系列的不同排量馬達(dá)最高標(biāo)定壓力pm相同。與馬達(dá)的排量qmmax和排量比有關(guān)，但最終由qmmax確定。因此，通過多次試選不同qmmax

的馬達(dá)可以由式（9-9）確定最小排量規(guī)格的馬達(dá)。為達(dá)此目的，在每一次試選qmmax

后都應(yīng)取該馬達(dá)的小排量下的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為式（9-5）中的目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，但考慮到發(fā)動機(jī)高速空轉(zhuǎn)或車輛制動都會使馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加等因素，為使在后續(xù)的馬達(dá)極限轉(zhuǎn)速校核時(shí)一次達(dá)到要求，減小反復(fù)計(jì)算的麻煩，建議取馬達(dá)小排量下的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為式中的目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析式（9-5）可以發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)實(shí)際發(fā)揮的角功率由乘積決定。當(dāng)馬達(dá)參數(shù)匹配計(jì)算完成后和確定，因泵排量非連續(xù)可選，選定的泵排量往往偏離匹配計(jì)算的理論值，對于不同排量的泵，如為變量馬達(dá)系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)馬達(dá)最小排量，使做相應(yīng)變化來改變馬達(dá)實(shí)際發(fā)揮的角功率，因此變量馬達(dá)傳動裝置的角功率僅由馬達(dá)來決定，即使泵的選定排量與理論要求值有偏差，也無須重新進(jìn)行馬達(dá)排量選擇。對于定量馬達(dá)，傳動裝置的角功率由決定，即由泵的轉(zhuǎn)速和排量決定。盡管馬達(dá)的角功率必須能夠滿足最大負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的要求，但泵也必須有足夠的能力使馬達(dá)在要求的匹配轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此在泵的選型完成之后，應(yīng)對定量馬達(dá)系統(tǒng)重新進(jìn)行選型計(jì)算。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.終端減速裝置選型馬達(dá)選定之后，應(yīng)計(jì)算要求的終端機(jī)械減速裝置速比。減速(變速)裝置應(yīng)同時(shí)滿足最大輸出扭矩、速比和最大輸入轉(zhuǎn)速的要求。

(1)根據(jù)滿足最大輸出扭矩要求來確定需要的速比i2，此時(shí)液壓系統(tǒng)為最高壓力Pm，馬達(dá)為最大排量，馬達(dá)機(jī)械效率取0.95上一頁下一頁式中式中

為行走裝置最大輸出扭矩。實(shí)際選用的速比應(yīng)盡量取等式值，否則會使車輛速度降低，若保持車輛速度不變有可能使馬達(dá)超速。無論對定量還是變量馬達(dá)系統(tǒng)，如果無法在式(9-6)的條件下獲得合適的減速裝置，則只有靠增大馬達(dá)的排量

使式(9-6)得到滿足。（9-6）9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2）根據(jù)減速裝置速比i2，對馬達(dá)大排量和最小使用排量對應(yīng)的匹配轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算并校核（由后向前)，按下式進(jìn)行上一頁下一頁(9-7)(9-8)式中：、——馬達(dá)最大和最小排量時(shí)要求的最高匹配轉(zhuǎn)速； 、——馬達(dá)最大和最小排量時(shí)最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速。9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(3)減速裝置的最高輸入轉(zhuǎn)速、最大輸出扭矩和持續(xù)輸出扭矩均不得超過許可值。機(jī)械減速裝置允許的持續(xù)扭矩約為最大扭矩的1/2~1/3，最高不超過75％，最大負(fù)荷扭矩發(fā)生在液壓系統(tǒng)最高壓力Pm與馬達(dá)為最大排量時(shí)對應(yīng)的工況下，由于額定匹配壓力為工作機(jī)械“滿鏟平均壓力”機(jī)器整個(gè)工作循環(huán)中的平均負(fù)荷要低于“滿鏟平均負(fù)荷”，因而減速裝置的負(fù)荷持續(xù)扭矩小于額定匹配扭矩，不會超過負(fù)荷最大扭矩的70％，因此，按最大扭矩條件校核之后，持續(xù)扭矩可以不必校核。減速裝置的最高允許輸入轉(zhuǎn)速可以作為最高持續(xù)輸入轉(zhuǎn)速使用。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.輸入變速裝置

發(fā)動機(jī)與液壓泵的聯(lián)接常用兩種方式，即發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動和通過輸入變速裝置(常稱為分動箱)間接驅(qū)動，兩種方式各有優(yōu)點(diǎn)。直接驅(qū)動常用于單泵或2~3個(gè)同軸驅(qū)動的串聯(lián)泵，結(jié)構(gòu)簡單，一般說來成本略低。其缺點(diǎn)為串聯(lián)泵中的某泵發(fā)生故障會影響其它泵工作，使整機(jī)喪失功能。從成本方面講，由于泵與發(fā)動機(jī)同速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速往往低于泵額定轉(zhuǎn)速而使泵的轉(zhuǎn)速能力得不到充分發(fā)揮，通過選用較大排量的泵來達(dá)到功率匹配會使機(jī)器成本增加；加之串聯(lián)泵之間的過渡聯(lián)接件有相當(dāng)?shù)某杀荆C合起來講直接驅(qū)動方式的成本并非一定低于分動箱驅(qū)動成本。分動箱驅(qū)動方式各泵互不干擾，結(jié)構(gòu)合理，可通過齒輪傳動速比的調(diào)節(jié)來選擇性能與成本綜合指標(biāo)最高的泵，目前專業(yè)化配套的分動箱與發(fā)動機(jī)和泵之間接口均已標(biāo)準(zhǔn)化，無須任何自制零件，質(zhì)量好、工作可靠、使用方便。當(dāng)選用增速齒輪傳動時(shí)，可以用泵排量減小的成本對分動箱增加的成本進(jìn)行補(bǔ)償。上一頁下一頁9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)、分動箱、液壓泵之間的轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系為上一頁下一頁(9-9)式中：——泵額定匹配轉(zhuǎn)速；

——發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速；

i1——分動箱轉(zhuǎn)速比。9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.泵參數(shù)計(jì)算泵參數(shù)計(jì)算的條件為滿足最大流量的要求，取泵、馬達(dá)容積效率均為0.95，則上一頁下一頁(9-10)泵排量確定后其對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速己知，用下式校核泵轉(zhuǎn)速 (9-11)同時(shí)應(yīng)根據(jù)泵的供油量重新校核馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(由前向后)，因?yàn)橐陨线x定的泵排量通常大于要求排量，馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速會比要求轉(zhuǎn)速略高。9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于定量馬達(dá)，按下列式9-12來確定馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與其最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速比較，式（9-12)的計(jì)算條件為下坡行駛液壓系統(tǒng)制動工況。上一頁下一頁（9-12）(9-13)對于變量馬達(dá)，應(yīng)同時(shí)確保最大排量和最小排量兩種工況下的使用轉(zhuǎn)速均不超過其標(biāo)定值。(1)確定最大排量工況是否滿足要求，按式（9-12)、(式9-13)校核；(2)計(jì)算馬達(dá)最大排量；（9-14）9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（3)計(jì)算與上述排量對應(yīng)的馬達(dá)最小排量比上一頁下一頁（9-15）除了特殊需要取為零外（已無驅(qū)動能力，這種情況一般用于多個(gè)馬達(dá)同時(shí)驅(qū)動一個(gè)變速裝置，有利于平穩(wěn)換檔），一般從傳動效率考慮應(yīng)按下式進(jìn)行校核（9-16）（9-17）（4）確定最小排量時(shí)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速（按行駛制動工況計(jì)算）9.1.液壓行走驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(5)確定在最小排量時(shí)馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速標(biāo)定值。馬達(dá)供應(yīng)商一般給出馬達(dá)在小排量下的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速和全排量下最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速，但未給出對應(yīng)之馬達(dá)排量比，如圖9.4示，當(dāng)最小排量比時(shí)，其相應(yīng)的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速仍為不再增加，當(dāng)大于時(shí)其對應(yīng)的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速需重新計(jì)算確定。上一頁下一頁圖9.4nmin與

m關(guān)系

上一頁下一頁（9-18）①時(shí)按下式校核

（9-19）②

時(shí)

（9-20）按下式校核

（9-21）9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性

車輛動力特性是指發(fā)動機(jī)在油門全開時(shí)，車輛各擋工況下的單位牽引力與車速的關(guān)系特性。利用動力特性可評比車輛的動力性，可研究車輛的行駛特性，例如確定車輛的最大速度，各擋行駛時(shí)的上坡能力和加速能力等。有時(shí)利用牽引力與車速關(guān)系曲線(牽引特性)來分析、評價(jià)牽引力車輛的動力性和行駛特性。上一頁下一頁

各種行駛條件下均能利用發(fā)動機(jī)最大功率的動力特性，稱為理想的動力特性，這時(shí)單位牽引力與車速的乘積應(yīng)等于常數(shù)（見圖9.5，其中虛線為雙曲線）。改善和提高車輛動力特性的措施有：采用外特性接近于雙曲線規(guī)律的動力裝置。9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.5車輛特性曲線9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性1.工程車輛牽引性能指標(biāo)與牽引參數(shù)的關(guān)系工程車輛牽引性能方面的指標(biāo)主要有動力性(牽引功率NT)、經(jīng)濟(jì)性(油耗率GT)、作業(yè)生產(chǎn)率(小時(shí)土方量Q)，實(shí)現(xiàn)車輛最佳牽引性能指標(biāo)的方法是進(jìn)行牽引參數(shù)的合理匹配——靜態(tài)方法與過程控制——?jiǎng)討B(tài)方法，并且參數(shù)靜態(tài)點(diǎn)匹配是實(shí)現(xiàn)參數(shù)過程控制的必要條件。車輛牽引系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、傳動系、行走機(jī)構(gòu)、工作裝置4個(gè)環(huán)節(jié)組成，車輛通過行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部驅(qū)動功率與外部工作阻力的平衡與轉(zhuǎn)換。與具有固定傳動比的能量傳遞機(jī)構(gòu)不同的是，行走機(jī)構(gòu)為滑動傳遞機(jī)構(gòu)，其特征由滑轉(zhuǎn)曲線所描述(圖9.6)。其特征為：車輛牽引力的發(fā)揮必然引起行駛速度的降低，牽引力F越大，滑轉(zhuǎn)率越大，速度損失越大。改善車輛滑轉(zhuǎn)特性的方法只能是改善牽引元件結(jié)構(gòu)或改變附著重量。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.6滑轉(zhuǎn)曲線與的關(guān)系9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性發(fā)動機(jī)輸出功率Ne通過傳動系調(diào)節(jié)后，成為行走機(jī)構(gòu)的輸入驅(qū)動功率Nk，然后經(jīng)行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為車輛輸出功率即牽引功率NT。NT由牽引力F與行駛速度v兩部分組成,NT=Fv。牽引作業(yè)工況，要求NT以低速大牽引力的方式發(fā)揮，運(yùn)輸工況則相反。驅(qū)動功率通過行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為車輛牽引功率NT時(shí)，有兩種損失：1)滾動阻力Ff損失，F(xiàn)f與成正比；2)滑轉(zhuǎn)速度Vσ損失，Vσ與σ成正比。因此，車輛附著重量對牽引功率有著兩種相反的作用：在低速大牽引力工況，滑轉(zhuǎn)損失嚴(yán)重，成為制約牽引功率發(fā)揮的主要因素，希望通過增大附著重量來減少滑轉(zhuǎn)；在高速小牽引力運(yùn)輸工況，滾動阻力相對較大，損失嚴(yán)重，希望通過減少附著重量來減少滾動阻力，顯然附著重量的減少必將引起牽引工況滑轉(zhuǎn)的增大。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性對同時(shí)具有牽引和運(yùn)輸工況的循環(huán)式作業(yè)機(jī)械，在車輛的驅(qū)動功率Nk保持為常值不變的情況下，行走機(jī)構(gòu)只有選擇使整個(gè)工作循環(huán)中滾動損失和滑轉(zhuǎn)損失之和最小的參數(shù)才能保證機(jī)器生產(chǎn)率最高。這即意味著，首先要參數(shù)匹配合理，選擇合適的GΦ值來保證滾動損失和滑轉(zhuǎn)損失之和最?。黄浯我M(jìn)行過程控制，使輸入行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率盡量為最大值。對車輛發(fā)動機(jī)性能研究的目的在于有效發(fā)揮發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，對傳動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制研究的目的在于高效率拓展傳動系的調(diào)節(jié)范圍。因此，對發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究的目的最終是為行走機(jī)構(gòu)提供一個(gè)在大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)具有較大值的驅(qū)動功率，即提高動力性與經(jīng)濟(jì)性，這是提高機(jī)器作業(yè)生產(chǎn)率的必要條件，生產(chǎn)率的充分條件將由GΦ值的合理匹配來實(shí)現(xiàn)。為了提高行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率，以充分利用發(fā)動機(jī)額定功率，使傳動裝置工作在高效區(qū)內(nèi)。首先要保證車輛在突然超載時(shí)，牽引元件發(fā)生滑轉(zhuǎn)，而不使發(fā)動機(jī)熄火。即利用滑轉(zhuǎn)進(jìn)行過載保護(hù)，并為司機(jī)提供一個(gè)準(zhǔn)確操縱工作裝置來降低負(fù)荷的信號，減輕司機(jī)盲目頻繁操作的強(qiáng)度，同時(shí)使發(fā)動機(jī)平均輸出功率即行走機(jī)構(gòu)平均驅(qū)動功率最大。參數(shù)匹配為：發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)之牽引力Fmax大于地面打滑附著力（圖9.7）。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性圖9.7牽引參數(shù)在滑轉(zhuǎn)曲線上的匹配上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性為發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最大功率（靜態(tài)匹配時(shí)表現(xiàn)為額定功率)應(yīng)與行走機(jī)構(gòu)最大生產(chǎn)率工況相對應(yīng)，對連續(xù)作業(yè)機(jī)械，行走機(jī)構(gòu)的最大生產(chǎn)率工況與最高牽引工作效率即最大牽引功率工況一致，相應(yīng)之滑轉(zhuǎn)率為，但是循環(huán)作業(yè)機(jī)械，最大牽引功率工況()與最大生產(chǎn)率工況()相脫離()，并且輔助工序在整個(gè)作業(yè)循環(huán)中所占比例越大，偏離的程度越大，當(dāng)車輛為純運(yùn)輸車輛時(shí)，這一偏離達(dá)到極限。按照上述理論，車輛作業(yè)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)在滑轉(zhuǎn)曲線上不斷變換工作點(diǎn)，牽引效率不斷變化，驅(qū)動功率也由于負(fù)荷的不斷變化而變化，因而其牽引功率隨負(fù)荷變化更快地變化。當(dāng)負(fù)荷達(dá)到額定負(fù)荷并發(fā)生超載(大約超出的(10—15)％)時(shí)，車輛全滑轉(zhuǎn)進(jìn)行超載保持。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性2.工程車輛液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率分析車輛液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率主要是指調(diào)速比范圍與最大轉(zhuǎn)矩，最大、最小轉(zhuǎn)速等動力性指標(biāo)，以及表示能量利用程度的傳動效率。液壓驅(qū)動工程車輛最重要的就是液壓元件的容積效率及機(jī)械效率。這除了由于這些效率影響到系統(tǒng)功率的合理配置、散熱、動力性、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)外，對具有嚴(yán)格的作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)要求的機(jī)器，容積效率將影響到液壓系統(tǒng)的速度輸出和速度穩(wěn)定性，機(jī)械效率則影響到帶載起動的能力，這些最終都將影響到機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量。但液壓元件廠家基本上不提供完整的所有使用區(qū)間的效率曲線。因此有必要通過室內(nèi)元件試驗(yàn)臺展開這方面的內(nèi)容。本節(jié)僅根據(jù)現(xiàn)有資料進(jìn)行相關(guān)理論分析。液壓泵和液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式多樣，且有定量和變量之分，找出這些元件精確的效率理論表達(dá)式是困難的。經(jīng)過長期大量的試驗(yàn)研究，形成了各種形式不同的液壓元件效率的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，本節(jié)將其中有代表性的且便于使用的有關(guān)半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式進(jìn)行分析，具體的定量的液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配與控制設(shè)計(jì)，還需要建立在對具體元件效率進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性1）定量泵效率上一頁下一頁上列式中，

、

、

分別為泵容積效率、機(jī)械效率和總效率；、

、

分別是層流泄漏系數(shù)，層流摩擦系數(shù)，機(jī)械摩擦系數(shù)；為動力黏度，n為轉(zhuǎn)速(r/s)，

為壓差。（9-22）（9-23）

（9-24）9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性多種泵的無因次損失系數(shù)、、值如表9-1所示。上一頁下一頁表9-1分類齒輪泵（固定側(cè)板式）齒輪泵（浮動側(cè)板式）葉片泵軸向柱塞泵徑向柱塞泵注：n為r/s，其余參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)量綱。9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性由式（9-24）求出對應(yīng)之無因次量為

(9-25)由于，因而有上一頁下一頁對軸向柱塞泵標(biāo)準(zhǔn)值為，按此繪制的效率曲線如圖9.8所示。(9-26)(9-27)9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.8液壓泵效率曲線液壓泵的工作效率與有關(guān)，即與使用壓力、轉(zhuǎn)速和油液黏度(取決于工作溫度和油液牌號)有關(guān)；也與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，運(yùn)動副間隙小時(shí)則小，、大。因而可以根據(jù)上述各式估算在各種使用條件下的效率以及分析為取得較高效率而必須控制的工作條件，為液壓傳動裝置的控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性2）定量馬達(dá)效率上一頁下一頁(9-28)(9-29)(9-30)同樣，當(dāng)時(shí),(9-31)(9-32)9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性與液壓泵不在低轉(zhuǎn)速下工作不同的是，車輛驅(qū)動馬達(dá)經(jīng)常在起動與低速下工作，低速工況下、、變化較大，使馬達(dá)的效率大大降低，影響到起動轉(zhuǎn)矩的發(fā)揮與低速穩(wěn)定性。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性3）軸向柱塞變量泵與馬達(dá)根據(jù)多數(shù)試驗(yàn)研究得知，隨著排量q的減小，泵容積效率ηv和機(jī)械效率ηm一般都降低很快，其乘積總效率η也顯著降低。關(guān)于這方面的理論分析雖然很多，但由于泵的效率問題很復(fù)雜，結(jié)構(gòu)問題和流體力學(xué)的問題交織在一起，影響因素很多，所以至今還沒有一個(gè)圓滿的效率表達(dá)式，一般都是由試驗(yàn)的方法對具體的泵在不同使用條件下實(shí)測取得。同樣，前述的定量泵效率理論表達(dá)式，只適用于估算和分析在各種使用條件下效率的變化趨勢及影響因素，準(zhǔn)確的效率值必須通過試驗(yàn)取得。盡管如此，這些理論分析式同樣有著重要意義，可以通過對效率影響因素的分析，尋找最佳的使用條件，并將這種分析結(jié)果用于泵的參數(shù)匹配和使用過程的控制中。下面簡單地說明變量泵效率的理論表達(dá)式，用以考察排量值的變化對效率的影響，并在后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制目標(biāo)確定中加以應(yīng)用。通過眾多學(xué)者研究，變量泵的容積效率和機(jī)械效率可以表達(dá)為如下形式。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性式中：——層流泄漏系數(shù)；

——進(jìn)出口壓力差，；

——油液動力黏度，

——泵轉(zhuǎn)速，r/min;

——排量比，；

——層流阻力系數(shù)；

——機(jī)械阻力系數(shù)；

——與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的轉(zhuǎn)矩?fù)p失,Nm；

——泵全排量，。上一頁下一頁(9-33)(9-34)9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上述表達(dá)式中，容積損失主要為從運(yùn)動副間隙里泄漏了流量，由項(xiàng)表示。作為機(jī)械損失，與定量泵表達(dá)式相比，細(xì)分為三方面因素：一部分為油液黏性產(chǎn)生的摩擦損失，與n和成正比，由項(xiàng)表示；一部分為與高低壓移動界面前后的壓差成正比的摩擦損失，由項(xiàng)表示；一部分為與工作壓力和轉(zhuǎn)速無關(guān)的定量的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，由項(xiàng)表示。表達(dá)式中，把間隙內(nèi)油液的流動看成為層流，并假設(shè)為牛頓流體，忽略了運(yùn)轉(zhuǎn)中間隙的變化以及油液壓縮性的影響，但實(shí)際情況要復(fù)雜得多。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性液壓驅(qū)動系統(tǒng)的變量泵(第一位下標(biāo)P)，變量馬達(dá)(第一位下標(biāo)m)的效率經(jīng)驗(yàn)公式為上一頁下一頁(9-37)

比較式(9-33)~式(9-38)，盡管形式不同，但均表明，對液壓泵、馬達(dá)傳動效率影響顯著的使用參數(shù)主要為壓力、轉(zhuǎn)速和排量比，在進(jìn)行液壓傳動系統(tǒng)的特性預(yù)測時(shí)，為了簡單方便，一般均將效率取常值計(jì)算。然而在以功率傳遞和變換為主要目的車輛液壓傳動中，如果不考慮使用參數(shù)對效率的影響，則往往會使系統(tǒng)在某些參數(shù)變化區(qū)間因效率偏低而失去意義。為了顧及控制計(jì)算的方便以及傳動的需要，可行的方法是選擇一個(gè)許可的高效率區(qū)間，在此區(qū)間工作參數(shù)變化對效率的影響在控制計(jì)算中不予考慮，對系統(tǒng)性能的預(yù)測以及控制計(jì)算均取平均意義上的效率值。（9-35）（9-36）(9-38)9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性3.變量液壓泵與馬達(dá)試驗(yàn)效率特性分析1)軸向柱塞變量泵分析上一頁下一頁圖9.9全排量時(shí)泵的容積效率和總效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.10全排量時(shí)泵的總效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖9.11在2/3時(shí)不同排量的總效率90系列的液壓泵特性曲線如圖9.9、圖9.10、圖9.11所示，分析該特性曲線，影響效率的因素有轉(zhuǎn)速，壓力和排量比，綜合考慮這些因素得出下列結(jié)論：9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性(1)壓力對效率的影響不明顯，在很寬的壓力范圍內(nèi)均具有高效率，因此進(jìn)行泵工作壓力配置時(shí)主要從工作壽命(可靠性)和功率利用率(成本)角度考慮，并盡量使泵在高效率的壓力范圍內(nèi)工作。工程車輛的負(fù)荷額定壓力取0.6左右，負(fù)荷最高壓力為0.8左右，負(fù)荷最低壓力為0.2以上，即壓力變化比小于4(變量馬達(dá)可以通過排量變化將負(fù)荷壓力控制在很小的變化范圍內(nèi)，用定量馬達(dá)時(shí)負(fù)荷壓力無法調(diào)整，其最大有效傳動比＝4，這表明負(fù)荷轉(zhuǎn)矩亦即負(fù)荷壓力的變化比最大允許為4，這一壓力變化比最終通過泵的恒轉(zhuǎn)矩變量控制來實(shí)現(xiàn)，即泵全排量時(shí)為低壓，最小排量時(shí)為高壓，其轉(zhuǎn)矩不變。壓力變化比小于4即表明泵的排量比)，使經(jīng)常性負(fù)荷處于中高壓范圍內(nèi)，使少數(shù)高負(fù)荷接近最高壓力，并且全部工作壓力均處于高效壓力區(qū)，這樣同時(shí)符合工作壽命和功率利用率的要求，因此這一壓力匹配原則是比較適宜的。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性(2)的中高轉(zhuǎn)速區(qū)是泵的高效轉(zhuǎn)速區(qū)，時(shí)總效率低于時(shí)2~5個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于以后，隨轉(zhuǎn)速降低效率急下。因此泵的正常工作轉(zhuǎn)速應(yīng)取的中高轉(zhuǎn)速域，泵的排量啟動轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于。在討論泵與發(fā)動機(jī)自動控制的參數(shù)匹配時(shí)取泵的排量啟動轉(zhuǎn)速，工程車輛柴油機(jī)的怠轉(zhuǎn)速約為(0.25~0.35)，參數(shù)配置后一般有＞，假定泵的額定轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速相匹配，這就使泵的排量啟動轉(zhuǎn)速也處于較高效率處，從而保證液壓傳動裝置有較大的起動轉(zhuǎn)矩，車輛有較大的起步牽引力。柴油機(jī)在正常牽引作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)速域?yàn)?，約為(0.65~1)，這一轉(zhuǎn)速域?yàn)楸玫母咝^(qū)間。因此使與匹配并取就可以保證在柴油機(jī)全部的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)泵都為高效轉(zhuǎn)速，顯然這樣的轉(zhuǎn)速匹配是比較合理的。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性(3)液壓泵總效率隨排量比增大而增大，因此泵的變量范圍最好控制在范圍內(nèi)(相當(dāng)于泵的變換比)，以使泵的總效率高于75％；排量比為0.25—0.5的范圍(總效率為0.6~0.75)僅用于車輛要求的特殊的低速工作(相當(dāng)于泵的變換比為2~4)；而在0.25以下的區(qū)域僅作為起步、加速的過渡過程而不用于正常作業(yè)。在設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)與液壓泵的自動控制裝置時(shí)應(yīng)該給予上述原則進(jìn)行參數(shù)匹配。如要求機(jī)器有較低的工作速度應(yīng)該采用使發(fā)動機(jī)為中低轉(zhuǎn)速、泵為大排量的工作模式以節(jié)約燃料并提高傳動效率，而不應(yīng)該采用發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、泵小排量的方式。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性2）變量馬達(dá)分析圖9.12為斜盤式馬達(dá)在全排量時(shí)的特性曲線，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于流量小，泄漏比例大，容積效率低，又由于接近靜摩擦，阻力大，總效率降低。在中速（50%）和中壓（50%）區(qū)域效率最高。在轉(zhuǎn)速比為0.15

1的范圍內(nèi)幾乎在全部壓力區(qū)域均保持0.85以上的高效率。因此，與斜盤式變量泵相同，應(yīng)使經(jīng)常性負(fù)荷處于中壓區(qū)，使少數(shù)高負(fù)荷接近最高壓力；除啟動工況外不應(yīng)使馬達(dá)轉(zhuǎn)速比小于0.15。斜盤式變量馬達(dá)排量變化對效率的影響也與斜盤泵相同，最小排量比大于0.3可以保證在全部壓力范圍內(nèi)總效率高于0.70

0.75。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性圖9.1290系列斜盤式馬達(dá)全排量時(shí)的輸出特性上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性斜軸馬達(dá)特性曲線如圖9.13和圖9.14所示，在中速中壓區(qū)效率最高，幾乎在所有的壓力和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有較高效率。與斜盤馬達(dá)顯著的差別為在起動工況(0轉(zhuǎn)速)有較高的效率，這主要由于斜軸馬達(dá)無斜盤馬達(dá)那樣的滑靴密封面，容積效率高，在低速時(shí)尤為明顯。這一特性使斜軸馬達(dá)有更低的穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，一般在50r/min時(shí)可穩(wěn)定工作，相當(dāng)于額定轉(zhuǎn)速的，加之靜態(tài)起動轉(zhuǎn)矩大，因此對頻頻換向行走、起動加速的行走機(jī)械尤為適宜。上一頁下一頁9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.1351V系列斜軸馬達(dá)全排量時(shí)的輸出特性9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁圖9.1451V系列斜軸馬達(dá)時(shí)輸出特性

時(shí)輸出特性9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性上一頁下一頁減小排量馬達(dá)效率降低，特別是小排量低轉(zhuǎn)速區(qū)效率偏低，工作能力變?nèi)酰虼藢︸R達(dá)進(jìn)行排量控制時(shí)應(yīng)該使其工況為：負(fù)荷增大時(shí)馬達(dá)為大排量低轉(zhuǎn)速，負(fù)荷減小時(shí)為小排量高轉(zhuǎn)速，應(yīng)避免使其在小排量低轉(zhuǎn)速下工作（通過馬達(dá)排量與負(fù)荷匹配及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與泵轉(zhuǎn)速匹配解決）。

9.2液壓驅(qū)動車輛的動力特性閱讀材料9-1

采用變量泵和變量馬達(dá)組成的閉式油路是靜液傳動核心技術(shù)特征，圖9.15所示為閉式靜液傳動的原理。發(fā)動機(jī)驅(qū)動圖9.15靜液傳動系統(tǒng)原理發(fā)動機(jī)變量泵補(bǔ)油泵變量馬達(dá)減速器車輪油泵旋轉(zhuǎn)，改變泵斜盤角度即調(diào)節(jié)泵的排量。壓力油驅(qū)動馬達(dá)，通過減速器驅(qū)動車輪，油壓取決于車輪載荷。油泵斜盤可以雙向調(diào)節(jié)，使得油液雙向流動，因而不需要換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車輪正反轉(zhuǎn)。根據(jù)容積調(diào)速原理，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速或油泵排量可改變流量，實(shí)現(xiàn)車速調(diào)節(jié)，改變馬達(dá)排量同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)車速的目的。當(dāng)泵或馬達(dá)排量無級可調(diào)時(shí)，傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級變速。變量泵和變量馬達(dá)組合能夠?qū)崿F(xiàn)在較大傳動比范圍內(nèi)（8～10）總傳動效率大于75％，因而在要求大變速范圍的行走車輛靜液傳動中被廣泛采用。上一頁下一頁