（机械制造及其自动化专业论文）大功率轮胎式装载机的静压传动系统研究.pdf

同济大学硕士学位论文摘要 摘要 装载机按动力传动系统的不同分为机械式传动、液力机械传动和全液压传动3 种；国内使用和生产的绝大多数是采用液力传动的轮式装载机。本文对装载机的液 力传动和静压传动的工作原理及其与发动机的匹配和牵引特性分别进行了分析，通 过比较，得出了静压传动系统相对于采用液力机械的动压传动的一些优点，指出装 载机传动系统开始向高技术、大型化、采用静压传动的趋势发展，提出了大功率轮胎 式装载机的静压传动方案。 运用目标控制理论，合理确定了发动机目标值负荷率，使发动机燃料消耗率降低、 功率利用率提高，从而使发动机一液压泵一液压马达组成的系统性能最佳化。 在v b 6 0 的平台上开发了计算机辅助设计软件，能使匹配、效率和牵引特性等计 算在很短的时间内完成。辅助计算软件具有良好的人机交互界面，同时可以输出装 载机各种工况下的相关参数曲线和数据。 根据前面的理论研究，运用目标控制理论，在现有的液压元件及控制装置的基础 上，针对当前国内使用最广泛的z l 5 0 型装载机，本文提出了静压传动行走传动系统 的设计方案。 关键词：装载机；静压传动；液力传动；牵引特性 同济大学硕士学位论文 摘要 a n a l y s i so fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mf o r b i gp o w e rw h e e ll o a d e r a b s t r a c t t h ed r i v e nt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fw h e e ll o a d e r sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ： m e c h a n i c a l ，h y d r o d y n a m i c a n d h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o n s y s t e m h y d r o d y n a m i c t r a n s m i s s i o ns y s t e mi so f t e nu s e df o rw h e e ll o a d e r si no u rc o u n t l 了t h i sp a p e ra n a l y z e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o na n dh y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ， t h e i rm a t c h i n gf o rt h ee n g i n e ，a n dt h e i rt r a c t i o np e r f o r m a n c e ，r e s p e c t i v e l y ；p o i n t e do u t s o m em e r i t so fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mc o m p a r et oh y d r o d y n a m i cs y s t e m ；t h e n l e dt ot h ep o i n to fv i e wt h a tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h ed r i v e ns y s t e mf o rw h e e l l o a d e r si sh i 【g l l t e c h ，l a r g e s i z ea n du s i n gh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ；f i n a l l y , t h e a u t h o rg a v eu sah y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns o l u t i o nf o rh i 曲- p o w e r e dw h e e ll o a d e r s t h ep r o p e ra i m - p o w e rv a l u eo ft h ee n g i n eh a sb e e nd e c i d e du n d e rt h ea i m c o n t r o l t h e o r y , w h i c hr e d u c e dt h ef u e lc o n s u m p t i o na n de n h a n c e dt h ep o w e re f f i c i e n c y a sa r e s u l t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do fe n g i n e s ，p u m p sa n dh y d r a u l i c m o t o r s ，h a sb e e no p t i m i z e d ac a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e db yv b 6 0 ，w h i c h m a k e st h ec a l c u l a t i o na ne a s yj o b ，s u c ha st h ec a l c u l a t i o no fm a t c h i n g ，e f f i c i e n c ya n d t r a c t i o np e r f o r m a n c e t h es o f t w a r eh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e ，b yw h i c ht h ec u r v e sa n dd a t a o fr e l e v a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fw h e e ll o a d e r su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s a l eb o t ha v a i l a b l eo nt h es c r e e n a c c o r d i n gt ot h el o n g - t e r ms t u d yb e f o r e ，t h ea u t h o rm a d ead e s i g n s o l u t i o no f h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rt h em o s tw i d e l y u s e dw h e e ll o a d e r ( z l 5 0 ) ，b y a p p l y i n gt h ea i m c o n t r o lt h e o r ya n du s i n gt h ea v a i l a b l eh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n dc o n t r o l d e v i c e k e yw o r d s ： w h e e ll o a d e r h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ；h y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o n ； t r a c t i o np e r f o r m a n c e n 同济大学硕士学位论文声明 同济大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包括任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的 成果。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 4 年3 月1 2 日 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 装载机简介 一、装载机简介 装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土 石方施式机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、 硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料 如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的 填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、 刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、 操作轻便等优点，因此它成为工程 建设中土石方施工的主要机种之 一 按行走装置的不同，装载机分 为轮胎式和履带式两种。 轮胎式装载机由动力装置、车 架、行走装置、传动系统、转向系 统、制动系统、液压系统和工作装 置等组成，其结构简单图如图1 - 1 所示。轮胎式装载机采用柴油机为 动力装置，液力变矩器、动力换档 变速箱、双桥驱动等组成液力机械 式传动系统( 小型轮胎式装载机有 的采用液压传动或机械传动) ，采用 液压操纵，铰接式车架转向和反转 杆机构的工作装置。 履带式装载机以专用底盘或工 业拖拉机为基础车，装上工作装置 图l - 1 轮式装载机 并配装相应操纵系统而构成，如图l 一2 所示。履带式装载机的动力装置也是柴油机， 同济大学硕士学位论文第一章绪论 机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转 连杆机构的工作装置。 图1 2 履带式装载机 l 一行走机构：2 一发动机；3 一动臂；4 一铲斗：5 一转斗油缸；6 一动臂油缸： 7 一驾驶室：8 一燃油箱 二、装载机传动系统的分类 装载机按行走装置的不同 可分为轮胎式和履带式两种；按 使用的场合的不同分为露天用 装载机和井下装载机；按动力传 动系统的不同分为机械式传动、 液力机械传动和全液压传动3 种：国内使用和生产的绝大多数 是露天轮胎式装载机( 简称轮式 装载机) 。 i 、机械式动力传动系统 图1 3 装载机机械传动系统 l 一发动机；2 一离合器；3 一变速器：4 一传动轴； s 一车轮；6 一减速器；7 一轮边减速器 2 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 装载机的机械式动力 传动系统同汽车、拖拉机 的传动系统类似，是由离 合器、普通变速器、分动 箱、传动轴、前后驱动桥 以及轮边减速器等部件组 1 成( 图卜一3 ) 。 2 、液力机械式动力传动系 统 该系统由液力变矩器、 动力换档变速器、传动轴、 、 宁 惦 、 一 t 4 ii 商t l 一 占。斟壤 二 r 蛙 7 。一j 图1 叫装载机液力传动系统 l 一发动机：2 一液力变矩器；3 一变速器： 4 一传动轴5 车轮6 减速器7 轮边减速器 前后驱动桥以及轮边减速器等组成( 图1 - 4 ) 。发动机的动力经变矩器传给动力换档 变速器，再经传动轴分别传给前、后驱动桥。为进一步增大扭矩，驱动桥轴输出的 动力经过轮边减速器后，再传给轮胎。另外，为了防止产生寄生功率( 这是一种由 于前后轮线速度有差异，而造成的附加阻力所消耗的功率) ，在变速器内设有可以切 断后桥的后桥脱开机构。 3 、全液压式动力传动系统 全液压式动力传动系 统，它实为液压机械式动 力传动系统，除了工作装 置和转向系统采用液压传 1 动外，车轮的行走也靠液 压传动与机械传动相结 合，故称为全液压传动装 载机( 图l - 5 ) 。 图1 5 装载机静压传动系统 l 一发动机；2 一变量泵；3 一车轮：4 液压马达 1 2 问题的提出 1 9 9 9 年受国家加大基础设施建设的拉动，工程机械产品销售市场大幅度回升， 同济大学颐士学位论文 第一章绪论 年增长率达2 0 以上，工程机械行业进入了一个良好的发展时期。2 0 0 3 年上半年虽 然受s a r s 疫情的影响，但工程机械仍成较高的上升势头，如挖掘机2 0 0 2 年一至六 月销售9 5 2 5 台，2 0 0 3 年同期达1 6 3 4 2 台，同比增长率为1 7 6 ，2 0 0 3 年全年销售 已达3 0 0 0 0 台，增长率为5 2 。 尽管我国工程机械发展迅速，但与世界先进国家相比仍有较大差距，在技术、 产量、质量等几方面尚不能满足我国国民经济发展的需要。 目前所存在的问题及主要差别在于： 1 、品种规格不全，产品结构性“过剩 和“短缺 矛盾同时并存 我国工程机械产品品种规格的特点是中间密、两头少，适用对路的变形产品少， 一机多用的工作装置附件少。特别是大型工程机械品种短缺，微小型工程机械品种 难觅。如挖掘机2 0 吨左右的有近1 0 家生产厂家，而8 吨以下的挖掘机主要依靠进 口。国内目前最大的装载机是z l l 0 0 0 型。 2 、新产品开发少，重复组装多 以装载机为例，9 0 年代初我国仅有柳州、厦门等少数几家生产厂商，到9 0 年 代末生产组装z l 4 0 、z l 5 0 装载机的厂家遍地都是，其行走系统还都是采用液力传 动，产品重复，技术落后。 3 、我国工程机械的控制方面缺乏电子微电子技术的应用，阻碍了我国产品在国际上 的竞争性。 从近几年国际工程机械发展趋势来看，在以内燃机为动力的工程机械行走装置 中，液压传动的采用日趋普及。在变矩器为核心的液力传动曾风行一时，现仍继续 在大功率机器上占优势，但在中小功率的机械上却已越来越多地为液压传动所取代。 世界上各主要装载机制造企业驱动功率在6 0 k w 以下的装载机中基本上都采用了静 压驱动。这主要是液压传动不仅具有良好的调节性能，而且布局与匹配也远比液力 传动更为方便，尤其是液压传动与电子控制之间的良好界面使这两项前沿技术得以 完美结合、相得益彰n 也蜘。目前，大功率装载机行走系统采用液压传动的已成为一个 发展方向。 在我国国产装载机过去只有机械式传动和液力机械式传动两种，后逐渐转到全 部采用液力机械式传动。直到9 0 年代中末期中外建发展股份有限公司引进西德利渤 海尔l 5 5 1 b 和l 5 2 2 轮式装载机设计制造技术，之后辽宁又成立了辽宁利渤海尔装 4 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 载机有限公司，生产销售利渤海尔l 5 4 1 和l 5 6 4 等型装载机。从此结束了液力传动 统国内装载机天下的局面，采用了国外8 0 年代中末期才在1 0 0 k w 装载机上配用 的静压传动技术和装置。在大于这个功率范围，我国静压传动几乎还是一片空白。 因此，面对强劲的市场需求和国际技术发展的趋势，积极谋求行业生存和发展， 开发一种高效、经济、舒适的大功率静压传动装载机已迫在眉睫。 1 2 本论文的主要研究内容 本论文的研究内容主要有以下几点： 1 、研究分析大功率装载机静压传动系统的组成、工作原理及控制模式： 2 、装载机液力传动系统中，发动机与液力变矩器共同工作特性及液力传动牵引特性 分析研究； 3 、装载机静压传动特性分析研究； 4 、静压传动与液力传动的性能比较分析研究； 5 、大功率装载机静压传动系统方案设计、牵引力计算数学模型建立及程序研制： 6 、zl 5 0 型大功率装载机静压传动系统设计分析； 7 、大功率装载机静压传动及控制技术的展望。 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 第二章液力传动特性 2 1 液力传动简介 在工程机械中，发动机的运动是通过机械传动或液体传动的方式传到工作机构 或行走机构的。汽车或工程机械的机械传动，般由发动机一主离合器一变速箱一 主传动一轮边减速器一终传动这样的顺序组成，是采用最早的传动方式。由于机器 工作时负荷变化剧烈，要求根据负荷大小，不断改变工作机构的速度( 换档) 以取 得必要的作业能力和生产率，并防止发动机熄火。 液力传动是液体传动中的一种。它主要应用于发动机后底盘传动前这段传动。 液力传动的组成形式如图2 1 ，相当于把机械传动中的机械式主离合器用液力偶合器 或液力变矩器这些液力传动元件来代替，即在发动机与底盘传动机构之间，装上液 力传动元件，其他基本不变。当改用液力传动后，上述机械工作性能要求可大为提 高：并且机器作业能力和生产率显著提高，驾驶员劳动强度大为减小：发动机不会 熄火：可以重载起动；可以简化变速器、变速箱结构，减少档数：还可以延长机器 使用寿命等。由于具有这许多优点，所以液力传动在工程机械上得到广泛的应用。 液力传动的元件主要有液力偶合器或液力变矩器，在装载机上应用的主要是液 力变矩器。液力变矩器由外罩、罩轮、涡轮、导轮和泵轮等主要部分组成。泵轮、 涡轮、导轮三个工作轮均装在注有液体 的壳中，各叶轮上的弯曲叶片均用铝合 金与叶轮整体铸成。泵轮通过罩轮与发 动机的飞轮相连，涡轮与涡轮轴相连， 导轮则与外壳相连，固定不动n 。 液力变矩器的工作原理如下( 图 2 1 ) ：液力变矩器的三个工作轮的叶 片，组成一个封闭的循环油路。从发动 机传来的功率，经弹性联接板和罩轮， 传递给泵轮1 ，而低压液压油，则通过 变速油泵的工作，经导轮3 而进入泵轮 1 ，泵轮旋转，使油液受离心力的作用 图2 一l 液力变矩器示意图 1 一泵轮；2 一涡轮；3 一导轮；4 一涡轮轴 6 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 而飞向外缘，冲击涡轮2 。在发动机怠速时，由于泵轮转速甚低，由离心力而产生的 冲击力，还不能克服与涡轮相连的各种传动机构阻力及地面阻力，故装载机不会行 走。当泵轮转速增高后，油液便以高速冲击涡轮，如这时产生的冲击力尚因阻力过 大而无法使涡轮转动，那么油液经涡轮内缘而进入导轮，再回至泵轮的内缘，这样 油液再向泵轮外缘飞出时，其流速就比初次流速高得多，流量也就增加了，于是涡 轮所受的冲击扭力也随之增加，因为扭力是与单位时问内流过的流量成正比。其扭 矩将等于泵轮与导轮扭矩之和，当扭力大于各种传动机构和地面阻力后，涡轮就通 过涡轮轴而带动主动齿轮旋转。 液力变矩器的最大特点是由于导轮( 反作用元件) 的作用，使功率输送能改变 扭矩( 扭矩比是转速比的函数) ，输出转矩可增大，故名变矩器。设在变矩器稳定运 动时，泵轮作用于液体的力矩为m l ，涡轮作用于液体的力矩为m 2 ，导轮作用于液 体的力矩为m s ，并设它们的旋转方向相同，按液体的平衡条件有： m i + m 2 + m 3 = o 或m 2 - - - 一( m j + m 3 ) ( 2 1 ) m 2 为负( 一般取m l 、m 3 同向且逆时针向为正) ，表示真正的m 2 的方向与假设 的涡轮旋转方向相反，也就是与m i 相反。故涡轮作用于液体的力矩m 2 为阻力。上 式证明，在液力变矩器中，涡轮的输出转矩不等于泵轮力矩，而等于泵轮和导轮作 用的力矩之和。导轮的作用是改变输出转矩，使液力交矩器的输出转矩大于输入转 矩。 设液力变矩器输入功率为n l ，转速为r l l ，输出功率( 负载功率) 为n 2 ，转速为 n 2 ，效率为r l ，n - n 瓮2 等呔畸 式中 i ：鱼 n l k 等2 竿 ( 2 2 ) ( 2 3 ) k 是变矩系数，其大小随工况而变，是传动比i 的函数。一般当i 减小时k 增 7 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 大。i = o 时k 达到最大值，以表示，叫做制动变矩系数。 因为r i m l n l = m 2 n 2 ，所以当输入功率m i n i 和效率n 一定时，n 2 随阻力矩m 2 的 增大而减小，随m 2 的减小而增大。即：当负荷增大时，涡轮转数n 2 减小；负荷减 小时，涡轮转数n 2 增大。这样，液力变矩器能随负荷变化自动调整工作速度，这叫 做自动适应性。这种性能，对负荷变化剧烈的工程机械非常有利：可以充分利用发 动机的功率，提高生产率和增大作业能力；减小换档；防止发动机熄火等。 液力传动的主要优点： l 、使机械具有良好的自动适应性 液力变矩器具有自动变矩、变速的特性，当外载荷增大时，变矩器能使机械自 动地降低速度而增大牵引力，以克服增大的外负载。反之，当外载荷减小时，又能 自动地减小牵引力，增大速度。因此，保证了发动机能够经常在额定工况下工作， 避免发动机因外载荷突然增大而熄火。 2 、提高了机械的使用寿命 由于采用液体作传动工作介质，它能吸收、减少来自发动机和外载荷的振动与 冲击，所以保护了传动系各元件，提高了机械的使用寿命。 3 、提高机械的通过性能 液力传动具有良好稳定的低速性能，使车辆与地面的附着力增大，减少打滑的 可能性，从而提高机械在软路面如泥泞地、沙地、雪地等非硬土壤路面的通过性。 4 、简化机械操纵、提高机械的舒适性 液力变矩器本身就是一个无级自动变速器，故变速箱的档数可以减少，降低机 械操纵强度。又由于液力传动具有自动性能和减振作用，使机械起步平稳，加速均 匀。变矩器又能吸收冲击和振动，从而提高了机械的舒适性。 液力传动缺点是效率较低、成本高、结构较复杂、经济性能较差等。目前，液 力变矩器在施工、起重运输、交通运输、矿山等工程机械中已获得广泛的应用。 2 2 液力变矩器与发动机共同工作 轮式装载机通常以柴油机为动力源。由于柴油发动机的扭矩适应系数较小，难 以适应工程机械的外载荷频繁变化的要求，或长时间在负荷不足的工况下工作，降 8 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 低了发动机的功率利用率。当采用液力变矩器形成液力一机械传动后，能使工程机 械获得较好的牵引特性，对载荷的波动有自动适应性，能减少振动和冲击，避免发 动机熄火，实现无级变速，减少换档次数，从而充分利用发动机功率。但液力变矩 器与柴油机的匹配是否合理对其各自性能的发挥及工程机械的整机性能均具有重要 的影响。为此，有必要分析工程机械中液力变矩器与柴油机的工作特性、合理匹配 关系，以及影响其共同工作点的各种因素旧3 。 一、发动机的特性 l 、柴油机速度特性 速度特性是指柴油机的转速r l 。与其输出 扭矩m 。、功率p e 及比燃料消耗量g 。之间的 变化关系。为改善柴油机的超速和怠速不稳定 问题，通常工程机械中应用较多的是带全程式 调速器的柴油机。其速度特性如图2 2 所示。 最大供油时，所得到的速度特性称为发动机的 外特性，如曲线abc 段；在调速器起作用时 的速度特性称为调速特性，如曲线cd 段。 2 、典型工况及评价参数 图2 2 柴油机的特性曲线 ( 1 ) 发动机最大功率工况：pr 额定( 标定) 功率、r lr 额定转速、m r 额定扭矩。 ( 2 ) 发动机最大扭矩工况：m 。- 。最大扭矩、nm m 。厂一最大扭矩工况下的转速。 ( 3 ) 空转最高转速工况：一般n 。，= ( 1 1 - 1 2 ) nh ，对应的m 。、p 。接近o 。 ( 4 ) 空载最低转速工况( 怠速工况) ：此时发动机 输出功率和扭矩接近于零。 ( 5 ) 发动机适应性系数：kf - m m m h ，一般 k ，1 4 ，发动在ab 段工作不稳定，在bc 、 cd 段工作是稳定的。 二、液力变矩器的特性 1 、原始( 类型) 特性 9 o 图2 3 变矩器原始特性曲线 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 原始特性是指泵轮力矩系数入l 、变矩比k 、效率r l 与转速比i 间的关系。入l = f ( i ) 、k = g ( i ) 、n = h ( i ) 分别表示变矩器的负载特性、变矩特性和经济特性。 某一系列几何相似而尺寸不同的变矩器， 所示嘎酊。 2 、输入( 负载) 特性 它们的原始特性曲线是一样的。如图2 3 输入特性是指泵轮扭矩m l 与转速nl 间的关 系，由扭矩方程m l _ y 入ld 5 n1 2 决定。当工作油 ( y ) 及变矩器( d5 ) 确定时，在某个i 工况下，m l 随r ll 变化是通过原点的二次抛物线。当工况变化 0 时，天l 也变化，可得一簇抛物线，如图2 4 所示。 3 、典型工况及评价参数叭删 ( 1 ) 效率特性：用n = n ( i ) 表示。最高效率工况： i 。、r i 、入l 、k 。 n l 图2 4 变矩器负载特性 ( 2 ) 起动( 最高变矩系数) 工况：io = 0 、r l o = 0 、入1 0 、k o 。要求k o 一3 。 ( 3 ) 高效工作范围：用r l 1 7 5 时的速比幅度来衡量，即j = i2 ii 应大。 ( 4 ) 无级变矩：k = k ( i ) ，随着工况i 的不同，变矩系数是变化的。 ( 5 ) 自动适应性：m 2 = m 2 ( 1 3 2 ) ，当负载下降时，转速自动升高；反之转速下降。 ( 6 ) 能容特性：用入l = 入i ( i ) 表示，变矩器从发动机吸收的力矩值及变化情况。 ( 7 ) 透穿性及透穿系数：在能容特性曲线入l = 入i ( i ) 上，当d 入i di o 时具有负 透穿性( 离心式涡轮) ；当dai di 1 时，扭矩曲线 向左上方移动，负载抛物线向右下方移动，共同工作范围相应地向右方移动；当i 。 d ) ( 1 ) 当发动机与液力变矩器直接连接，且变矩器型式选定即入1 可由原始特性确定， 此时匹配是正确选择变矩器的直径d 。 ( 2 ) 若变矩器型式入1 和直径d 选定，此时可在发动机与变矩器之间安装一个增速或减 速装置，即由i 。的变化来改变匹配。亦可安装可控无级变速器，使i 。根据匹配要 求实现无级变化。 ( 3 ) 在直径d 和转速n1 都已确定时，可通过设计变矩器及其叶片的结构或尺寸，获得 需要的能容值入l 来改变匹配，也可采用可控的无级变能容变矩器。 ( 4 ) i 程机械用液力变矩器一般是向心式涡轮，因为它能容大、效率高。要求k o 7 3 ， 1 2 同济大学硕士论文 第= 章渡力传自特# j 24 ，i n ! l3 。k 要大，j 要宽，以充分利用发动机功率，提高牵引力和速度。 f 5 1 在工程机械的一个作业循环过程中，根据工况分配发动机功率。如装载机当铲入 时有效功率应全部输入到变矩器；当转斗和运送物料时，可将功率分配给变矩器 和工作油泵。 23 液力传动牵引特性 牵引特性是反映车辆牵引性能和燃料经济性最基本的特性。牵引特性以图解曲 线形式表示了机器在一定的地面条件下，在水平地段以全油门作等速运动时机器 各档的牵引功率p 盱、实际速度1 2 、牵引效率r t m 小时燃油耗g m 比油耗g k p 、 滑转率6 和发动机功率p c ( 或曲轴转速l l e ) 随牵引力f k p 而变化的函数关系亦即： p p k p ( f 曲，( f n ) ，n n = q i g p ( f ”) ，g = o ( f k p ) ，g k p = g k p ( f k p ) ，6k p = 6 肿( f l c p ) ，p c = p e ( f 1 c p ) 的图解形式。 一、变矩器和发动机共同工作的输入特性 根据变矩器 的原始特性曲 线和力矩方程 式( 2 4 ) | ；i 及发 动机的速度特 性曲线得到共 同工作特性( 输 入特性) 。图2 1 0 1 为一工 程机械上应用 的变矩器和发 动机共同工作 的输入特性曲 线。 图2 1 06 1 0 2 g 1 型发动机与y q h 8 h 型变矩器共同输入特性曲线 m 广x lyn2 l d 5 ( 2 4 ) 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 式中 m l 一泵轮轴扭矩； 入i 一泵轮扭矩系数； y 一工作液的重度： nl 一泵轮转速； d 一变矩器的循环圆直径。 二、变矩器和发动机共同工作的输出特性 变矩器和发动机共同工作的输出特性是分析液力变矩器与柴油机共同工作时， 涡轮转矩、涡轮功率、每小时燃油耗量、比燃料消耗量、效率和柴油机( 泵轮) 转 速等随涡轮转速的变化规律。根据这些变化曲线，可对变矩器和柴油机共同工作的 重要性能指标，作出具体分析和评价，并据此进行自行式工程机械的牵引特性计算。 变矩器和发动机共同工作的输出特性可根据其共同工作的输入特性和变矩器的 原始特性绘制。 1 、从共同输入特性上找出各速比i = 0 、o 1 、1 0 时的共同工作点的转矩m l 和转 、+ ， 一 速n1 值。 根据不同的i 所得r ll 值，由柴油机的速度特性上确定对应工况的每小时燃油耗 量g 。或比燃料消耗量值。 ( m l i 、nl i 、g e t 、g e i ) i = 0 0 1 、。、1 0 2 、根据各转速比i ，在液力变矩器的原始特性上找出相应的交矩系数k 值和效率值 r lo ( k 0 间0 1 1 ，0 ( f li ) 间0 1 一1 0 3 、按下列各式分别计算各转速比i 下，相应的涡轮轴转速1 12 、涡轮转矩m 2 、涡轮 功率n 2 及比燃料消耗量值。 n 2 i = ( r ll i i ) i - 0 、0 1 。、1 0 m 2 i = ( k i m l i ) i ；o ，0 1 ，1 0 g c i = ( g 2 i n 2 i ) i = o o 1 、1 o 4 、将上述计算所得数值，按一定比例以涡轮轴转速r l2 为横坐标，其它参数为纵坐 1 4 同济 掌硕t 论文 第= 章磕力传特n 标进行绘图，即得到液力变矩器与柴油机共同工作的输出特性曲线。圈2 一l l 为6 1 0 2 0 1 型发动机与yq h8 h 型变矩器共同输出特性曲线“”。 三、液力传动牵引特性 装载机的牵引特性是总体设计中的一个重要指标。在绘制牵7 1 特性曲线时，除 上述提到的发动机调速特性以及发动机与液力变矩器共同工作的输出特性外，还必 图2 1 i6 1 0 2 g l 型发动机与yq h s h 型变矩器共同输出特性曲线 需知道装载机的滑转率曲线6 = 西曲。这里需要特别注意的是发动机的调速特性必 需转换至泵轮轴上的发动机转矩和功率的辅助曲线m 。= m 。( c ) ，p 。- p 。( n c ) t 此 处，m 。、p 。和n 。分别为转换至泵轮轴上的发动机转矩、功率和转速。当发动机与 变矩器直接相连时： m c = m “p c = p n e = n e 当发动机通过中间减速嚣( 或增速嚣) 与变矩器直接相连时： m t = m i pnpp 、c = p qpn e = 生 以上各式中的m 。和k 为发动机在扣除辅助装置和功率输出轴的消耗后所剩的 转矩和功率。以下论述均以m 。和p c 代替m 。和p 。 同济大学硕士论文 第二章液力传动特性 根据共同工作的输出特性和公式： f 严i _ e r l m 2 ( 2 - 5 ) 气 u ：2 ( 1 6 ) ( 2 6 ) l f k = f k p - - f f ( 2 7 ) 式中 f 。一牵引力； f r 滚动阻力； f k p - - 有效牵引力； u 一实际行驶速度： m 2 一变矩器涡轮轴扭矩； 1 12 一变矩器涡轮转速； r 。一车轮的滚动半径； iz 一装载机传动系及机械传动部分各档的的总传动比； t l ：一装载机传动系机械传动的总效率。 1 、作1 7 = u ( f k p ) 曲线 根据滑转率曲线6 = ( f r s ) 、发动机与变矩器共同工作输出特性曲线m 2 = m 2 ( n 2 ) 和( 2 - - 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式，对于任一f l ( p 值就可以对应一个u 值，从而作出u = u ( f k p ) 曲线。 2 、作g k p = g i c p ( f k p ) 曲线 根据发动机与变矩器共同工作输出特性曲线m 2 = m 2 ( n 2 ) 和g c 2 - - g a ( n 2 ) ， 对于任一f j ( p 值就可求得一个g a 即g k p 值( 小时燃油耗) ，从而作出g k p - , - - , g k p ( f 。p ) 曲线。 3 、作p k p - - p k p ( f k p ) 曲线 根据上面求得的l ，= u ( f x p ) 曲线以及公式 胪蒜( k w ) ( 2 - - 8 ) 得有效牵引功率曲线p l p = p k p ( f t p ) 。 1 6 删挤太学磺论立 第= 章涟力传动特件 4 、作q = q ”( f t p ) 曲线 由式( 2 5 ) 及发动机与变矩器共同工作输出特性曲线m 2 = m 2 ( n 2 ) 、m ，= m l ( n 2 ) 和发动机辅助特性曲线m 。= m 。帆) = ( 曲可求得与f - ，对应的p c 值：根 据上面求得的p b 值及公式 n 日2 等 ( 2 9 ) 求得对应点的“值，作出1 = n b ( f - p ) 曲线。 5 、作嘶= 嘶( f t p ) 曲线 嘶= 1 0 0 0 孚 ( 2 一l o ) 目 由已求得曲线= ( f - p ) 和= c f t p ) 可作出脚= 娜( f - p ) 衄线。 图2 一1 2 为一行走系统的牵引特性图“”。 图2 1 26 1 0 2 gi 型发动机与yqx s h 型变矩器的牵引特性曲线 同济大学硕士论文 第三章静压传动特性 第三章静压传动特性 3 1 静压传动简介 静液压传动装置是以液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传 动元件( 减速器或变速箱) ，成为种无级变速的传动装置。它与纯机械传动和液力机 械传动相比具有高效区宽、布局灵活、无级变速、换向方便、控制方式多样和功率 利用合理等众多优点。 液压系统根据元件选择的不同分高速方案和低速方案。高速方案：由高速轴向 柱塞马达通过变速箱、驱动桥或减速机等中间传动元件驱动车轮。在这种方案中， 不仅液压泵具有较大的变量范围，液压马达也可以有较大的变量范围。再加上选择 合理的速比和设置理想的档位，可以得到一条比较理想的功率输出特性曲线，能满 足工程机械的使用要求。其次，高速轴向柱塞马达具有较高的功率重量比，因此， 工程机械静液压传动装置采用高速方案居多。低速方案：低速大扭矩马达可以不需 要中间传动元件直接驱动车轮，有的马达带有制动器，因此结构简单，使用方便。 低速大扭矩马达的内泄漏量一般比高速轴向柱塞马达要大，所以在静液压传动装置 中，补油泵的排量要大一些。由于低速马达组成的静液压传动装置调速范围比较窄， 一般适用于速度变化不大的场合。静压传动根据元件的布置形式分为整体式和分置 式。整体式静液压传动装置是将液压泵和液压马达组合在一起，输入轴与输出轴之 间有相对固定的位置关系。一般适用于小排量的静液压驱动装置。它的优点是结构 紧凑，中间不需要管路连接，相对来说使用成本较低。缺点是：安装布局有一定的 限制，一般专用性比较强。这种布局在工程机械上应用很少。分置式静液压传动装 置是液压泵和液压马达为各自独立的元件，通常用管路连接组成。这样，可以有不 同排量、不同变量形式的液压泵和液压马达任意组合，通过参数合理匹配能满足主 机的各种工况要求。其次，安装比较灵活，能按主机的设计要求进行布置。当然， 由于用管路连接，增加了泄漏的机率和需要对管路进行清洗过滤的工作。分置式布 局在工程机械静液压传动中占主导地位。 静液压传动装置在工程机械中已得到普遍应用：自行式振动压路机行走驱动系 统和振动系统都采用静液压传动；稳定土摊铺机的行走驱动系统和供料系统一般均 采用静液压传动；稳定土拌和机用于公路的基础稳定土拌和作业，它的行走驱动系 同济大学硕：t z i 仑文 第三章静压传动特性 统由手动伺服控制变量通轴泵和定量液压马达组成闭式回路。液压马达驱动二档变 速箱、万向联轴节、差速器、轮边减速器和驱动车轮。在欧洲，中小型轮式装载机 的行走系统绝大多数采用静液压传动，比较著名的厂商有德国利渤海尔公司、蔡特 曼公司等。国内中外建发展股份有限公司引进了德国利渤海尔公司l 5 5 1b 、l5 2 2 轮式装载机制造技术。 工程机械合理运用静液压传动装置，则能改善机器性能，提高生产效率，节省 能量消耗，使机器的品质上升到一个新的阶段。随着该项技术的发展和所用元件的 完善，采用静液压传动装置的工程机械会愈来愈多，市场前景良好。 3 2 静压传动牵引特性 牵引特性是反映车辆牵引性能和燃料经济性最基本的特性。牵引特性以图解曲 线形式表示了机器在一定的地面条件下，在水平地段以全油门作等速运动时，机器 各档的牵引功率、实际速度、牵引效率、小时燃油耗、比油耗、滑转率和发动机功 率( 或曲轴转速) 随牵引力而变化的函数关系。 一、静压传动输出特性 静压传动装置的目的主要是使车辆在牵引负荷下获得预期的行走速度。大多使用 场合要求在发动机额定工况下，即在静压传动装置输入转速1 1 l 相对稳定的条件下连 续地调节输出转速的大小和方向。任何一个静压传动装置所能输出的转速n 2 和转矩 m e 以及功率p 2 的范围均是有限的， 构成这一运行区域的边界称为该装 置的输出包线( 图3 1 ) ，当忽略装置 的能量损失时，该包线由下述几部 分构成。 ( 1 ) 对应于m 2 m 瓤的最大输出转 矩线a b 。m 2 m 双由液压马达的最大 排量v 咖瓢和最高工作压差 ap m m 默的乘积来决定。在理想情 况下，m 2 m 积与n 2 无关，为一水平 1 9 a m o 0 n 。d 圉3 一l 静压传动装置的典型输出包线 牵引力特性曲线 同济大学硕士论文第三章静压传动特性 线。 ( 2 ) 对应于n 2 m 舣的最高输出转速线c d 。n 2 m 戤由液压马达最高许用转速和液压泵 最大流量时马达可以达到的最高转速两者较小者决定。在理想情况下n 2 m 戤不随m 2 变化，c d 为一垂直线。 ( 3 ) 对应于最大输出功率p 2 m 取的b c 线。它由液压泵的最大许用功率和液压马达 的最大许用功率二者较小者决定。功率为转速与转矩乘积，恒功率曲线为一双曲线。 在极限情况下( 是一种假想工况，有限功率不可能达到极限) ，n 2 、m 2 同时达到最大 值，其工作点为a b 和c d 两直线的交点e 。e 点对应的功率代表了该装置所能输出 的功率极限，即拐角功率( 或角功率) 。通常情况下，最大功率线b c 是一条远离e 点 的双曲线。 实际的液压传动装置中存在着容积损失和机械损失。此外，液压马达中静摩擦 力较高以及运动副局部变形造成不均匀泄漏，使其在很低的转速下不能运转而形成 死区，这些因素使装置的实际包线为o a b c d 。行走机械液压传动装置需要前进、 倒退、制动工作，其输出包线在n 2 m 2 坐标系的四个象限中均有分布( 图3 2 ) 。图中 实线为不计损失的理想曲线，虚线则为实际曲线。在m 2 为负值的制动工况下，实际 运行区可能超出理 论区( 制动工况下 功率反向传输，原 输出端大于输入 端。仅就液压传动 装置而言可以假定 输入端的制动能力 和驱动能力相同， 而实际情况是发动 机的制动能力远小 于其驱动能力) 。液 压马达作为泵运行 的低速死区更大， 这一点在图3 2 中 + h o 图3 2 静压传动装置完整的输出特性 = 、输入特性 m i2 竺黧瓢锄装鼢输地线 芸嚣慧警蝴收茹茹 i 翟竺瓣由于发动i ；嚣 乏竺黧无她n 二薹茹 黧能竺蹴蔷嚣 恕詈工作菘焉 翁兰竺芝般对应于发谲 关竺静篡锄装置中马蝴孬；嚣川 三黧竺竺最大茹谲茹 三黧翟赫劫，它二二蠢 乘积即为输入角功率p j e 。”叫h 1 m 戤封9 。蓑营中的能量损失要靠增 竺竺入功率来补偿，实际输入三 ! 区与理想值的偏离表；i m j m 敏的上升( e 变为e t ) 和存在二 黧当宽的f 氐遽死区。但后者无 耋苎三因为泵实际工作的最 竺亨子发动机瓴这转茹 远超出低转速死区。 。 _ 。静压传动装置的输入区闯具 有相当大的可运行工作区，这毒 三堂：不同特性的多种发动机芸 得良好匹配。 。一 州 + ，3 4 为静压传动装置与带 有全程式调速器的柴油机联合； 廖，静压传动裳量的蛰入包萋t 巍溅徽嗽 同济大学硕士论文第三章静压传动特性 作的特性曲线，图中g c o - g “为不同供油量时柴油机的调速特性。由图看出，静压传 动装置的输入区覆盖了柴油机的全部运行工况，图中同时给出了具有一定穿透性的 液力传动装置的典型输入特性曲线1 ( i - - - - - o - - , 1 ) ，液力传动装置能与柴油机共同工作的区 域较小，而且通常不能逆向传递制动能量：液力传动装置的输入与输出参数之间关 系密切，为了使车辆达到大的低速启动扭矩，必须使输入扭矩和输入转速同时达到 最大值，这种变矩器特性虽然有随外负荷增加自动减速调节变矩系数的优点，但却 使其在低速、大扭矩输出工况下效率显著降低；并常使发动机在这种工况下驱动其 他装置的功率不足，难以使多系统工作的机械在任何工况下始终保持发动机与行走 传动系统参数的合理匹配。静压传动装置的输入和输出参数之间关系不大，适当调 节泵和马达排量，即使在很小的输入功率下也能获得低速大扭矩输出，这使静压传 动在低速大扭矩工况下的效率与同时驱动多个工作系统的性能大大优于液力传动n 1 。 三、发动机一液压传动系统的控制 影响发动机机械性能最佳化的因素是燃料消耗率和功率利用率；发动机的控制 目标为低油耗、较高的功率利用率( 9