液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)基本理論分析

鐘瑞，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)基本理論分析

鐘瑞，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章通過(guò)對(duì)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、分類及原理進(jìn)行研究，以基礎(chǔ)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)為例，對(duì)其速度、扭矩等特性進(jìn)行分析，并歸納出特點(diǎn)，為后續(xù)深入研究及應(yīng)用復(fù)雜液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)提供分析方法和理論基礎(chǔ)。

液壓機(jī)械傳動(dòng)；無(wú)級(jí)變速；分矩匯速；分速匯矩

CLC NO.:U461 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-73-02

引言

液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率分為液壓和機(jī)械兩路傳遞，并通過(guò)某種機(jī)構(gòu)進(jìn)行匯合輸出。這種傳動(dòng)方式兼顧了液壓系統(tǒng)良好的無(wú)級(jí)變速性能和機(jī)械傳動(dòng)的高效率，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的最優(yōu)匹配，從而提高車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，是中重型車輛理想的無(wú)級(jí)傳動(dòng)型式。

1 組成及基本原理

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和功率分匯流系統(tǒng)三個(gè)部分組成。液壓調(diào)速系統(tǒng)主要由液壓泵和液壓馬達(dá)組成，可分為變量泵調(diào)速、變量馬達(dá)調(diào)速以及泵-馬達(dá)雙變量調(diào)速三種。功率分匯流系統(tǒng)一般采用固定軸齒輪副（分矩或匯矩）和行星齒輪排（分速或匯速）這兩種機(jī)構(gòu)[1]。

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)將功率分為液壓和機(jī)械兩路傳遞，液壓馬達(dá)在正向和反向的最大速度之間來(lái)回?zé)o級(jí)變速，其每一行程與行星齒輪機(jī)械傳動(dòng)的一種工況相配合，最后兩路匯合成為由若干無(wú)級(jí)段落相銜接并逐段升高的全程無(wú)級(jí)變化的功率輸出。

2 特性分析

圖1 液壓機(jī)械傳動(dòng)示意圖

根據(jù)行星排的輸入、輸出端位置的不同，液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分速匯矩式和分矩匯速式，如圖1所示。在軍用車輛和坦克上使用的液壓機(jī)械傳動(dòng)形式主要是分矩匯速式[2]。其中輸入轉(zhuǎn)速為n0，輸出轉(zhuǎn)速為nb，齒輪傳動(dòng)比為l1和l2，行星排特性參數(shù)為k，液壓排量比ε=[-1,+1]。

普通行星排具有三個(gè)基本元件，即太陽(yáng)輪、齒圈、行星架，分別與輸入端、輸出端以及液壓調(diào)速系統(tǒng)相聯(lián)，共有六種不同的連接方式，故分速匯矩式和分矩匯速式各有六種基本布置形式，本文以圖1中下圖所示的分矩匯速式液壓機(jī)械傳動(dòng)為例進(jìn)行分析，調(diào)速系統(tǒng)采用變量泵-定量馬達(dá)。

2.1 速度特性

在整個(gè)液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，輸入端為n0，輸出端為nb。在行星機(jī)構(gòu)中，太陽(yáng)輪和齒圈為輸入端，其轉(zhuǎn)速為nt和na，行星架為輸出端，其轉(zhuǎn)速為nj。從圖中可以看出，nt= n0，nj= nb。 由普通行星排轉(zhuǎn)速關(guān)系，可得：

總功率分為液壓功率和機(jī)械功率兩路分流傳遞，機(jī)械路直接輸出至行星機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪，液壓路經(jīng)過(guò)固定齒輪副j1傳遞至液壓調(diào)速系統(tǒng)，最終由液壓馬達(dá)輸出至行星機(jī)構(gòu)的齒圈，并由行星機(jī)構(gòu)匯合，行星架輸出。

由液壓機(jī)構(gòu)分流的功率，經(jīng)過(guò)固定齒輪副j1傳遞至液壓泵，液壓泵通過(guò)改變排量調(diào)速（容積調(diào)速）傳遞至液壓馬達(dá)，最終經(jīng)過(guò)固定齒輪副j2輸出至齒圈，與機(jī)械分流的功率匯合共同輸出。根據(jù)液壓分流的功率傳遞路線，暫不計(jì)容積和機(jī)械效率，可得齒圈轉(zhuǎn)速na：

將式②代入轉(zhuǎn)速關(guān)系式①，整理可得輸出轉(zhuǎn)速nb和輸入轉(zhuǎn)速n0的關(guān)系式：

假設(shè)排量比ε從-1至+1變化時(shí)（工況一），對(duì)于式③，由于k i1i2均為定值且為正，對(duì)于一定的輸入轉(zhuǎn)速n0，輸出轉(zhuǎn)速nb呈線性增長(zhǎng)，直至ε=+1，輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。此時(shí)，通過(guò)行星機(jī)構(gòu)離合器的接合或分離，使行星機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪為輸出端，行星架與輸入軸相聯(lián)，同理可得輸入輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

圖2 轉(zhuǎn)速隨ε變化特性

此時(shí)，排量比ε開(kāi)始從+1向-1方向變化（工況二），由式④可知，輸出轉(zhuǎn)速nb繼續(xù)呈線性增長(zhǎng)，直至ε=-1，達(dá)到最大值。若選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)參數(shù)，使工況一的末尾輸出速度等于工況二的開(kāi)始輸出速度，即兩個(gè)工況的轉(zhuǎn)速相銜接。這樣，當(dāng)液壓馬達(dá)不間斷地作一次往返無(wú)級(jí)變速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速可以不間斷地連續(xù)提高，如圖2所示。

2.2 扭矩特性

對(duì)于液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，其輸出軸上的負(fù)載扭矩增大時(shí)，定量液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩也隨之增大，當(dāng)馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到其最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，液壓系統(tǒng)將卸壓保護(hù)，產(chǎn)生輸出打滑現(xiàn)象，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩足夠大時(shí)，液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的最大輸出扭矩由液壓馬達(dá)的最大輸出扭矩決定。

兩種工況下，nb1＜nb2,轉(zhuǎn)速呈上升趨勢(shì)，對(duì)于車輛來(lái)說(shuō)，意味著車輛速度逐漸升高。而Mb1＞Mb2，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩下降，這樣的特性符合車輛行駛需求，滿足車輛低速大扭矩以及高速高轉(zhuǎn)速的需求。

2.3 功率特性

在輸入功率充分的前提下，若不計(jì)效率，液壓分流系統(tǒng)所傳遞的功率Py與機(jī)械分流系統(tǒng)傳遞的功率Pj之比β為：

ε=0時(shí)，液壓分流的功率為零，此時(shí)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)為純機(jī)械傳動(dòng)，效率最高。ε為負(fù)值時(shí)，液壓功率回流，即由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泵，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)呈功率循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ε=- i1i2/k時(shí)，β=-1，液壓回流的功率正好抵消機(jī)械功率，總輸出功率為零。

3 結(jié)論

車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)以及行星齒輪機(jī)構(gòu)千變?nèi)f化，型式多樣，本文通過(guò)一種簡(jiǎn)單的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)型式為例，對(duì)其液壓調(diào)速系統(tǒng)、行星齒輪傳動(dòng)的速度、扭矩以及功率進(jìn)行分析，歸納出其轉(zhuǎn)速、扭矩及功率的特性參數(shù)，為后續(xù)深入研究并通過(guò)合理地設(shè)計(jì)傳動(dòng)型式及參數(shù)，將復(fù)雜的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于車輛，提供了重要的理論基礎(chǔ)和分析方法。

[1] 劉修驥.車輛傳動(dòng)系統(tǒng)分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[2] 杜玖玉,苑士華,鄒云飛.車用液壓機(jī)械基本傳動(dòng)形式及特性研究[J].機(jī)床與液壓,2008,36(9):214-216.

[3] 陳遠(yuǎn)玲,李挺璇,任瑞文,查雁鵬,吳龍.小型作業(yè)車輛液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)研究[J].液壓與氣動(dòng),2014,12:84-87.

[4] 時(shí)培成,龔建成.車輛液壓-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)分析與應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2007,4:54-56.

The basic principle of Hydro-mechanical continuously variable transmissionsystem

Zhong Rui, Wang Lei
（Shaanxi heavy duty automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

Research the composition, classification and basic principle of Hydro-mechanical continuously variable transmission system(HMCVT), With a basic example for the HMCVT system, its specific properties of speed and torque is analyzed, at the same time, summarizes the characteristics. It also provides a method of analysis and a theory basis for further the developmental research and application on the complicated HMCVT system.

Hydro-mechanical transmission; continuously variable transmission; Input coupled type; Output coupled type

U461

A

1671-7988 (2017)15-73-02

鐘瑞，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍研所。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.026