（机械设计及理论专业论文）液压无级变速器的设计与研究.pdf

嘎士论文 文压无t 变速l 曲文计与研充 摘要 6 z , 5 6 1 本文对液压无级变速器工作原理和特点进行了分析和研究，并在此基础上对 其结构和参数进行了改进。在深入研究了系统的流量、压力、调节控制量等一系 列系统参数的基础上。对其进行了运动学、动力学分析，并建立了系统结构参数 的优化设计数学模型，采用分步渐进式优化设计方法。对液压无级变速器总体系 统参数和零部件的结构参数进行了优化设计，并对优化结果进行了分析，取得了 较为满意的效果。文章的研究为该类型液压无级变速器的设计和研究提供了一定 了理论依据。 关健词，液压传动无擐变速 系统参数优化动力学分析 ! 垒查 兰璺墨苎苎垒兰竺兰兰竺查 a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t c d s f i c o fh y d r o s t a t i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n s ，am a t hm o d e lo ft h ef u z z y r e l i a b i l i t yo p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es y s t e ms t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r si sf o u n d e di n t h ep a p e r t h ew h o l es y s t e mp a r a m e t e r sa n d p a r t ss 1 撇n l r ep a r a m e t e r so fh y d r o s t a t i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n sa r e o p t i m i z e d b y u s i n g t h em e t h o do f s t e p - b y s t e pg r a d u a lo p t i m i z ed e s i g na n dt h e r e s u l t so ft h e o p t i m i z a t i o n a r e s a t i s f a c t o r y t h er e s e a r c hi nt h ep a p e ri sv a l u a b l et ot h ed e s i g no ft h eh y d r o s t a t i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l et r a n s m i s s i o n s i n a d d i t i o n ，t h ea n a l y s i sa n dm o d e l i n go n k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa r es t u d i e d k e y w o r d ：h y d r o s t a t i c s d d v e c o n t i n u o u s l yv a r i a b l es h i ro p t i m i z a t i o no f p a r a m e t e r s a n a l y s i so f k i n e m a t i c sa n dk i n e t i c s + i 】 ! 兰兰圭苎j 兰兰苎立兰苎苎兰! 型! 翌生生一 第一章绪论 液压传动具有其它传动方式所没有的独特的优点，它具有运动惯性小，动作 灵敏，制动迅速，运动平稳，易于实现无级调速可以获得很大的调速比，而且 在大功率、高承载场合易于实现自动化及控制。就是这些别的传动系统很难达到 的特点，使液压传动技术一直让各国科学工作者和工程技术人员致力于此方面的 研究，到本世纪6 0 年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术的发展进一步 推动了液压技术的发展，使它成为包括传动控制和检测在内的一门完整的自动化 技术，在国民经济的各方面都得到了应用。现在，国外生产的9 5 的工程机械， 9 0 的数控加工中心，9 5 以上的自动化现都采用了液压技术。 液压传动技术独特的优点使其在各种机械装置中得到广泛的应用，而作为最 能体现液压传动技术独特特点的液压和液力变速器也必然会得到广泛使用，如汽 车、工程机械、金属切削机床、机器人等。但传统的液压或液力变速传动一般采 用分体式结构，液压泵、液压马达、阀及液压管路等液压元件分立，结构庞大， 布置复杂。可靠性差。随着液压气动行业发展方向向集成化、小型化、机电一体 化、节能、高效、多样化转变，近几年也发展起来很多此类产品，如将液压泵液 压马达与控制阀构成一体化的液压无级变速器，其机构紧凑，体积小，重量轻， 布局灵活，操作使用方便，简化了传动装置的结构，改善了各种装备的质量，因 此得到了广泛的认可和应用，在国外已广泛用于汽车、农林业机械、环保机械、 矿山机械、工业机器人驱动系统、太空探测机械等领域。 1 2 液压无级变速器的研究概况和发展趋势 液压无级变速器其最基本的工作原理为液压传动的容积式调速，对容积式 调速的研究在国外开展的很早，前苏联在上个世纪5 0 年代此项技术己基本成熟， 在一些国外的矿山工业中，采用液压泵和液压马达的液压传动装置获得了广泛的 应用。在这种传动装置中，可将外形尺寸不大的液压马达安装在工作机器的传动 机头上，而将尺寸很大的液压泵站安装在外形尺寸没有严格要求的巷道中。然后 通过下列方式进行液压传动的功率、速度和扭矩调节：i ) 变量泵定量液压 马达；i i ) 定量泵变量液压马达；i i i ) 变量泵变量液压马达；根据不同 的场合选择不同的调节方式删。这可以近似认为是最早的分体式液压无级变速 器。但这些液压变速的装置中各种液压元件分立，它们之间靠管路连接，系统复 ! 兰圭 兰璺苎苎查堡兰竺业! 苎一 杂，体积庞大，工作可靠性较差，操纵控制困难，不适合应用于多种场合，如要 求结构紧凑、操纵方便、独立执行、轻载小功率传动等场合 我国也在6 0 年代末期从前苏联引进了此项技术，加以消化和吸收并应用在 我国的采矿业上，取得了很好的成效。但我国在此类集成式一体化液压无级变速 器方面的研究和应用还是比较少，近几年才出现少量的报道及研究，文献扣1 介绍 了一种柱塞式液压无级变速器工作原理及特点，并论述了这种变速器主要特征和 适用范围；文献n 川对美国伊顿公司出品的径向球塞式液压无级变速器做了性能 参数的测试、分析；文献【1 3 l 对国外的液压无级变速器技术进行了一些消化和吸 收，并加以推广和应用，但尚未见有对该类产品的设计与制造进行系统研究的报 导，更未见有自主产权的相应的产品出现。国外也只有少数几家生产液压元件的 大公司如e a t o n ，b o s c h i ，r e x r o t h 等有研究，并且e a t o n 公司有相应的产品提 供市场。但其液压无级变速器产品大都以机械或杠杆操纵调节输出速度，使输出 速度随外载荷的变化波动较大，不适合于需稳定输出的场合，并且目前该类产品 容积效率较低，承载能力较低，价格也较高。另外，该类型的液压无级变速器转 子与定子目前采用固定式结构，使传动过程中配流轴所受不平衡径向力较大，易 于损坏，使变速器的工作寿命和可靠性受到影响，故此类液压无级变速器只能适 合于轻载非连续工作场合。但从目前液压产品的发展趋势来看，该产品发展的前 景却十分看好。 现在液压气动行业正向节能、小型化、机电一体化、集成化、多样化发展， 而现有产业化的液压无级变速器的控制大部分都是采用纯机械式的调节，使得变 速器的调节控制很难实现精确稳定的输出，又不能满足多种工作场合控制的多变 和远距离控制的需要，大大的限制了其应用的工作场合，只有机电结合，才是其 发展的方向。因此液压无级变速器的机电一体化、自动化、智能化将成为当今世 界本行业新的发展潮流。 1 , 3 本论文研究的意义 我国的液压气动行业经过三、四十年的发展，已经在国内机械生产领域形成 了一个门类齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。但是，我国的液压气 动产品尤其是高新产品的需求还不能达到自足，一些液压气动密封产品还得要进 口。而且，据统计，我国液压工业产值只占机械工业产值的1 左右，远远低于 国外的3 9 卜_ 4 5 的水平，这充分说明我国液压技术应用面小，尚有很大的市场 潜力可挖。现在，我国的液压气动行业正在进行行业结构调整，争取促进行业的 快速发展。这也给我们提供了一个很好的机遇，我们应该抓住机遇，开拓市场， 抢占市场。 项士硷主 液压羌鼠主连l 的正计与研竞 液压无级变速器在国外的应用已很广泛，从低端的农业、环保机械到高端的 工业机器人均有应用。但在国内由于整体制造水平的偏低，以及专利技术的吸收 和消化速度太慢，所以导致其发展缓慢。液压无级变速器其环保、高效、易于实 现自动化控制、结构紧凑的优点是很符合当今工业装备的发展要求。因此，对液 压无级变速器各方面技术的吸收、消化、发展具有很大的现实意义和经济意义。 1 4 本论文主要研究工作 液压无级变速器是一种新型的液压传动产品，涉及液压传动的多方面综合技 术，是一个多学科复杂的系统。国内外对其工作机理，参数设计计算和结构设计 的系统研究较少，对我国液压无级变速器的研制和应用带来不少困难，为此，本 论文对液压无级变速器从工作原理、结构设计和参数设计等方面进行了系统分 析，力图为液压无级变速器研制和开发打下理论基础，为此，论文做了如下的工 作： 1 通过对液压无级变速器产品结构和工作原理的分析，了解其优点和不足 的地方，探讨了液压无级变速器的结构型式及特点。 2 对液压无级变速器建立了运动学和动力学分析数学模型，进行了系统的 运动学和动力学分析。 3 在对液压无级变速器进行运动学和动力学分析的基础上，对变速器系统 建立以液压泵和液压马达参数最佳匹配为主要目标的系统结构参数优化设计数 学模型，并对优化结果进行了分析比较。使参数配置更加合理和优化，改善了无 级变速器的性能。 4 采用分步渐进式机械优化设计方法，在对系统总体结构参数优化的前提 下，再对变速器的泵模块、马达模块进行参数优化设计，使其参数设计既兼顾了 整体系统，又考虑了各分模块的特点。 ! 主垒兰 坚型型竺竺竺壁一 第二章液压无级变速器系统的组成、 工作原理 2 1 关于容积式调速的探讨 2 1 1 概述 液压无级变速器最根本工作原理就是液压传动技术的容积式调速。工作机器 的转速在高效率情况下太幅度的进行无级调节，是容积式液压传动最显著的优 点。所以具有容积式调速的传动装置获得了广泛的应用，比如矿山机械，草地机 械等。在这种传动装置可以有多种的变化形式，既可以采用一体化的设计模式， 把泵和马达结合在一起，来满足某些场合下的简洁和体积小的要求。也可以采用 分体式豹设计模式，可将尺寸不大的液压马达安装在工作机器的传动头上，而将 尺寸很大的液压马达泵站安装在远离工作场合的位置上，还可以实现一泵驱动多 马达的高效率装置。 1 容积式调速的调速方法 容积式调速的传动装置，可按下列方式进行调节：i ) 恒功率调节：胁z = 常数，其中。m 为输出扭矩。艇为输出转速；i i ) 恒扭矩调节：膨= 常数；i i i ) 恒转速调节：疗= 常数：i v ) 输出扭矩与其转速按其它函数关系m = 厂( h ) 进行调 节。不同的调节方式适用于不同的机械和不同的工作场合。恒功率调节方应用在 联合采煤机、刨煤机、轮式运输机等机械中很合适。恒扭矩调节适用于矿用提升 机、卷扬机、皮带输送机等机械传动装置中。恒转速调节则主要应用某些对转速 要求特别严格的场合，如某些自动化包装输送带等，其需要伺服控制来保证其输 出的稳定。第i v 种调节方案可以应用于采煤机和掘进机的牵引机构的液压传动装 置中，因其运动速度是根据联合采煤机主传动装置的功率进行调节的。由于液压 马达轴上的扭矩与许多难以估计的因素有关，因此必须根据载荷情况，用数学统 计的方法来处理所获得的资料的基础上从而加以确定【8 】。 2 容积式讽速的讽节方案 同时必须注意到，对于设计液压设备的寿命来说很重要的就是了解各工作零 件间的作用力，而液压设备各工作零件间的作用力，不仅取决于工作机构所承受 的载荷，而且还与传动系统的调节方法有关。后者在对于选择机械传动的调节方 案时，有很大的意义，因为液压传动方案不合理时，可能增大作用于液压装置上 第4 页 ! 垒苎 兰墨墨墨兰查! 竺兰苎竺兰- - 一 的载荷，影响其使用寿命或增大其外形尺寸，而这是不允许的。 众所周知，容积式调速通常有三种方案如图2 1 1 ，即： 曲变量液压泵定量液压马达( 图2 1 1a ) ； b ) 定量液压泵变量液压马达( 图2 1 1b ) ； c ) 变量液压泵变量液压马达( 图2 1 1c ) ： 图2 ，1 1 容积式调速组台形式原理图 每种调速方案都有其独特的特点。第一种调速方案采用变量泵和定量马达 的组合形式，其主要适合于恒功率的调节方式工作，输出速度和流量波动量较小， 速度调节范围宽，效率较高，输出控制和系统参数匹配较容易实现比较容易实 现自动化，适用于中、低功率各种工作场合应用范围较广。如联合采煤机的牵 引机构和挖掘机的行走机构的液压传动系统主要采用这种方案。对于矿井提升 机、卷扬机和皮带输送机等装置，要求在恒扭矩下调节速度，所以也只能采用这 种调节方案，因为在这种情况下液压机器是在最少过载的有利工况下工作的，并 有宽幅调速可能性【8 1 ；第二种方案采用定量泵和变量马达的组合形式，输出速度 和流量波动小，速度调节范围宽，但很难获得很低的输出速度，比较适合于高转 速的场合，效率稍低，输出控制和参数匹配较容易实现，此外，在恒功率调节方 式下，调节范围内的输出速度随扭矩的变化而变化也是这种液压传动系统的缺 点。：第三种方案采用变量泵和变量马达的组合形式，其适合于要求恒功率和调 节范围较大的场合，输出速度和流量波动稍大，速度调节范围非常宽，效率稍低， 输出控制和参数匹配较难实现，难于实现稳定的输出和精确的自动化控制。主要 用于轮式运输工具。 第5 页 2 1 2 调速方案特点与适用情况的比较 对于本论文研究的集成式一体化液压无级变速器采用的调节方案，原则上前 面提到的三种方案都是可以应用的，但应用第三种调速方案也就是变量泵和变量 马达组合形式，由于其本身的难于实现稳定的输出和精确的自动化控制的特点不 适合目前液压无级变速器机电一体化、自动化、智能化的发展潮流，而且其速度 调节范围非常之大，也不适合本液压无级变速器要求，因为本液压无级变速器只 是应用于一般的场合，并不需要特别大的调节范围。因此，前两种的调速方案也 就是变量泵、定量马达和定量泵、变量马达的组合形式，比较适合于本液压无级 变速器。原则可以采用前两种组合形式都是可以的。但为了实现最优化调节控制， 我们对其进行比较。 为了便于比较，我们作如下假设：在这两种方案中，液压马达的最大工作容 积、额定压力、最大压力都相同。调节范围都为d = 2 ( d 为最大输出转速和最 小输出转速之比) 。并把具有变量泵和定量液压马达的传动系统的调节特性曲线 和具有定量泵和变量液压马达的传动系统的调节特性曲线都画在同一副图中【酊。 见图2 1 2 。 m n 图2 1 2 两种可调液压传动系统的工作特性曲线 上图中，由变量泵和定量马达组成的传动方案的工作区域由膨。、最小速 度珂。和最大速度甩：三条线围成( 图中画水平线的区域) 。由定量泵和变量马达 组成的传动方案的工作区域由最大扭矩m ”。、转速啊和开：三条线围成( 图中画 垂直细线的区域) 。 第6 页 ! 垒查 兰苎墨兰兰兰竺竺兰苎兰! 兰_ 一 因此，尽管两种传动装置的液压元件最大压力都相同，但它们的工作特性曲 线区域有很大的差别。比较上图2 1 2 所画曲线可知，具有变量泵和定量液压马 达的传动方案的速度和扭矩的变化范围比具有定量泵和变量液压马达的装置宽 得多。虽然第二种传动方案的速度调节范围也能满足某些机械的要求，但对工作 场合要求马达体积尽量小的情况，则由于变量液压马达工作容积的减小t 其最大 输出扭矩也会降低。这就会使这种装置的使用受到一定的限制。 由于液压传动装置的负载具有随机特性的，并可能导致传动系统的过载，所 以液压传动装置的超载能力也是一个很重要的问题。从而传动装置的超载特性是 确定选择哪一种传动方案的决定性因素之一。应当指出，液压马达的最大扭矩在 这两种调节方案中是相同的( 假定液压马达的最大工作容积和工作压力也是一样 的) 。但是当平均载荷所产生的扭矩小于马达许可最大扭矩即超载作用时间很短 场合，液压马达的最大可能扭矩( 超载能力) 取决于传动装置的调节方案。 当设计参数可调节的液压马达系统时，其额定压力是根据能连续工作的最大 扭矩( 对应于执行机构的最低转速) 来选择的。对于变量液压马达，当输出扭矩 变化时这个压力不变。而在具有定量液压马达的系统中，当扭矩减小时。压力就 降低，并且如果最小转速时的压力为p 。，那么当调节到最高转速时的压力就为 p 嘞詈= 告 上式中d 即为速度的调节范围。 如果由液压马达零件的强度条件所确定的最大压力p 。= 彦。，那么对于 变量液压马达，可能的短时过载在整个扭矩调节范围内也等于口。定量液压马达 在最低转速时，扭矩的过载能力为卢在最高转速时为肋。所以作用于调节范 围内的平均扭矩 一m ：旦芸膨。 ( 2 1 1 1 ) 由此可知，在变薰液压马达的情况下，传动装置的扭矩过载能力为口，而在定量 液压马达的情况下为旦旦声，可见当调节范围d 等于2 时，具有变量泵、定量 马达的传动装置其平均超载能力是具有定量泵、变量马达的传动装置的1 5 倍。 当传动装置的超载能力小的时候可能在某些场合不能正常完成工作，必须增大变 量液压马达的功率踟。 因此，所讨论的变量液压传动装置的外特性是不相同的。具有变量泵和定量 ! 圭垒查 兰兰垄璺圭兰! 兰兰型! 登墅生一 液压马达的传动装置，比具有定量液压泵和变量液压马达的传动装置有大得多的 调节范围和平均超载能力，这就改善了机器的运行指标。这也就是本液压无级变 速器采用变量液压泵和定量液压马达的最根本原因之一a 2 2 液压无级交速器的工作原理 采用径向柱( 球) 塞式变量泵和定量马达的液压无级变速器最基本的工作原 理就是液压传动的容积式调速。通过原动机带动变量泵产生高压油，经液压管路 进入定量马达，马达在高压油的驱动下转动，完成能量转换后的高压油从马达排 油孔经低压油管路漉回变量泵，依次往复循环，由于泵为变量泵，通过调节变量 泵的定子相对转子的偏心，从而改变变量泵的排量以至于流量的输出，使进入马 达里的高压油的流量发生变化，使马达输出转速发生变化以达到调速的目的。 图2 2 1 液压无级变速器原理 其具体的工作调速原理如下：根据原理图2 2 i ，设变量泵的排量为圪，转 速为行，定量马达的排量，马达的转速，在不考虑泄漏的情况下，则泵的 输出流量和马达的输入流量是相等的，因此可得下式： 0 竹p = ( 2 2 1 ) 由此可褥马达的输出转速撵。和泵的排量匕的关系： 铲笋。 对于变量泵而言，泵的排量取决于泵的结构参数 ( 2 2 2 ) 第8 页 项士论文 嵌压无氟变速罩的设计与研竞 _ ：等2 e p z ：譬勰， 上式中，d 。变量液压泵缸孔的直径 z 变量液压泵柱( 球) 塞的个数 e 。变量液压泵定子相对于转子中心的偏心距 因为d 。和= 是不变的，所以变量泵排量的变化只有通过改变变量泵定子相 对于泵转子的相对偏心距p 。大小及方向，从而改变泵的输出流量和输油方向， 这可操纵与泵定子铰接的杠杆来实现，从而达到调节变速器输出速度的目的。 2 3 液压无级变速嚣的结构分析 图2 3 i 液压无级变速器的结构示意图 l 输入轴2 左壳体3 泵部分转子4 9 定子衬套i18 销轴6 偏心环7 转轴8 右壳体 1 0 t 马达部分转子1 1 输出轴1 2 圆柱销1 3 配流轴1 4 卸荷阀1 5 配油体1 6 排油螺栓 1 7 1 8 转柱1 9 变量操纵杆 如图2 3 1 所示为液压无级变速器的结构示意图。该液压无级变速器是由单 作用径向塞式变量泵和同样结构的定量马达、配流轴1 3 、吸油及止回单向阀及 一一 第9 页 手动卸荷装置1 4 组成的闭式回路。液压泵和液压马达组装在共轴线的公共壳体 中，两个转子3 和l o 在同一轴线的配流轴1 3 上回转，泵和马达之间的油路就设 置在配流轴内，泵和马达都是五球活塞结构。通过变量操纵杆1 9 经转柱1 8 、转 轴7 、1 7 带动偏心环( 即定子) 6 绕销轴5 摆动，从而可任意改变偏心环和转子 间的偏心量的大小，从而改变球塞在转子体缸孔的行程，即改变泵的排量，并将 它的变化输入定量马达，使马达转速可连续变化。其输出轴1 1 的旋转方向则取 决于变量泵偏心环的正负偏心位置。因同原动机直接相连的输入轴l 转向始终不 变，当变量泵偏心环( 正负) 改变时，配流轴1 3 内的上下两孔道起吸入( 进油 口) 或压出( 出油口) 的作用互换，从而改变两孔道的液流方向。 为了消除球塞相对偏心环的滑动，延长结构寿命，必须保证钢球与定子的接 触面积，在泵与马达的定子衬套4 、9 的工作表面上做有比钢球半径大8 1 0 的圆弧形浅槽。泵与马达之间的油路通过装在配流轴盘体1 3 内的两只单向阀1 4 ( 钢球座阀式结构) 与壳体沟通，两只单向阀分别起吸油及止回功能，当推动手 动卸荷阀顶杆到底，打开两只单向阀使高低压油腔接通时，无论正反转( 倒顺车) 都可使系统卸荷，使整个无级变速器装置处于安全制动位置。输入轴l 与泵转子 3 为花键连接；输出轴1i 通过马达转子1 0 上韵端面键槽与穿过输出轴上的圆柱 销1 2 传递扭矩。 变速器壳体兼作油箱，零件得到很好的润滑作用，而使其寿命变长。 2 4 液压无级变速器柱塞形式的探讨 液压无级变速器由径向变量泵和径向定量马达组成，其转子缸体活塞形式主 要有柱塞式、球塞式以及柱塞改进式三种。 柱塞式是用在径向泵和马达中最广泛的形式，从万吨以上的重型液压机到小 型的液泵，都广泛的使用了柱塞式的形式，其具有以下优点：1 ) 可用于高压液 力传动，常用压力达( 2 0 4 0 ) m p a ，超高压可达7 0 m p a 。2 ) 可用于大流量输出， 常用的柱塞泵的排量5 1 0 - 4 珊3 r ，大排量可达8 x 1 0 3 m 3 ，。3 ) 可用于大功率 场合，一般驱动功率为2 0 0 k w 左右，大功率可达5 0 0 k w 以上。4 ) 效率高。容积 效率可达9 5 以上，总效率可达9 0 以上。5 ) 寿命较长。6 ) 变量方便，形式 较多。7 ) 可以使用不同的工作介质，这对适应某些液压设备的抗燃要求和节省 能源具有重要意义。8 ) 单位功率重量轻。但也有如下缺点：1 ) 结构较复杂，零 件数较多。2 ) 制造工艺要求较高，成本较贵。3 ) 柱塞侧向载荷较大，易磨损和 损坏。4 ) 对油液介质的的清洁度比较敏感，因此对使用和维护水平要求较高。 ! 查垒圭 兰墨垄坠塑型堕竺生一 因此，柱塞式的泵和马达主要用于高功率、高压力、高流量、工作坏境清洁的场 合。 而球塞式的液压无级变速器减小了径向尺寸，消除了球塞的侧向负荷，减少 了球塞和转子的磨损和损坏，减少了机械损失，提高了机械效率；尤其是球塞制 动性能好，运动副多为滚动副，摩擦力小，对液压油清洁度无特殊要求；启动转 矩小，升速平稳：结构简单紧凑：体积小重量轻。但也有其致命的缺点，比如， 球塞的封油效果不好，容积效率偏低，吸油效果差，启动缓慢，对球塞的制造加 工工艺要求高。只能应用于中小功率轻载荷的场合。 第三种是在此基础上结合球塞和枉塞的特点而成的一种柱塞，球头型柱塞或 者蘑菇头桂塞，其既保持了球塞的运动副为滚动副，摩擦力小等球塞的特点t 又 兼顾了柱塞的容积效率高，封油效果好等优点。 ( b ) 2 3 1 点接触型柱塞 a ) 球头型柱塞b ) 蘑菇头型柱塞 如下图2 3 1 所示，反作用圆弧环4 与球头型柱塞1 接触点之间的摩擦力使 球头型柱塞绕其中轴线自转形成滚动摩擦，减少了磨损。这样既可以保持原来 液压无级变速器的球塞泵的优点，又结合了柱塞的容积效率高的特点。对于直径 比较小的柱塞，往往把柱塞头部加工成蘑菇形。如图2 3 1a 所示，以增加柱塞 的重量，加大柱塞的离心力，有利于柱塞回程。此外，还加大了接触点至柱塞中 心的距离c ，有利于柱塞的自转 7 】o 但是此类形式的柱塞也有它不足之处，那就 是球头形柱塞存在的侧向力和头部点接触应力过大从而导致球头柱塞磨损寿命 不长，易损害。故也只能应用于小功率的液力传动装置。 第1 i 页 项士论文 童压无衄变速l 琦谩讨与研竞 综上所述，这三种柱塞的型式各有利弊，各有不同适合的工作场合a 但从液 压技术的发展的方向和本课题设计要求，将选用球塞式柱塞应用到变速器上。 翌竺圭 兰墨墨苎兰兰苎竺兰苎兰竺苎_ _ 一 第三章液压无级变速器系统运动学及 动力学分析 3 1 引言 由于构成液压无级变速器的径向球塞变量泵和径向球塞定量马达的结构类 似，所以本论文首先对泵和马达单独进行运动学和动力学分析，然后通过它们之 间的联系建立系统的运动学和动力学模型。在大多数工作情况下，由于变量泵的 变量调节( 相对偏心距e 的改变) 过程在整个工作过程中只占很小一段时间。大 部分时间是在e = 常数的情况下运行，因此研究时先假定e = 常数，然后再考虑在 整个工作过程中e 的变化情况。 3 2 变速器转子球塞运动学分析 3 2 1 变速器转子运动数学模型 图3 2 1 变速器泵和马达转子运动原理简图 液压泵和马达转子运动原理如图3 2 1 所示。工作时球塞对固定的壳体而言 作两个复合运动：一是在转子缸孔内往复移动的相对运动；二是随缸体一起转动 的牵连运动。由于，变速器的泵或者马达系统的运动规律类似于四杆机构中的转 动导杆机构，因此，为了便于分析，将变速器的泵和马达系统运动机构分别简化 为一个转动导杆机构如图3 2 - 2 。可作如下简化：本或者马达的球塞等效为滑块， 定子等效为曲柄a b ，转子等效为转动导杆o b 。设点o 为转子回转中心，a 为 第1 3 页 磺士论文 文压无垃史连l 的设计与研竞 定子几何中心，历= p 。为定子和转子的相对偏心距。 y 覆 i 1 、 o z - a u 3 1 图3 。2 2 变速器转子等效运动简图 以变量泵为例进行分析。图3 2 2 中点划线表示球塞中心的运动轨迹，最外 面的细实线表示定子的曲面轨迹，半径为r 一，转子球塞半径为0 。在讨论球塞 的运动规律时，通常都用极坐标表示。设球塞中心到转子中心距为p 。( 妒) ，与起 始位置( o a ) 之间的夹角为妒，转子的运动角速度为国。由图中几何关系求出球 塞的极坐标方程为： 户p ) = e pc o s + ( r 州一o ) 2 一( p ps i n ) 2 厂丁一 剐产卵r p - 。j 卜研e p s 洫2 因南衡剐、，婀将j 卜每血2 矿臌缴，榔高阶余项可得： = 一圭i 夏：；兰2 矛s i i l 2 妒，贝q2 ( 震w 一，) 2 7 一 户，c ，= e ，c 。s 妒+ ( 丑一一。) ( ，一i l i 五：吾s ；n 2 妒) ( 。z t ) 当= 0 时， 尸p 。= p p + 月州一7 _ 兰堡查 兰墨垄苎苎兰兰兰兰兰兰竺! l 一 当= 筇时， p p 。= 一p p + r 州一0 为了方便球塞轨迹曲线讨论与作图，这里采用“度速度( 也叫折算速度) ” 和“度加速度( 也叫折算加速度) ”的概念“1 。 度速度： 圹警= - s i n 一l ( r ，, - r p ) - e p 毒弓蜘z 矿z z ，”和。盲妒一i 夏高8 1 n 2 尹。2 度加速度： 口和2 一e ，c 。s 一( r 州一。南。s 2 庐 3 _ 2 3 同理可得液压马达的球塞的极坐标方程为： 成( 庐) = g , nc o s r “一似卜吉瓦与s i n 2 ) ( 3 2 4 ) 当= 0 时， 成一= p 。+ r “一。 当= 石时， p ，i n j i l = 一p 。+ r 一_ 度速度： 驴警一印叫一l ( g e - r ) 若杀s m 妒( 3 z s ) 度加速度： 一o s h r e - i ) 南s 矽 ( 3 2 6 ) 式中 g 为马达定子和转子的相对偏心距； r 。为马达定子的半径： ，枘为马达转子球塞半径。 3 2 2 变速器球塞的绝对运动分析 由球塞的运动规律可知，球塞的绝对运动是围绕定子做变角速度圆周运动。 先对液压泵进行分析，已知液压泵球塞的极坐标方程与起始位置( o a ) 之间的 夹角为驴= 国，r ，国，为转子运动的角速度。可求得球塞绝对速度v 。为 乓士论文 盘压无t 变连曩曲扼计与研究 2 掣一 s i n 妒 南2 7 。呶慨：。， 一刖咿扣去s - n 2 球塞绝对速度方向为球塞轨迹曲线的切线方向，垂直于该点的曲率半径，也 就是定子的半径。用解析法可得球塞的绝对加速度。机构的位置方程如图3 2 3 。 已知曲柄长度一曰= r ，一0 、转角卉、中心距p ，导杆转角庐、等角速度毡= 翻， a o 的距离，4 = e 。 1 位置分析 该机构的封闭式量方程式 图3 2 3 转动导杆机构位置简图 ，4 + i i = p 。 1 4 i + l l p = 砟p ( 3 2 7 ) 展开后得到实部及虚部 t l c o s i = p 。c o s 妒3 l + s i i l 识= p ps i n 缟 上两式相除 喀办：p p s i l l 珐_ - - 1 4 p 口c o s 屯 第1 6 页 磺士论文 囊压无氧变连罩砖设计与研究 求得角氟后可知 2 速度分析 将式( 3 2 7 ) 对时间求导数得： 九= 国，= 珊，t 1 l c o s 破 岛2 专肴 ，l l 耙7 1 = v 口2 8 3 e 呐+ 户p 6 - 0 3 f e ? 两边乘p 。6 后展开，并取实部和虚部，由此可求球塞的相对速度为 v 日2 日3 = 一ls 血瓴一九) 3 加速度分析 球塞的绝对加速度向量方程为 将以上各式代入可得： 口n = q 2 而而p p o ) 3 口印= 口；+ 口品 口二= ? ， 略= 等= 誓 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) f 3 2 1 0 ) 方向为垂直于球塞运动方向。 口。r 一- - 一c ，c c ，2 c o s a o p t - 。州) ；一e 2 p 。c 。s 2 ，r 方向为沿球塞运动方向。由此，可得球塞的绝对加速度： = 厄丽( 3 川21 ) 同理可得出液压马达的绝对速度、绝对加速度： 其中 v 。= 掣一。叫n 1 去：s m 细s 纸 = 一e 。s i n 一圭，卉e 2 s m ： 。：疑珊 。i 耳罨22 嘉翮 a 二= 一e ，珊：c 。s 棚。，一： 2 2 c 。s z 脚。r 3 2 3 变速器球塞的相对运动分析 ( 3 2 1 2 ) ( 3 2 1 3 ) 将动坐标系固定在转于上，则琢暴的相对垤动就司以近似的认为是它沿缸筒 做直线往复运动。首先对液压变量泵进行分析。球塞的相对位移： h q , = p p 。一p p ( ) = r 一0 + 8 p 一砟( 扔 ( 1 - c o s + 互1 瓦e 可p s i n 2 扔 3 _ 2 1 4 则球塞的相对运动速度为： v ，2 鲁硝洲+ i 1 研e p s i i l 2 彩( 3 2 1 5 ) 球塞的相对加速度为： 驴譬= 誓1 + 去，( 3 2 1 6 , ( c o s c o s 2 妒， 。才2 言副尹+ 志 ) 此方向沿转子缸筒方向。并由下式： 铲垆；( c o s + 去c o s 2 舻。 可以求得球塞相对加速度的两个零点为： ，= 。a 。s t 去c 一，+ ：，2 口c 。s ( j i 三；兰了_ 一1 2 吾， ! 圭垒圭兰至兰兰兰兰! 竺兰苎皇! 查一 v ，= 鲁= e m 曲m ( s i n 妒+ 互1 而e m s i i l 2 庐) ( 3 2 1 7 ) 其球塞的相对加速度为： 铲争= 鲁剐筇2c o s + 矗c o s 2 庐) ( 3 2 1 8 ) 其加速度零点分别为： 丸c o s ( 瓦专( 。+ s 瓦 可) ：。= 口c 。s c 矗c t 一- + s i 南， 图3 2 4 液压泵球塞相对于不同偏心e 的相对速度曲线 用m a t l a b 仿真出液压泵球塞相对速度和相对加速度的近似曲线如图3 2 4 、 图3 2 5 对于不同定子的偏心e 时对应的球塞相对速度和相对加速度曲线。 在图上我们可以近似的找出相对加速度为零的角度办和欢。由此可以判断加 速度方向的变化。在泵的转子转一周的范围内，球塞相对加速度方向变化两次， 其作用力的方向也会变化。而且，随偏心距的增大，球塞速度和加速度的波动也 ! 垒兰 兰墨苎苎兰兰! 兰! 兰! ! 竺蔓一 越来越大。 图3 2 5 液压泵球塞相对于不同偏心e 的相对加速度曲线 3 2 4 变速器球塞牵连运动分析 球塞的牵连运动是转子以匀角速度国。转动。球塞的牵连运动速度为把球塞 看成的动点与动坐标系重合点的速度( 在球塞的牵连运动中) ，将动坐标系建在 泵的转子上，则牵连速度为： v ”钏加( 舻町一，p 托，c o s 妒一圭( r 州- r p ) 矗s i n 2 妒 p 时，缸体压向配流轴的高压侧；当月， 西，缸孔由吸入转换至压出时。会引起吸 空和困油，造成冲击、振动和噪声；k p ，故，很，j 、，c o s y 1 p 。，p 。泵和马达的偏心距( 朋小) r 。，r 。液压泵和马达的定子半径( 卅埘) 液压泵和马达的球塞半径( m m ) ：一a m t - - 4 c p ：掣：! 睦! 兰：壶。， 5 t 2 百2 百一1 = 气= = 最后可求出变速器的效率： e 。一_ ，： 。( r w _ n 疗( 专心) 一 叩2 叩咖，7 ，r , 4 v 印 巾 4 1 3 考虑工作频度的变速器等效工作效率 ( 4 1 1 7 ) ( 4 1 1 8 ) 由于液压无级变速器的工作状况是由变量泵的偏心调节量e 。所决定的，而 在不同p 。下，液压无级变速器的工作效率不同，考虑到变量液压球塞泵和定量 液压球塞马达的性能和参数的合理匹配，即液压无级变速嚣在正常的工作范围内 有最佳的功率利用率。本文提出了考虑工作频度的液压无级变速器等效工作效率 的概念，即将统计所得的液压无级变速器在不同的偏心调节量g 范围内工作的 概率作为加权因子与该区段内的平均工作效率加权平均得到的效率作为液压无 级变速器的等效工作效率。经统计所得变速器在不同的偏心调节量e 区间内的 工作概率如表4 1 1 所示： 第4 4 页 表4 1 1 不同e 。区间变速器工作概率 工作区间 l23 45 偏心量区间 ( 占最大偏心量 1 4 - 3 3 3 3 一5 2 5 2 一7 6 7 6 8 5 8 5 一9 5 e p 。的百分数) 工作概率a 0 0 50 1o 5 50 20 1 区间内平均工作 编叩2仉仉玑 效率r 因此，考虑工作频度的变速器等效工作效率为 叮= 丑，r ， ( 4 1 1 9 ) 而区间内变速器的平均工作效率取区间内各工作点效率的算术平均值。例 如：在工作区间1 内r l = ( r l o l 4 + r ”3 ) 2 ， r o r o ”分别为p p e p 一= o 1 4 和 o 3 3 时变速器的工作效率。 4 2 变速器流量的分析 4 2 1 变速器的理论平均流量 球塞的行程由球塞的最大位移确定，此位移 = p 。一p 。= 2 e 。 泵和马达球塞的横截面积s ，= 孵，s 。= 碟。那么当单个球塞在转子转过一周 时压出的容积变为= 2 e ，j ，= 2 e 。j 一而当泵与马达分别有z 。，z 。个球 塞时，则整个液压泵和马达的流量 q n 。2 eb sp zp = 2 ep 何：z p q 。= 2 e 。s 。z ，= 2 e 。碟乙，( 4 1 2 0 ) 因此液压泵和马达的平均几何流量分别为： 硬士奄文 液压羌氟变速暮砖设计与研竞 瓦= qp np 6 0 = ep 甜；zp 3 0 i = q m 盯。6 0 = z 。3 0 4 2 2 变速器的瞬时流量 ( 4 ，1 2 1 ) r 4 1 2 2 ) 泵和马达瞬时几何流量是不均匀的，即使对于转速恒定的液压泵，其瞬时理 论流量取决于位于压油区球塞的度速度之和【4 1 。 h 乏 、 。 y 图4 2 1 确定奇数球塞s i n 2 谚- c o s 2 # ， 幽4 2 2 确定奇数球塞s i n 谚，c o s 谚 之图解 之图解 g 咖引 芝i = 1v 如驴n 峨+ 吉南s i n 2 妁眦，) ，= in o 一， 同理可得，马达的瞬时理论流量 譬s 如2 s m 国m i = 1 1 ，蜘2j m m p m 喜( s i n 矿一十圭页i s ：于三_ i s i n2 谚) ( 4 t ：。) j = ij 一，。 式中 曲。变速器的输入速度，即泵的角速度 。变速器的输出速度，马达的角速度 强，撑：一分别为泵和马达位于进油区的球塞数 ”如，”蛳变速器泵和马达的第i 个球塞 硕士砼文液压无敏支速l 曲设计与研究 该流量为同时处于压出区的所有球塞组压出 夜体之总和。压出区包括 0 痧万之范围，我们设在此范围内的度速度为正值。由于般所采用的球塞 数为奇数，可先求出s i n , 的表达式，该表达式可借助于图4 , 2 ，2 解出。图4 2 2 所示为在转子上五个均匀排列的球塞，其在压出区的轴线位置用半径o a 、o b 、 o c 表示出，相邻两个球塞间之夹角用2 芦表示且2 卢= 鲁，z 为泵或者马达球 塞数嗍。 当球塞为奇数的时候，对于0 谚和卢谚2 时的表达式也不相同， 因为前一种情况下参加压出工作的球塞数为之 ，而后一种情况下则为之 。 当0 p 时 s i n ：o d , ，s i n 一：字 r、p c o s ：半：警； 郭脚时s 唧：一o c , s i n ( 8 - 2 r ) ：警 c o s = 等掣= 掣 当0 妒卢时 当s 庐s2 时 s i n 2 # = o e is i n ( 2 庐, r 型s i n ( 2 # , - f 1 ) 2 c o s f l ( 4 i 2 5 ) ( 4 1 2 6 ) f 4 1 2 7 ) s i n 2 庐= 型掣= 1 s i n ( 3 f l 矿- 2 磊) ( 4 1 2 8 ) 由以上各式可求得变速器泵的瞬时流量 当0 夕时 项士论文液压无敷变速暑的设计与研究 警+ 三南寄，g 础一i 。5 ，8 一。，亨+ ；i 南二：群1 4 1 3 0 当卢2 时 +土蒜与型】(413122cosfl)( r 脚一0 ) 7 同理司求得变速器马达的瞬时流量 当0 多时 。毡“等+ 圭南等，( 4 1 3 2 ， g m m i2 5 m 脚m 8 奇+ j f 南! 群1 ) 当卢庐s2 时 i 毡嗽ec 等+ 吉南笔泸m 1 3 3 ) c o sg 曲。= j 。甜。卜巳广+ = = 。- 二= = ；三型1 ( 4 2 s i n 芏 儿m d 一7 ， z p 液压无级变速器的输出脉动为零，即要求液压马达的流量脉动为零，其必要 条件为：v 加= 常数或g 。= 常数或者芝订m = o ，而马达的流量脉动又取决 于泵的流量脉动和球塞副的相对运动规律，即转子沿定子的转动规律。 根据功率计算公式可得： p 幽n q 9 = p 。珥“翔u p p d qh m = ， n 碍m ( 4 1 3 4 ) r 4 1 3 5 ) 上式中，r 啼，7 坳液压无级变速器球塞泵的容积效率和机械效率 只，液压无级变速器的输入功率； 第4 8 页 等 【 p 旌 出 = 却 g ! 堡兰j 堡坐坐竺型竺l 第五章液压无级变速器系统和结构参数数 学建模及优化设计 5 1 引言 对于泵和马达为一体的液压无级变速器来说，可以看成一个液压系统。对 个系统来说，其效率是衡量其性能好坏的最重要指标之一，而参数匹配也是实现 高效率系统的一个重要方面。由前面的分析可得要求所设计的变速器，结构尽 量紧凑，体积小，在泵的偏心调节量一定的情况下，马达的输出转速尽量恒定以 及根据液压伺服控制要求的变量操作力变化尽量小等均可作为设计要求。另外， 对与