液壓傳動車輛最佳狀態的變量控制方式

近15年來，液壓機廣泛應用于工程應用，液壓機性能的研究也非常顯著。然而這些研究多是圍繞液壓傳動系統如何實現車輛最佳狀態工作展開,屬于車輛低速行走范疇,對于液壓傳動車輛高速行走的研究成果,國內尚無文獻刊出。從理論上分析,在不考慮液壓回路效率的情況下,只要液壓泵與液壓馬達的排量比足夠大,就能使車輛達到所需的最高行駛速度要求。故車輛的加速過程應作為液壓驅動車輛研究的重點。以由電動比例控制液壓泵和HA2高壓自動變量液壓馬達所組成的液壓傳動裝置為研究對象,通過合理制定液壓泵與液壓馬達的排量變量模式,使車輛獲得0~100km/h的最佳加速性能。1基于液壓器的設備原理的介紹1.1比例電磁閥a與b、c比例插裝式變量泵根據使用工況不同,現代斜盤式柱塞變量泵具有多種控制方式可供選擇。電動比例控制泵通過可編程控制器進行控制,易于實現液壓泵的各種排量變化模式。下面以Rexroth公司的A4VG系列斜軸式變量泵為例,介紹其結構原理,如圖1(a)所示。控制壓力油經比例電磁閥進入變量油缸,對液壓泵進行變量。比例電磁鐵a和b控制電流與液壓泵排量的關系如圖1(b)所示。控制電流由I0變化至I1時泵排量由0變化至最大值,對應任一電流值都有一確定的排量值與之對應。排量方程為:Vg=VgmaxI1?I0(I?I0)(1)Vg=VgmaxΙ1-Ι0(Ι-Ι0)(1)1.2高壓自動變量的控制特性高壓自動變量是一種適用于牽引車輛使用性能要求的變量控制方式,簡便可靠,使用方便。它根據負荷壓力的變化來調節馬達排量:負荷扭矩增大使系統壓力升高時,自動增大馬達排量使壓力重新降低到比原來略高的水平;負荷扭矩減小使系統壓力降低時,自動減小馬達排量使壓力重新升高到比原來略低的水平;其結果是,盡管外界負荷扭矩有很大變化,但系統的工作壓力只有少量變化,從而使液壓泵和發動機始終在各自額定的工況附近工作,液壓馬達在額定壓力附近工作。下面,以Rexroth公司的A6VM系列斜軸式變量馬達的高壓自動變量(HA2)為例,介紹其結構原理與變量控制特性,如圖2所示。圖2(a)為帶有電控行駛方向閥的R1型結構原理圖,電控行駛方向閥常位,HA控制壓力取自液壓馬達的A口,電磁鐵a得電,則HA控制壓力取自液壓馬達的B口,保證了即使更換高壓側(例如,車輛下坡時),也不會使液壓馬達翻轉至最大排量而導致行車事故。圖2(b)為HA2變量控制特性,在0~10MPa的壓力增量范圍內,液壓馬達的排量能隨壓力增量ΔP由零排量線性增至最大排量,其變量控制起點壓力P0可在8~35MPa變化范圍內,根據設計需要任意設定。2第一階段加速與液壓馬達的工況特性采用固定油門發動機,當手油門開啟,發動機將維持額定轉速不變,故其輸出的可利用功率恒定不變。使車輛有最佳加速性能,關鍵在于使液壓傳動系統能恒功率工作,為此,制定了以下車輛加速策略。第一階段加速:發動機啟動,帶動零排量液壓泵工作在額定轉速2100r/min。此時逐漸增大液壓泵的排量,一旦系統中有油液輸入,系統將建立起壓力,且由于外負載作用將瞬間達到系統的設定最高壓力40MPa,故液壓馬達依照HA2的變量控制特性將工作在最大排量,液壓馬達輸出最大的驅動扭矩。所以,第一階段就是設定液壓泵的排量按一線性模式增加,直到液壓泵的所需輸入扭矩與發動機額定工況的輸出扭矩平衡,第一階段加速完成。此階段液壓系統始終維持40MPa的最高壓力,液壓馬達的驅動扭矩維持最大值,車輛加速度最大。第一階段加速結束后,發動機的輸出功率利用率已達到最大,故車輛如要進一步加速,只能通過調節液壓傳動系統中液壓泵與液壓馬達的排量來達到改變變矩比的目的。在電動比例控制液壓泵與HA2高壓自動變量液壓馬達所組成的液壓傳動系統中,液壓馬達的排量隨系統壓力變化而自動調節,然而,在發動機恒功率輸出的情況下,系統工作壓力將隨液壓泵的排量變化而變化,故液壓馬達的排量是隨液壓泵的排量變化而變化的。那么,車輛加速的重點就是設定合理的液壓泵排量變化模式,使發動機輸出功率利用率維持在最大值,全部用于車輛加速。第二階段加速:液壓馬達選用HA2自動變量馬達,其工作壓力增量為10MPa,設定HA2自動變量起點壓力為P0MPa,則其變量終點壓力將為P0+10MPa,由HA2變量特性曲線,在系統壓力高于P0+10MPa時將維持液壓馬達的全排量。第一階段加速結束時,由于發動機功率的限定,液壓泵的排量已達到維持系統最高壓力40MPa的最大排量。發動機維持恒功率,車輛若要繼續提速,液壓泵的排量需進一步增加,則液壓系統工作壓力將會降低。故第二階段的加速就是液壓泵排量增加,直至系統工作壓力降到液壓馬達變量終點壓力P0+10MPa,此階段加速過程結束。在此過程中液壓馬達始終為全排量,盡管系統工作壓力降低,但還能保持較高的加速度。第三階段加速:上階段的加速結束后,系統工作壓力已降到了HA2高壓自動變量馬達的臨界壓力。發動機維持恒功率,則繼續增加液壓泵的排量來提高車輛行駛速度,系統工作壓力將進一步降低,液壓馬達開始進入自動變量階段。此時,液壓馬達的排量將由全排量沿HA2變量特性曲線減小,直至滿足車輛最高行駛速度100km/h的要求。此階段液壓馬達輸出的扭矩及車輛加速度將急劇減小。3計算壓力和效率以某工程車輛為原型,在已完成液壓傳動系統設計的基礎上,模擬其0~100km/h的加速性能。參數為:車輛自重46t;發動機選用道依茨公司的BF10L513柴油機,額定功率294kW,額定轉速2100r/min;液壓泵為Rexroth公司的A4VG125EP+A4VG180EP變量泵,額定壓力40MPa,最大排量305mL/r;液壓馬達為3臺Rexroth公司的A6VM160HA2變量馬達,額定壓力40MPa,最大排量160mL/r;輪邊設一級減速器,其減速比為5.944。設定液壓泵的排量增至最大時,車輛的行駛速度正好達到100km/h,則由此計算出液壓馬達的變量起點壓力P0為26MPa。依據上面