液壓與機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)特性研究

向 瀚 張 偉 梅永剛

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

1 概述

液壓傳動(dòng)以及機(jī)械傳動(dòng)都具有其各自的傳動(dòng)特性和優(yōu)點(diǎn)，但是如果就其某種傳動(dòng)方式獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)也存在一定的局限性，如混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌罐的驅(qū)動(dòng)，如果只采用液壓傳動(dòng)，其傳動(dòng)比是不能滿足攪拌車工作的要求，因此就需要在液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)上再與減速機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比穩(wěn)定傳動(dòng)。再如采用機(jī)械變速箱的運(yùn)輸車底盤，作為工程施工車的底盤就不能滿足工程施工低速的行駛要求，從而需要與液壓傳動(dòng)匹配以實(shí)現(xiàn)低速行駛完成作業(yè)的需要。因此本文在分析液壓、機(jī)械傳動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，介紹液壓與機(jī)械融合的傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合式傳動(dòng)，不但可以獲得高的傳動(dòng)效率，而且還可以滿足各種施工工況。

2 機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)

機(jī)械傳動(dòng)是傳統(tǒng)的傳動(dòng)形式，即使液力和液壓傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，但是機(jī)械傳動(dòng)以它的傳動(dòng)效率高、工作可靠等優(yōu)勢(shì)仍然作為主要的傳動(dòng)方式被廣泛采用。機(jī)械變速器就是傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式用于汽車和各種機(jī)械的變速傳動(dòng)裝置，一般來(lái)說(shuō)，汽車使用的機(jī)械式變速器分為五-六檔變速，一共擁有五種不同的齒輪傳動(dòng)比，是典型的有級(jí)變速器。

機(jī)械變速器的變速原理就是利用不同型號(hào)的齒輪嚙合來(lái)產(chǎn)生不同的傳動(dòng)比，達(dá)到相對(duì)應(yīng)的變速目的,再利用相應(yīng)的傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞到需要的工作部位。隨著機(jī)械變速器的發(fā)展和車輛不同功能的要求，也出現(xiàn)了能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的機(jī)械式變速器，同時(shí)，也有將機(jī)械式變速器與電控技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)控制式變速器。總的來(lái)說(shuō)，機(jī)械式變速器所具有的調(diào)速特性優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在具有較高的傳動(dòng)效率和高的工作可靠性，尤其在高速行駛的車輛上運(yùn)用十分廣泛。

3 液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)分析

液壓傳動(dòng)是帕斯卡原理在傳動(dòng)方式上的經(jīng)典運(yùn)用，并且由于它自身的傳動(dòng)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛采用，而且在很多場(chǎng)所有著機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。下面主要以液壓無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

液壓傳動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速的類型主要有：（1）變量泵-變量馬達(dá)；（2）變量泵-定量泵；（3）定量泵-變量馬達(dá)；（4）定量泵-調(diào)速閥等。

液壓無(wú)級(jí)調(diào)速的基本工作原理就是：通過(guò)改變液壓泵與液壓馬達(dá)的排量比，達(dá)到在一定范圍傳動(dòng)比內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。

工程作業(yè)類機(jī)械采用機(jī)械傳動(dòng)的主要不足之處就在于：（1）機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)控；（2）由于工程機(jī)械在工作時(shí)工況經(jīng)常發(fā)生改變，靜態(tài)特性下確定的匹配參數(shù)就不能使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)；（3）由機(jī)械傳動(dòng)所傳遞的載荷，是通過(guò)傳動(dòng)系直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪輸出端，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配的經(jīng)濟(jì)性很難達(dá)到最佳匹配狀態(tài)；（4）由于這些循環(huán)作業(yè)工程機(jī)械的工作阻力在各工序中相差很大，所以當(dāng)其平均最大工作阻力配置在發(fā)動(dòng)機(jī)牽引檔最大生產(chǎn)率附近時(shí)，其他工況阻力則偏差很遠(yuǎn)，使操作員不得不頻繁的換擋以達(dá)到最佳工作狀況。

此時(shí)，如果在這類作業(yè)機(jī)械上采用一種利用DA先導(dǎo)控制變量泵的閉式變量泵-定量馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，其相比于機(jī)械傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）液壓回路可以將工程機(jī)械工作過(guò)程中遇到的急劇變化的負(fù)載，特別是對(duì)一些沖擊負(fù)載實(shí)現(xiàn)緩沖屏蔽，而不是直接將這些負(fù)載傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪輸出端，這樣就可以避免由于沖擊載荷導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；（2）由于對(duì)波動(dòng)負(fù)荷的屏蔽和緩沖作用，所以該系統(tǒng)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求降低，在載荷相同的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩適應(yīng)性可以降低，使其匹配點(diǎn)可以配置在非調(diào)速段上，而且在載荷增加時(shí)系統(tǒng)壓力升高，同時(shí)借助DA控制可以在實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低的同時(shí)增加扭矩輸出，泵排量降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速不高的情況下可以利用液壓系統(tǒng)的最大壓力，從而降低燃油消耗。

但是，液壓傳動(dòng)的效率相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)要低，即使在效率最高的時(shí)候也只能達(dá)到80%到85%，特別是在要求機(jī)械低速穩(wěn)定作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)效率更低而且容易出現(xiàn)機(jī)械“爬行”等不利狀況。

4 液壓機(jī)械復(fù)合調(diào)速特性分析

通過(guò)以上的論述，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)以及現(xiàn)代興起的液壓傳動(dòng)等都各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，所以，很多地方我們都是將它們結(jié)合起來(lái)以彌補(bǔ)它們單獨(dú)使用時(shí)不能滿足要求或者性能不佳的缺陷。

如圖1所示，混凝土運(yùn)輸車的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，在液壓馬達(dá)后串聯(lián)了一個(gè)行星減速器構(gòu)成液壓-機(jī)械復(fù)合式傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，這種形式的液壓-機(jī)械復(fù)合式傳動(dòng)系統(tǒng)為大部分的混凝土攪拌運(yùn)輸車的拌筒驅(qū)動(dòng)裝置所采用。

圖1 混凝土攪拌運(yùn)輸車工作裝置傳動(dòng)系統(tǒng)

我們首先來(lái)分析混凝土攪拌運(yùn)輸車在攪拌過(guò)程中攪拌筒在不同攪拌工況下所承受的外載荷，其工作過(guò)程中所受扭矩變化大致情形如圖2所示：

圖2 攪拌筒工況載荷曲線圖

對(duì)于混凝土攪拌車攪拌筒而言，其驅(qū)動(dòng)負(fù)載主要為扭矩，在圖中我們可以看出：當(dāng)攪拌筒內(nèi)被加入攪拌料時(shí)，攪拌筒的驅(qū)動(dòng)力矩在隨著料的不斷增多而增大，只是在料即將加滿的時(shí)候才有所下降；而在運(yùn)輸攪拌料的過(guò)程中，攪拌筒的驅(qū)動(dòng)力矩是保持平穩(wěn)的狀態(tài)的；在運(yùn)輸車到達(dá)目的地后，攪拌車需要停車卸料，此時(shí)，攪拌筒反轉(zhuǎn)，進(jìn)入卸料工況，它的驅(qū)動(dòng)力矩在瞬間會(huì)出現(xiàn)上升，然后快速回落，在混凝土料被卸下的過(guò)程中，由于料質(zhì)量逐漸減少，所以攪拌筒的驅(qū)動(dòng)力矩也隨之逐漸下降；在將料卸下之后，運(yùn)輸車空筒返回，其攪拌力矩穩(wěn)定的保持在較低狀態(tài)。

由上述分析可知，攪拌筒在工作過(guò)程中既會(huì)出現(xiàn)逐漸上升的載荷，也會(huì)出現(xiàn)突然增大的沖擊載荷，并且還需要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。那么對(duì)應(yīng)的攪拌筒的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要需要實(shí)現(xiàn)的功能就是降低轉(zhuǎn)速增加輸出扭矩，同時(shí)要能夠減緩沖擊載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害。因此，以液壓系統(tǒng)作為其傳動(dòng)系統(tǒng)是很理想的，但是，通過(guò)計(jì)算得到的攪拌車在滿載的時(shí)候所需要攪拌力矩大，而且要穩(wěn)定的低速，因此僅僅使用液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳動(dòng)獲得穩(wěn)定的低速、大扭矩，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率很低。所以，此時(shí)在液壓馬達(dá)后接上一個(gè)能夠具有減速增扭的機(jī)械減速器就能夠使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)滿足攪拌筒穩(wěn)定的低速、大扭矩傳動(dòng)，并且獲得高的效率。

這類液壓系統(tǒng)與機(jī)械減速器相串聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合式傳動(dòng)系統(tǒng)既具備了液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了單一液壓系統(tǒng)部分功能不足的缺點(diǎn)。同時(shí)，與這類系統(tǒng)不同的還有通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)分流式傳動(dòng)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)。

而在目前實(shí)際運(yùn)用中的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器，一般都會(huì)設(shè)置多段檔位來(lái)滿足機(jī)械不同工況下的需求特性，如圖3所示，就是一種多段式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)圖。

圖3 多段液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器簡(jiǎn)圖

該調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)L1到L8這8組離合器的嚙合與斷開(kāi)從而具有前進(jìn)方向六段和倒車方向兩段的連續(xù)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足作業(yè)機(jī)械運(yùn)行時(shí)的不同工況。

如圖4所示，這是該系統(tǒng)在額定輸入時(shí)不同轉(zhuǎn)速比的條件下變速器前進(jìn)方向各工作段的效率值（粗實(shí)線），以及e值在正負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)的變速器效率值（細(xì)實(shí)線）和液壓系統(tǒng)的效率值（虛線）。

從圖4中我們可以看出，多段液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的平均效率比純液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)效率是要高的，只是稍低于純機(jī)械傳動(dòng)效率。因此，這種液壓機(jī)械式無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)在作業(yè)機(jī)械運(yùn)行時(shí)，首先采用的是純液壓傳動(dòng)使機(jī)械達(dá)到穩(wěn)定的微動(dòng)起步狀態(tài)（這種工況同時(shí)也適用于需要長(zhǎng)時(shí)間低速穩(wěn)定作業(yè)的大量工程機(jī)械，這是純機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)所不能滿足的）。在作業(yè)機(jī)械進(jìn)入穩(wěn)步工作狀態(tài)之后，我們可以通過(guò)檔位切換來(lái)使系統(tǒng)工作在液壓機(jī)械分流傳動(dòng)狀。如果作業(yè)環(huán)境良好，機(jī)械在工作中不會(huì)遇到較大的沖擊載荷，還可以采用純機(jī)械傳動(dòng)輸出以達(dá)到功率最大化。如果作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)機(jī)械部分功率可以通過(guò)液壓系統(tǒng)輸出，在保證了傳動(dòng)效率不會(huì)大幅降低的同時(shí)也保障了機(jī)械的運(yùn)行安全。

圖4 多段液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的效率

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)目前運(yùn)用的范圍十分廣泛，但是液壓機(jī)械復(fù)合式調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)將液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合，在既能實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的正反轉(zhuǎn)無(wú)級(jí)調(diào)速的同時(shí)也可以大大的提高系統(tǒng)傳動(dòng)效率。這無(wú)疑是以后大型作業(yè)機(jī)械和復(fù)雜作業(yè)工況作業(yè)機(jī)械傳動(dòng)方式一個(gè)重要發(fā)展方向，盡管我國(guó)在這方面的研究還不夠完善和全面，可是其巨大的發(fā)展空間已經(jīng)為我國(guó)在這方面的研究提供了動(dòng)力。

[1]王積偉，章宏甲，黃誼.液壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：2-3

[2]孫志永.液壓伺服無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京理工大學(xué).2007：6-7

[3]苑士華，魏超，張銀彩.液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器動(dòng)態(tài)特性的影響因素研究[N].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2008-2(2)

[4]王鐵軍.工程機(jī)械上液壓機(jī)械傳動(dòng)的應(yīng)用探究[J].液壓與氣動(dòng)，2012(6)：61-63

[5]徐立友.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器特性研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2007：3-4

[6]蔡應(yīng)強(qiáng)，趙鐵栓.水泥混凝土輸送車液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2005(4)：39-41