（机械电子工程专业论文）液压驱动中大功率轮式车辆变速装置研究.pdf

摘要 轮式工程车辆液压驱动系统由发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成，这四个 部分之间相互联系和影响。为了能使车辆达到最佳综合性能发挥并实现自动化，必须对 其各部分变量参数进行合理匹配并选择最佳控制方式。 本文对轮式车辆液压驱动系统的研究状况进行了分析与综合，对发动机、变量液压 泵、变量液压马达、行走机构组成的轮式车辆液压负荷驱动系统的性能参数合理匹配进 行了分析，发动机最佳的工作状态是在静态工况下工作，研究了发动机与泵之间的匹配 与控制，变量马达的参数匹配与静态控制方法。发动机与液压传动装置的匹配主要是提 出最为合理的控制方法，从而使发动机的实际工作点在最大功率输出点和最佳节能点附 近，有较高功率利用率和较低的燃油消耗。液压元件( 液压泵、液压马达) 性能参数的匹 配实质是在工作性能、寿命与可靠性、成本之间进行综合平衡。比较分析轮式车辆不同 驱动方式和驱动装置的不同特点，介绍并确立了适合于中大功率轮式车辆的车轮独立驱 动方式，多马达变速驱动装置方案。轮式工程车辆液压驱动系统的结构组成与静态特性 分析表明，牵引型轮式车辆液压系统的最佳结构为：由通用变量泵与变量马达组成闭式系 统，采用复合控制模式；这一系统既有流量耦合一次元件调节特点，又有压力耦合二次 元件调节特点；既有动力传动系统要求之大功率、高效率、大变速比范围，又有伺服系 统要求之动态特性。使车辆驱动系统发挥最大的平均输出功率，并使之实现自动化、智 能化。 利用a m e s i m 软件对中大功率轮式车辆液压驱动系统模型进行仿真试验，通过对 系统的建模与仿真，对三种形式驱动方案各自的优缺点进行分析比较，可以较为方便全 面的了解液压行走驱动系统的工作状况和系统静态牵引特性，使用变量泵双变量马 达系统，结构非常简单，成本低，能够满足中大功率轮式车辆的作业工况。 关键词：工程机械、轮式车辆、性能参数、合理匹配、a m e s i m 仿真 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gw h e e l e dv e h i c l eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mi so p e r a t e db yt h ee n g i n e ，h y d r a u l i c p u m p s ，h y d r a u l i cm o t o r sa n do p e r a t i n gi n s t i t u t i o n s t h i sf o u r p a r ti n f l u e n c e sa n dc o n t a c t s w i t he a c ho t h e r r e a s o n a b l em a t c h i n gp a r a m e t e r so ft h ev a r i o u sp a r t sa n ds l e c t i n gt h eb e s t c o n t r o le n a b l et h ev e h i c l ea c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c ea n dc o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o n i nt h i sp a p e r ，w h e e l e dv e h i c l eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo ft h es t a t ei sa n a l y z e d w h e e l e d v e h i c l eh y d r a u l i cd r i v e s y s t e mi sc o m p o s e do ft h ee n g i n e ，v a r i a b l eh y d r a u l i cp u m p s ， h y d r a u l i cm o t o r sa n dv a r i a b l eo p e r a t i n gi n s t i t u t i o n s t oa n a l y z et h em a t c h i n go ft h es y s t e m p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si si m p o r t a n t t h ee n g i n ec a nw o r kp e r f e c t l yi nas t a t i cs t a t e t h e r e a s o n a b l em a t c h i n ga n ds t a t i cc o n t r o lo ft h ee n g i n e ，t h ep u m pa n dt h eh y d r a u l i cm o t o ri s a n a l y z e d r e a s o n a b l ec o n t r o lb e t w e e nt h ee n g i n ea n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nc a na c h i e v e r e a s o n a b l em a t c h i n g w h e nw o r k i n ga tt h em a x i m u mp o w e ro u t p u t p o i n ta n dt h eb e s t e n e r g y - s a v i n gp o i n to ft h ew o r k ，t h ee n g i n ec a nr e c e i v eh i g h e rp o w e re f f i c i e n c ya n dl o w e r f u e lc o n s u m p t i o n o v e r a l lb a l a n c eo fp e r f o r m a n c e ，l o n g e v i t y ，r e l i a b i l i t ya n dc o s t i st h e e s s e n c eo fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s ( h y d r a u l i cp u m p s ，h y d r a u l i cm o t o r s ) p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sm a t c h i n g d i f f e r e n td r i v i n gm o d ea n dd r i v e r so fw h e e l e dv e h i c l e sh a v ed i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s w h e e li n d e p e n d e n td r i v i n ga n dm u l t i s p e e dm o t o rd r i v i n gp r o g r a mi s a p p l i c a b l et oh i g h p o w e rw h e e l e dv e h i c l e s t h r o u g ha n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n ds t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gw h e e l e dv e h i c l e sh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，t h eb e s ts t r u c t u r eo f t r a c t i o n - t y p ew h e e l e dv e h i c l e sh y d r a u l i cs y s t e mi sc l o s e d - c i r c u i th y d r a u l i cs y s t e mw i t h v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p sa n dv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tm o t o r sb yc o m p l e xc o n t r o lm o d e t h i ss y s t e mh a st h ef e a t u r e so f c o u p l i n gt h ef i r s tc o m p o n e n tf l o wa n df l o wc o u p l e ds e c o n d a r y c o m p o n e n t a n d ，a n dp o w e r t r a i nh a sh i g h - p o w e r ，h i g he f f i c i e n c y ，w i d es p e e dr a n g e s e r v o s y s t e mh a sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c v e h i c l e sd r i v es y s t e mc a nm a x i m i z et h ea v e r a g eo u t p u t p o w e rt ob e c o m ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n t t h eh i g h - p o w e rh y d r a u l i cd r i v es y s t e mi st e s t e da n ds i m u l a t e db yt h es o f tw a r e a m e s i m b a s e do nt h es o f t w a r ea m e s i m ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa m o n gt h e s et h r e ef o r m s d r i v e np r o g r a ma r em a d e w o r k i n gc o n d i t i o n so f h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ct r a c t i o ns y s t e mi se a s yt oc o m et o i i i u n d e r s t a n d c h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ct r a c t i o ns y s t e ma n dw o r k i n gc o n d i t i o n so fh y d r a u l i c s y s t e r mi se a s yt ou n d e r s t a n d t h es t r u c t u r eo fv a r i a b l ep u m p - d u a l m o t o rs y s t e m v a r i a b l e s i si sv e r ys i m p l ea n dl o wc o s tt om e e tt h en e e d so ft h eh i g h p o w e ro p e r a t i o no f w h e e l e dv e h i c l e sw h e nw o r k i n g k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e ；w h e e l e dv e h i c l e s ；p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ；r e a s o n a b l e m a t c h i n g ；s i m u l a t i o no na m e s i m i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：w 大牟 硼年 论文知识产权权属声明 箩月们日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 飘、砧 叩年 箩月仞日 撕嗲甲夕胁日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在我国整体经济迅速发展的大好形势下，“十一五期间国家将对基础设施加大投 资力度。投资的重点在交通、能源、水利水电、建筑、电力通讯等行业，作为交通行业 领域一员的工程机械行业也将迎来快速发展的新局面。 最近几年的国际市场上，世界各国对交通行业的投资力度很大，使工程机械的销售 不断增长，亚洲、美洲和欧洲各国的工程机械销售量呈现逐年增长的良好态势。非洲的 公路水平比较低，也是将来工程机械行业很大的销售市场。 回顾过去，我国的工程机械行业发展开始较晚，总体技术水平还在初级阶段，但是 经过二三十年来的不断摸索发展，借鉴了国外大量设计经验和开发技术，我国的工程机 械设计水平也有了明显的进步，但是先进技术的应用大多集中在研究所和高等院校，在 企业的应用中不能完全发挥技术的优势，不能够满足企业所需技术的需求。工程机械中 的轮式车辆在交通建设领域的应用非常广泛，尤其是对功率要求比较大的工作环境中， 中大功率轮式车辆的需求也比较大。 本文通过对液压驱动中大功率轮式车辆的研究，确定了适合其工作的变速装置。运 用新的技术和理论对其液压系统进行动力学分析，用a m e s i m 软件对驱动方式进行仿 真实验分析，这些将对以后的进一步设计提供有用参考。 随着科学技术的不断进步，液压技术也有了飞速的进步，液压传动与控制的应用更 加广泛。近几十年以来，材料学，加工工艺学等学科的进步，都使液压元件的性能和可 靠性有了大大提高，设计好的液压传动装置甚至能与液力传动和机械传动的优点不相上 下。随着液压元件成本的下降，液压传动在机械领域的应用更加广泛，液压控制技术不 断发展和完善，液压技术得到了更迅速的发展，在工程机械领域的应用方面，牵引型机 械，很多都采用了液压传动，有取代液力传动和机械传动的趋势。而绝大多数以恒速调 节为主的非牵引性车辆都采用了液压传动技术【l 】。 液压传动与控制技术是工程机械的重要核心技术，在工程机械不断发展中更是取得 了长足进步。工程车辆作业工况非常复杂和多变，需要液压技术在智能化和人性化等方 面不断进步，工程机械需要在智能化专业化方面发展。 液压系统的设计者们往往在控制系统的设计中考虑产品的可靠使用和液压泵的使 用性能，但是随着用户对产品的要求不断提高，产品的高效节能和环保等要求提上日程。 第一章绪论 而且随着大量的国外工程机械厂家进入我国，对我们国内的工程机械行业造成很激烈的 竞争，需要每个设计者利用最先进的设计思想，掌握最先进的液压电气控制理论，利用 自动控制和现代智能控制技术，对产品进行不断升级改造，提高产品在市场中的技术含 量和竞争力。 液压系统的设计方案比较多，如果按照其基本回路可分为：闭式系统回路和开式系 统回路。这两种液压系统设计回路广泛的应用于工程机械领域，尤其是在工程车辆上。 闭式系统可以减少换向冲击，主泵的转速较高，但是系统的冲击会直接作用与泵上，这 样就降低了主泵的使用寿命，此外，闭式回路对液压油的清洁度要求高，且不容易维修。 与闭式回路相比开式回路的散热性比较好，但其系统冲击作用于液压阀上，所以开式回 路的换向冲击大【2 1 。 液压系统按照工作速度可以分为泵控回路和阀控回路两种。泵控回路中工作速度的 变化是通过以下方式：首先是系统中的机械操作减压阀或者电比例阀等，控制液压阀输 出大小不同的压力，不同的压力作用在变量泵的变量机构上，是变量泵的排量改变，排 量改变后，系统的工作速度就可以相应的改变。达到改变系统工作速度改变的目的。由 于在闭式回路中没有主控制阀，所以阀控回路主要存在于开式系统中，用阀来控制系统 的工作速度的阀控回路中，速度的改变过程经过换向阀来实现的【3 j 。 轮式工程车辆在工程机械领域应用非常广泛，如装载机、压路机、平地机、推土机 等工程机械在不同的工况下应用非常多，工程车辆有作业和运输两种工况，在这两种工 况中车辆的速度变化贯穿始终，速度的变化也影响着作业的质量。在大功率的轮式车辆 中速度的变化对作业质量的影响有更加突出的体现，因此，对中大功率轮式车辆的变速 装置研究显得意义重大。 1 2 本文研究内容 工程机械的负荷驱动系统一般由发动机、液压泵、液压马达和行走机构组成；这四 个部分不是各自独立，互不联系的，而是彼此影响和制约，要想达到最佳的功率输出和 作业效果，必须是这几个部分元件参数之间合理匹配，在合理选择各个部分元件本身的 参数，寿命和制造成本的前提下，使四个大部分能系统的成为一个整体。 工程车辆的负荷驱动系统比较复杂，而且在剧烈多变的作业工况下，要想使系统能 有最佳的动力输出，需要在合理匹配各部分结构的前提下进行控制。这涉及到车辆的发 动机、液压传动和车辆理论的知识。大部分的设计者在这方面需要花费更多精力和引起 足够重视，因为系统的综合研究对车辆的整体性能非常重要。 2 长安大学硕上学位论文 工程车辆要想发挥最好的动力性、经济性和最大作业生产率，合理匹配系统的参数 是一项重要工作，需要对发动机、液压传动系统、行走机构三者分析，选择合理的控制 方法，从而发挥部分优势，达到整体性能的发挥。 本文对轮式车辆液压驱动系统的研究状况进行了分析与综合，对发动机、变量液压 泵、变量液压马达、行走机构组成的轮式车辆液压负荷驱动系统的性能参数合理匹配进 行了分析，在静态工况下发动机能达到最佳状态，研究了发动机与泵之间的匹配与控制， 变量马达的参数匹配与静态控制方法。发动机与液压传动装置的匹配主要是提出最为合 理的控制方法，使发动机的实际工作点能在最大功率输出点和最佳节能点附近，有较高 功率利用率和较低的燃油消耗。液压元件性能参数的匹配实质是在工作性能、寿命与可 靠性、成本之间进行综合平衡。比较分析轮式车辆不同驱动方式和驱动装置的不同特点， 介绍并确立了适合于中大功率轮式车辆的车轮独立驱动方式，多马达变速驱动装置方 案。轮式工程车辆液压驱动系统的结构组成与静态特性分析表明，牵引型轮式车辆液压 系统的最佳结构为：由通用变量泵与变量马达组成闭式系统，采用复合控制模式；这一系 统既有流量耦合一次元件调节特点，又有压力耦合二次元件调节特点；既有动力传动系 统要求之大功率、高效率、大变速比范围，又有伺服系统要求之动态特性。使车辆驱动 系统发挥最大的平均输出功率，并使之实现自动化、智能化。 第一章绪论：提出了本课题的背景及意义，给出了本论文的研究内容。 第二章轮式车辆液压传动驱动系统的静态特性：分析研究了轮式工程车辆的传动 系统三部分组成：发动机、液压泵和液压马达。这三部分彼此联系紧密，在满足各自性 能的前提下，系统的综合性能主要受到这三部分相互之间参数匹配的影响，同时，合理 的控制方式也对整个传动系统的性能有重要影响。 第三章轮式车辆底盘液压驱动装置及其模型：通过对单变量泵单定量马达和 变量泵单变量马达系统的分别研究和分析，建立了单变量泵双变量马达分流阀 分流系统的数学模型。为后面对车辆驱动方案的分析打下基础。 车辆的四轮对称驱动方式变速范围方面有局限性，性能不完善。通过对中央驱动和 车轮独立驱动这两种驱动方式的比较，可以看出：车辆的四轮独立驱动方式在经济型方 面比中央驱动方式好，控制方法比较多，液压传动系统的优势能够很好的通过车轮独立 驱动方式体现出来。 第四章系统仿真研究与结果分析：通过对系统的建模与仿真，可以较为方便、全 面的了解轮式车辆液压行走驱动系统的工作状况，以及系统对变载荷的压力响应。 3 第一章绪论 通过三种方案的仿真比较，得出适合中大功率轮式车辆的行驶驱动系统方案单泵一 一双马达方案。 结论与展望：对于文章所作的研究做了总结，并阐明了本文的不足和进一步的研究 方向。 1 3 本课题意义 工程机械轮式车辆的控制目标需要建立在驱动系统的动力性、经济性、作业生产率 和可靠性寿命等综合要求的基础上，工程车辆的作业工况复杂多变，工程车辆的作业质 量和设计成本是很重要的因素，工程车辆液压动力学的研究内容是通用变量泵变量 马达组成的闭式系统的模型结构和控制理论。把系统的模型线性化，可以使液压传动控 制理论的研究变得容易。 循环式作业的车辆的负荷变化剧烈，是一个非平稳随即过程。对其研究需要建立数 学模型。但由于其负荷变化剧烈波动，故对其动态调节过程的稳定性和快速性方面要求 较高，建立合理的动态数学模型可以进行分析。 对液压控制系统的理论研究可以有三个方面，一是参数的匹配，这是一种静态方法j 二是过程控制的方法，可以研究系统的整个过程，在过程中参与检测、控制各个参数， 从而体现负荷的趋势。三是系统中高频随即动载的预防 6 , 7 j 。 在作业效率要求高的作业环境中中大功率的轮式车辆应用非常广泛，车辆在作业过 程中需要不断进行前进、倒退、换向和制动等操作，需要其要有良好的速度变换装置。 对中大功率轮式车辆的变速装置的研究能够是车辆设计达到更好的水平。 研究中大功率轮式车辆，可以在充分利用液压传动优势的基础上发挥发动机的功 率，使传动装置的效率充分发挥。 。 传动装置在工作区间上的传动效率是传动装置的经济性指标。车辆的调速比范围是 传动装置的最大和最小传动比的比值，中大功率轮式车辆的传动比一般要达到1 0 - 1 5 ， 而履带车辆为2 5 5 。在车辆的控制方面，结果的准确性需要与控制目标相适应。对中 大功率轮式车辆的变速装置的研究能够降低车辆设计开发的成本，实现自动控制，从而 达到高性能的动力输出，降低操作强度。 轮式工程车辆是一个由发动机、传动系和负荷三要素组成的负荷驱动系统，针对各 作业工况不同的负荷要求，本文提出了适合于发动机和液压传动系统的合理的装置和控 制原理。 液压牵引动力学不断的发展，在车辆的系统内部动态过程中研究，可以发现影响车 4 长安大学硕士学位论文 辆性能的因素，把静态的参数匹配方法与动态的控制方法相结合，能够实现液压传动在 牵引车辆上的参数合理匹配，达到优化过程控制的目的。对于车辆在复杂多变的工况下 工作能够更加适应。 第二章轮式车辆液压驱动系统表态特性 第二章轮式车辆液压驱动系统的静态特性 轮式工程车辆的传动系统主要由三部分组成，提供动力的发动机，进行动力转换的 液压泵和液压马达。这三部分彼此联系紧密，在满足各自性能的前提下，系统的综合性 能主要受到这三部分相互之间参数匹配合理性的影响，同时，合理的控制方式也对整个 传动系统的性能发挥有重要影响。对轮式车辆驱动系统的静态特性分析是本章要研究的 内容 7 1 。 2 1 轮式车辆液压驱动装置的基本工作原理 轮式车辆液压传动装置是动力的传递路线，其组成有：液压泵、液压马达、连接管 路和各类控制阀。从结构上分类，可分为高速方案和低、中速方案；如果按照各元件的 布局方式分类，可分为整体式和分置式两类；液压泵和液压马达数量不同，也可以分为 单泵单马达、单泵多马达、多泵多马达等类别。 图2 1 轮式车辆行走闭式液压系统 图2 1 是轮式车辆行走液压系统，这个系统为闭式系统。鉴于闭式系统的众多优点， 可以满足车辆的作业工况，如前进、后退和刹车制动等情况。此系统主要由双向变量泵、 补油泵、溢流阀、单向阀、冷却阀和液压马达等组成。 改变泵的排量可以是主油路的方向和流量变化，从而使车辆可以转向或变速。溢流 6 长安大学硕士学位论文 阀可以在系统压力过高时起到改变压力的作用，此系统中另有一补油溢流阀，可以调整 给系统的补油压力。在闭式系统中补油泵的作用必不可少，补油泵一般与主泵通轴连接， 其补油压力由补油溢流阀决定，补油泵能为系统弥补因泄露造成的损失。 液压系统中容积调速方式的效率很高，在车辆的闭式传动装置中大量采用这种方式 进行速度的调节。容积调速方式的主要影响因素是变量液压泵和变量液压马达的排量之 比： 肛老以= 忐 泣。 式中：尾、卢。泵、马达排量比； 圪、圪泵、马达实时排量； 圪。、圪。泵、马达最大排量。 轮式车辆行走闭式液压系统优点如下【7 ，2 0 1 ： ( 1 ) 闭式系统跟开式系统相比，不足的一点是其散热效果差，但是闭式系统由于 补油泵的存在，可以弥补这一缺点，补油泵对整个系统都会有冷却效果。补油泵的存在 提高了整个系统的动作频率和响应速度。 ( 2 ) 闭式系统的容积调速方式效率比较高，可以通过调节液压泵的排量和液压马 达的排量之比，使车辆换向和调节速度。 ( 3 ) 闭式系统相对开式系统的油箱要小得多，这样对于整个车辆的机构组成来说， 设计比较方便，节省了空间。 ( 4 ) 闭式系统能在正转和反转的过程中很好的过渡，可以在任何方向上实现液压 制动操作。 工程车辆的作业工况复杂多变、变化剧烈，作业过程中，需要有不断换向、制动、 启动、前进和倒退等状态，闭式液压系统能够很好的适应这种工作状况，因此闭式系统 的研究对于工程车辆有重要意义。 2 2 轮式车辆的发动机 发动机是任何工程机械的动力来源，轮式工程车辆的动力系统决定了整个车辆的动 力性。工程车辆的主要工况是作业，运输过程次要，与以运输为主要工况的车辆有显著 不同。工程车辆需要最佳的动力性，对发动机的动力性要求非常严格。目前的发动机主 7 第二章轮式车辆液压驱动系统表态特性 要分柴油机和汽油机，柴油机的燃油经济性随负载变化平稳，能够适应复杂多变的作业 工况，所以在工程车辆的设计中通常选用柴油发动机。 2 2 1 发动机的控制目标 轮式车辆的发动机万有特性和调速外特性如图2 2 所示， 船。发动机转速； m 广输出转矩； 如等油耗线； n 。i 等功率线。 工程车辆的性能要求不仅有动力性要求，还有经济性的要求，需要在满足充分发挥 动力性的前提下，尽量提高经济性指标。对发动机的分析研究很大程度上是也要找到最 合理的工作曲线。找到一条这样的曲线，在此曲线的工作时油耗小，动力性好【6 】。 我们把不同负荷等功率曲线与每个等油耗曲线的切点相连接，可以找到这条经济性 最好的工作曲线，使之成为最合理的控制目标。如图中曲线a 。 m e 图2 2 发动机万有特性与调速外特性 发动机的标定功率可分为1 5 分钟、1 小时、1 2 小时、持续功率等几种，也可以分 为最大功率、间歇功率和持续功率。 工程机械的负荷复杂多变，需要的是间歇功率，间歇功率介于1 小时功率和1 2 小 时功率之间，标定功率降低能满足工作寿命与可靠性要求( 如图2 3 ) 。 8 长安人学硕士学位论文 n t i n c 图2 3 发动机不同标定功率调速外特性 图2 4 中的b 点是发动机最大功率所对应的外特性的最佳点，一般设置在此点上， 1 小时或1 2 小时标定功率，其动力性最高的转矩外特性曲线通过发动机的最低油耗区， 轮式工程车辆的装机功率可以取此标定功率。1 2 小时标定功率的外特性的经济性和动力 性都比较合理，所以可作为发动机的控制目标曲线。 图2 4 发动机负荷特性 发动机和液压传动装置之间的配合与控制有一定误差，发动机在外特性上工作时， 调速器无法发挥作用，故需要找到一条目标曲线，能使发动机沿着比外特性稍低的曲线 工作，可以选用l 小时标定功率，取外特性降低1 0 左右作为控制目标曲线或者选择 1 2 小时标定功率取外特性降低2 5 这个区间，作为控制目标曲线，这样都可以充 分利用液压控制和发动机调速器控制的作用，能使发动机在变负荷下实现很好的动力性 和经济性指标。如图2 4 中曲线a b c 。 9 第二章轮式车辆液压驱动系统表态特性 2 2 2 轮式车辆发动机的工作特性 轮式工程车辆的柴油机特性主要是运行特性，包括：速度特性、负载特性和万有特 性的变化规律。如图2 5 所示，曲线c a s b 是发动机在某一档时的工作特性，a c 为发 动机的外特性，a b 为在该档位下的调速特性。 基 z 毅 撼 0 珊，l 。1 , 4 n d 转建r r a i n _ 图2 5 发动机工作特性 发动机的输出转矩随外界负荷变化而变化，负载变化影响着发动机的转矩输出，图 中a 点的输出功率最大。 显然发动机在其最佳比油耗线工作是最省油的，图中g e 线就是发动机的最佳比油 耗线，发动机的调速器的作用是能够使柴油机的转速尽量稳定，轮式工程车辆的调速器 是全程调速器，能够使发动机很好的调节速度，适应外界负载变化。调速曲线跟不同的 油门位置对应，负载的扭矩和转速或者油门位置和功率，是使柴油机稳定工作在某一点 的影响因素。 2 2 3 发动机与液压传动系统的控制目标 发动机的负荷是影响发动机和液压系统的重要因素，发动机和液压传动装置组成一 个复合动力装置后，需要充分考虑各自的特点，选择合理的负荷率是两者的控制目标。 要使系统达到良好的整体性能，必须选择合理的控制目标。 1 0 长安大学硕士学位论文 m e m ： ij i i l l ni - 1 0 f i l l 缸n n - 图2 6 发动机转矩外特性与转矩控制目标值 图2 6 所示： a b c 理想目标转矩曲线； o b d 一最终确定的目标转矩曲线。 确定了发动机的静态调速外特性后，o b d 曲线对应的目标转矩曲线m e ( n ) 也能够马 上确定，可以用两段直线表示或用数据表示出来。 n m i n 点是发动机的怠速点，和这个点相关的点是控制目标转矩m 乙。轮式工程车辆 的发动机在小负载状态下工作时，效率非常低，应该尽量避免这种状态， 轮式工程车辆的发动机工作过渡区间为n m i n - n m m 舣。在这个区间内，曲线1 和曲线 2 能够满足液压泵的实际控制，曲线的变化影响到整机速度增加时的时间快慢。 由于液压泵的控制不能跟实际完全绝对的一致，总有会偏差，在发动机的转速过渡 区间，发动机的功率利用率不高，可以选择各种控制曲线，使影响效率的各种因素协调 配合。如图2 6 中曲线1 和曲线2 比较，曲线1 和预想的目标值相近。 刀。一1 h 是系统的高转速区间，在这个区间上，当转速变大时，转矩也随之变 大，效率下降，在这种情况下，需要使转矩的预想值响应变大，也就是从点m 厶的b 点 过渡到额定功率d 点的m h ，这样能使系统效率提耐6 , 2 4 】。 2 3 液压泵 液压系统在轮式车辆中占有很大一部分，有时液压系统能占到整机构成的一半以 上。液压系统在扮演着动力传递和变换的角色，发动机产生的动力通过液压系统的变换， 第二二章轮式车辆液压驱动系统表态特性 才能够更好的发挥出作用。 液压泵是液压系统的重要组成部分，它与发动机相连，是联系发动机和液压系统的 桥梁。液压泵有调节功能，通过它的调节，发动机的负载相当于可调，能够提高发动机 的功率利用率，而且在有些情况下能避免发动机因负荷太大造成的熄火。 同时，液压泵又是整个液压系统的动力来源，它为系统提供压力和流量。研究液压 系统的控制方法，很大程度上是研究对液压泵的控制，调节泵的排量可以实现功率的调 节【6 2 2 1 。 液压泵和动力源发动机之间，存在下面关系： 坦：p p ( 不计补油泵功率损耗) ( 2 2 ) 6 0 0 0 0 0 ， 式中： 卸液压泵进出口压差，m p a ； 1 ，泵理论排量，m i n ； 7 7 ，泵机械效率； 尸p 发动机驱动泵的净功率，k w 。 液压马达的负载扭矩与p 呈正比，液压泵的理论排量可以反应发动机的负载大小， 发动机的功率决定了排量的最大值，成线性关系。 液压泵的实时排量越大，泵的排量比就越大，能提高总的效率，因此，液压泵应该 在大部分时间内在大排量下工作。 在发动机的目标负荷率范围内选取最大的功率，能够提高液压系统的效率和发动机 的动力性和燃料经济性。 。 如果以负荷压差a p 作为传感量，则由式( 2 2 ) 有 鱼q q q q 星鲤堡：v a p n 式中： ( 2 3 ) p 双发动机调速外特性对应的功率； p 负荷压差。 上式可以体现液压传动装置的最佳工况，表明控制装置应该使系统在最大负荷率的 排量下运转，当发动机油门不变时，发动机转速也不变时，液压系统能够获得最佳的机 械性能。 1 2 长安大学硕上学位论文 作。 总之，要使发动机在所控制的目标曲线上工作，应尽量使液压泵在其最大排量下工 2 4 发动机与液压传动装置的参数匹配 轮式工程车辆在不同的工况下工作时，对负荷要求也不同。要想达到发动机动力的 充分利用，即工作时在最大功率输出点和最佳节能点，发动机与传动装置的配合问题变 得异常重要。如何使用合理的控制和匹配方法，才能达到很好的效果是下面要介绍的问 题。 使发动机和传动系统和外部负荷之间能够合理的匹配，是轮式车辆研究的重要问 题。机械传动和液力传动的车辆，在变速时需要配备很多档位的不同传动比的变速装置。 但是变速装置的档位是有级变化的，在连续性变化方面有一定局限性，这样的变速手段 无法使整机的性能发挥到最佳状态m 】。 先进的液压传动装置可以弥补以上两种传动装置的不足，尤其在无级变速方面，液 压传动装置有着独特的优势。液压传动装置可以进行连续的无级调速，而且控制方面的 方法较多，液压马达可以实现正反转，是其他传动系统无法比拟的优势。 轮式工程车辆的负荷驱动系统由发动机、传动系统和负荷组成，选择合理的控制原 理和装置，才能使三者进行良好的匹配，从而达到最优效果。 液压系统的匹配和控制技术种类很多，不同的发展阶段有不同的方法，以下介绍的 是各类设计方法【6 , 1 1 , 1 2 , 1 5 】。 1 定量泵设计方法 工程轮式车辆的设计中，定量泵的设计方法的公式为： = 尸q 6 0r l 所圪两种情况时，定量液压马达工作状态。整个 系统是线性的。 当p 。圪j m 。 p h 时，液压马达处于高压自动变量控制，整个系统是非线性的 状态。 当少。圪舶i n m 。 他q = q + a q 左转弯 排油 姒 彷谚 厂7 0 图3 5 单马达机械换档变