车辆液压辅助动力系统设计论文

摘 要目前，减少车辆的油料消耗和废气排放量是车辆节能和环境保护的一个迫切问题。为了减少城市内交通车辆的耗油量和所排放的废气，将车辆制动等过程中转变为热能的动能加以回收利用是一个值得研究的问题。本设计属于再生制动能量的研究范围，研究以汽车减速及制动能量回收再利用为目的的液压节能驱动系统。本系统由液压技术、传动技术、控制技术相结合实现车辆的低油耗、低排放，并有效地提高车辆的动力性能，是现有汽车节能、环保的重要途径。本系统采用定量泵/马达，气囊式蓄能器为能量转换及贮存部件，实现制动时的动能回收和启动加速的液压能回馈。系统中，车辆的加速与减速通过改变泵/马达的使用功能来实现，加速时，泵/马达作为马达使用，制动时，作为泵用。因此，配有该系统的车辆，即可以回收动能，还能够再利用这些能量进行加速、启动。而能量回收的关键技术是如何将制动时的能量加以保存，也就是能量回收系统的设计。在本设计中，系统采用的是液压蓄能器。本文针对城市公交车辆研究的能量回收系统可望达到较高的节能效果，具有较高的经济效益和社会效益。关键词：公交车；节能；泵/马达；动能；蓄能器ABSTRACTToday it becomes very urgent problems to reduce fuel consumption and exhaust gases from road vehicles for environmental protection. In order to reduce fuel consumption and exhaust gases from road vehicle, the kinetic energy that might otherwise be lost as heat during vehicle braking might be received and used.This design belongs to the research of the third aspect, the compound drive system is used to regenerate the loss energy. The low oil consumption and low bleeder of vehicle are achieved by using of transmission, hydraulic power control. And the compound drive system works harmoniously with engine to raise the motive capability effectively. It is the important way of automobile saving energy and environmental protection.Hydraulic pump/motor and hydraulic accumulation are used to transform a store energy, therefore it can regenerate the loss energy during vehicle braking and use this energy when automobile is in acceleration state.In this system, both driving and braking torque of the vehicle are controlled by a pump/motor. The pump/motor is used as a motor during the vehicle acceleration and as a pump when the vehicle being on braking. As a result, the vehicles with this system can not recover the kinetic energy from moving object but also use the energy at braking, namely the design of energy recovery system. In this design, the energy recovery system uses a hydraulic accumulator.This system is expected to reduce fuel consumption, especially compared with vehicle without this system. It will bring extremely high economic and social benefits .Key words: City bus; Energy Saving; Hydraulic pump/motor; Hydraulic power; Accumulator目 录摘要Abstract第 1 章 绪论11.1 汽车工业发展所面临的问题11.1.1 能源问题11.1.2 环保问题11.2 节能环保汽车的发展情况21.2.1 总体发展思路21.2.2 国外发展情况21.2.3 国内发展情况41.3 液压节能驱动技术在汽车上的应用51.4 液压节能驱动技术的发展前景 5第 2 章 车辆液压节能驱动系统工况分析72.1 液压系统的设计要求72.2 工况分析72.2.1 例子72.2.2 测定结果分析82.3 制动系统的性能要求 92.4 本章小结10第 3 章 车辆液压节能驱动系统方案设计113.1 节能驱动系统方案确定113.1.1 液压复合驱动系统的组成113.1.2 液压复合驱动系统的工作原理113.1.3 功能描述123.1.4 车辆的控制方法133.2 二次调节静液传动系统简介143.3 本章小结14第 4 章 驱动系统设计164.1 蓄能器的工作原理及参数计算（NXQ 系列蓄能器）164.1.1 蓄能器的工作原理164.1.2 参数计算174.1.3 蓄能器的校核234.2 定量泵/定量马达的计算 244.3 液压系统的关键零件264.3.1 电磁阀264.3.2 滤清器274.4 本章小结28第 5 章 传动装置设计295.1 概述295.1.1 离合器简介295.1.2 任务与性能295.2 关键部件设计295.2.1 离合器的要求305.2.2 离合器结构的选择305.3 离合器的设计计算315.3.1 离合器主要参数的选择315.3.2 离合器基本参数的校核及优化335.3.3 扭转减振器355.3.4 离合器的操纵机构365.3.5 离合器的结构元件385.4 本章小结39结论40参考文献41致谢42第 1 章 绪 论随着国民经济的迅速发展，汽车成为重要的交通工具已越来越广泛的运用于日常生活中。但其所带来的问题也是不容忽视的。首当其冲的便是能源的过度消耗和环境的污染问题。本章主要介绍了汽车面临的问题及解决办法，并介绍了新型节能汽车的国内外发展情况。1.1 汽车工业发展所面临的问题汽车是重要的交通工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业是国民经济的支柱产业，对社会的经济建设和科学技术的发展起着重要推动作用。另外，汽车也是社会物质生活水平的标志。自第一辆汽车 18“年问世以来至今己 100 多年，汽车工业从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。目前全世界汽车的保有量已超过 5 亿辆。虽然汽车工业发展良好，前景光明，但也面临着不少问题急待解决。传统的汽车驱动系统多采用机械操作系统，在汽车刹车、怠速和下坡时会损失大量的能量。而大量能量的损失会导致一系列问题 1。1.1.1 能源问题近年来，能源问题的阴影己笼罩着全世界，能源问题已成为世界各个国家共同关注的焦点问题。自 1972 年第一次石油危机以来，在世界范围内接连发生了第二次和第三次石油危机，再加上世界主要产油地区海湾地区战火不断，极大的影响了世界石油供应。能源问题己成为关系国家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源己成为世界科学家与工程师们普遍关注的问题。与其它国家相比，正处于发展中的我国的能源消耗巨大，平均以每年 3%的速度递增。1.1.2 环保问题无独有偶，与能源危机相伴而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代，在总体和平的背景下，各国经济情况较好，物资生活水平迅速提高。可是，随着国民经济的迅速发展，大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计划的开发资源已严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、干旱、各种罕见疾病等如洪水猛兽般不断出现，对人们的日常生活带来严重的影响，环境保护成为社会日益关注的问题。在我国，据国家环境监测机构对全国 1999 年各大中城市环境污染所做的报告显示：在被调查的 338 个城市中，只有 33.1%的城市的空气状况满足国家空气质量二级标准，另外 66.9%的城市超过国家空气质量二级标准。在这中间，还有 137 个城市超过国家空气质量三级标准，占所统计城市数目的 40.5%。在对大气的主要污染物总悬浮物(TSP)的调查中，有 60%的城市的 TSP 浓度值超过国家二级标准。在对另一项污染物二氧化碳浓度的调查显示，年均值超过国家二级标准的达到 28.4%左右。一些大城市机动车排放的污染物对各项大气污染指标的贡献率达到 60%以上。全国有 80%的城市的主要交通干线噪音超标，超过 70 分贝。在这方面，数目大的惊人的汽车无疑是罪魁祸首之一。汽车排房物中有大量的有害物质，包括碳氧化合物，氮氧化合物和黑烟等等 2。另外，在当代的城市中，由于汽车刹车、启动频繁，经常鸣笛，从而为都市的生活造成了很大的噪音。即使汽车在一般的行驶过程中其噪音也达到了 8090 分贝。一般的噪音会影响人的工作效率，引起人的烦恼。噪音达到 35 分贝以上的时候就会影响人的睡眠休息，甚至分致耳聋或其它疾病，从而导致一系列的恶性后果，严重影响人们的正常生活。1.2 节能环保汽车的发展情况节能汽车在当今我们这个提倡节约的社会越来越被人们广泛关注。各种各样节能型汽车的不断出现为汽车工业的可持续发展提供了良好的开端。本节主要介绍国内外几种形式的节能汽车发展情况及程度，在了解其基本情况的基础上可拓展一下我们的视野和思维。1.2.1 总体发展思路实施汽车排放清洁的方式很多，比如提高油的品质、在燃油中加入添加剂。但通过汽车技术创新来实现环保的思路只有三条：一是在传统汽车的基础上进行技术改造；二是开发全新的汽车，利用新能源；三是安装净化装置。其中，技术改造包括电控喷射技术，半导体辅助点火系，无触点点火系，微机控制点火系和无分电器点火系。开发新能源包括电动汽车，太阳能汽车，氢动力汽车，醇类燃料汽车和天然气汽车。安装净化装置包括催化式净化器，陶瓷微粒捕集氧化器，静电微粒捕集器和袋滤器等。 1.2.2 国外发展情况在国外，以节能驱动为目的的研究发展情况主要如下：一种以发动机长时间处于经济工况为目的的复合驱动系统(即在相对于同等车型的底盘上装用小功率发动机，在不失动力性的同时获得较高经济性的技术)研究已有很长时间，并取得相当的成功。上世纪七十年代末期和八十年代初期，原联邦德国的大众和美国的福特公司开始分别在 Pinto 和 Chico 小轿车上、原联邦德国的 Mannesmann Rexroth 加Hydromati。两家公司在公共汽车上进行了节能的有关研究工作，前苏联也进行了类似的工作。概括起来有静液压传动的飞轮蓄能的电力复合驱动和特殊异步电机控制蓄电池组蓄能的电力复合驱动两种型式。试验结果表明，静液压飞轮复合驱动可使每循环(加、减速循环)平均油耗降低约 30;电力复合驱动平均循环节约油 20，同时，提高了汽车的加速性能，延长了其使用寿命。到了九十年代，随着液压和电动技术的发展，世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽车的研制和开发。俄罗斯的阿兹勒克 A3JTK一 2141 和拉斯 J1A3 一 4202 公共汽车运用成熟的技术开发了小功率发动机加储能器的复合驱动装置，油耗分别下降了 29%62%和 18%42%。9496 年俄罗斯依热大斯克车辆厂采用铅酸电池作为电能储存器，发动机油耗比原车型降低 21%以上，在车辆的燃油经济性得到了可观提高的同时，排放也得到了人大的改善，二氧化碳的排放率下降 50%, CO, HC 和 NO、只有传统发动机的 1/10,且有良好的加速性，反应更加灵敏。另外，美囚的通用福特、克莱斯勒在九十年代中期与美国能源部投资上亿美元开发复合驱动项目研究，最近俄罗斯专家提出用电容器储能装置研究复合驱动汽车，其优点是质量功率大，并能在数秒内存储和释放能量。随着世界性油料紧张，价格上涨，尾气排放限制越来越严格;复合驱动是今后汽车节约传动的一种发展趋势。美国 PNGV(美国政府和汽车工业界的合作契约的简称)计划十年内开发出三倍与目前燃料效率的汽车，其研究主要从三个方面着手，一是提高燃料转换成机械能的效率，二是降低车重减少汽车对能量的要求，三是实现再生制动，将减速及制动过程损耗的能量回收利用。最近，瑞士科学家又研制成功了一种新型的节能环保车。据俄罗斯国际传媒新闻网的报道，瑞士联邦工程大学利诺顾泽拉教授带领的专家小组近日研发、制造出了世界上消耗燃料最低的汽车并给它起名为 Pac-Car，如图 1.1 所示。顾泽拉教授介绍说，Pac-Car 中运用了目前世界上先进的氢气动力技术。只需要 8 升燃料，人们就可以驾驶这种汽车环游世界一周！此外，这种汽车的另一大优点就是，它在公路上行驶时绝对不会污染环境 3。图 1.1 氢动力汽车1.2.3 国内发展情况在国内，汽车的节能技术研究开展了很长一段时间，取得了一定成就。但多局限于内燃机的个别系统。以运行的车辆整体为研究对像，通过回收被损失的机械能予以再利用的义合驱动途径改善车辆燃料经济性、动力性、环保性的研究尚不多见。另外，还有一种采用二次调节静液传动的系统其功能与复合驱动系统似，二次调节静液传动是德国学者 H.W.Nilaus 提出的一种新型静液传动技术，它利用驱动元件(液压马达/泵，也称为二次元件)能够工作在由其输出转速和输出转矩构成的直角坐标系中四个象限的特点，把工作系统的惯性能和重力能回收并储存.在需要时再将所储存的能最释放。此外，该系统还具有调节方便、易对多种参数(如转速、转矩和功率)进行控制等优点，可广泛地应用于车辆的驱动中，尤其在频繁刹车、起动的城市公交车辆中，它可以极大地提高系统效率，节约能源。在国内哈尔滨工业人学对其进行了大量研究，取得了一些成果。我国的新型的电动节能轿车的开发和研制也取得了很大的进展，华中科技大学研制成功了一种这类车辆。据介绍，这种纯电动轿车的驱动系统是该校自行研制的开关磁阻电机及其控制器，采用了与世界先进水平保持同步的全数字化高性能控制技术，并具有明显的性能与价格优势。动力源为高性能锂离子电池。传动系统取消了离合器，专门设计制作了传动箱，无须手动变速，操作方便。该汽车具有电机能量回收制动系统和机械制动系统，一次“能量补给”能续驶 250 公里，适合于各种路况，具有零排放、低噪音、运行平稳、出力大、自动调速、快响应等明显特点。现在国家对小排量汽车也取消了限制，建立能源节约型，环境友好型的社会已经成为了一个热门话题，前不久，国务院办公厅转发了国家发改委等六部委联合发布的关于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见 ，要求取消一切针对节能环保型小排量汽车在行驶线路和出租汽车运营等方面的限制，小排量汽车的发展再次成为业内关注的焦点。发展节能环保小排量汽车是一件鱼与熊掌能够兼得的利国利民的好事。既能发展汽车工业，又可缓解能源资源短缺的压力，既能促进中国经济持续快速发展，又可满足广大消费者消费结构升级过程中的需求。他说，发展经济型的环保小排量汽车，要致力于消除体制性、政策性、观念性等多重障碍，通过财政税收等体制改革、加大对节能环保型小排量汽车研发的支持力度、更新消费者消费观念等手段，为节能环保型小排量汽车的发展创造一个好的体制环境、政策环境和发展环境。相信我们的节约环保汽车的前景会更加的美好 3。1.3 液压节能驱动技术在汽车上的应用车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、减速和制动等工况循环交替地工作。 车辆在减速、制动工况，实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使机械能量被浪费掉，制动系统磨损，而且，发动机处于强推怠速工况，燃烧及排放恶化。车辆在加速与上坡工况，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，混合气浓度大，耗油量加大且燃烧不完全现象加剧。导致油耗大且加剧环境噪声与废气污染。起步工况，车辆状态由静到动，由于惯性载荷大(尤其对大、中型车辆)，导致耗油多，冲击力大。在汽车的减速及制动过程中若减速度大于车辆在该车速、环境、路况下自由滑行的减速度，则该过程中即有可回收利用的惯性能量(通过发动机制动、制动器制动所消耗的能量)。由上述分析可见，如果将车辆在减速制动工况损失的机械能加以回收，使发动机处于正常的怠速工况:然后在车辆起步、加速、爬坡等工况子以释放，帮助发动机工作，使发动机更长时间处于经济工况下运转。这样不仅可以节约油料，提高动力性，减少装车功率，延长车辆使用寿命，而且还可以减低噪声和废气对环境的污染。1.4 液压节能驱动技术的发展前景液压混合动力技术是指在不改变传统客车底盘结构和发动机的前提下，通过在底盘上加装一套液压再生驱动总成，使大部分通常被浪费掉的制动能量有效回收储存、并利用在车辆起动和加速上，从而达到节约燃油、降低排放、减少发动机和制动器磨损的作用。产品特点和优势：减少 30%（最高可达 42%）的燃油消耗；减少 50%的尾气排放；减少 80%的制动维修费用；减少 50%的发动机磨损；增加 50%的制动力；增加 40%的加速力；减少 50%的运行费用；价格便宜，整车成本增加不超过 30%；维修保养操作简便，一般车辆维修厂均可对该产品进行维修保养技术创新性：液压装置上，采用新的液压网络节能理论新的节能控制策略该总成采用国际标准工业通讯 CAN 总线进行计算机智能控制。市场现状和前景：液压再生能量驱动装置具有很广阔的市场切入面，具有投入小,见效快的特点。既可以对在用车进行改造，也可以作为新车的一个可选择的配置直接装备在新车上。对在用车进行改造的主要产业链群体为各地公交运营公司，而装备于新车的主要产业链群体是客车生产厂家和底盘生产厂家。以北京公交为例，北京公交目前拥有公交运营车辆 1 万 8 千多辆，每年燃油费用高达 10 亿元人民币，如果全部安装上液压再生驱动总成，每年可为公交节省 3-4 亿元的燃油费用。如果推广至全国，市场前景将相当可观。另外，再加上系统的节能与环保方面的优势，更是能给社会带来巨大的经济效益和社会效益。第 2 章 车辆液压节能驱动系统工况分析液压系统的设计有着明确的规范和要求，而对整个系统所进行的工况分析是必不可少的。只有在明确系统的工作情况后才能进行具体的改造和设计。本章主要介绍了汽车的工作情况及各方面的性能要求，以便设计参考。2.1 液压节能驱动系统的设计要求设计液压系统时，首先要明确主机对液压系统的要求，具体包括 4：1、主机的动作要求 是指主机的哪些动作要求用液压传动来实现，采用哪种类型的执行元件，各执行元件间的动作循环及其动作时间是否需要同步，互锁等。2、主机的性能要求 是指主机对采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶段所需的力和速度的大小，调速范围，速度的平稳性，动作周期等方面都必须有明确的数据。对要求高精度，高生产力及自动化程度高的主机，还要提出静，动态指标的要求。3、主机的使用条件和工作环境 如环境温度的变化范围，作业场地等情况，灰尘状况等；周围有无易燃物质和腐蚀气体等，也应加以注意。4、其他要求 如液压装置在重量，外行尺寸等方面的限制以及经济性，耗能方面的要求。2.2 工况分析液压系统的工况分析就是分析设备在工作过程中，其执行元件的负载和运动之间的变化规律。在此基础上，绘制出负载循环图和速度循环图。工况分析包括负载分析和运动分析。2.2.1 例子汽车行驶速度变化典型曲线如图 2.1 所示。10234567809123速度(km/h)时 间 (s)图 2.1 汽车行驶速度变化实测图从图 2.1 可知，公交汽车时速一般低于 60 km/h 且加减速频繁，大多数时间公交汽车处于 20 km/h40 km/h 的较低速度。仅就公交汽车在通行较为顺畅的市郊路段而言，经实测其起步、加速、减速、制动工况频率高达 72%以上。并且随着道路、交通流量和环境的复杂化，这一频率会变得更大。因为加减速频繁，所以大量的能量在制动时被浪费，同时也加速了机器零件的磨损，增加了废气的排放量。2.2.2 测定结果分析由于汽车运动具有随机性，因此采用统计学原理进行分析，把单位时间内速度变化绝对值小于士 0.255 的运行工况(即有效载荷是 1.5T 脱挡滑行减速度值。)定2/sm为匀速工况；减速度大于 0.255 者定义为减速度工况；加速度值大于 0.2552/者定义为加速工况。2/sm经对记录曲线统计:平均行驶速度为 2040km/h；依发生时间统计匀速工况，加速工况，减速工况，频率分别为 27.8 % 、44.88%、27.30%，如图 2.2 所示，典型脱挡滑行减速度均值为-0.255 ，收油门减速度为-0.2550.65 ，制动减速度2/sm2/sm为-0.659.0 。2/s图 2.3 是全程典型减速、制动与加速循环工况，其平均减速度为 0.689 ，2/s典型加速强度为 0.729 ，平均加速强度为 0.419 。2/sm2/sm20463.19205图 2.2 加、减、匀速频率图速度 时 间图 2.3 典型加速、减速与制动工况图2.3 制动系统性能要求标准规定的制动系统性能是在规定的条件下，通过测量相应的初速度下的制动距离和/或充分发出的平均减速度来确定。充分发出的平均减速度 按下列公式计算GB 12676 1999)(MFD)(92.5bcbSvV 2/sm（2.1）式中 实验车制动初速度 ；v)/(hkm0.8 实验车速 ；b0.1 实验车速 ；cv)/(k实验车速从 到 的行驶距离 ；bSvb)(实验车速从 到 的行驶距离 。c cm2.4 本章小结本章主要介绍了液压节能驱动系统的设计要求，并对汽车工况进行了测定分析，给出了汽车速度和工况等随时间变化的曲线图，从而使我们更加了解车辆的各方面的性能。第 3 章 车辆液压节能驱动系统方案设计本章主要介绍液压节能驱动系统的工作原理，对各个部分进行了简要的说明并明确其在系统中的功能。另外简单的介绍了二次调节静液传动系统以便于更好的理解节能驱动系统。3.1 节能驱动系统方案确定本次设计的目的是通过对公交车辆在制动时的所产生的惯性能加以存储和利用，从而达到节约能源，减少环境污染的目的。经过各方案的比较，最终决定采用这种液压复合驱动系统。所谓复合驱动系统是采用两种以上的驱动方式作为动力来源。本次设计的第二个能量来源就是系统所储存的液压能。3.1.1 液压复合驱动系统的组成1、蓄能器蓄能器是本系统中最为关键的元件之一，在系统中起到储存、释放能量的作用。2、液压泵/马达液压泵/马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵将机械能转换为液压能，即由原动机驱动，把输入的机械能转换为液压能，再以压力和流量的形式输送到系统中去。液压马达将液压能转换为机械能，即将输入的液压能转换为机械能，以转矩和转速的形式输送到执行机构做功。3、离合器离合器是传动系统中的关键元件。通过闭合和分离两种状态来达到液压能的输出和截止。4、辅件包括电磁换向阀、过滤器、压力表等。具体作用见 4.3。3.1.2 液压复合驱动系统的工作原理以下是液压节能驱动系统图，通过此图来说明该系统的工作过程。11 -分动器 2- 传动轴 3 -单片机 4 -电磁阀 5-蓄能器 6 -压力表 7-安全阀 8 -油箱 9 -变量泵/马达 10 -离合器 11 -滤清器 12 -变量泵/马达工作机构 13 -油门踏板 14 -刹车踏板 15-压力继电器（1）加速信号 （2）减速信号 （3）压力信号 （4）阀控制信号 （5）压力继电器信号（6）工作机构控制信 （7）分离机构控制信号图 3.1 液压节能驱动系统图能量的回收与释放通过可逆的油泵/马达 9 实现，在蓄能时作为油泵，在能量释放时作为马达。液压泵/马达的蓄能能量释放功能转换山电磁阀 4 及其相应的辅助装置实现，并受单片机控制，单片机接受发动机转速、泵/马达转速、系统压力、车辆运行状况及驾驶员操作意图等相关传感信号，综合处理后对节能系统进行控制。回收的能量以液压能的形式存贮于蓄能器 5 中，在能量释放过程中，贮存的液压能由马达经分动器接口传动轴协同发动机驱动底盘工作。为消除回收能量时发动机起制动作用而使能量不能充分回收再利用，方案设置了车的传动系统与发动机间的动力流电控液动离合装置。该装置工作信号与主控阀信号相一致，在能量回收时将发动机与传动系统间动力传递切断，从而消除了减速制动过程中的发动机起制动作用，而使蓄能装置不能充分发挥作用的现象，同时也消除了发动强推怠速工况。3.1.3 功能描述汽车制动分为紧急制动与普通减速。前者直接使用汽车原有刹车系统。后者使用节能驱动系统，当减速开始时，司机轻踩刹车踏板，通过踏板上的传感器及控制系统，液压系统被激活。变量泵/马达作为泵，将油液从油箱泵入蓄能器。同时，泵/马达产生扭矩进行制动。蓄能器通过气囊将气体与液体分开。当蓄能器未泵入液体时，蓄能器内气体压力维持在较低值。在减速过程当中，逐渐增加的液体容积迫使气囊变小，因此气体压力也随之增大并接近最大值。在这个过程中，泵/马达产生的制动扭矩也逐渐加大。当系统压力达到最大值时，马达也产生最大的制动扭矩，同时液压系统的安全阀打开，使得系统压力不再增加，泵/马达也将保持该制动力矩，直到将车辆速度减至理想速度。如果遇到紧急情况，要求汽车在极短的时间内将速度减到很小或停止，司机将踩动刹车踏板，则在节能驱动系统产生最大制动力矩的同时，原有的汽车刹车系统也将起作用，两套制动系统一起动作将速度减至理想。如果节能驱动系统的蓄能器未充满而减速过程已停止，则系统将保持该压力，等下一个加速或减速过程将释放或充满。当汽车开始启动加速时，高压液体经过开关阀驱动变量泵/马达，该元件作为马达再推动驱动轴，使汽车启动加速。在这个过程当中，发动机同时运作，汽车此时有两个动力源，使得汽车能在更短的时间内加速并减少发动机耗油量。当在加速过程中，节能驱动系统内压力小于调定值时，由压力传感器发信号自动断开与传动系统的连接，由发动机驱动汽车继续前进。在水平路面上，蓄能器所储存的能量达这个速度后，发动机转速增加并逐渐与驱动轴协调一致，汽车传动系统开始运转。发动机接替变量泵/马达输出动力。汽车又回到刹车减速前的正常状态。3.1.4 车辆的控制方法1、汽车开始制动时，司机踩动刹车踏板，由制动踏板控制的变量泵/马达控制开关将其转化为泵工作。汽车的动能通过车轮、传动系驱动泵工作。给蓄能器提供液压能，这样就把汽车制动时的动能转换成液压能储存起来。系统压力的最大值可通过安全阀控制。如在紧急状态，要求汽车的减速度较大时，继续踩制动踏板，激活汽车的机械刹车系，使汽车迅速停车。当紧急制动时，司机猛踩刹车踏板，踏板在极短的时问内就通过启动节能驱动系统阶段的行程，在本系统起作用的同时，汽车原来的刹车系统也一起制动，从而使汽车能在极短时间内减速至要求速度或停止。2、当汽车起步加速时，驾驶员踩动加速踏板。加速踏板控制的变量泵/马达控制开关使得变量泵/马达转化为马达工作状态。与变量泵/马达相连的离合器结合，马达给车辆提供动力，同时，发动机也给汽车提供动力。马达在蓄能器释放的压力能推动下运转，使汽车起步或加速，随着汽车加速运动，蓄能器内压力能减少，压力降低。当压力低于设定值时，压力传感器发出信号控制节能驱动系统的离合器与汽车传动系脱开。发动机接替变量泵/马达为汽车提供能源，驱动汽车前进。当汽车在行驶过程中加速时，随着司机踩动油门，在发动机加大输出功率的同时，节能驱动系统也被激活。当泵/马达输出轴的转速与发动机的转速相匹配时，控制系统控制与汽车传动系接合，为汽车提供额外动力，直至加速过程结束或系统所储存液压能释放完毕，才将本系统与汽车传动系断开。3.2 二次调节静液传动系统简介二次调节静液传动系统功能与复合驱动系统类似，二次调节静液传动是德国学者H.W.Nilolaus 提出的一种新型静液传动技术，它利用驱动元件(液压马达/泵，也称为二次元件)能够工作在山其输出转速和输出转矩构成的直角坐标系中四个象限的特点，把工作系统的惯性能和重力能回收并储存，在需要时再将所储存的能最释放。此外，该系统还具有调节方便、易对多种参数(如转速、转矩和功率)进行控制等优点，可广泛地应用于车辆的驱动中，尤其在频繁刹车、起动的城市公交车辆中，它可以极大的提高系统效率，节约能源。采用该技术的公交车组成结构如图 3.2。在图 3.2 中，发动机 2 带动液压泵 4 为系统提供所需的液压能，在液压能的作用卜，二次元件 6 通过后桥 7 驱动车辆的驱动轮 8，实现车辆的加速和匀逆行驶。当车辆在制动过程中，二次元件在控制器 1 的控制下，使二次元件处于液压泵工况，由动能转化输出的压力能送入液压蓄能器 5，将车辆的动能以压力能的形式存此在液压蓄能器中：在启动和加速过程中，二次元件处于液压马达工况，液压蓄能器中的压力能又通过工作于液压马达工况的二次元件转变为汽车的动能 4。1-控制器 2-发动机 3-离合器 4-液压泵 5-液压蓄能器 6-二次元件 7-后桥 8-驱动轮图 3.2 采用二次调节静液传动技术的城市公交车辆传动系统结构示意图3.2 本章小结本章首先从整体上对液压节能驱动系统作了介绍，明确了系统方案及组成，并对各个元件的作用进行了说明。随后对照系统图对其原理进行了详细的解释，并结合车辆的实际行驶过程对系统的各种功能及控制方法进行了描述。第 4 章 驱动系统设计本章主要对液压节能驱动系统中的各个元件进行了详细的介绍，并分别对蓄能器、液压马达、电磁阀等关键零件进行了各项性能标准的标定并对其工作原理进行了介绍。该部分是整个液压驱动系统的核心。4.1 蓄能器的工作原理及参数计算（NXQ 系列蓄能器）蓄能器作为整个液压系统的关键零件之一，必须明确其功能和设计标准，本节着重介绍了其工作原理和各项指标的计算方法，并对其进行了校合。4.1.1 蓄能器的工作原理NXQ 系列胶囊式蓄能器是液压系统中重要的不可缺少的液压辅件。有储蓄能量、稳定压力、消除脉动、吸收冲击、补偿容量和补偿泄漏等作用。油液实际是不可压缩的，因此不能蓄积压力能。胶囊式蓄能器是利用气体（氮气）的可压缩性来蓄积液体的原理（即采用氮气作为压缩介质）而工作的。 胶囊式蓄能器由油液部分和带有气密隔离件的胶囊（内装氮气）构成。位于胶囊周围的油液与液压回路相通。因此，当压力升高时油液进入囊式蓄能器由此气体被压缩；当压力下降时，压缩气体膨胀，进而将油液压入回路，以下明确了部分 NXQ 系列液压蓄能器的表示方法及技术参数和各种型号的各项标准，以便根据系统要求选择适当的蓄能器 5。图 4.1 NXQ 型蓄能器螺纹连接结构简图设计标准见表 4.1。表 4.1 NXQ 系列蓄能器技术参数表尺寸 )(m型号公称压力 )(MPa公称容积 (LD1L2LM重量 )(kgNXQ-0.63/*-L 0.63 190 318 4.5NXQ-1/*-L 189 50290 418276NXQ-1/*-L 1 114 50 205 333 6NXQ-1.6/*-L 1.6 215 370 12.5NXQ-2.5/*-L 2.5 280 435 15NXQ-4/*-L 4 390 545 18.5NXQ-6.3/*-L102031.56.3152 65560 71524M25.54.1.2 参数计算 由于本系统任务是将车辆的所损失的机械能(主要是动能)转换为液压能，所以根据能量守恒定律，车辆所损失的机械能必与系统液压能相等。汽车制动前后动能损失为：)(2120vmW（4.1）式中 车辆的质量 ；m)(kg、 车辆制动前后的速度 。1v0 )/(hkm而在液压系统中，蓄能器为储能装置。其储存的液压能应与汽车损失的动能相等。对于蓄能器，根据单通道稳态流动能量方程，有如下能量守恒公式：hisckpw EEE（4.2）式中 单位质量流体与外界的作用功 ；wE)(J所考察的两截面 5 的压力能差 ；p所考察的两截面间的动能差 ；k )(J所考察的两截面间的压缩能差 ；cE所考察的两截面间的位能差 ；s )(J所考察的两截面间的内能差 ；i对外热传导，辐射，对流等热能损耗 。hE )(J以下为对公式的几点说明：1、压力能使液压技术中最主要的能量形式，也是蓄能器的主要储能方式。在液管路中，单位质量流体介质的压力能表达式为：（4.3）pqEvp式中 液体密度 ；)/(3mkg压力 ；p)a 体积流量 。vq)/(3sm2、单位质量液体所具有的动能为2mkvE（4.4）式中 单位液体所具有的动能 ；kE)(J液体的流动速度 。mv/sm3、压缩能是因液体的可压缩性而消耗的能量。工程上认为，容积 随着压力升V高按线性规律逐步被压缩，故其压缩能为：压缩能是因液体的可压缩性而消耗的能量。工程上认为，容积 随着压力升高按线性规律逐步被压缩，故其压缩能为：VEVpEc21（4.5）式中 介质的体积弹性能量 ；E)(J压力 。p)(Pa由于液体的可压缩性较差，即液体体积变化受压力影响很小，在主要靠压力能储能，即压力能为主要储能方式下可以忽略不计。位能相对于压力能所占的比重很小，可以忽略不计。4、位能相对于压力能所占的比重很小，可以忽略不计。5、指能量损耗导致的介质温升的热能部分tCEfi（4.6）式中 介质比热。fC介质升温的热能 ；iE)(J温度的变化量 。tC6、 项由于难以估算，且系统温升限定在热平衡状态，故忽略不计。综上所述，h把以上不容忽视的各项能量表达式代入能量守恒方程式 4.2 中，得 02112 tCvpEfw（4.7）本系统所采用的蓄能器中，所储存的能量形式主要是压力能。由于蓄能器充、放油完成后，即系统处于稳定状态时，壳体内液体处于静止非流动状态，故液体速度为零。同时，由于介质的能耗导致的温升的热能部分，即内能部分，考虑到蓄能器与整个液压系统相通，且热能又在通过传导、对流、辐射的形式散失，因而介质的能耗导致的液体温升总体不大，故也可在计算蓄能器的储能量时不以考虑 6。所以，由式（4.7）可计算蓄能器的储能量为：（4.8）pVE式中 蓄能器最大工作压力 ；p)(Pa蓄能器最大工作容积 。Vl因此，联立公式（4.1） 、 （4.8）可得:（4.9）pVvmyj)(2120式中 汽车传动系效率；j液压系统效率。y汽车行驶方程式为：（4.10）jiwf FF式中 车辆驱动力 ；F)(N空气阻力 ；w坡度阻力 ；i )(车辆惯性力 ；jFN滚动阻力 。f )(其中（4.11）GFf8.9 （4.12）22215. dtKcAvcFvw（4.13）sin89Gi（4.14）dtj6.3式中 滚动阻力系数；空气阻力系数 ；c)/(3msN汽车正面投影面积 ；A2车速 ；v)/(s变量泵/马达输出角速度 ；dt)/(srad坡度角 )(rad；速度转速转换系数 ；vK)(1m旋转质量换算系数。变量泵/马达输出轴上，驱动扭矩方程为:（4.15）iFRM/式中 变量泵/马达输出转矩 ；M)(mN汽车传动比；i车轮工作半径。R公共汽车的运行车速一般都比较低，因此，所受的空气阻力很小，可忽略不计。系统工作压力可根据扭矩选择，但应有一定范围。系统工作压力低，势必加大液压元件的结构尺寸，而样机布置空间不允许，同时，从材料消耗角度也不经济；反之，压力选得太高，对液压元件密封、制造精度要求就高，必然提高装置成本。所以依据该装置工作性质与环境，初选为 7（4.16）aMPp3520将选定的压力代入公式(4.5)中，可得蓄能器工作容积为： （4.17）pvmVyj2)(01由此可得蓄能器公称容积公式为：（4.18）nnpV12100式中 所需蓄能器公称容积 ；0V)(L充气压力 ；P)(aP指数，取 1.4，按绝热处理；n蓄能器工作容积 ，按式（4.17）计算；V)(L最高工作压力 ；2paP最低工作压力 。1)(在本系统中蓄能器作为蓄能使用，所以蓄能器充气压力 应按以下计算：0p1、蓄能器总容积 最小，单位容积储存能量最大的条件下，绝热过程时0V（4.19）20471.p2、使蓄能器重量最小时（4.20）20)5.6.(3、压缩能是因液体的可压缩性而消耗的能量。工程上认为，容积 v 随着压力升高按线性规律逐步被压缩，故其压缩能为:在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下折合形气囊 （4.21）10)85.(pp波纹形气囊 （4.22）6隔膜式 （4.23）2103.p蓄能器的充气压力 ，根据应用条件的不同，选用不同计算公式进行计算。代0P号含义同前。对于蓄能器最低工作压力 和最高工作压力 作为动力源来说，蓄能1p2p器的最低工作压力应满足（4.24）maxax1)()(I式中 最远液压机构的最大工作压力；max)(Ip蓄能器到最远液压机构的压力损失（ ） 。 MP从延长皮囊式蓄能器的使用寿命考虑（4.25）123p越低于极限压力 3 ，皮囊寿命越长，提高 虽然可以增加蓄能器有效排油2p1p2P量，但势必使泵的工作压力提高，相应功率消耗也提高了，因此凡应小于系统所选泵的额定压力。作为动力源的蓄能器，为使其在有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定些，一般推荐（4.26）21)85.06(pp蓄能器作为液压能储存和释放的装置。根据在本设计中其应具有较强的能量储存与释放功能，以及反应灵敏，工作平稳可靠使用方便，寿命长等要求。综合比较弹簧式、气瓶式、活塞式和气囊式蓄能器的特点，选用气囊式蓄能器，如图 4.2 所示。4.1.3 蓄能器的校核 蓄能器是本系统的关键元件之一，不同型号具有不同的标准。其公称容积和压力允许范围必须经过严格的校合以便选择蓄能器的型号。以下是对本次设计所用蓄能器所做的校核：各参数确定如下：由式（4.16）得，最低工作压力 和最高工作压力 分别为 20 和 35 。1P2PaMaP图 4.2 NXQ 型皮囊式蓄能器结构图由于本系统是在单位容积存储能量最大的条件下进行设计，所以 即冲气压力0P取 0.471 。2P又公交车最高速度为 60 ，最低为 20 ，即 =60 ， =20 。hkm/hkm/1vhk/0vhkm/公交车辆最大质量为 12 。t假设汽车传动系效率 和液压系统效率 均为最大，为 1。jy由式（4.17）可得：（因 为最大工作容积，所以 =20 。 ）VPaMLPvmyj 96.0120)6(12)( 601 由（4.18）可得： Lpvn3.)520(1.69)(14.112100