谢宇航，王世成

（湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442002）

工程车辆液压传动系统构成分析及工作参数配置

谢宇航，王世成

（湖北汽车工业学院，湖北 十堰 442002）

文章对液压传动系统的基本回路、调速方式和驱动方案进行了研究，结合设计要求，确定采用闭式回路，变量泵-变量马达容积调速的高速驱动方案，并绘制液压系统工作原理图。而后对相关工作参数进行了配置，匹配发动机功率和工作压力，并对液压元件进行选型。最后使用AMESim软件建立液压系统模型，验证前期系统设计和参数配置的正确性。

液压传动；闭式回路；容积调速；匹配压力；AMESim

CLC NO.: TP271.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-135-05

引言

由于工程车辆作业的循环工作特性以及作业时负荷转矩的时变性，传统的机械传动的除雪车已经不能满足除雪工作对高效率、低能耗、自适应工作载荷的要求。作为新型传动方式，静液压传动具有大扭矩、大范围的速比、无级变速以及控制方式多样的特点，同时可以通过改变回路流量方向实现车轮的正反转，加之液压元件的管路排布能适应紧凑型底盘布置，便于上装结构如滚刷的安装。研究具有液压传动系统的新型工程车具有重大意义。

1 静液压传动系统设计方案

1.1 液压传动的构成

相比与传统机械传动系统的复杂结构，液压传动系统的组成较为简洁，分为动力元执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质。其中：动力元件作为传动系统的动力输入端，其作用是把发动机机械动能转化为液压能；执行元件作为液压传动系统的动力输出端，与主减速器或车轴相连，将液压能转化为旋转机械能，克服行走装置转矩负荷，驱动车轮转动；控制元件包括各种液压阀、电磁阀等，组成各种控制系统来调控液压回路中流量的大小和方向；辅助元件包括油箱、过滤器、液压管道、蓄能器等；液压介质作为液压传动系统中液压能的载体，其粘度温度特性对工作的效率有巨大影响。

1.2 基本液压回路

开式回路工作循环中液压油按照油箱、液压泵、液压马达的顺序流动，并且在油箱中与外界空气相接触。如图1所示，液压泵1直接与油箱8连通，并且在发动机的驱动下，从油箱中抽取液压油，它所输出的压力油经过换向阀 2，控制油路的通断和液压油流向，最后供油给执行元件液压马达3，驱动马达后端的负载。液压油的回油通过溢流阀4和马达，经过过滤器6和冷却器7流回油箱，完成一次工作循环[1]。

图1 开式回路

闭式回路区别于开式回路，液压油工作在液压泵和液压马达构成的闭环回路中。如图2所示，主泵1不直接从油缸吸油，而是由补油泵2吸油，再经过单向阀组4和溢流阀9保持回路基础补油压力，同时给主泵和马达闭环回路供油，高压热油进过冲洗阀11和冷却阀10回油到油箱12。

图2 闭式回路

1.3 调速方式与驱动方案的选择

液压系统的调速方式分为节流调速和容积调速两种。节流调速是在回路中设置各种控制阀，调节流量的通断、大小与方向，继而达到对马达输出轴的转速和转向的控制；容积调速则是利用液压泵和马达排量的可调性，实现流量的调控，达到调速目标。

图3 低速方案

根据静液压驱动装置中液压马达的输出轴是直接驱动驱动轮，还是在输出轴与驱动轮之间连接后置机械减速器或变速器间接驱动驱动轮，将驱动方案分为“低速方案”和“高速方案”，如图3和图4所示。

低速方案是由可以安装在驱动轮轮毂内的轮边液压马达直接驱动车轮；高速方案的常见形式是液压马达通过机械变速箱、分动箱和万向节传动轴驱动车桥，进而驱动车辆。

图4 高速方案

1.4 液压传动总体设计

通过对液压回路、调速方式和驱动方案的分析，结合设计需求，确定静液压传动系统总体设计方案为：采用闭式液压回路，由一个主泵和两个液压马达构成闭路回路；系统中的动力元件和执行元件分别为双向变量泵和双向变量马达，通过容积调速控制泵和马达排量；为扩大传动系传动比范围，保证车辆启动的大扭矩，采用高速驱动方案，两个马达并联，分别驱动前后桥上的机械主减速器，带动车轮转动，如图5。

图5 除雪车静液压传动布置方案

2 工作参数配置

2.1 设计性能参数及要求

以某公司研发的机场除雪车为研究对象，除雪车多运用在我国东北等降雪频繁的严寒地区，设计要求机场除雪车工作环境温度为。机场除雪车作业在平坦的机场跑道上，对跑道上的积雪、冰面进行行驶清除。基于机场除雪车在除雪作业工况时，车速较低，以实现大扭矩作业；而为了提高除雪效率，要求除雪车在转场过程中能以较高车速行驶，因而机场除雪车的设计行驶车速为最低车速、最高车速为。

2.2 发动机功率选型

工程车辆通常选用全程式调速柴油机作为其动力装置，其功率的选择对车辆的性能的发挥十分重要。通常发动机最大需求功率的选择，不仅要实现车辆以最大行驶速度行驶的功能需求，还要满足车辆的爬坡行驶要求。本文依据设计性能指标，匹配计算发动机的最大功率、外特性功率，并以此作为除雪车发动机的选型指标。

式（1）中：

Pe1——满足最高车速要求的发动机最大功率（kw）；

Pe2——满足最大爬坡度要求的发动机最大功率（kw）；

Pemax——发动机最大需求功率（kw）；

Pe——发动机外特性功率（kw）；

m——车辆满载质量（kg）；

g——重力加速度（m/s2）；

ηT——传动系效率，按经验值，液压驱动系统的传动效率取0.8；

f——滚动阻力系数；

umax——最大车速（km/h）；

imax——最大爬坡度；

CD——空气阻力系数；

A——迎风面积（m2）

综上所述，本文选取玉柴的型号的柴油发动机。该型号发动机的参数如表1所示。

表1 玉柴发动机主要参数

2.3 液压传动系统参数配置

2.3.1 工作压力降额匹配

液压系统的工作压力是由负载决定的，在进行液压系统参数匹配和元件选型之前，使用压力的降额原则来匹配液压系统工作压力。中国液压泵试验方法规定：液压泵的最高压力Pm与额定压力的PH之比不得小于1.25，本文取其比值为1.4认为是可以满足工程除雪车使用要求的；其次仿照柴油机15min功率与12h功率的标定方法，将额定压力PH降低20%，作为除雪车的匹配额定压力P'm。

参考力士乐一系列型号的变量泵、变量马达的压力参数，选择本文研究的液压系统最大工作压力Pm=45Mpa。根据压力降额匹配，液压系统额定匹配压力由如下公式计算：

液压系统最高匹配压力为：

2.3.2 角功率

在液压元件参数匹配中，常常采用一种简便的方法——角功率法。即从同时使车辆要求的最大转矩和最高车速得到满足出发，使马达角功率与车辆角功率相吻合来选定马达的排量规格，进而确定马达选型，然后根据马达规格计算液压泵的规格参数，整个匹配过程，在使用角功率法的基础上，依照从后往前（从输出到输入）的方向，以此对马达、泵的规格参数进行匹配，符合车辆实际作业中，发动机转矩、转速随负载大小变化而调节的原理。

角功率计算公式如下：

式中：Pjj——车辆的角功率，kw；

Mkmax——驱动轮的最大转矩，Nm；

nkmax——驱动轮的最大转速，r/min；

Ftmax——最大切线牵引力，N；

umax——最高设计车速，km/h。

2.3.3 马达选型

机场除雪车的液压传动系统中有两个排量相同的变量马达，起到把液压泵输出的流量分流的作用，同时也是对泵的输出功率进行分流。定义马达的输出功率为马达的角功率，各个马达角功率乘以主减速器机械效率的总和即为车辆的角功率。采用角功率法对马达进行选型计算，从同时满足车辆要求的最大转矩和最高车速出发，使马达角功率与车辆角功率匹配来选定马达。

马达角功率与车辆角功率的计算公式如下：

式中：Pmj——马达的角功率，kw；

η2——马达与驱动轮间主减速器的传动效率，0.95～0.97，本文取η2=0.95；

Z——马达数量，本文取Z=2；

将式（4）代入式（5），得：

两口子忙了半下午,瞅瞅,日光已经西斜了。看来觉是不能睡了,也睡不着了。相反,两人的精神头,倒比睡着了更好。

马达排量规格需要满足下式：

式中：

0.95 为马达机械效率；

nmmax——马达最大转速，r/min；

Vmmax——马达最大排量，ml/r；

P'm——液压系统最高匹配压力，上文已确定为35。

2.3.4 液压泵选型

液压泵应该马达之间存在流量平衡，需要满足马达流量需求，同时，液压泵与发动机之间又存在功率平衡，吸收发动机输入的功率[2]。有如下公式表示：

式中：

0.95 为液压泵机械效率；

Vbmax——液压泵最大转速，r/min；

nsmm——马达最大排量时要求的最高匹配转速，r/min；

η1——发动机与泵之间的传动效率；

ΔPb——泵的压差，MPa；

neH——发动机额定转速，也是泵的额定匹配转速，r/min；

本文选取型号为的变量泵，最大排量为180cm3/r，最小排量为0cm3/r。

3 AMESim液压传动系统建模与仿真

AMESim最早由法国Imagine公司于1995年推出，2007年被比利时LMS公司收购。AMESim是一多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，提供了一个系统工程设计的完整平台，便于用户进行仿真计算和深入分析。

AMESim中包含了丰富的元件应用库，用户可以直接使用其内的元件。此外，还能够通过AMESet扩充或创建特殊的应用库。常用的应用库包括：机械库、信号控制库、液压库（包含管道模型）、液压元件设计库（HCD）、动力传动库、液阻库、电机及驱动库、冷却系统库等[3]。作为一个多元化的设计平台，AMESim还具有与其他软件联合的接口，例如，Simulink、Adams、dSPACE、RTlab、Simpack、Flux2D7 等软件。

图6 除雪车静液压传动模型

依照上文绘制的液压工作原理图,用 AMESim中的液压库、机械库、信号控制库建立除雪车液压传动系统模型如图6所示。其中，发动机、柔性连轴器、负载来自机械库，液压泵、液压马达、溢流阀、冲洗阀、单向阀、过滤器、油箱来自液压库，信号输入元件出自信号库。发动机通过柔性联轴器向液压系统中输入动力，补油泵向主泵和液压马达构成的闭式回路中供油，两个液压驱动马达并联，分别驱动车辆前、后轴，冲洗阀起到输出高温热油，并降低回路压力的作用，另外，冷却泵驱动冷却马达，对系统进行冷却降温。

图7 液压泵仿真结果

通过信号输入控制发动机转速在一秒内达到1300r/min，并在此转速下稳定工作；研究中通常取变量泵和变量马达排量为一系列定值，看做定排量进行静态分析[4]，根据上文匹配的结果，选取主泵最大排量 180，两个液压马达排量设为最大排量160；冷却马达排量为14，补油泵排量为39.8，冷却泵排量为11，溢流阀压力设为150bar；仿真时间设置为10s，运行模型，仿真结果如图7和图8所示。

图8 液压马达仿真结果

由仿真结果图可知，液压泵和马达的工作压力最终稳定在330bar，小于上文降额匹配的最高匹配压力350bar，符合设计需求；液压泵的输出流量最终稳定为250L/min，单个马达流量为100 L/min，两个马达并联，马达系统总输入流量为200 L/min相差的50 L/min的流量在溢流中损失，满足泵-马达系统的流量连续性；泵的输入转矩为630Nm，马达输出转矩为-530Nm；液压泵和马达的仿真曲线在第一秒没存在明显波动，之后达到稳态，后期可以添加自适应控制系统，提高液压系统的响应速度。

4 总结

本文就工程车辆液压传动系统的总体设计方案和工作参数的配置做了研究分析，确定了液压系统工作原理图，匹配发动机功率、液压额定工作压力， 对马达和液压泵进行了选型工作。这些是后续进行流量耦合、恒压耦合系统研究，以及液压传动系统控制研究的必不可少的前期准备，并且为建立液压系统数学模型提供仿真参数依据。用AMESim软件建立液压系统模型，仿真结果验证了参数配置的正确性，仿真曲线的扰动，指明了研究液压系统自适应控制系统的必要性[5]。

[1] 车辆全液压行走系统的分析与研究[J]. 安辉,徐宝富,王凤丽,钟晓竹,宋蕴璞. 建筑机械. 2005(05)

[2] 车辆液压驱动系统的控制原理及参数匹配[J]. 姚怀新. 中国公路学报. 2002(03)

[3] 基于AMESim的液压系统建模与仿真技术研究[D]. 刘海丽.西北工业大学.2006

[4] 新型离心抛扬式除雪车液压系统的设计[D].赵坤.大连交通大学.2015

[5] 变量泵控制变量马达系统变结构控制算法[J]. 王岩.北京航空航天大学学报. 2010(12).

Engineering vehicle hydraulic transmission system structure analysis and parameter configuration

Xie Yuhang, Wang Shicheng
( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002 )

in this paper, the basic circuit of hydraulic transmission system control mode and driving scheme is studied,combined with the design requirements, determine the use of closed circuit, high-speed driving scheme of variable pump variable motor speed control volume, and draw the working principle of hydraulic system diagram. Then, the relevant parameters are configured to match the power and work pressure of the engine, and the hydraulic components are selected.Finally, the hydraulic system model is established by using AMESim software to verify the correctness of the system design and parameter configuration in the early stage.

hydraulic transmission; closed loop; volume control; matching pressure; AMESim

TP271.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-135-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.047

谢宇航，(1992-)，男，硕士研究生，研究方向汽车传动与控制。基金项目：机场除雪车静液压传动系统设计基金项目（Y2016 312）。