流体机械调节与控制技术5

1、主讲主讲 吴晓明吴晓明 24学时 机电控制工程（24学时） Dr. 吴晓明 3.7 液压变量马达变量调节 目前只有几种液压马达既能达到很低的转速，又能达到 1000r/min以上的高速。 液压马达可分为高速液压马达（50010000r/min）及低速 液压马达（0.51000r/min）。 液压马达输出的转矩，取决于马达的排和压差。低速大 扭矩液压马达（LSHT）在低速时产生较大的输出转矩。 液压马达的功输出，取决于马达的和压差。 液压马达的功直接地正比于转速，在需要高功输出的 场合，适宜选用高速马达。而采用变量马达，可以达到功 率匹配节能降耗的目的。 3.7.1 HD型液压控制 图3-89

2、HD液控变量职能原理图 1伺服阀 2，3单向阀 4调压弹簧 5反馈弹簧 6反馈杆 7变量缸 3.7.1 HD型液压控制 液压马达起始排量为最大排量 向液压马达的A、B工作油口的任一油口提供压力油时，压力 油都能通过单向阀2或3进入变量缸7的有杆腔，即变量缸小腔常通 高压。 当X口先导控制压力升高，先导控制压力油作用在先导压力控 制伺服阀1的阀芯上的力将克服调压弹簧4和反馈弹簧5的合力，推 动先导压力控制伺服阀阀芯向右移动，当先导控制压力升高至液 压马达变量起始压力时，阀1将处于中位。 3.7.1 HD型液压控制 如果先导控制压力继续升高，伺服阀芯将进一步右移， 伺服阀1处于左位机能，液压马达工

3、作压力油经伺服阀1进 入变量缸无杆腔。 由于变量活塞7两端面积不相等，当两端都受压力油作 用时，变量活塞7将向左运动，固定在变量活塞上的反馈杆 6将带动配流盘及缸体摆动，使缸体与主轴之间的夹角减小， 从而使液压马达排量减小。 同时，反馈杆6压缩反馈弹簧5，迫使伺服阀1的阀芯向 左移动直到伺服阀1回到中位，变量缸无杆腔的油道被封闭， 液压马达停止变量将处于一个与先导控制压力相对应的排 量位置。这属于位移力反馈，利用变量活塞的位移， 通过弹簧反馈使控制阀芯在力平衡条件下关闭阀口，从而 使变量活塞定位。 3.7.1 HD型液压控制 当X口的控制压力降低，伺服阀芯上的力平衡被打破， 弹簧力大于液压力，

4、伺服阀1将由中位机能变为右位机能， 变量缸无杆腔变为低压，在有杆腔压力油的作用下，变量活 塞将向右运动，固定在变量活塞上的反馈杆6将带动配流盘 及缸体摆动，使缸体与主轴之间的夹角增大，从而使液压马 达排量增大。 同时，由于反馈杆6随变量活塞向右移动，反馈弹簧5压 缩量将减少，反馈弹簧作用在伺服阀1阀芯上的力将减小， 伺服阀芯向右移动直到伺服阀1处于中位（在图3-89中未画 出），变量缸7大腔的油道被封闭，液压马达停止变量。 综上所述，当先导控制压力在变量起始压力和变量终止 压力之间变化时，液压马达排量将在最大和最小之间相应变 化。 3.7.1 HD型液压控制 图3-90 HD控制特性曲线 3.

5、7.2 HD1D型液压控制+压力切断控制 图3-91 HD1D液压控制职能原理图 1伺服阀 2调压弹簧 3反馈弹簧 4反馈杆 5变量缸 6变量缸活塞 7压力切断阀 8，9单向阀 3.7.2 HD1D型液压控制+压力切断控制 HD1D型控制是在HD型控制基础上增加了一台压力切断阀7而 成的。 当液压马达工作压力低于切断压力设定值时，压力切断阀7处 于右位机能，此时压力切断阀7仅相当于是伺服阀1与变量缸6大腔 之间的一段油液通道，液压马达完全受先导压力的控制。 当液压马达工作压力升高，达到切断压力设定值时，压力切 断阀7将处于中位机能位置，此时，变量缸无杆腔油路被封闭，液 压马达将保持当前的排量。

6、 当液压马达工作压力继续升高，压力切断阀7将处于左位机能 位置，使变量缸无杆腔与低压油路接通，变量缸6活塞将在小腔压 力油的作用下向右移动，使液压马达排量增大。 3.7.2 HD1D型液压控制+压力切断控制 众所周知，如果由于负载转矩的缘故或由于液压马达摆角减小 而造成系统压力升高，在达到恒压控制的设定值时，液压马达摆向 较大的摆角。由于增大排量导致压力减小，控制器偏差消失。随着 排量的增加，液压马达产生较大的转矩，而压力保持常值，此值的 大小可通过改变压力控制阀7上弹簧的预压缩值确定。 液压马达的输出转矩是根据负载的需要而决定的，即对于一个 确定的负载来说，所需的马达扭矩也是确定的，而液压马

7、达输出转 矩是其排量与进出口压差的乘积，在液压马达工作压力高于切断压 力设定值的情况下，压力控制阀7一直处于左位机能，液压马达排 量持续增大，直到液压马达工作压力下降到与切断压力设定值相等， 压力控制阀7回到中位机能位置，液压马达停止变量。 总之，液压马达的压力切断控制功能就是根据外部负载的变化 自动改变液压马达排量，从而使液压马达的工作压力保持在设定范 围之内。 3.7.2 HD1D型液压控制+压力切断控制 先导压力控制与压力切断控制之间的关系是：先导压力控制和 压力切断控制不能同时对液压马达起控制作用，在液压马达工 作压力低于切断压力设定值时，液压马达将完全由先导压力来 控制；当液压马达工

8、作压力达到切断压力设定值后，液压马达 将由压力切断控制阀自动控制。 这种具有压力切断功能的先导压力控制变量柱塞液压马达，将 人工控制和自动控制有机地结合起来，克服了传统变量液压马 达单一控制方式的缺点，大大地提升了主机系统的操控性能和 安全性能，从而提高了工作效率。 3.7.2 HD1D型液压控制+压力切断控制 图3-91 HD1D液压控制职能原理图 1伺服阀 2调压弹簧 3反馈弹簧 4反馈杆 5变量缸 6变量缸活塞 7压力切断阀 8，9单向阀 3.7.3 HS型液压两点变量控制 图3-92 液压两点控制职能原理图和特性曲线 a) 控制职能原理图 b）先导压力与排量之间的关系曲线 3.7.3

9、HS型液压两点变量控制 这种控制方式与HD控制方式的区别在于前者没有反馈弹簧， 只按外控油的先导压力来两点式控制液压马达排量，变量控制 的原理以及先导压力与排量之间的关系曲线见图3-92。 这种变量方式，就是从X油口通入先导控制压力油，只要 先导油压力超过调压弹簧的设定压力，就会推动控制滑阀在左 位工作，从负载口来的压力油进入变量缸活塞的右腔，推动液 压马达斜盘倾角减小，由于无反馈弹簧的控制作用，变量活塞 将一直向左运动到排量限定位置，液压马达将处在最小排量工 作模式。而当先导压力油卸载，控制滑阀在弹簧的作用下回到 右位，变量缸活塞右腔回油箱，在高压油的作用下，液压马达 处在最大排量模式，实现

10、两点式控制。 3.7.4 HA型高压自动变量控制 a) b) 图 3-93 高压自动变量控制职能原理图 a) HA1型高压自动变量 b) HA2型高压自动变量 3.7.4 HA型高压自动变量控制 在与高压有关的自动控制中（见图3-93），排量的设定值随工作压 力的变化而自动改变。 此种变量方式，当A或B口的内部工作压力一旦达到控制阀调压弹簧 的设定压力值时，液压马达的排量由最小排量Vgmin向最大排量 Vgmax转变。 控制起点在最小排量Vgmin（最小转矩，最高转速），控制终点在 最大排量Vgmax(最大转矩，最低转速)。 有两种方式供选用，无压力增量HA1型和压力增量p为10MPa的 HA

11、2型。 3.7.4 HA型高压自动变量控制 a) b) 图3-94 HA高压自动变量特性曲线 a) HA1型工作压力和排量的关系 b) HA2型工作压力和排量的关系 3.7.5 ES型电动双速两点排量控制 图3-95 电动双速两点控制 3.7.5 ES型电动双速两点排量控制 液压马达排量处于Vgmin或Vgmax是由控制电磁铁通断来实现。 对于图3-95所示结构，电磁铁断电时，在压力油的作用下，变量 缸有杆腔通压力油，无杆腔接回油，此时液压马达的排量最大， 液压马达输出最大转矩和最低转速。 当电磁铁通电时，控制滑阀左位工作，变量缸无杆腔进油，由于 变量缸的作用面积不一样，在油压的作用下，变量活

12、塞向左移动， 马达排量最小，此时液压马达输出最小转矩和最高转速。 有两种标准结构， 控制起点在Vgmax（最大转矩、最低转速）和 控制起点在Vgmin（最小转矩、最高转速） 有两种控制方案供选用，ES1（控制电压DC12V）和ES2（控制电 压DC24V）。 3.7.6 EP型电液比例控制 图3-96 EP型电液比例变量控制职能原理图 3.7.6 EP型电液比例控制 图3-97 EP型电液比例变量控制特性曲线 3.7.6 EP型电液比例控制 其工作原理是向液压马达的A、B工作油口的任一口提供压力油 时，压力油都能通过单向阀进入变量缸的有杆腔，即变量缸有杆 腔常通高压。当比例电磁铁的电流增加时，

13、电磁力作用在比例阀 阀芯上，克服调压弹簧和反馈弹簧的合力，推动比例阀阀芯向右 移动，比例阀处于左位机能，液压马达工作压力油经比例阀进入 变量缸无杆腔。 由于变量活塞两端面积不相等，当两端都受压力油作用时，变量 活塞将向左运动，固定在变量活塞上的反馈杆将带动配流盘及缸 体摆动，使缸体与主轴之间的夹角减小，从而使马达排量减小。 同时，反馈杆将压缩反馈弹簧，反馈弹簧作用在比例阀阀芯上的 力增大，迫使阀芯向左移动，直到与电磁力平衡，比例阀回到中 位，变量缸无杆腔的油道被封闭，液压马达停止变量。 3.7.6 EP型电液比例控制 此时，液压马达将处于比例阀电流相对应的排量位置；当控制电流 降低，比例阀芯上

14、的力平衡被打破，弹簧力大于电磁力，比例阀将 由中位机能变为右位机能，变量缸无杆腔变为低压，在有杆腔压力 油的作用下，变量活塞将向右运动，固定在变量活塞上的反馈杆将 带动配流盘及缸体摆动，使缸体与主轴之间的夹角增大，从而使液 压马达排量增大。 同时，由于反馈杆随变量活塞向右移动，反馈弹簧压缩量减小，反 馈弹簧作用在比例阀阀芯上的力减小，比例阀芯向右移动直到比例 阀处于中位，变量缸大腔的油道被封闭，液压马达停止变量。 综上所述，当控制电流在变量起始压力和变量终止压力之间变化时， 液压马达排量将在最大和最小之间相应变化。控制电流和输出排量 的特性曲线见图3-97。 电控方式EPD液压比例控制 图3-

15、98 EPD控制方式职能原理图 电控方式EPD液压比例控制 恒压控制覆盖EP液压比例控制功能，如果系统压力由于负载转矩 （例如负载瞬变）的缘故或由于液压马达摆角减小而升高，当压 力达到了压力控制阀3的恒压设定值时，图3-98中压力控制阀3上 位工作，压力油推动变量活塞6使液压马达开始摆动到一个较大 的排量角度。 排量增加导致系统压力的减小，从而引起控制器偏差增加。当压 力保持常数值时，随着排量的增加马达的转矩也在增大。 压力控制阀的设定范围：当排量在28200mL/r 时为840MPa； 当排量在2501000 mL/r时为8035MPa。 3.7.7 DA型转速液压控制 1行驶方向阀 2伺服

16、滑阀 图3-99 DA转速液控变量职能原理图及输出特性曲线 a) 控制职能原理图 b）转速与排量之间的关系曲线 3.7.7 DA型转速液压控制 具有速度依赖于液压控制的变量液压马达，其与A4VG带有DA 控制的变量泵一起用于静液传动。来自于A4VG变量泵的驱动 速度的先导压力与工作压力一起，调节液压马达的排量。 若按先导压力，变量起点是在最大排量Vgmax处（到Vgmin）； 若按工作压力，变量起点是在最小排量Vgmin处（到Vgmax）。 由A4VG变量泵的输出的转速和工作压力确定的液控先导压力 （提高原动机的转速=提高泵的转速=提高先导压力）可控制液 压马达的变量摆角。加载油口X1和X2上

17、的液控先导压力依靠 行驶方向而定。 泵的输入转速增高时，引起液控先导压力升高，同时也使工作 压力升高。将A4VG变量泵确定的先导压力引到X1或X2油口， 如图-99所示。 3.7.7 DA型转速液压控制 例如，X2接通，行驶方向阀1左位工作，先导液压油通过行驶方 向阀1作用在图3-99中下面的伺服滑阀2阀芯左腔，克服弹簧力伺 服滑阀2左位工作，压力油推动变量活塞使马达向减小排量方向 转变（转矩减小，转速增加）。假如工作压力升高到超过变量 机构压力控制设定的压力值，则液压马达向增大排量方向转变 （转矩增大，转速降低）。先导压力pst与高压pH的比保持定值的 比为3/100。先导压力变化0.3MP

18、a（升或降）相应使工作压力升、 降10MPa。 设计带DA变量的驱动装置时，必须考虑A4VDA变量泵的技术数 据。 3.7.7 DA型转速液压控制 DA控制主要实现以下功能： 自动无级变速的车辆控制、怠速无排量、发动机升速（车提 速）和爬坡自动降速； 自动功率匹配（高负载时自动降速）和合理的功率分配（行 走与工作机构）； 极限载荷调节（最大载荷限制）； 人工功率分配；其他如最佳油耗等。 3.7.8 MO型转矩变量控制 图3-100 MO转矩变量控制职能原理图 3.7.8 MO型转矩变量控制 转矩变量控制主要用来驱动绞车，产生恒定的牵引力，控制起 点在Vgmin（最小转矩，最高转速）。 这种变量控制方式通过改变液压马达的排量而得到恒定的转矩。 如图3-100所示，工作原理是，若工作压力比较低，那么滑阀左 腔的控制压力也比较低，在控制滑阀弹簧的作用下，使得变量 缸无杆腔接通油箱，此时变量活塞有杆腔在工作压力的作用下 使液压马达排量增大，压力减小，可以保持转矩不变。 3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制） 当工作压力增加时，压力油会克服弹簧力推动阀芯向右移动，使来 自于A或B的压力油进入变量缸的无杆腔，推动变量机构向减小排量 的方向变化，与变量活塞杆连接的反馈杆压缩反馈弹簧形成力反馈， 同时，阀芯位移增加使滑阀左腔通过滑阀阀口与回油相通，控制