1.泵和馬達排量的確定
無論是閉式系統還是開式系統,無論是定量馬達還是變數馬達,馬達排量的選擇通常都是按照平衡工作時最大負載轉矩,或者是工況惡劣時的啟動轉矩要求設定的。無論是閉式系統還是開式系統,無論是定量泵還是變數泵,泵的最大排量都是根據發動機為額定轉速,馬達排量最小時最高行駛速度確定的。
2.為什麼採用變數馬達
閉式系統雖然儘可能使用尺寸小、成本低、效率高的定量馬達,但是由液壓系統的秉性決定,有些時候單憑輸入端(發動機+變數泵)調節所獲得輸出端轉速受效率、成本等因素影響是有一定限制的。因此有些裝置上我們需要考慮輸出端同時進行調節。一般系統輸出扭矩都是充足的,輸出端調節更多的是為了擴大高效區輸出轉速範圍。
3.輸出端調節方式有哪幾種及其特點
輸出端調節方式主要有改變馬達排量、後置機械變速箱改變傳動比,增減線上馬達數量等方式。下面分別闡述。
靜液壓驅動裝置主要匹配柴油機使用,柴油機可用變速比大約為2~4(比如轉速從800-3000),額定功率工作點附近變距能力僅為1.15~1.3。因此發動機的可用變距比是影響行走機械轉速覆蓋範圍的主要因素。
變數泵+定量馬達的方式,變數泵排量從大約在25%~100%變化,和發動機匹配後,總變速比為8~16左右,總變距比為4~6左右。此種方式比較適合行走速度較小(比如小於25km/h,25/16=1.56km/h=0.43m/s,基本上能實現低速行走)、牽引扭矩變化不是很大(比如牽引扭矩變化小於5~10倍左右)、行走功率較小的裝置中,比如硬地叉車、滑移轉向裝載機、振動壓路機等。
1)變數泵+變數馬達因變數馬達的排量大約在40%~100%之間變化,因此,總的變速比為20~40左右,總的變距比為10~15左右。最高行駛速度能夠覆蓋40Km/h左右(40/40=1Km/h=0.28m/s,基本上能實現低速行走)的裝置。優點如下:
1.1)擴大了靜液壓裝置高效區
當常用作業速度和空性運輸速度相差較大的裝置時,如果選用大排量定量馬達(負載決定),高速輕載時需要的流量比較大,泵的排量就需要較大,但是此時系統壓力比較低, 因此管路壓力損失佔比比較高,系統工作時效率惡化。當低速大扭矩時,泵的排量需要調小,容積效率同樣不高。因此可以選用變數馬達解決上述矛盾問題。此時,馬達的最大排量可以根據低速大扭矩負載中的最大負載確定,而泵的排量可以根據高速輕載時,馬達為小排量時確定。馬達的最大排量不變,但是減小了泵的最大排量,減小比例和馬達的變排比相當。採用變數馬達後,靜液壓驅動裝置輸出包線向高速區擴大(如下圖),擴大了靜液壓裝置高效區。雖然採用變數馬達時,變數馬達工作在較小排量,馬達效率降低,變數馬達成本也較高。但是此時變數馬達所帶來的好處大於其帶來的壞處。因此比較適合功率較大,扭矩變化大、速度變化較大場合。1.2)放寬最高輸出轉速限制,許多變數馬達小排量時轉速顯著高於大排量時許用轉速,能夠增加20%左右,而這一轉速又是我們所需要的。
1.3)零排量馬達特點,一些新型柱塞馬達能夠在運轉中將排量調節至零,用這種馬達可以使驅動輪在不停車條件下在驅動和自由輪工況之間進行切換。
1.4)提高性價比,當為大排量定量馬達匹配規格較大變數泵和大通徑高壓軟管時超出了經濟規模生產的範圍(例如泵的排量大於160ml/r,耐壓400bar軟管通徑大於25mm時),元器件價格增加很大。
2)變數泵+定量馬達+變速器因為變數馬達效率低、體積大、價格貴,有些時候寧可用高速定量馬達+後置變速箱的方式,也不採用變數馬達,這種方式特別適合作業和空駛轉移速度相差懸殊的整機上。缺點就是如果沒有離合器,需要停車或者速度很低時才能換擋變距。
3)變數泵+變數馬達+變速器如果行駛速度更高,比如大於40Km/h。當高速輕載行駛時,馬達排量為25%,系統壓力為100bar。當低速行駛時,如果負載扭矩增大20倍,馬達排量100%,系統壓力有可能達到500bar,因此需要考慮增加馬達排量,滿足最大負載扭矩需求。但是在高速行駛時,即便馬達工作在小排量下,達到必要的行駛速度,需要較大的流量,因此需要較大排量泵和通徑較大的管道,增加了成本。因此可應增加後置變速箱,透過機械傳動比擴大總的當量排量調節範圍。適合在推進力要求較大,同時速度範圍又較寬的車輛(例如速度超過40~50km/h),需要在輸出端增加變速箱等設施。4)多液壓馬達切換系統採用多個小排量馬達代替一個較大排量馬達,提高變距比和變速比,大多出自以下原因。
4.1)所要求輸出轉矩比較大,採用單個液壓馬達無法滿足要求或不經濟;
4.2)所要求轉速較高,大排量馬達許用轉速無法達到或不經濟;
4.3)匹配安裝空間需要。
應用如下:4.1)高速方案中的零排量馬達以低能耗的控制方式改變工作馬達個數,顯著提高多馬達系統的變距比和變速比,且可以在行進間切換。例如,馬大排量120L/r,變排比1:4,最小排量為30ml/r。如果用一個15ml/r定量馬達+105ml/r排量大馬達,變排比為8:1,且15ml/r定量馬達工作時效率遠遠高於變數馬達工作在小排量時的效率。行駛速度可達40-50km/h。對於大功率機械,高速方案中往往還需要綜合採用多馬達切換和後置變速箱換擋的方式。不帶離合器的手動變速箱需要停車或者速度很低時才能換擋。帶離合器後能夠在行進間換擋。4.2)低速方案中的自由輪馬達低速方案中採用車輪馬達。車輪馬達一般都為內曲線馬達,都有自由輪功能,但是無法整合後置變速箱,只能透過切換線上馬達數量改變總的當量排量。例如,四輪驅動切換成兩輪驅動,實現速度和扭矩的倍變。上文中的高速方案零排量馬達可以在行進間無衝擊切換。但是車輪內曲線馬達,卻只能在停車或者速度很低的工況下實現自由輪功能。低速方案中採用零排量馬達+輪邊減速器相當於車輪馬達,可以實現行進中改變線上馬達數量。但是由於減速器作用,拖轉阻力較大。需要注意的是馬達處於自由輪或零排量狀態時,馬達喪失了制動能力。
4.3)差異排量馬達調節(屬於對4.1和4.2進一步闡述)馬達最高許用轉速一直都是限制車輛行駛速度提高的一個重要因素。尤其是低速方案中的車輪馬達影響更為顯著,車輪馬達正常工作時最高許用轉速隨排量變化而變化,但是最大轉速大約200-400r/min,然而自由輪轉速卻能夠達到1000-1200r/min(見下表)。因此可以考慮用不同排量馬達驅動不同的驅動輪。透過匹配不同排量馬達並進行切換線上馬達數量來獲得不同行駛速度。當高速輕載時,小排量馬達工作,大排量馬達調整為自由輪狀態或者零排量狀態,提高驅動行駛速度。當過載低速時,四個馬達同時工作,確保有足夠的牽引力。比較適合低速過載和高速輕載的裝置。
1.泵和馬達排量的確定
無論是閉式系統還是開式系統,無論是定量馬達還是變數馬達,馬達排量的選擇通常都是按照平衡工作時最大負載轉矩,或者是工況惡劣時的啟動轉矩要求設定的。無論是閉式系統還是開式系統,無論是定量泵還是變數泵,泵的最大排量都是根據發動機為額定轉速,馬達排量最小時最高行駛速度確定的。
2.為什麼採用變數馬達
閉式系統雖然儘可能使用尺寸小、成本低、效率高的定量馬達,但是由液壓系統的秉性決定,有些時候單憑輸入端(發動機+變數泵)調節所獲得輸出端轉速受效率、成本等因素影響是有一定限制的。因此有些裝置上我們需要考慮輸出端同時進行調節。一般系統輸出扭矩都是充足的,輸出端調節更多的是為了擴大高效區輸出轉速範圍。
3.輸出端調節方式有哪幾種及其特點
輸出端調節方式主要有改變馬達排量、後置機械變速箱改變傳動比,增減線上馬達數量等方式。下面分別闡述。
靜液壓驅動裝置主要匹配柴油機使用,柴油機可用變速比大約為2~4(比如轉速從800-3000),額定功率工作點附近變距能力僅為1.15~1.3。因此發動機的可用變距比是影響行走機械轉速覆蓋範圍的主要因素。
變數泵+定量馬達的方式,變數泵排量從大約在25%~100%變化,和發動機匹配後,總變速比為8~16左右,總變距比為4~6左右。此種方式比較適合行走速度較小(比如小於25km/h,25/16=1.56km/h=0.43m/s,基本上能實現低速行走)、牽引扭矩變化不是很大(比如牽引扭矩變化小於5~10倍左右)、行走功率較小的裝置中,比如硬地叉車、滑移轉向裝載機、振動壓路機等。
1)變數泵+變數馬達因變數馬達的排量大約在40%~100%之間變化,因此,總的變速比為20~40左右,總的變距比為10~15左右。最高行駛速度能夠覆蓋40Km/h左右(40/40=1Km/h=0.28m/s,基本上能實現低速行走)的裝置。優點如下:
1.1)擴大了靜液壓裝置高效區
當常用作業速度和空性運輸速度相差較大的裝置時,如果選用大排量定量馬達(負載決定),高速輕載時需要的流量比較大,泵的排量就需要較大,但是此時系統壓力比較低, 因此管路壓力損失佔比比較高,系統工作時效率惡化。當低速大扭矩時,泵的排量需要調小,容積效率同樣不高。因此可以選用變數馬達解決上述矛盾問題。此時,馬達的最大排量可以根據低速大扭矩負載中的最大負載確定,而泵的排量可以根據高速輕載時,馬達為小排量時確定。馬達的最大排量不變,但是減小了泵的最大排量,減小比例和馬達的變排比相當。採用變數馬達後,靜液壓驅動裝置輸出包線向高速區擴大(如下圖),擴大了靜液壓裝置高效區。雖然採用變數馬達時,變數馬達工作在較小排量,馬達效率降低,變數馬達成本也較高。但是此時變數馬達所帶來的好處大於其帶來的壞處。因此比較適合功率較大,扭矩變化大、速度變化較大場合。1.2)放寬最高輸出轉速限制,許多變數馬達小排量時轉速顯著高於大排量時許用轉速,能夠增加20%左右,而這一轉速又是我們所需要的。
1.3)零排量馬達特點,一些新型柱塞馬達能夠在運轉中將排量調節至零,用這種馬達可以使驅動輪在不停車條件下在驅動和自由輪工況之間進行切換。
1.4)提高性價比,當為大排量定量馬達匹配規格較大變數泵和大通徑高壓軟管時超出了經濟規模生產的範圍(例如泵的排量大於160ml/r,耐壓400bar軟管通徑大於25mm時),元器件價格增加很大。
2)變數泵+定量馬達+變速器因為變數馬達效率低、體積大、價格貴,有些時候寧可用高速定量馬達+後置變速箱的方式,也不採用變數馬達,這種方式特別適合作業和空駛轉移速度相差懸殊的整機上。缺點就是如果沒有離合器,需要停車或者速度很低時才能換擋變距。
3)變數泵+變數馬達+變速器如果行駛速度更高,比如大於40Km/h。當高速輕載行駛時,馬達排量為25%,系統壓力為100bar。當低速行駛時,如果負載扭矩增大20倍,馬達排量100%,系統壓力有可能達到500bar,因此需要考慮增加馬達排量,滿足最大負載扭矩需求。但是在高速行駛時,即便馬達工作在小排量下,達到必要的行駛速度,需要較大的流量,因此需要較大排量泵和通徑較大的管道,增加了成本。因此可應增加後置變速箱,透過機械傳動比擴大總的當量排量調節範圍。適合在推進力要求較大,同時速度範圍又較寬的車輛(例如速度超過40~50km/h),需要在輸出端增加變速箱等設施。4)多液壓馬達切換系統採用多個小排量馬達代替一個較大排量馬達,提高變距比和變速比,大多出自以下原因。
4.1)所要求輸出轉矩比較大,採用單個液壓馬達無法滿足要求或不經濟;
4.2)所要求轉速較高,大排量馬達許用轉速無法達到或不經濟;
4.3)匹配安裝空間需要。
應用如下:4.1)高速方案中的零排量馬達以低能耗的控制方式改變工作馬達個數,顯著提高多馬達系統的變距比和變速比,且可以在行進間切換。例如,馬大排量120L/r,變排比1:4,最小排量為30ml/r。如果用一個15ml/r定量馬達+105ml/r排量大馬達,變排比為8:1,且15ml/r定量馬達工作時效率遠遠高於變數馬達工作在小排量時的效率。行駛速度可達40-50km/h。對於大功率機械,高速方案中往往還需要綜合採用多馬達切換和後置變速箱換擋的方式。不帶離合器的手動變速箱需要停車或者速度很低時才能換擋。帶離合器後能夠在行進間換擋。4.2)低速方案中的自由輪馬達低速方案中採用車輪馬達。車輪馬達一般都為內曲線馬達,都有自由輪功能,但是無法整合後置變速箱,只能透過切換線上馬達數量改變總的當量排量。例如,四輪驅動切換成兩輪驅動,實現速度和扭矩的倍變。上文中的高速方案零排量馬達可以在行進間無衝擊切換。但是車輪內曲線馬達,卻只能在停車或者速度很低的工況下實現自由輪功能。低速方案中採用零排量馬達+輪邊減速器相當於車輪馬達,可以實現行進中改變線上馬達數量。但是由於減速器作用,拖轉阻力較大。需要注意的是馬達處於自由輪或零排量狀態時,馬達喪失了制動能力。
4.3)差異排量馬達調節(屬於對4.1和4.2進一步闡述)馬達最高許用轉速一直都是限制車輛行駛速度提高的一個重要因素。尤其是低速方案中的車輪馬達影響更為顯著,車輪馬達正常工作時最高許用轉速隨排量變化而變化,但是最大轉速大約200-400r/min,然而自由輪轉速卻能夠達到1000-1200r/min(見下表)。因此可以考慮用不同排量馬達驅動不同的驅動輪。透過匹配不同排量馬達並進行切換線上馬達數量來獲得不同行駛速度。當高速輕載時,小排量馬達工作,大排量馬達調整為自由輪狀態或者零排量狀態,提高驅動行駛速度。當過載低速時,四個馬達同時工作,確保有足夠的牽引力。比較適合低速過載和高速輕載的裝置。