雙模式液壓機械傳動的工作特性探討

徐雪林

（重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶401331）

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雙模式液壓機械傳動的工作特性探討

徐雪林

（重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶401331）

摘要：液壓機械傳動的理想狀態和運行是無級變速傳動，具有傳動速度快、傳動平穩、傳動效率高等。目前，只有新型的雙模式液壓機械傳動具備了這種理想的液壓機械傳動。本文重點探討雙模式液壓機械傳動工作特性。雙模式液壓機械傳動是一種復合分流式液壓機械傳動。它結合當前國內已有的車型，建立了一套完整的、有規模的穩態運動學發展模型，并融合了兩種液壓機械傳動形式優點，具備良好的起步特性，有著廣泛的應用和良好的發展前景。

關鍵詞：液壓機械傳動雙模式工作原理

現有的液壓機械傳動都是一段式液壓機械傳動。然而，按照目前的機械類傳動工作要求，目前所使用的一段式液壓機的傳遞功率能力不能滿足大功率車輛的傳動要求。隨著汽車行業的高速發展，當前的一段式液壓機械傳動已無法適應汽車的發展，急需研發新一代機械傳動系統。

1 雙模式液壓機械傳動的定義

液壓傳動是一種用液體作為工作介質來傳遞能量和進行控制的傳動方式。液壓傳動是流利傳動方式的一種，是根據17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發展起來的一門新興機械傳動技術，也是目前世界上流行的工程機械傳動技術。如今，流體傳動技術水平的高低已成為一個國家工業發展水平的重要標志。

而雙模式液壓機械傳動是液壓傳動的升級版和改造版。它是無級傳動，也叫分流傳動。分流傳動是相對于單功率的機械傳動而言的。雙模式液壓機械傳動根據輸出的轉速方式不同，將復合無級傳動分為兩種，即等比式復合無級傳動和等壓式復合無級傳動。兩者在合流處都含有正向匯流行星排和反向匯流行星排。這兩個匯流行星排組成雙向匯流行星排，而雙向匯流行星排具有四個輸入和輸出端口。在雙模式液壓傳動系統工作時，調整正向的匯流行星排進行操作，系統的無級變速單元輸出端將轉速增快，進而帶動系統的輸出端轉速加快；同理，當反向的匯流行星排操作時，系統的輸出端轉速隨著無級變速單元輸出端的轉速的減慢而減慢。這兩項操作分別被稱為正向位工況和反向位工況。這兩種工況在換段機構傳動比一定時，都稱為“段”。

2 雙模式液壓機械傳動的基本原理及其優點

2.1 基本原理

液壓傳動的基本原理是液壓系統利用液壓泵將原動機的機械能轉換為液體的壓力能，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執行元件（液壓缸或馬達）把液體壓力能轉換為機械能，從而驅動工作機構，實現直線往復運動和回轉運動。液體一般是礦物油或者其他的潤滑油。而液壓機械傳動的原理是制動器和離合器分離。雙模式液壓機械傳動的系統是分速匯矩式的液壓機械傳動模式。第一個行星排存在速度差值，并利用這一差值實現功率分流；而第二個行星排只提供固定的傳動比作用。當發動機開始工作時，其傳出來的功率在上述的第一個行星排處發生分流。因為第一個行星排處有一個行星輪，分流正是發生在行星輪處，從而將發動機發出的功率分成機械功率和液壓功率。機械功率通過機械路徑向下一級傳遞，液壓功率通過液壓路徑向下一級傳遞。液壓功率和機械功率在匯流軸處又重新相遇，形成共同的驅車車輛。當車速超出規定的最大車速時，就應該松開制動器，結合離合器，這就是第一個模式，叫做簡單分流模式。

第二個模式就是復合分流模式。這個模式實質上是指各段的輸出端轉速的變化范圍不斷擴大，具體體現在動力源的輸入功率經過各種分流后變成了齒輪傳動以及無級變速單元，齒輪傳動以及無級變速單元又會匯合在一起，齒輪傳動和無級變速會匯合成為雙向匯流行星排組。這個行星牌組又會經過換段機構，它會依次不跳段的由段位高到低或者是段位低到高的循環往復變化，且還交替選擇正向匯流行星排的輸出端以及反向匯流行星排的輸出端。通過這樣的傳動方式來調節轉速，使得匯流輸出端轉速能夠自由控制和快速調整。

2.2 雙模式液壓機械傳動的優點

（1）體積較小而且重量十分輕。通過對比，同功率液壓馬達的重量只有電動機的十分之一或者五分之一。由于密度較小，導致慣性力較小。現實生活中，當司機突然過載或停車時，不會發生大的沖擊。

（2）能夠在一定范圍內快速調節啟動速度，并可實現無級調速，且調速范圍最大可達1：2000。相比之下，普通的機械傳動為1:100，高出20余倍。

（3）換向容易。在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換。

（4）由于這種傳動機在液壓泵和馬達之間采用的是油管連接，減少了發動機的占有空間，提高了利用率。

（5）由于這種傳動機的工作介質是礦物油或者潤滑油，傳動件的元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，增長了傳動機的使用壽命，降低了消耗成本。

（6）在自動操縱和控制上十分簡便，自動化程度高。

（7）當發動機出現過載時，會有自動保護系統使其停止過載。

（8）雙模式液壓機械傳動在液壓元件上實現了標準化、系列化、通用化。也就是說，這類傳動機能夠適應各種車輛傳動和工程類傳動，使用范圍極其廣泛。

3 雙模式液壓機械傳動的速比特性

（1）換段條件。雙模式液壓機械傳動在汽車應用方面。車輛由靜止開始起步時，發動機開始啟動，液壓元件在第一行星排的量是零，行星排的作用轉矩同樣為零。以此類推，發動機的輸出功率、輸出軸負載均為零，這就剛好印證了離合器的應用。在發動機處于一個相對低的轉動速度時，液壓元件的第一行星排從零開始往上增長，進而促成另一液壓元件達到并保持其最大的排量。第一個元件為了能夠讓車輛可以繼續順利產生加速度，也到達了最大排量，但此時第二個液壓的元就不能保持其最大排量，必須將其排量縮小，達到一個速度差即速比，以實現速比的增加。換段模式是由具體的工況確定。要想實現穩定換段，也就是汽車駕駛中的換擋，則必須要求主動件和被動件的相對轉速為零，即主動件和被動件轉速一致。用數學數據表示就是：相對轉速n1=n2=0，同步換斷點系統速比i=1+k1。要想雙模式液壓機械傳動發揮應有作用，應滿足|n1|≤nmax≤n2max。

（2）簡單分流模式。簡單分流模式就是當發動機開始工作時，其傳出來的功率在上述的第一個行星排處就發生分流。因為第一個行星排處有一個行星輪，分流正是發生在行星輪處，于是將發動機發出的功率分成了機械功率和液壓功率。機械功率通過機械路徑向下一級傳遞，液壓功率通過液壓路徑向下一級傳遞，液壓功率和機械功率在匯流軸又重新相遇，形成共同的驅車車輛。

制動器結合后，行星架的轉速用數學表達式為nc2=0。雙模式液壓機械傳動系統分速匯矩液壓機械傳動模式工作，變速箱比為i=n/ne，第二個液壓元件的轉速方程用數學表達式為

第一個行星排的轉速方程用數學表達式為

同理，第二個行星排的轉速方程用數學表達式為

最終結果，簡單分流模式的液壓路速比為

以上各式中，k1、k2分別代表第一行星排和第二行星排的結構參數。

（3）混合分流模式。混合分流模式就是當車速超出規定的最大車速時，就應該松開制動器，結合離合器。段的輸出端轉速的變化范圍不斷擴大，具體體現在動力源的輸入功率經過各種分流后變成了齒輪傳動以及無級變速單元，齒輪傳動以及無級變速單元又會匯合在一起。齒輪傳動和無級變速會匯合成為雙向匯流行星排組，這個行星牌組又會經過換段機構。它會依次不跳段的由段位高到低或者是段位低到高的循環往復變化，并且還交替選擇正向匯流行星排的輸出端以及反向匯流行星排的輸出端。通過這樣的傳動方式調節轉速，使得匯流輸出端轉速能夠自由控制和快速調整。

當目標車速滿足v≥itrfitrfmaxne時，方可松開制動器，第二個液壓元件轉速方程用數學表達式為n2=1/i2（-k2）ne。從數據分析，混合分流模式系統有兩個純機械點，使得液壓機械變速箱具有較高的傳動效率。第二個傳動元件的轉動速度在第一個傳動元件純機械點處達到最大值，然后慢慢下降，從而保障元件不能超過發動機本身的速度，使混合分流模式的機械傳動充分利用了液壓元件的最大工作能力。需要注意的是，在進行人為參數匹配時，應該讓第一個液壓元件的轉動速度達到最大值。

4 雙模式液壓機械傳動的功率特性

雙模式液壓機械傳動的功率特性有兩個：一個是功率流特性，一個是功率比特性。由以上分析可以看出，雙模式液壓機械傳動工作的第一種模式——簡單分流模式的流裝呈現出分流的狀態，而模式二復合分流模式有兩種不同的狀態，即液壓流和機械流在液壓路和機械路的不斷功率循環。簡單分流模式是雙模式液壓機械傳動系統的內部循環，復合分流模式則不是雙模式液壓機械傳動系統的循環。這兩種模式的合流，即功率合并，帶動傳動效應，驅動車輛前進。根據簡單分流模式的功率比特性分析可以得出結論，簡單分流模式的液壓功率比隨著速比的不斷變化而呈現一定的線性關系，優點就是起步液壓功率可以達到驚人的100%。而復合分流模式呈現的則是非線性相關，可以得出結論，復合分流模式在車輛運行過程中，通常工況下功率比的值都比較小。由這兩個傳動系統的功率特性分析可以看出，雙模式液壓機械傳動具有極好的優越性，尤其體現在雙模式液壓機械傳動的效率上。它不僅具有高質量的傳動功能，同時還有高效率的傳動特性。

5 雙模式液壓機械傳動動態工作特性

（1）段內調速過程。雙模式機械傳動都是液壓流傳動機構。它的排量控制著電流信號的相應特性在液壓機械無級傳動速比下的相應調節。在這種調節機構模型中，因為電液壓力控制本身的結構特點，排量控制機構本身存在遲鈍和傳動盲區，而關鍵原因就是節流孔。節流孔的直徑減小，排量相應減少，導致控制機構反應時間增多。一旦超出規定范圍，將會導致駕駛過程中的反應緩慢、傳動不靈敏等，后果不堪設想。所以，控制器在段內調控中要考慮充分，避免產生遲鈍和傳動盲區。最有效的辦法就是采用階躍控制電流信號的方法，適當提前排量控制電流，適當增大節流孔。

（2）換段過程。換段過程中，液壓泵與馬達是通過油管連接的，也就是說功率是通過油路進行傳遞的。因此，要想傳遞功率效率高，就必須得保障油路暢通無阻。低壓定壓閥和油泵是為系統補充油的縮影。首先，要對這著兩個元件進行更新和維護，保證油的來源。高壓溢流閥是為了防止過載而進行保護，防止液壓過高。在實際的防護過程中，還要遵循實際分流原則，有條理地疏通油路和降低阻礙，以發揮功率高效傳遞的最大作用。

6 結語

雙模式液壓機械傳動是比較理想的無級變速傳動。它不僅能夠實現可控的無級調速，還能夠改善發動機功率的利用率，集合了機械傳動以及液壓傳動的諸多優點，是當前工程機械和軍用履帶車輛無級變速器傳動的最為合適的選擇。未來，這項技術的發展將無可估量。所以，我們不僅要充分了解雙模式液壓機械傳動的特性，還要深層次進行探究，以期將其功能發揮到極限。

參考文獻

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Discussion on Working Characteristics of Dual Mode Hydraulic Mechanical Transmission

XU Xuelin
（School of mechanical and power engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331）

Abstract:The ideal state and operation of the hydraulic mechanical drive is continuously variable speed transmission, which has high transmission speed, stable transmission, high transmission efficiency and so on. At present, only a new type of dual mode hydraulic mechanical drive with this ideal of hydraulic machinery. This paper focuses on the characteristics of the dual mode hydraulic mechanical transmission. The dual mode hydraulic mechanical transmission is a kind of compound shunt type hydraulic mechanical transmission. It combines the existing current models, established a set of complete, scale steady state kinematic model of development, and integration of the two types of hydraulic mechanical transmission advantages, have good starting characteristics, has a wide range of applications and good prospects for development.

Key words:hydraulic mechanical transmission, dual mode, working principle