1 關(guān)于輸入式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的基本研究 摘要 在本篇論文里，主要是比較輸入式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器和輸出式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變器的差別。由于單級(jí)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器在車輛中的應(yīng)用，對(duì)輸入式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的研究較多。顯而易見，輸入式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的動(dòng)作和控制方案被研究并應(yīng)用與 100kw級(jí)別的交通車輛上。 關(guān)鍵詞 ： 行星齒輪機(jī)構(gòu)，輸入分流，參考速比。 1 概述 被叫做 HST的傳統(tǒng)液壓變速器沒有齒輪，它把發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)變成液壓能來驅(qū)動(dòng)機(jī)器。 HST被廣泛的應(yīng)用與機(jī)械中，因?yàn)樗泻玫淖兯傩浴?但是，傳統(tǒng)液壓變速器 HST 有以下缺 點(diǎn)：低的傳遞效率，窄的速度段和小的速比變化。 HMT(液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器 )是 HST和行星齒輪的組合體，行星齒輪通過分引擎的功率 ,很好的解決了這個(gè)問題。 2 HMT 通過行星齒輪機(jī)構(gòu)，根據(jù) HST 的特性，可以很容易得到兩個(gè)速度段，并且傳遞效率高。另外， HMT的齒輪傳動(dòng)比范圍比 HST大。 但是，僅設(shè)計(jì) HMT的參數(shù)時(shí)不夠的。因?yàn)閷?shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常難于得到，以至于研究的目的是首先講述傳遞的實(shí)際情況和運(yùn)動(dòng)控制方案。 2.液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器 HMT有兩部分組成，一 個(gè)是傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的行星齒輪機(jī)構(gòu)，另一部分是轉(zhuǎn)變引擎動(dòng)力為液壓能的 HST。 HMT的基本單位是單級(jí)的行星齒輪結(jié)構(gòu)。 功率分流有兩種方式，分別是：輸入分流式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器和輸出分流液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器。輸入分流式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是液壓功率和被控速比的輸出軸的組合體。輸出分流式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是液壓泵和被控速比的輸入軸的組合體。一般來說，它們是一樣的機(jī)器，只是分流形式?jīng)Q定這根軸是輸出還是輸入。 2.1 行星齒輪機(jī)構(gòu) 行星齒輪機(jī)構(gòu)由行星輪，齒圈及兩個(gè)或兩個(gè)以上的行星架組成。一般選擇兩個(gè)輸入就有一個(gè)輸出，例如： 太陽(yáng)輪，齒圈輸入，那么行星架就輸出。行星齒輪機(jī)構(gòu)通過改變其一部分的速度，可以用來調(diào)速。 在 HMT中，輸入或輸出總有一個(gè)被限制。不同的齒輪被用來分流或組合輸出或輸入。 不同齒輪的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩關(guān)系如下： cn)1( = rn +3n（ 1） st= rt （ 2） st=ct1 1（ 3） =rsZZ （ 4） sn：齒圈轉(zhuǎn)速 cn：行星架轉(zhuǎn)速 st：太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)矩 rt ： 齒圈的轉(zhuǎn)矩 ct ： 行星架的轉(zhuǎn)矩 sZ ：太陽(yáng)輪齒數(shù) rZ ： 齒圈的齒數(shù) 3 一般的速比圖表是一個(gè)平衡圖。水平線 X軸是行星齒輪中心距的比值，垂線 Y軸是轉(zhuǎn)速。每個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速是線性的。利用這個(gè)圖表，設(shè)計(jì) HMT會(huì)變得直觀和容易，無(wú)論是如何確定輸入，輸出及液壓功率是驅(qū)動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)中的太陽(yáng)輪，齒圈，還是行星架 ?這樣，可以有六種功率傳遞方式。 通過組合的方法， HMT甚至有十二種驅(qū)動(dòng)方式。 3. HMT 的基本特性 3.1HMT 的優(yōu)點(diǎn) HMT擁有行星系和 HST的 優(yōu)點(diǎn)，所以 HMT在多方面都比 HST有優(yōu)勢(shì)，如下： 1） 可以變化的傳動(dòng)比； 2） 傳動(dòng)比變化范圍較 HST寬； 3） 傳遞效率比 HST高； 4） 機(jī)構(gòu)可以得到相應(yīng)的速度范圍。 首先，根據(jù)速比圖表，考慮 HMT的連續(xù)變化的速比特征， HST和 HMT的傳動(dòng)是一樣的。在圖 2 中 b 線和 c 線有同樣的輸入轉(zhuǎn)速。通過改變 HSM 輸入轉(zhuǎn)速的方法，輸出轉(zhuǎn)速也是變化的。在 c 線和 a 線里，連續(xù)改變輸入轉(zhuǎn)速，那么輸出轉(zhuǎn)速也是連續(xù)的。通過以上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)和 HST的轉(zhuǎn)速變化，會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)速的變化， HMT的變化也是這樣的。 HMT的速度段范圍比 HST大，那是因?yàn)?，行星齒 輪能提供多的轉(zhuǎn)速。 其次，從傳遞效率的角度考慮， HMT 在這方面比 HST 更具優(yōu)勢(shì)。 HST 將發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn) 4 變?yōu)橐簤耗?，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。特別在馬達(dá)壓力低及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，能量消耗較大，效率低。但是在 HMT里，只有一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，因此其總的傳?dòng)效率比 HST要高。 考慮機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的話，盡可能從 12種方法中選擇。在 HMT中符合高效率的被稱為參考速比。問題是如何選擇速比，這個(gè)問題稍后再做討論。 HMT通過簡(jiǎn)單操作在低的速度下具有 HST的優(yōu)點(diǎn)：大轉(zhuǎn)矩。 3.2 分流形式的特點(diǎn) 假如機(jī)構(gòu)和液壓傳動(dòng)效率為 100%，為了比較輸入分流式 HMT 和輸出分流式 HMT。假設(shè)每種形式的能量、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速是已知的。 輸入分流 HMT可通過以下幾個(gè)方面分析的： IP ：輸入功率 NP：液壓功率 iT：輸入轉(zhuǎn)矩 p：泵的轉(zhuǎn)矩 p：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 iN：輸入速度 ON：輸出速度 pN：泵的速度 mN：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 A： 泵齒輪的轉(zhuǎn)速 B： 發(fā)動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速 e： 速比 fe1：參考速比 輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之比為 e，當(dāng)，泵的轉(zhuǎn)速為零時(shí)特殊速比被稱為參考速比refe。 處于參考速比時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，能量只能通過機(jī)械傳遞，這時(shí)，效率最高。但這也是輸入分流和輸出分流 HMT效率下落點(diǎn)。 通過行星齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)有： 1refe（ 5） iNNe 0 referef -irNn（ 6） 5 irNn= （refe-e） （ 7） ir Tt 1 1（ 8） 所以液壓功率hp為，由（ 5） （ 8） rrh ntp =iirefref NTeee （ 9） 這樣每個(gè)輸入對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出： r e fiirriH eeNT ntpp 1（ 10） r e fiphiipeApNpNTT 11 （ 11） eeeeBpNpNBTTr e fr e fihiim0（ 12） 11r e fr e feripeeeAANnNN （ 13） BeBNNNNiim 0 （ 14） 輸入分流式的 HMT也可以用上面的公式表示其特點(diǎn)，當(dāng)然輸出分流式的 HMT也可以用這些公式表示。這些特征曲線可以在圖 3中表示，圖中，參考速比和以前的意義一樣。 不同分流形式的 HMT 在圖三中做了比較。許多重要的點(diǎn)是液壓功率速比點(diǎn)，也就是分給HST的能量，輸入 分流式 HMT液壓功率分流比是線性的，但是，輸出分流式 HMT液壓功率分流比是雙曲線。當(dāng) HST的泵或馬達(dá)速度是零時(shí)，兩種形式的 HMT的液壓功率分流比變成為相對(duì)速比，直線相交。能量比值發(fā)生變化。 6 3.3.輸入分流式 HMT 的功率流 在圖 4中展示了不同速比條件下，輸入分流式 HMT的功率流。 首先，當(dāng)速比是正的，也就是說速比比值比 3 小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩都在正得范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍里，發(fā)動(dòng)機(jī)功率被分為液壓功率和機(jī)械功率。 在液壓功率為零時(shí)，或者是接近相對(duì)速比 時(shí)， HST 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值為零。所有的能量通過機(jī)械傳遞，在這一點(diǎn)上， HMT的效率最高。 當(dāng)液壓功率分流比是負(fù)的，也就是說速比比值 3 大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)，發(fā)動(dòng)機(jī)被輸出軸驅(qū)動(dòng)，這種內(nèi)在的功率流被叫作功率循環(huán)。功率循環(huán)是有害的，因?yàn)橐娴哪芰吭趦?nèi)部被消耗了。 能量的傳遞效率較高是在液壓功率是正的或者泵的轉(zhuǎn)速接近相對(duì)速比的時(shí)刻 。 4.輸入分流式 HMT 的設(shè)計(jì) 迄今，許多形式的 HMT被設(shè)計(jì)了出來。但是，對(duì)于高速行駛的車輛來說，多級(jí)輸出式 HMT是個(gè)好的選擇，因?yàn)樗男瘦^高。通過選擇多級(jí)段的速度點(diǎn)，最典型輸出式 HMT的運(yùn)用 是用在重型汽車或大功率拖拉機(jī)。 輸入分流式 HMT也被交通車輛采用，一般來說，這種形式的 HMT在高速段易產(chǎn)生功率循環(huán)，因此適合于低速機(jī)械。 假如首要的設(shè)計(jì)目的時(shí)為了獲得較高效率的話，那么多段輸入式 HMT是個(gè)不錯(cuò)的選擇。雖然它的構(gòu)造比較復(fù)雜。 假如設(shè)計(jì)的目的是為了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，單極輸入式 HMT就能滿足要求了。雖然這個(gè)變速箱比多段輸入式 HMT的效率低，但是和 HST驅(qū)動(dòng)來說，在應(yīng)用中其總的效率還時(shí)比較高的。 因此，對(duì)于自重為 2噸，功率為 100kw，最大車速 達(dá) 100 hkm 的車輛來說，單級(jí) HMT很少 7 采用。 4.1HMT 型式的選擇 為了在 100hkm獲得較高的效率，速度段點(diǎn)的選擇在設(shè)計(jì)中要不斷的調(diào)整。從這一點(diǎn)出發(fā)，我們選擇了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的 HMT，以至于速度段存在相對(duì)速比點(diǎn)。輸入軸和輸出軸分別連接行星架和太陽(yáng)輪， HST的泵則連接在齒圈上。 4.2 設(shè)計(jì) 在考慮機(jī)器規(guī)格的情況下，參考速比點(diǎn)選 3。設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是如何給出自由度和限制的自由度。在實(shí)際行星齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，至少一部分被固定和給定