双模式液压机械传动的工作特性探讨

徐雪林

（重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆401331）



双模式液压机械传动的工作特性探讨

徐雪林

（重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆401331）

摘要：液压机械传动的理想状态和运行是无级变速传动，具有传动速度快、传动平稳、传动效率高等。目前，只有新型的双模式液压机械传动具备了这种理想的液压机械传动。本文重点探讨双模式液压机械传动工作特性。双模式液压机械传动是一种复合分流式液压机械传动。它结合当前国内已有的车型，建立了一套完整的、有规模的稳态运动学发展模型，并融合了两种液压机械传动形式优点，具备良好的起步特性，有着广泛的应用和良好的发展前景。

关键词：液压机械传动双模式工作原理

现有的液压机械传动都是一段式液压机械传动。然而，按照目前的机械类传动工作要求，目前所使用的一段式液压机的传递功率能力不能满足大功率车辆的传动要求。随着汽车行业的高速发展，当前的一段式液压机械传动已无法适应汽车的发展，急需研发新一代机械传动系统。

1 双模式液压机械传动的定义

液压传动是一种用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动是流利传动方式的一种，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴机械传动技术，也是目前世界上流行的工程机械传动技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

而双模式液压机械传动是液压传动的升级版和改造版。它是无级传动，也叫分流传动。分流传动是相对于单功率的机械传动而言的。双模式液压机械传动根据输出的转速方式不同，将复合无级传动分为两种，即等比式复合无级传动和等压式复合无级传动。两者在合流处都含有正向汇流行星排和反向汇流行星排。这两个汇流行星排组成双向汇流行星排，而双向汇流行星排具有四个输入和输出端口。在双模式液压传动系统工作时，调整正向的汇流行星排进行操作，系统的无级变速单元输出端将转速增快，进而带动系统的输出端转速加快；同理，当反向的汇流行星排操作时，系统的输出端转速随着无级变速单元输出端的转速的减慢而减慢。这两项操作分别被称为正向位工况和反向位工况。这两种工况在换段机构传动比一定时，都称为“段”。

2 双模式液压机械传动的基本原理及其优点

2.1 基本原理

液压传动的基本原理是液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（液压缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。液体一般是矿物油或者其他的润滑油。而液压机械传动的原理是制动器和离合器分离。双模式液压机械传动的系统是分速汇矩式的液压机械传动模式。第一个行星排存在速度差值，并利用这一差值实现功率分流；而第二个行星排只提供固定的传动比作用。当发动机开始工作时，其传出来的功率在上述的第一个行星排处发生分流。因为第一个行星排处有一个行星轮，分流正是发生在行星轮处，从而将发动机发出的功率分成机械功率和液压功率。机械功率通过机械路径向下一级传递，液压功率通过液压路径向下一级传递。液压功率和机械功率在汇流轴处又重新相遇，形成共同的驱车车辆。当车速超出规定的最大车速时，就应该松开制动器，结合离合器，这就是第一个模式，叫做简单分流模式。

第二个模式就是复合分流模式。这个模式实质上是指各段的输出端转速的变化范围不断扩大，具体体现在动力源的输入功率经过各种分流后变成了齿轮传动以及无级变速单元，齿轮传动以及无级变速单元又会汇合在一起，齿轮传动和无级变速会汇合成为双向汇流行星排组。这个行星牌组又会经过换段机构，它会依次不跳段的由段位高到低或者是段位低到高的循环往复变化，且还交替选择正向汇流行星排的输出端以及反向汇流行星排的输出端。通过这样的传动方式来调节转速，使得汇流输出端转速能够自由控制和快速调整。

2.2 双模式液压机械传动的优点

（1）体积较小而且重量十分轻。通过对比，同功率液压马达的重量只有电动机的十分之一或者五分之一。由于密度较小，导致惯性力较小。现实生活中，当司机突然过载或停车时，不会发生大的冲击。

（2）能够在一定范围内快速调节启动速度，并可实现无级调速，且调速范围最大可达1：2000。相比之下，普通的机械传动为1:100，高出20余倍。

（3）换向容易。在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。

（4）由于这种传动机在液压泵和马达之间采用的是油管连接，减少了发动机的占有空间，提高了利用率。

（5）由于这种传动机的工作介质是矿物油或者润滑油，传动件的元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，增长了传动机的使用寿命，降低了消耗成本。

（6）在自动操纵和控制上十分简便，自动化程度高。

（7）当发动机出现过载时，会有自动保护系统使其停止过载。

（8）双模式液压机械传动在液压元件上实现了标准化、系列化、通用化。也就是说，这类传动机能够适应各种车辆传动和工程类传动，使用范围极其广泛。

3 双模式液压机械传动的速比特性

（1）换段条件。双模式液压机械传动在汽车应用方面。车辆由静止开始起步时，发动机开始启动，液压元件在第一行星排的量是零，行星排的作用转矩同样为零。以此类推，发动机的输出功率、输出轴负载均为零，这就刚好印证了离合器的应用。在发动机处于一个相对低的转动速度时，液压元件的第一行星排从零开始往上增长，进而促成另一液压元件达到并保持其最大的排量。第一个元件为了能够让车辆可以继续顺利产生加速度，也到达了最大排量，但此时第二个液压的元就不能保持其最大排量，必须将其排量缩小，达到一个速度差即速比，以实现速比的增加。换段模式是由具体的工况确定。要想实现稳定换段，也就是汽车驾驶中的换挡，则必须要求主动件和被动件的相对转速为零，即主动件和被动件转速一致。用数学数据表示就是：相对转速n1=n2=0，同步换断点系统速比i=1+k1。要想双模式液压机械传动发挥应有作用，应满足|n1|≤nmax≤n2max。

（2）简单分流模式。简单分流模式就是当发动机开始工作时，其传出来的功率在上述的第一个行星排处就发生分流。因为第一个行星排处有一个行星轮，分流正是发生在行星轮处，于是将发动机发出的功率分成了机械功率和液压功率。机械功率通过机械路径向下一级传递，液压功率通过液压路径向下一级传递，液压功率和机械功率在汇流轴又重新相遇，形成共同的驱车车辆。

制动器结合后，行星架的转速用数学表达式为nc2=0。双模式液压机械传动系统分速汇矩液压机械传动模式工作，变速箱比为i=n/ne，第二个液压元件的转速方程用数学表达式为

第一个行星排的转速方程用数学表达式为

同理，第二个行星排的转速方程用数学表达式为

最终结果，简单分流模式的液压路速比为

以上各式中，k1、k2分别代表第一行星排和第二行星排的结构参数。

（3）混合分流模式。混合分流模式就是当车速超出规定的最大车速时，就应该松开制动器，结合离合器。段的输出端转速的变化范围不断扩大，具体体现在动力源的输入功率经过各种分流后变成了齿轮传动以及无级变速单元，齿轮传动以及无级变速单元又会汇合在一起。齿轮传动和无级变速会汇合成为双向汇流行星排组，这个行星牌组又会经过换段机构。它会依次不跳段的由段位高到低或者是段位低到高的循环往复变化，并且还交替选择正向汇流行星排的输出端以及反向汇流行星排的输出端。通过这样的传动方式调节转速，使得汇流输出端转速能够自由控制和快速调整。

当目标车速满足v≥itrfitrfmaxne时，方可松开制动器，第二个液压元件转速方程用数学表达式为n2=1/i2（-k2）ne。从数据分析，混合分流模式系统有两个纯机械点，使得液压机械变速箱具有较高的传动效率。第二个传动元件的转动速度在第一个传动元件纯机械点处达到最大值，然后慢慢下降，从而保障元件不能超过发动机本身的速度，使混合分流模式的机械传动充分利用了液压元件的最大工作能力。需要注意的是，在进行人为参数匹配时，应该让第一个液压元件的转动速度达到最大值。

4 双模式液压机械传动的功率特性

双模式液压机械传动的功率特性有两个：一个是功率流特性，一个是功率比特性。由以上分析可以看出，双模式液压机械传动工作的第一种模式——简单分流模式的流装呈现出分流的状态，而模式二复合分流模式有两种不同的状态，即液压流和机械流在液压路和机械路的不断功率循环。简单分流模式是双模式液压机械传动系统的内部循环，复合分流模式则不是双模式液压机械传动系统的循环。这两种模式的合流，即功率合并，带动传动效应，驱动车辆前进。根据简单分流模式的功率比特性分析可以得出结论，简单分流模式的液压功率比随着速比的不断变化而呈现一定的线性关系，优点就是起步液压功率可以达到惊人的100%。而复合分流模式呈现的则是非线性相关，可以得出结论，复合分流模式在车辆运行过程中，通常工况下功率比的值都比较小。由这两个传动系统的功率特性分析可以看出，双模式液压机械传动具有极好的优越性，尤其体现在双模式液压机械传动的效率上。它不仅具有高质量的传动功能，同时还有高效率的传动特性。

5 双模式液压机械传动动态工作特性

（1）段内调速过程。双模式机械传动都是液压流传动机构。它的排量控制着电流信号的相应特性在液压机械无级传动速比下的相应调节。在这种调节机构模型中，因为电液压力控制本身的结构特点，排量控制机构本身存在迟钝和传动盲区，而关键原因就是节流孔。节流孔的直径减小，排量相应减少，导致控制机构反应时间增多。一旦超出规定范围，将会导致驾驶过程中的反应缓慢、传动不灵敏等，后果不堪设想。所以，控制器在段内调控中要考虑充分，避免产生迟钝和传动盲区。最有效的办法就是采用阶跃控制电流信号的方法，适当提前排量控制电流，适当增大节流孔。

（2）换段过程。换段过程中，液压泵与马达是通过油管连接的，也就是说功率是通过油路进行传递的。因此，要想传递功率效率高，就必须得保障油路畅通无阻。低压定压阀和油泵是为系统补充油的缩影。首先，要对这着两个元件进行更新和维护，保证油的来源。高压溢流阀是为了防止过载而进行保护，防止液压过高。在实际的防护过程中，还要遵循实际分流原则，有条理地疏通油路和降低阻碍，以发挥功率高效传递的最大作用。

6 结语

双模式液压机械传动是比较理想的无级变速传动。它不仅能够实现可控的无级调速，还能够改善发动机功率的利用率，集合了机械传动以及液压传动的诸多优点，是当前工程机械和军用履带车辆无级变速器传动的最为合适的选择。未来，这项技术的发展将无可估量。所以，我们不仅要充分了解双模式液压机械传动的特性，还要深层次进行探究，以期将其功能发挥到极限。

参考文献

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［2］李小冰.液压机械复合传动技术研究现状及发展趋势［J］.机电技术，2015，（1）：154-157.

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［4］林通，赵超杰，焦生杰.自卸车双发动机液压机械复合传动系统［J］.中国公路学报，2014，（5）：183-190.

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