單泵驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)多路馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出特性

呂世君，朱鴻飛，苗宇航，聞德生

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 前言

液壓技術(shù)是工業(yè)體系中至關(guān)重要的一環(huán)，大到航空航天，小到日常生活，液壓傳動(dòng)無處不在[1-2]。近年來，節(jié)能、綠色、環(huán)保、高效的觀念已經(jīng)深入人心。推動(dòng)液壓傳動(dòng)向更高功率密度、更輕質(zhì)量、更小體積、更少污染方向發(fā)展是一種必然的趨勢[3]。圍繞這個(gè)中心，眾多學(xué)者、研究人員以及相關(guān)行業(yè)從業(yè)者紛紛在材料[4-5]、原理[6-7]、元件[8-9]、系統(tǒng)[10-11]等方面展開了大量研究，通過不同的方式對(duì)液壓傳動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。擺動(dòng)液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、功率質(zhì)量比大、可靠性高等特點(diǎn)，不需任何變速機(jī)構(gòu)就可以使負(fù)載獲得往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)[12]。雙定子多作用擺動(dòng)多路馬達(dá)在原有的擺動(dòng)馬達(dá)基礎(chǔ)上，通過兩側(cè)端蓋、轉(zhuǎn)子和內(nèi)、外定子，在殼體內(nèi)部形成內(nèi)外兩種馬達(dá)，兩種馬達(dá)的排量成比例，工作時(shí)既可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)內(nèi)、外馬達(dá)之一工作，又可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩者聯(lián)合工作，還可以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)工作[13-15]，從而形成一個(gè)馬達(dá)、多種輸出。本文作者基于擺動(dòng)多路馬達(dá)和單泵建立新型傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)這種傳動(dòng)系統(tǒng)下馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行理論探討和分析，這種新型傳動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(擺動(dòng)多路馬達(dá))下，輸出多種轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

1 擺動(dòng)多路馬達(dá)原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，以雙定子雙作用擺動(dòng)多路馬達(dá)為例。雙定子雙作用擺動(dòng)多路馬達(dá)由1個(gè)外定子、1個(gè)內(nèi)定子、1個(gè)轉(zhuǎn)子以及兩側(cè)端板組成。外定子、轉(zhuǎn)子和兩側(cè)端板組成外馬達(dá)；內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子和兩側(cè)端板組成內(nèi)馬達(dá)。內(nèi)外馬達(dá)相互獨(dú)立，均由葉片分隔成兩個(gè)馬達(dá)，每個(gè)馬達(dá)的輸入、輸出油口單獨(dú)設(shè)置，轉(zhuǎn)子中心與內(nèi)外定子的中心重合，內(nèi)外馬達(dá)同軸輸出，既充分利用了馬達(dá)內(nèi)部的空間，提高了功率質(zhì)量比，又可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的多輸出。

圖1 擺動(dòng)多路馬達(dá)原理

1.2 工作原理及職能符號(hào)

雙定子雙作用擺動(dòng)多路馬達(dá)有2個(gè)外馬達(dá)、2個(gè)內(nèi)馬達(dá)，共計(jì)8個(gè)密閉的腔室，內(nèi)、外馬達(dá)的排量成比例。在輸入流量和進(jìn)、出油口壓差一定的情況下，通過控制內(nèi)、外擺動(dòng)馬達(dá)進(jìn)、出油口的通斷，即可使擺動(dòng)馬達(dá)輸出多種角速度和轉(zhuǎn)矩。擺動(dòng)多路馬達(dá)職能符號(hào)如圖2所示。

圖2 擺動(dòng)多路馬達(dá)職能符號(hào)

2 連接方式

2.1 普通連接方式

以雙定子雙作用擺動(dòng)多路馬達(dá)為例，馬達(dá)有兩個(gè)等量的外馬達(dá)和兩個(gè)等量的內(nèi)馬達(dá)，內(nèi)、外馬達(dá)的排量成比例，在單泵輸入的情況下內(nèi)、外馬達(dá)均有0個(gè)工作、1個(gè)工作和2個(gè)工作的狀態(tài)，傳動(dòng)的形式一共有3×3-1=8種。圖3所示為馬達(dá)的幾種典型普通連接方式。

圖3 普通連接方式

2.2 差動(dòng)連接方式

差動(dòng)連接可以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，其原理是液壓缸兩側(cè)的有效工作面積不同，將無桿腔和有桿腔連在一起，通入高壓油后，以損失輸出力為代價(jià)，增大輸入無桿腔內(nèi)的流量，實(shí)現(xiàn)快速伸出。雙定子擺動(dòng)馬達(dá)的外、內(nèi)馬達(dá)排量之比為C，當(dāng)C≠1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)2×2=4種差動(dòng)連接，如圖4所示為差動(dòng)連接方式。

圖4 差動(dòng)連接方式

3 馬達(dá)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的分析

為便于分析，將馬達(dá)進(jìn)、出油口壓差設(shè)置為Δp，輸入油液流量為定值Q。在不考慮泄漏的情況下，設(shè)一個(gè)內(nèi)擺動(dòng)馬達(dá)的排量為V1，轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)矩為T1，一個(gè)外馬達(dá)的排量為V2，轉(zhuǎn)速為n2，轉(zhuǎn)矩為T2，則有：

(1)

(2)

(3)

3.1 普通連接方式下馬達(dá)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

普通連接方式下雙定子雙作用擺動(dòng)多馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 普通連接下馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

由表1知：對(duì)于以單泵為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的雙定子N作用擺動(dòng)多馬達(dá)存在這樣的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速公式：

T=(k1+Ck2)ΔpV1

(4)

(5)

式中：k1為工作的內(nèi)馬達(dá)個(gè)數(shù)(k1≤N)；k2為工作的外馬達(dá)個(gè)數(shù)(k2≤N)。

3.2 差動(dòng)情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩

差動(dòng)情況下馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如表2所示。

表2 差動(dòng)連接下馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

由表2知：對(duì)于以單泵為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的雙定子N作用擺動(dòng)多馬達(dá)差動(dòng)連接存在這樣的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速公式：

T=(Ck2-k1)×Δp×V1

(6)

(7)

3.3 比例系數(shù)C對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響

對(duì)于雙定子擺動(dòng)多路馬達(dá)而言，由于外、內(nèi)馬達(dá)排量成比例，比例系數(shù)為C，而馬達(dá)的差動(dòng)連接需要同時(shí)連接至少1個(gè)外馬達(dá)和1個(gè)內(nèi)馬達(dá)，當(dāng)比例系數(shù)C的值滿足Ck2=k1時(shí)就會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)；當(dāng)比例系數(shù)C滿足Ck2

4 仿真分析

傳統(tǒng)葉片式擺動(dòng)馬達(dá)的排量是不可變的，而雙定子擺動(dòng)多路馬達(dá)可以通過改變連接方式來實(shí)現(xiàn)排量的變化，從而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。圖5所示為多路馬達(dá)試驗(yàn)樣機(jī)，圖6所示為雙定子雙作用擺動(dòng)多路馬達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)公式(4)—公式(7)對(duì)馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析。取單個(gè)內(nèi)馬達(dá)排量為7 mL，單個(gè)外馬達(dá)排量為18 mL，進(jìn)出油口壓差Δp為6.5 MPa，馬達(dá)輸入流量為0.5 L/min。以雙作用和三作用的擺動(dòng)馬達(dá)作為分析對(duì)象，仿真結(jié)果如圖7—圖10所示。

圖5 多路馬達(dá)試驗(yàn)樣機(jī)

圖6 單泵驅(qū)動(dòng)多路馬達(dá)系統(tǒng)

圖7 普通連接下的轉(zhuǎn)矩種類

普通連接方式下馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩與內(nèi)馬達(dá)工作數(shù)k1、外馬達(dá)工作數(shù)k2的關(guān)系如圖7所示。

普通連接方式下馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與內(nèi)馬達(dá)工作數(shù)k1、外馬達(dá)工作數(shù)k2的關(guān)系如圖8所示。

圖8 普通連接下的轉(zhuǎn)速種類

從圖7和圖8不難看出：普通連接方式下，馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速種類與作用數(shù)N之間存在這樣的關(guān)系：轉(zhuǎn)矩種類數(shù)nT=轉(zhuǎn)速種類數(shù)nn=N2+2N。

差動(dòng)連接方式下馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩與內(nèi)馬達(dá)工作數(shù)k1、外馬達(dá)工作數(shù)k2的關(guān)系如圖9所示。

圖9 差動(dòng)連接下的轉(zhuǎn)矩種類

差動(dòng)連接方式下馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與內(nèi)馬達(dá)工作數(shù)k1、外馬達(dá)工作數(shù)k2的關(guān)系如圖10所示。

圖10 差動(dòng)連接下的轉(zhuǎn)速種類

從圖9和圖10可以看出：差動(dòng)連接方式下，馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速種類與作用數(shù)N之間存在這樣的關(guān)系：轉(zhuǎn)矩種類數(shù)nT=轉(zhuǎn)速種類數(shù)nn=N2。同時(shí)，比例系數(shù)的選取對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有較大影響，系數(shù)選取不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)乃至死點(diǎn)，反轉(zhuǎn)仍可以看作是一種差動(dòng)連接，而死點(diǎn)則應(yīng)盡量避免。

5 結(jié)論

以單泵和擺動(dòng)多路馬達(dá)組成的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從理論上探討了該系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出種類，并更進(jìn)一步推導(dǎo)出單泵對(duì)N作用的雙定子擺動(dòng)多路馬達(dá)的傳動(dòng)規(guī)律。相較于傳統(tǒng)的單泵單馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，該傳動(dòng)系統(tǒng)在普通連接狀態(tài)下可以輸出N2+2N種轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，差動(dòng)狀態(tài)下可以輸出N2轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，豐富了多泵多馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究多泵多馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。