关于输入式液压机械无级变速器的基本研究

1 关于输入式液压机械无级变速器的基本研究 摘要 在本篇论文里，主要是比较输入式液压机械无级变速器和输出式液压机械无级变器的差别。由于单级液压机械无级变速器在车辆中的应用，对输入式液压机械无级变速器的研究较多。显而易见，输入式液压机械无级变速器的动作和控制方案被研究并应用与 100kw级别的交通车辆上。 关键词 ： 行星齿轮机构，输入分流，参考速比。 1 概述 被叫做 HST的传统液压变速器没有齿轮，它把发动机的能量转变成液压能来驱动机器。 HST被广泛的应用与机械中，因为它有好的变速性。 但是，传统液压变速器 HST 有以下缺 点：低的传递效率，窄的速度段和小的速比变化。 HMT(液压机械无级变速器 )是 HST和行星齿轮的组合体，行星齿轮通过分引擎的功率 ,很好的解决了这个问题。 2 HMT 通过行星齿轮机构，根据 HST 的特性，可以很容易得到两个速度段，并且传递效率高。另外， HMT的齿轮传动比范围比 HST大。 但是，仅设计 HMT的参数时不够的。因为实际的实验结果非常难于得到，以至于研究的目的是首先讲述传递的实际情况和运动控制方案。 2.液压机械无级变速器 HMT有两部分组成，一 个是传递发动机动力的行星齿轮机构，另一部分是转变引擎动力为液压能的 HST。 HMT的基本单位是单级的行星齿轮结构。 功率分流有两种方式，分别是：输入分流式液压机械无级变速器和输出分流液压机械无级变速器。输入分流式液压机械无级变速器是液压功率和被控速比的输出轴的组合体。输出分流式液压机械无级变速器是液压泵和被控速比的输入轴的组合体。一般来说，它们是一样的机器，只是分流形式决定这根轴是输出还是输入。 2.1 行星齿轮机构 行星齿轮机构由行星轮，齿圈及两个或两个以上的行星架组成。一般选择两个输入就有一个输出，例如： 太阳轮，齿圈输入，那么行星架就输出。行星齿轮机构通过改变其一部分的速度，可以用来调速。 在 HMT中，输入或输出总有一个被限制。不同的齿轮被用来分流或组合输出或输入。 不同齿轮的转速，转矩关系如下： cn)1( = rn +3n（ 1） st= rt （ 2） st=ct1 1（ 3） =rsZZ （ 4） sn：齿圈转速 cn：行星架转速 st：太阳轮的转矩 rt ： 齿圈的转矩 ct ： 行星架的转矩 sZ ：太阳轮齿数 rZ ： 齿圈的齿数 3 一般的速比图表是一个平衡图。水平线 X轴是行星齿轮中心距的比值，垂线 Y轴是转速。每个齿轮的转速是线性的。利用这个图表，设计 HMT会变得直观和容易，无论是如何确定输入，输出及液压功率是驱动行星齿轮机构中的太阳轮，齿圈，还是行星架 ?这样，可以有六种功率传递方式。 通过组合的方法， HMT甚至有十二种驱动方式。 3. HMT 的基本特性 3.1HMT 的优点 HMT拥有行星系和 HST的 优点，所以 HMT在多方面都比 HST有优势，如下： 1） 可以变化的传动比； 2） 传动比变化范围较 HST宽； 3） 传递效率比 HST高； 4） 机构可以得到相应的速度范围。 首先，根据速比图表，考虑 HMT的连续变化的速比特征， HST和 HMT的传动是一样的。在图 2 中 b 线和 c 线有同样的输入转速。通过改变 HSM 输入转速的方法，输出转速也是变化的。在 c 线和 a 线里，连续改变输入转速，那么输出转速也是连续的。通过以上分析，发动机和 HST的转速变化，会引起输出转速的变化， HMT的变化也是这样的。 HMT的速度段范围比 HST大，那是因为，行星齿 轮能提供多的转速。 其次，从传递效率的角度考虑， HMT 在这方面比 HST 更具优势。 HST 将发动机的能量转 4 变为液压能，然后再转化为机械能。特别在马达压力低及发动机转速低时，能量消耗较大，效率低。但是在 HMT里，只有一部分机械能转变为液压能，因此其总的传动效率比 HST要高。 考虑机构传动方式的话，尽可能从 12种方法中选择。在 HMT中符合高效率的被称为参考速比。问题是如何选择速比，这个问题稍后再做讨论。 HMT通过简单操作在低的速度下具有 HST的优点：大转矩。 3.2 分流形式的特点 假如机构和液压传动效率为 100%，为了比较输入分流式 HMT 和输出分流式 HMT。假设每种形式的能量、转矩、转速是已知的。 输入分流 HMT可通过以下几个方面分析的： IP ：输入功率 NP：液压功率 iT：输入转矩 p：泵的转矩 p：发动机转矩 iN：输入速度 ON：输出速度 pN：泵的速度 mN：发动机转速 A： 泵齿轮的转速 B： 发动机轴转速 e： 速比 fe1：参考速比 输出转速与输入转速之比为 e，当，泵的转速为零时特殊速比被称为参考速比refe。 处于参考速比时，泵的转速为零时，能量只能通过机械传递，这时，效率最高。但这也是输入分流和输出分流 HMT效率下落点。 通过行星齿轮机构的特点有： 1refe（ 5） iNNe 0 referef -irNn（ 6） 5 irNn= （refe-e） （ 7） ir Tt 1 1（ 8） 所以液压功率hp为，由（ 5） （ 8） rrh ntp =iirefref NTeee （ 9） 这样每个输入对应一个输出： r e fiirriH eeNT ntpp 1（ 10） r e fiphiipeApNpNTT 11 （ 11） eeeeBpNpNBTTr e fr e fihiim0（ 12） 11r e fr e feripeeeAANnNN （ 13） BeBNNNNiim 0 （ 14） 输入分流式的 HMT也可以用上面的公式表示其特点，当然输出分流式的 HMT也可以用这些公式表示。这些特征曲线可以在图 3中表示，图中，参考速比和以前的意义一样。 不同分流形式的 HMT 在图三中做了比较。许多重要的点是液压功率速比点，也就是分给HST的能量，输入 分流式 HMT液压功率分流比是线性的，但是，输出分流式 HMT液压功率分流比是双曲线。当 HST的泵或马达速度是零时，两种形式的 HMT的液压功率分流比变成为相对速比，直线相交。能量比值发生变化。 6 3.3.输入分流式 HMT 的功率流 在图 4中展示了不同速比条件下，输入分流式 HMT的功率流。 首先，当速比是正的，也就是说速比比值比 3 小，发动机转速，转矩都在正得范围内，在这个范围里，发动机功率被分为液压功率和机械功率。 在液压功率为零时，或者是接近相对速比 时， HST 转速和转矩值为零。所有的能量通过机械传递，在这一点上， HMT的效率最高。 当液压功率分流比是负的，也就是说速比比值 3 大，发动机输出转矩为负，发动机被输出轴驱动，这种内在的功率流被叫作功率循环。功率循环是有害的，因为引擎的能量在内部被消耗了。 能量的传递效率较高是在液压功率是正的或者泵的转速接近相对速比的时刻 。 4.输入分流式 HMT 的设计 迄今，许多形式的 HMT被设计了出来。但是，对于高速行驶的车辆来说，多级输出式 HMT是个好的选择，因为它的效率较高。通过选择多级段的速度点，最典型输出式 HMT的运用 是用在重型汽车或大功率拖拉机。 输入分流式 HMT也被交通车辆采用，一般来说，这种形式的 HMT在高速段易产生功率循环，因此适合于低速机械。 假如首要的设计目的时为了获得较高效率的话，那么多段输入式 HMT是个不错的选择。虽然它的构造比较复杂。 假如设计的目的是为了经济实惠，单极输入式 HMT就能满足要求了。虽然这个变速箱比多段输入式 HMT的效率低，但是和 HST驱动来说，在应用中其总的效率还时比较高的。 因此，对于自重为 2吨，功率为 100kw，最大车速 达 100 hkm 的车辆来说，单级 HMT很少 7 采用。 4.1HMT 型式的选择 为了在 100hkm获得较高的效率，速度段点的选择在设计中要不断的调整。从这一点出发，我们选择了结构复杂的 HMT，以至于速度段存在相对速比点。输入轴和输出轴分别连接行星架和太阳轮， HST的泵则连接在齿圈上。 4.2 设计 在考虑机器规格的情况下，参考速比点选 3。设计的首要任务是如何给出自由度和限制的自由度。在实际行星齿轮机构时，至少一部分被固定和给定