越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力匹配控制

徐 磊，朱從民，王 縣

（總后建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

0 引言

靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵和液壓馬達(dá)組成，是一種無(wú)極變速的傳動(dòng)裝置，是通過(guò)改變泵或馬達(dá)的排量來(lái)調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和扭矩的，故又稱為容積調(diào)速裝置。靜壓傳動(dòng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)級(jí)調(diào)速、控制簡(jiǎn)便、控制方式多樣和功率利用合理等優(yōu)點(diǎn)在叉車行駛系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。主要應(yīng)用在叉車、自動(dòng)式震動(dòng)壓路機(jī)、穩(wěn)定土拌和機(jī)、輪式裝載機(jī)等工程車輛。本文針對(duì)某越野叉車作業(yè)工況。對(duì)叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

靜壓傳動(dòng)調(diào)節(jié)方式有：變量泵調(diào)速系統(tǒng)、變量馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)、變量泵一變量馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)三種形式。只需在變量泵和變量馬達(dá)之間加入自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置，便能夠?qū)崿F(xiàn)車輛運(yùn)行中的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而提高車輛的作業(yè)性能。靜壓傳動(dòng)有齒輪傳動(dòng)和液力變矩傳動(dòng)不具備的優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)勢(shì)為：

（1）無(wú)極調(diào)速高效區(qū)寬。根據(jù)泵和馬達(dá)的不同組合，可以使叉車獲得不同的牽引特性，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下有更好的負(fù)荷特性。改變變量泵的斜盤傾角和正反方向即可容易地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的變速及換向，方便實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速及微動(dòng)行駛。

（2）自動(dòng)變矩調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)。工程機(jī)械作業(yè)時(shí)，由于工況不斷的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載也不斷的調(diào)節(jié)。當(dāng)行駛阻力增大，馬達(dá)要克服大阻力其輸出扭矩增大，則其入口壓力增加，使泵輸出壓力增大，變量油缸液壓回位力增大，泵擺角減小，行駛速度下降，使車輛在一個(gè)新的穩(wěn)定速度下工作。當(dāng)行駛阻力大到發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出額定功率后，隨負(fù)載的加大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，DA 閥控制壓力減小，油泵排量降低，車輛行駛速度也隨之下降，實(shí)現(xiàn)恒功率驅(qū)動(dòng)。

（3）功率優(yōu)化分配，節(jié)省油料。靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配功能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能得以體現(xiàn)且節(jié)省油耗，減少尾氣排放和降低噪音。靜壓傳動(dòng)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在非常合理的范圍內(nèi)。以叉車舉例說(shuō)明，當(dāng)靜壓傳動(dòng)叉車的行駛速度在0～9km/h 內(nèi)變化時(shí)，通過(guò)改變斜盤的角度即可滿足。而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持大約在1500r/min。只有當(dāng)叉車行駛速度大干9 千米／小時(shí)后才需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得更高的行駛速度。

（4）易于控制操縱方便。靜壓系統(tǒng)在控制方面具有先天優(yōu)勢(shì)，便于將機(jī)械、液壓、電子集于一體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是叉車實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)。車輛前進(jìn)、后退、制動(dòng)等動(dòng)作只需一根操縱桿即可實(shí)現(xiàn)，并能迅速變速及無(wú)沖擊變換行駛方向。

此外，靜壓傳動(dòng)還具有低速性能好，總體布置方便，操作省力，可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2 某型越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

傳動(dòng)裝置是影響車輛行駛性能好壞的關(guān)鍵的組件之一，叉車的行駛工況更復(fù)雜，需要頻繁完成起動(dòng)、停止、換向等動(dòng)作，傳動(dòng)系統(tǒng)性能和叉車加速性能、操作性能、爬坡性能、油耗經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全保障等息息相關(guān)，所以傳動(dòng)系統(tǒng)可靠與否直接關(guān)系到叉車的可靠性和故障率。同時(shí)，越野叉車還應(yīng)當(dāng)具備在復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜天候環(huán)境下的作業(yè)能力，對(duì)行駛速度、動(dòng)力性能、爬坡能力、加速性能、脫困能力等均有特殊要求。

2.2 越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩基本是恒定的，扭矩曲線不是理想的牽引力雙曲線，當(dāng)扭矩超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)熄火，一個(gè)理想的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供不變的功率（恒功率），即速度增大時(shí)扭矩減小，反之亦然。為改善發(fā)動(dòng)機(jī)的外工作特性，就需配套合適的傳動(dòng)控制裝置。

靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)元件選擇的不同分為高速方案和低速方案，高速方案由軸向柱塞馬達(dá)通過(guò)變速箱，驅(qū)動(dòng)橋或減速機(jī)等中間傳動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)車輪，低速方案采用低速大扭矩的輪邊馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)車輪，中間幾乎不需要任何傳動(dòng)元件，馬達(dá)直接與車輪連接，可以帶有制動(dòng)器，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便。高速方案中要求液壓泵、液壓馬達(dá)具有較大的變量范圍，再配合變速裝置合理的速比和檔位的設(shè)置，可以得到理想的功率輸出特性曲線，滿足工程機(jī)械低速重載的需要，一般在重載的工程機(jī)械領(lǐng)域，大量使用高速方案。低速方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)組織和采購(gòu)環(huán)節(jié)工作量大大減小，低速方案車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)更加方便動(dòng)力分配，當(dāng)車輛某一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)打滑或懸空時(shí)，通過(guò)電磁閥的通斷控制可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的自由輪工況，使變量泵提供的壓力油進(jìn)入其它未打滑的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)差速鎖功能，有利于復(fù)雜地形環(huán)境作業(yè)。若高速行走時(shí)僅前橋驅(qū)動(dòng)，后橋兩液壓馬達(dá)摘斷油路，具有自由輪功能。一般相對(duì)較輕載的叉車領(lǐng)域，采用低速方案更加易于實(shí)現(xiàn)。只是目前低速大扭矩馬達(dá)的內(nèi)泄漏量一般比高速軸向柱塞馬達(dá)要大，因此在低速方案的靜壓傳動(dòng)裝置中，補(bǔ)油泵的排量要大一些。

該型越野叉車用于解決野外環(huán)境下托盤集裝物資裝卸搬運(yùn)、掏裝集裝箱和散件物資的裝卸及短途搬運(yùn)等多種勤務(wù)需求。該車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用靜壓傳動(dòng)低速方案，靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理詳見圖1。

圖1 越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Forklift field hydraulic schematic

3 越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)部件選型與設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的確定

發(fā)動(dòng)機(jī)是叉車的心臟，其動(dòng)力性能、可靠性、燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)叉車的許多技術(shù)性能指標(biāo)有著至關(guān)重要的作用。所以進(jìn)行叉車設(shè)計(jì)時(shí)，首先是根據(jù)叉車性能及允許發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的空間和通用性等要求進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的選型。

越野叉車使用地區(qū)廣泛，天氣差異大，工作環(huán)境惡劣，工況變化大，負(fù)荷較重。因此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)在具有良好的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性、工作可靠性，好的冷啟動(dòng)性能和易于維修保養(yǎng)、符合標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的壞保指標(biāo)等一般性要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有下列基本特性：①為保證能在急變化的負(fù)荷狀態(tài)下工作，一般宜采用全程式調(diào)速器，其瞬時(shí)調(diào)速率應(yīng)小于12%，穩(wěn)定調(diào)速率小于8%；②為適應(yīng)越野環(huán)境作業(yè)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的扭矩適應(yīng)性，通常扭矩儲(chǔ)備系數(shù)應(yīng)大于15%；③叉車常在傾斜的地面上作業(yè)，要求發(fā)動(dòng)要能在前后或左右傾斜狀態(tài)下正常工作，通常要求發(fā)動(dòng)性能在縱傾20°、橫傾15°狀態(tài)下工作；④叉車常在空氣含塵量較多的環(huán)境作業(yè)，要求有高效率的空氣濾清器，加油口，通氣口和管接頭處都應(yīng)有防塵密封；⑤為適應(yīng)高原地區(qū)工作需要，應(yīng)設(shè)置增壓器以補(bǔ)償高原功率的降低，要求在海拔2500m 地區(qū)作業(yè)而不降低功率；⑥發(fā)動(dòng)機(jī)的體積功率比，燃油和機(jī)油消耗率，轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)、最低工作穩(wěn)定思考速以及機(jī)械振動(dòng)技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)符合叉車的配套要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)功率可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：P—發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算功率（kW）；Dνmax—高速檔最大動(dòng)力因素，可取Dνmax=0.08/Q+0.04，Q 為叉車起重量單位為t；Vmax—滿載最大行駛速度（km/h）；Ga—叉車滿載總重（N）；ηt—傳動(dòng)效率，取ηt=0.7。

按GB 1105 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)功率修訂，具體可參考海拔每上升1000m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降12%的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)計(jì)算功率進(jìn)行修訂。根據(jù)計(jì)算值確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，在查閱發(fā)動(dòng)機(jī)樣本后根據(jù)總體布置的結(jié)構(gòu)尺寸的要求選定發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。

3.2 系統(tǒng)壓力確定

靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作壓力是指行走液壓系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)所能克服外載荷的最高限定壓力，在實(shí)際工作過(guò)程中，系統(tǒng)壓力隨著載荷大小不同而變化。在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)工作壓力往往是事先確定的，根據(jù)叉車的技術(shù)要求，經(jīng)濟(jì)效果和目前液壓技術(shù)所能達(dá)到的水平來(lái)確定的。

在外負(fù)荷已定的情況下，系統(tǒng)壓力選得越高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。壓力的選擇還要考慮制造、密封等因素，壓力太高，密封要求也高，制造維修困難。同時(shí)，隨著壓力的升高，尺寸和重量的減小是有限制的。因?yàn)閴毫ι叩揭欢ǔ潭?，元件與管道的壁厚也要相應(yīng)增加，尺寸和重量的減少將越來(lái)越少，甚至使液壓元件的尺寸和重量增大，所以壓力的選取要從現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)水平出發(fā)，全面考慮各種因素，然后加以確定。

3.3 牽引力計(jì)算

復(fù)雜路況滿載最大牽引力：

式中：N—叉車滿載總重（N）；f—總牽引力系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)選取0.8。

最大爬坡度時(shí)的牽引力：若叉車最大爬坡度為α°，所需最大牽引力Fmax為：

式中：N—叉車滿載總重（N）；f1—為滾動(dòng)磨擦系數(shù)取0.04。將以上數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算最大牽引力Fmax。

3.4 馬達(dá)排量計(jì)算

行走液壓馬達(dá)選用低速大扭矩的輪邊馬達(dá)，直接與輪胎相連，直接為車輪提供扭矩。馬達(dá)最大排量計(jì)算：

式中：Fmax—最大牽引力（N）；R—驅(qū)動(dòng)輪半徑（mm）；Qm—液壓馬達(dá)排量（mL/r）；n—馬達(dá)個(gè)數(shù)；P—系統(tǒng)壓力，壓力損失按10%計(jì)，故系數(shù)取0.9。根據(jù)計(jì)算馬達(dá)最大排量選擇合適的輪邊馬達(dá)。

3.5 泵排量計(jì)算

泵最大排量按下式計(jì)算：

式中：V—滿載最大行駛速度（km/h）；D—車輪直徑（mm）；n—發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速（rpm）；Qpmax—變量泵最大排量（mL/r）；Qm—液壓馬達(dá)的排量（mL/r）；ην——系統(tǒng)容積效率，取0.9。根據(jù)計(jì)算變量泵的最大排量選擇合適的變量泵。

4 液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配與控制

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵、液壓馬達(dá)組成一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)后，該系統(tǒng)的綜合性能不僅受發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)各組件本身性能的影響，而且還受到各部件性能參數(shù)之間是否合理匹配的影響，同時(shí)控制方式對(duì)系統(tǒng)的性能也有著特別重要的影響。不考慮機(jī)械傳動(dòng)的功率損失時(shí)，泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配方程為：

式中：Pp（t）—液壓泵吸收功率；Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。即泵的吸收功率等于發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)：

式中：Mp（t）—液壓泵吸收扭矩；Me—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。

即泵的吸收扭矩等于發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作點(diǎn)的輸出扭矩。

式中：Mp（t）—液壓泵吸收扭矩；Pp—液壓泵壓力；qp—液壓泵排量。Pp取決于負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，引起Pp和Mp（t）的變化，當(dāng)Mp（t）偏離最佳工作點(diǎn)時(shí)，泵與發(fā)動(dòng)機(jī)不匹配，通過(guò)調(diào)節(jié)泵的排量qp以改變Mp（t），使得Mp（t）始終近似滿足等式Mp（t）=Me，這就實(shí)現(xiàn)了泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配。

由以上匹配方式出發(fā)，將叉車的發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓傳動(dòng)裝置—負(fù)荷看作是負(fù)荷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出最適合于發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方式：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制：不論外界負(fù)荷扭矩的大小如何變化，都要將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩控制為一定值，即通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的變換作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)定值適應(yīng)變化的負(fù)荷扭矩，若給定合適的負(fù)荷率，在這一工況下工作，則發(fā)動(dòng)機(jī)性能不為外界負(fù)荷的變化所影響，功率利用情況最好。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制：據(jù)外界負(fù)荷扭矩的變化來(lái)控制調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用和燃料經(jīng)濟(jì)性對(duì)于外負(fù)載始終處于最佳狀態(tài)。

通常為了更好的適應(yīng)外負(fù)載的變化，保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，一般將兩種控制方式結(jié)合使用，即根據(jù)外負(fù)荷的狀況控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，然后通過(guò)調(diào)整變量泵的排量使其適應(yīng)外負(fù)荷在該狀況下的變化，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的功率得以充分發(fā)揮并且燃油經(jīng)濟(jì)性最好。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制和變功率控制。其原理及實(shí)現(xiàn)如圖2 所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓傳動(dòng)裝置的性能參數(shù)進(jìn)行良好的匹配以后，發(fā)動(dòng)機(jī)合適的負(fù)荷率是其動(dòng)力性、燃油性和液壓系統(tǒng)效率最佳的必要條件。大約在90%～100%的負(fù)荷率下燃料消耗率最低。

圖2 泵與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配實(shí)現(xiàn)方案框圖

按以上控制方式進(jìn)行行走液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制裝置目前主要有電動(dòng)比例控制和機(jī)械-液壓伺服控制兩種，如德國(guó)力士樂公司的A4VG 變量泵中的DA 控制，意大利SAM 公司HCV 系列液壓泵的HVA 控制，德國(guó)林德公司的BPV 系列泵中的Au 控制等均屬于機(jī)械-液壓伺服控制方式；德國(guó)力士樂公司的A4VG 系列泵中的EP 控制。一般控制方式在變量泵的樣本中均有詳細(xì)的說(shuō)明，我們根據(jù)叉車的使用工況來(lái)進(jìn)行合理的選擇。

5 結(jié)論

本文分析了靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了某型越野叉車靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件選型分析與設(shè)計(jì)計(jì)算，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制與發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制兩種靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力匹配控制策略，并給出了具體解決思路，使靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)在越野叉車上得到了成功的應(yīng)用。

[1]羅艷蕾.工程機(jī)械中靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)形式及調(diào)節(jié)原理[J].有色金屬，2003，1.

[2]李杰勝.靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2006，6.

[3]陳月春，曾育平，李耀.靜壓傳動(dòng)車輛的功率匹配節(jié)能控制研究[J].液壓與氣動(dòng)，2010，3.

[4]田晉躍，劉新磊，劉益民.車輛靜液傳動(dòng)匹配技術(shù)的研究[J].液壓與氣動(dòng)，2006,10.