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文檔簡介
1 關于輸入式液壓機械無級變速器的基本研究 摘要 在本篇論文里,主要是比較輸入式液壓機械無級變速器和輸出式液壓機械無級變器的差別。由于單級液壓機械無級變速器在車輛中的應用,對輸入式液壓機械無級變速器的研究較多。顯而易見,輸入式液壓機械無級變速器的動作和控制方案被研究并應用與 100kw級別的交通車輛上。 關鍵詞 : 行星齒輪機構,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)動機的能量轉(zhuǎn)變成液壓能來驅(qū)動機器。 HST被廣泛的應用與機械中,因為它有好的變速性。 但是,傳統(tǒng)液壓變速器 HST 有以下缺 點:低的傳遞效率,窄的速度段和小的速比變化。 HMT(液壓機械無級變速器 )是 HST和行星齒輪的組合體,行星齒輪通過分引擎的功率 ,很好的解決了這個問題。 2 HMT 通過行星齒輪機構,根據(jù) HST 的特性,可以很容易得到兩個速度段,并且傳遞效率高。另外, HMT的齒輪傳動比范圍比 HST大。 但是,僅設計 HMT的參數(shù)時不夠的。因為實際的實驗結(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際情況和運動控制方案。 2.液壓機械無級變速器 HMT有兩部分組成,一 個是傳遞發(fā)動機動力的行星齒輪機構,另一部分是轉(zhuǎn)變引擎動力為液壓能的 HST。 HMT的基本單位是單級的行星齒輪結(jié)構。 功率分流有兩種方式,分別是:輸入分流式液壓機械無級變速器和輸出分流液壓機械無級變速器。輸入分流式液壓機械無級變速器是液壓功率和被控速比的輸出軸的組合體。輸出分流式液壓機械無級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 行星齒輪機構 行星齒輪機構由行星輪,齒圈及兩個或兩個以上的行星架組成。一般選擇兩個輸入就有一個輸出,例如: 太陽輪,齒圈輸入,那么行星架就輸出。行星齒輪機構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:太陽輪的轉(zhuǎn)矩 rt : 齒圈的轉(zhuǎn)矩 ct : 行星架的轉(zhuǎn)矩 sZ :太陽輪齒數(shù) rZ : 齒圈的齒數(shù) 3 一般的速比圖表是一個平衡圖。水平線 X軸是行星齒輪中心距的比值,垂線 Y軸是轉(zhuǎn)速。每個齒輪的轉(zhuǎn)速是線性的。利用這個圖表,設計 HMT會變得直觀和容易,無論是如何確定輸入,輸出及液壓功率是驅(qū)動行星齒輪機構中的太陽輪,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)動方式。 3. HMT 的基本特性 3.1HMT 的優(yōu)點 HMT擁有行星系和 HST的 優(yōu)點,所以 HMT在多方面都比 HST有優(yōu)勢,如下: 1) 可以變化的傳動比; 2) 傳動比變化范圍較 HST寬; 3) 傳遞效率比 HST高; 4) 機構可以得到相應的速度范圍。 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)動機和 HST的轉(zhuǎn)速變化,會引起輸出轉(zhuǎn)速的變化, HMT的變化也是這樣的。 HMT的速度段范圍比 HST大,那是因為,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。 HST 將發(fā)動機的能量轉(zhuǎn) 4 變?yōu)橐簤耗?,然后再轉(zhuǎn)化為機械能。特別在馬達壓力低及發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時,能量消耗較大,效率低。但是在 HMT里,只有一部分機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗埽虼似淇偟膫鲃有时?HST要高。 考慮機構傳動方式的話,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,這個問題稍后再做討論。 HMT通過簡單操作在低的速度下具有 HST的優(yōu)點:大轉(zhuǎn)矩。 3.2 分流形式的特點 假如機構和液壓傳動效率為 100%,為了比較輸入分流式 HMT 和輸出分流式 HMT。假設每種形式的能量、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)動機轉(zhuǎn)矩 iN:輸入速度 ON:輸出速度 pN:泵的速度 mN:發(fā)動機轉(zhuǎn)速 A: 泵齒輪的轉(zhuǎn)速 B: 發(fā)動機軸轉(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,泵的轉(zhuǎn)速為零時特殊速比被稱為參考速比refe。 處于參考速比時,泵的轉(zhuǎn)速為零時,能量只能通過機械傳遞,這時,效率最高。但這也是輸入分流和輸出分流 HMT效率下落點。 通過行星齒輪機構的特點有: 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) 這樣每個輸入對應一個輸出: 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,當然輸出分流式的 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。許多重要的點是液壓功率速比點,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 HST的泵或馬達速度是零時,兩種形式的 HMT的液壓功率分流比變成為相對速比,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,當速比是正的,也就是說速比比值比 3 小,發(fā)動機轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)矩都在正得范圍內(nèi),在這個范圍里,發(fā)動機功率被分為液壓功率和機械功率。 在液壓功率為零時,或者是接近相對速比 時, HST 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值為零。所有的能量通過機械傳遞,在這一點上, HMT的效率最高。 當液壓功率分流比是負的,也就是說速比比值 3 大,發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩為負,發(fā)動機被輸出軸驅(qū)動,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,因為引擎的能量在內(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)速接近相對速比的時刻 。 4.輸入分流式 HMT 的設計 迄今,許多形式的 HMT被設計了出來。但是,對于高速行駛的車輛來說,多級輸出式 HMT是個好的選擇,因為它的效率較高。通過選擇多級段的速度點,最典型輸出式 HMT的運用 是用在重型汽車或大功率拖拉機。 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),因此適合于低速機械。 假如首要的設計目的時為了獲得較高效率的話,那么多段輸入式 HMT是個不錯的選擇。雖然它的構造比較復雜。 假如設計的目的是為了經(jīng)濟實惠,單極輸入式 HMT就能滿足要求了。雖然這個變速箱比多段輸入式 HMT的效率低,但是和 HST驅(qū)動來說,在應用中其總的效率還時比較高的。 因此,對于自重為 2噸,功率為 100kw,最大車速 達 100 hkm 的車輛來說,單級 HMT很少 7 采用。 4.1HMT 型式的選擇 為了在 100hkm獲得較高的效率,速度段點的選擇在設計中要不斷的調(diào)整。從這一點出發(fā),我們選擇了結(jié)構復雜的 HMT,以至于速度段存在相對速比點。輸入軸和輸出軸分別連接行星架和太陽輪, HST的泵則連接在齒圈上。 4.2 設計 在考慮機器規(guī)格的情況下,參考速比點選 3。設計的首要任務是如何給出自由度和限制的自由度。在實際行星齒輪機構時,至少一部分被固定和給定
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