液壓與機械復合傳動特性研究

向 瀚 張 偉 梅永剛

（長安大學，陜西 西安 710064）

1 概述

液壓傳動以及機械傳動都具有其各自的傳動特性和優(yōu)點，但是如果就其某種傳動方式獨立存在，實現(xiàn)動力傳動也存在一定的局限性，如混凝土攪拌運輸車攪拌罐的驅(qū)動，如果只采用液壓傳動，其傳動比是不能滿足攪拌車工作的要求，因此就需要在液壓傳動的基礎上再與減速機配合，實現(xiàn)大傳動比穩(wěn)定傳動。再如采用機械變速箱的運輸車底盤，作為工程施工車的底盤就不能滿足工程施工低速的行駛要求，從而需要與液壓傳動匹配以實現(xiàn)低速行駛完成作業(yè)的需要。因此本文在分析液壓、機械傳動特性的基礎上，介紹液壓與機械融合的傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)復合式傳動，不但可以獲得高的傳動效率，而且還可以滿足各種施工工況。

2 機械傳動的特點

機械傳動是傳統(tǒng)的傳動形式，即使液力和液壓傳動被廣泛應用于工程機械，但是機械傳動以它的傳動效率高、工作可靠等優(yōu)勢仍然作為主要的傳動方式被廣泛采用。機械變速器就是傳統(tǒng)的傳動方式用于汽車和各種機械的變速傳動裝置，一般來說，汽車使用的機械式變速器分為五-六檔變速，一共擁有五種不同的齒輪傳動比，是典型的有級變速器。

機械變速器的變速原理就是利用不同型號的齒輪嚙合來產(chǎn)生不同的傳動比，達到相對應的變速目的,再利用相應的傳動軸將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞到需要的工作部位。隨著機械變速器的發(fā)展和車輛不同功能的要求，也出現(xiàn)了能實現(xiàn)無級變速的機械式變速器，同時，也有將機械式變速器與電控技術相結(jié)合的自動控制式變速器?？偟膩碚f，機械式變速器所具有的調(diào)速特性優(yōu)勢主要表現(xiàn)在具有較高的傳動效率和高的工作可靠性，尤其在高速行駛的車輛上運用十分廣泛。

3 液壓傳動的特點分析

液壓傳動是帕斯卡原理在傳動方式上的經(jīng)典運用，并且由于它自身的傳動特點和優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛采用，而且在很多場所有著機械傳動無法實現(xiàn)的功能。下面主要以液壓無級調(diào)速系統(tǒng)為例進行分析。

液壓傳動無級調(diào)速的類型主要有：（1）變量泵-變量馬達；（2）變量泵-定量泵；（3）定量泵-變量馬達；（4）定量泵-調(diào)速閥等。

液壓無級調(diào)速的基本工作原理就是：通過改變液壓泵與液壓馬達的排量比，達到在一定范圍傳動比內(nèi)的無級調(diào)速。

工程作業(yè)類機械采用機械傳動的主要不足之處就在于：（1）機械傳動無法實現(xiàn)反饋調(diào)控；（2）由于工程機械在工作時工況經(jīng)常發(fā)生改變，靜態(tài)特性下確定的匹配參數(shù)就不能使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)；（3）由機械傳動所傳遞的載荷，是通過傳動系直接作用于發(fā)動機飛輪輸出端，它與發(fā)動機的匹配的經(jīng)濟性很難達到最佳匹配狀態(tài)；（4）由于這些循環(huán)作業(yè)工程機械的工作阻力在各工序中相差很大，所以當其平均最大工作阻力配置在發(fā)動機牽引檔最大生產(chǎn)率附近時，其他工況阻力則偏差很遠，使操作員不得不頻繁的換擋以達到最佳工作狀況。

此時，如果在這類作業(yè)機械上采用一種利用DA先導控制變量泵的閉式變量泵-定量馬達液壓傳動系統(tǒng)，其相比于機械傳動的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）液壓回路可以將工程機械工作過程中遇到的急劇變化的負載，特別是對一些沖擊負載實現(xiàn)緩沖屏蔽，而不是直接將這些負載傳遞到發(fā)動機飛輪輸出端，這樣就可以避免由于沖擊載荷導致的發(fā)動機熄火；（2）由于對波動負荷的屏蔽和緩沖作用，所以該系統(tǒng)對于發(fā)動機的要求降低，在載荷相同的情況下，發(fā)動機的扭矩適應性可以降低，使其匹配點可以配置在非調(diào)速段上，而且在載荷增加時系統(tǒng)壓力升高，同時借助DA控制可以在實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低的同時增加扭矩輸出，泵排量降低，使發(fā)動機在轉(zhuǎn)速不高的情況下可以利用液壓系統(tǒng)的最大壓力，從而降低燃油消耗。

但是，液壓傳動的效率相對于機械傳動要低，即使在效率最高的時候也只能達到80%到85%，特別是在要求機械低速穩(wěn)定作業(yè)時，液壓系統(tǒng)傳動效率更低而且容易出現(xiàn)機械“爬行”等不利狀況。

4 液壓機械復合調(diào)速特性分析

通過以上的論述，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的機械傳動以及現(xiàn)代興起的液壓傳動等都各有自己的優(yōu)缺點，所以，很多地方我們都是將它們結(jié)合起來以彌補它們單獨使用時不能滿足要求或者性能不佳的缺陷。

如圖1所示，混凝土運輸車的液壓傳動系統(tǒng)，在液壓馬達后串聯(lián)了一個行星減速器構成液壓-機械復合式傳動系統(tǒng)。目前，這種形式的液壓-機械復合式傳動系統(tǒng)為大部分的混凝土攪拌運輸車的拌筒驅(qū)動裝置所采用。

圖1 混凝土攪拌運輸車工作裝置傳動系統(tǒng)

我們首先來分析混凝土攪拌運輸車在攪拌過程中攪拌筒在不同攪拌工況下所承受的外載荷，其工作過程中所受扭矩變化大致情形如圖2所示：

圖2 攪拌筒工況載荷曲線圖

對于混凝土攪拌車攪拌筒而言，其驅(qū)動負載主要為扭矩，在圖中我們可以看出：當攪拌筒內(nèi)被加入攪拌料時，攪拌筒的驅(qū)動力矩在隨著料的不斷增多而增大，只是在料即將加滿的時候才有所下降；而在運輸攪拌料的過程中，攪拌筒的驅(qū)動力矩是保持平穩(wěn)的狀態(tài)的；在運輸車到達目的地后，攪拌車需要停車卸料，此時，攪拌筒反轉(zhuǎn)，進入卸料工況，它的驅(qū)動力矩在瞬間會出現(xiàn)上升，然后快速回落，在混凝土料被卸下的過程中，由于料質(zhì)量逐漸減少，所以攪拌筒的驅(qū)動力矩也隨之逐漸下降；在將料卸下之后，運輸車空筒返回，其攪拌力矩穩(wěn)定的保持在較低狀態(tài)。

由上述分析可知，攪拌筒在工作過程中既會出現(xiàn)逐漸上升的載荷，也會出現(xiàn)突然增大的沖擊載荷，并且還需要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。那么對應的攪拌筒的驅(qū)動系統(tǒng)主要需要實現(xiàn)的功能就是降低轉(zhuǎn)速增加輸出扭矩，同時要能夠減緩沖擊載荷對發(fā)動機的損害。因此，以液壓系統(tǒng)作為其傳動系統(tǒng)是很理想的，但是，通過計算得到的攪拌車在滿載的時候所需要攪拌力矩大，而且要穩(wěn)定的低速，因此僅僅使用液壓系統(tǒng)進行傳動獲得穩(wěn)定的低速、大扭矩，會導致傳動效率很低。所以，此時在液壓馬達后接上一個能夠具有減速增扭的機械減速器就能夠使整個傳動系統(tǒng)滿足攪拌筒穩(wěn)定的低速、大扭矩傳動，并且獲得高的效率。

這類液壓系統(tǒng)與機械減速器相串聯(lián)構成的復合式傳動系統(tǒng)既具備了液壓系統(tǒng)的優(yōu)點，也彌補了單一液壓系統(tǒng)部分功能不足的缺點。同時，與這類系統(tǒng)不同的還有通過液壓傳動系統(tǒng)與機械傳動系統(tǒng)并聯(lián)分流式傳動的液壓機械無級傳動系統(tǒng)。

而在目前實際運用中的液壓機械無級變速器，一般都會設置多段檔位來滿足機械不同工況下的需求特性，如圖3所示，就是一種多段式液壓機械無級變速器傳動圖。

圖3 多段液壓機械無級變速器簡圖

該調(diào)速系統(tǒng)通過L1到L8這8組離合器的嚙合與斷開從而具有前進方向六段和倒車方向兩段的連續(xù)無級變速傳動，以滿足作業(yè)機械運行時的不同工況。

如圖4所示，這是該系統(tǒng)在額定輸入時不同轉(zhuǎn)速比的條件下變速器前進方向各工作段的效率值（粗實線），以及e值在正負范圍內(nèi)變化時的變速器效率值（細實線）和液壓系統(tǒng)的效率值（虛線）。

從圖4中我們可以看出，多段液壓機械無級變速器的平均效率比純液壓系統(tǒng)的傳動效率是要高的，只是稍低于純機械傳動效率。因此，這種液壓機械式無級傳動系統(tǒng)在作業(yè)機械運行時，首先采用的是純液壓傳動使機械達到穩(wěn)定的微動起步狀態(tài)（這種工況同時也適用于需要長時間低速穩(wěn)定作業(yè)的大量工程機械，這是純機械傳動系統(tǒng)所不能滿足的）。在作業(yè)機械進入穩(wěn)步工作狀態(tài)之后，我們可以通過檔位切換來使系統(tǒng)工作在液壓機械分流傳動狀。如果作業(yè)環(huán)境良好，機械在工作中不會遇到較大的沖擊載荷，還可以采用純機械傳動輸出以達到功率最大化。如果作業(yè)環(huán)境復雜，作業(yè)機械部分功率可以通過液壓系統(tǒng)輸出，在保證了傳動效率不會大幅降低的同時也保障了機械的運行安全。

圖4 多段液壓機械無級變速器的效率

5 結(jié)束語

雖然機械傳動與液壓傳動目前運用的范圍十分廣泛，但是液壓機械復合式調(diào)速系統(tǒng)通過將液壓傳動與機械傳動相結(jié)合，在既能實現(xiàn)大范圍內(nèi)的正反轉(zhuǎn)無級調(diào)速的同時也可以大大的提高系統(tǒng)傳動效率。這無疑是以后大型作業(yè)機械和復雜作業(yè)工況作業(yè)機械傳動方式一個重要發(fā)展方向，盡管我國在這方面的研究還不夠完善和全面，可是其巨大的發(fā)展空間已經(jīng)為我國在這方面的研究提供了動力。

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