閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)及其變量機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、液壓混合動(dòng)力車輛受其儲(chǔ)能元件—蓄能器能量密度的限制，在將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)移到sweatline（輸出與負(fù)載功率相適應(yīng)的最佳效率點(diǎn)）后，需要實(shí)時(shí)地用多余的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償扭矩的不足，或用多余的扭矩補(bǔ)償轉(zhuǎn)速的不足，以避免對蓄能器的過度依賴，這就要求用于轉(zhuǎn)速、扭矩互為轉(zhuǎn)換的變量泵/馬達(dá)，在正常轉(zhuǎn)速低扭矩，或正常扭矩低轉(zhuǎn)速的極端工況下，仍然具有很高的效率。2004年蘇格蘭的Artimis公司數(shù)字變量泵DDP(Digital Displacement Pu

2、mp)的開發(fā)成功，在全世界液壓界掀起了一股“數(shù)字變量熱”。液壓界慣性地認(rèn)為，變量泵/馬達(dá)很快就能象數(shù)字變量泵一樣，在10％的轉(zhuǎn)速或10％的扭矩下，仍然能維持80％以上的高效率。但九年過去了，還沒有一家公司能有效地解決高速開關(guān)閥由于非平衡切換過程形成的節(jié)流壓差氣蝕，從而對柱塞造成嚴(yán)重?fù)p傷的問題，研究工作紛紛陷入停滯。
　　作者的導(dǎo)師作為數(shù)字變量液壓的前身——對液壓源實(shí)現(xiàn)整體數(shù)字變量的“開關(guān)液壓源”技術(shù)的創(chuàng)始人，一貫不認(rèn)同采用電控方法

3、補(bǔ)償液壓元件內(nèi)部缺陷的方法，因?yàn)殡娍責(zé)o法嚴(yán)格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動(dòng)作。只要節(jié)流壓差超過下游壓力的3倍，氣蝕就不可避免，從而產(chǎn)生較大的壓力沖擊，大幅度降低了元件的可靠性和耐久性，元件壽命極短。因此，作者2008年在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)留學(xué)訪問期間，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下提出了軸向柱塞馬達(dá)閥配流變量控制原理，在接下來的五年里，成功地將該原理應(yīng)用于斜軸式定量柱塞液壓馬達(dá)，深入地研究了這種開關(guān)變量控制機(jī)構(gòu)消除開關(guān)過程壓力沖擊、降低節(jié)流損耗、降低泄

4、漏損耗、以及提供再生制動(dòng)工況能力的方法，為提升變量泵/馬達(dá)低速小排量工況的效率、閥配流柱塞泵/馬達(dá)的可靠性、耐久性、可維修性另辟了一條捷徑。
　　論文原創(chuàng)了“軸向柱塞馬達(dá)閥配流變量機(jī)構(gòu)”，把“開關(guān)液壓源”中“純機(jī)液、低壓差、主動(dòng)關(guān)、被動(dòng)開”的理念，以及徑向柱塞泵的電控?cái)?shù)字變量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用到閥配流變量機(jī)構(gòu)中，提出了“閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)”的新結(jié)構(gòu):用一對高、低壓配流閥（純機(jī)液高速開關(guān)閥）控制斜軸式軸向柱塞馬達(dá)的一個(gè)柱塞，高、低壓

5、配流閥分別控制柱塞腔與高壓供油口、低壓回油口的油路通斷。高、低壓配流閥的主級(jí)采用錐閥，先導(dǎo)級(jí)為滑閥。所有高壓配流閥的先導(dǎo)閥芯都像徑向柱塞泵的柱塞一樣安裝到與缸筒同軸同步旋轉(zhuǎn)的先導(dǎo)閥體內(nèi)，由高壓變量驅(qū)動(dòng)環(huán)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥芯，控制高壓先導(dǎo)閥換向的角位置，讓超出該角位置的柱塞改從低壓油口吸油，把柱塞的這段吸油行程變成了不對外做功的無效行程，從而降低了馬達(dá)的平均輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)了“閥配流變量”;所有低壓配流閥的先導(dǎo)閥芯也同樣由另一個(gè)低壓變量驅(qū)動(dòng)環(huán)驅(qū)動(dòng)，

6、控制低壓先導(dǎo)閥換向的角位置，讓超出該角位置的柱塞改向高壓油口排油，把柱塞的這段行程變成了把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓壓力能的泵工況，輸出與換向角位置相對應(yīng)的的再生制動(dòng)扭矩;高壓變量驅(qū)動(dòng)環(huán)工作時(shí)低壓變量驅(qū)動(dòng)環(huán)全開，即柱塞不向高壓油口排油，反之亦然。在實(shí)現(xiàn)采用變量驅(qū)動(dòng)環(huán)控制高、低壓先導(dǎo)閥換向角位置的過程中，進(jìn)一步提出了“正交偏置”式驅(qū)動(dòng)環(huán)位置配置方法，在確保馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩和再生制動(dòng)扭矩能有效實(shí)現(xiàn)“閥配流變量”的基礎(chǔ)上，確保了高、低壓配流閥初始狀態(tài)的準(zhǔn)確

7、設(shè)置。
　　論文共分八章。
　　第一章是全文的綜述。首先闡述了論文的研究背景和意義，從混合動(dòng)力車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)對液壓元件的極端要求、電控?cái)?shù)字變量技術(shù)的前身——對液壓源實(shí)現(xiàn)整體數(shù)字變量的“開關(guān)液壓源”、以及國內(nèi)外目前針對液壓馬達(dá)內(nèi)每個(gè)柱塞實(shí)施數(shù)字變量受阻三個(gè)方面，剖析了現(xiàn)有數(shù)字變量技術(shù)在可靠性、耐久性、可維修性等方面普遍薄弱，無法在工業(yè)界應(yīng)用的根結(jié)在于，雖然數(shù)字變量技術(shù)在原理上可行，但在開關(guān)過程壓力沖擊、節(jié)流損耗、泄漏損耗、以及

8、再生制動(dòng)工況效率低下四個(gè)方面存在著嚴(yán)重缺陷，再次證明了作者的導(dǎo)師一貫堅(jiān)持的“不要試圖采用電控方法補(bǔ)償液壓元件內(nèi)部缺陷，因?yàn)殡娍責(zé)o法嚴(yán)格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動(dòng)作”這一觀點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了本文的研究目標(biāo)與研究內(nèi)容——閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)。
　　第二章提出了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的整體結(jié)構(gòu)。首先分析了液壓混合動(dòng)力車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)對馬達(dá)在極端工況下（輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值但輸出扭矩僅為額定值的10％，或者輸出扭矩達(dá)到額定值但輸出

9、轉(zhuǎn)速僅為額定值的10％），仍然需要達(dá)到較高效率的要求。為此創(chuàng)造了“閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)”的概念和結(jié)構(gòu)，提出了相應(yīng)的高、低壓配流閥組結(jié)構(gòu)，通過簡單的“變量驅(qū)動(dòng)環(huán)”的偏置，就可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)輸出扭矩和再生制動(dòng)扭矩的“閥配流變量”。在此基礎(chǔ)上，提出了“正交偏置”的變量變量驅(qū)動(dòng)環(huán)位置配置方法，在確保馬達(dá)輸出扭矩和再生制動(dòng)扭矩能有效實(shí)現(xiàn)“閥配流變量”的基礎(chǔ)上，確保了高、低壓配流閥初始狀態(tài)的準(zhǔn)確設(shè)置。最后建立了該馬達(dá)單個(gè)柱塞和7個(gè)柱塞聯(lián)合的仿真模型，

10、開發(fā)了該閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的原理樣機(jī)，搭建了樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)。
　　閥配流機(jī)構(gòu)是閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)實(shí)現(xiàn)“閥配流變量”的核心。第三章提出了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的閥配流機(jī)構(gòu)，分析了其靜態(tài)變量特性。首先分析了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)對其高、低壓配流閥流量、頻響接近極限的嚴(yán)格要求，據(jù)此提出了高、低壓配流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析了在馬達(dá)的一個(gè)工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個(gè)工作狀態(tài)，證明了“正交偏置”式的變量配流機(jī)構(gòu)，

11、在靜態(tài)上可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)輸出扭矩和再生制動(dòng)扭矩的“閥配流變量”。最后通過仿真和試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
　　電控“數(shù)字液壓”與“高速開關(guān)液壓”類似，不被很多專家學(xué)者和工業(yè)界看好，最主要的原因就是無法嚴(yán)格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動(dòng)作。只要節(jié)流壓差超過下游壓力的3倍，氣蝕就不可避免，從而產(chǎn)生較大的壓力沖擊，大幅降低了元件的可靠性和耐久性，元件壽命極短。為此，第四章專門分析了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的高、低壓配流閥切換過程的壓力平衡問題，對馬達(dá)的

12、一個(gè)工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個(gè)工作狀態(tài)，逐個(gè)進(jìn)行了分析，證明了所有這些高、低壓配流閥，無論是主閥還是先導(dǎo)閥，無論在哪一個(gè)工作狀態(tài)，都是“嚴(yán)格地在閥口壓力平衡的那一刻動(dòng)作”。在此基礎(chǔ)上，對閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)在啟動(dòng)、制動(dòng)和換向三個(gè)極端工況下的動(dòng)態(tài)特性也進(jìn)行了分析。最后通過仿真和試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
　　電控“數(shù)字液壓”不被很多專家學(xué)者和工業(yè)界看好的第二大原因，就是在高速開關(guān)閥開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程中，會(huì)產(chǎn)生很大節(jié)流損耗，甚至超

13、過了通過變量節(jié)省下來的能量;另外，在高速開關(guān)過程中，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力也變得不可忽略，進(jìn)一步延長了開關(guān)過程的時(shí)間，增加了節(jié)流損耗。為此，第五章專門分析了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性，特別是穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力對開關(guān)過程時(shí)間的影響。在此基礎(chǔ)上，對馬達(dá)的一個(gè)工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個(gè)工作狀態(tài)，逐個(gè)進(jìn)行了分析，證明了所有這些高、低壓配流閥，無論是主閥還是先導(dǎo)閥，無論在哪一個(gè)工作狀態(tài)，其節(jié)流損耗都非常低。最后通過仿真

14、加以驗(yàn)證。
　　電控“數(shù)字液壓”不被很多專家學(xué)者和工業(yè)界看好的第三大原因，就是元件內(nèi)部的零件數(shù)量非常多，而且很多都是在高速相對運(yùn)動(dòng)的，不平衡液壓力又會(huì)隨著變量比的變化而變動(dòng)，因而產(chǎn)生了很大泄漏損耗，甚至還會(huì)帶來機(jī)械摩擦。作者在兩年前就已經(jīng)完成了論文前幾章的研究工作，由于在這些高速高壓的相對運(yùn)動(dòng)面上存在大量的泄漏和摩擦，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)研究工作無法開展下去，才又重新研究了一輪。為此，第六章專門針對這些高壓高速的相對旋轉(zhuǎn)面，特別是配流盤位置，

15、提出了基于圓盤縫隙前置阻尼的中心通流式靜壓推力軸承結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)的中心旋轉(zhuǎn)部分，替代常規(guī)軸向柱塞泵或柱塞馬達(dá)的剩余壓緊力配合方法，將所有高壓高速相對運(yùn)動(dòng)面的泄漏損耗都降到較低水平。最后通過仿真和試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
　　液壓混合動(dòng)力車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)對變量泵/馬達(dá)提出了“正反轉(zhuǎn)效率基本相等”的要求，即要求變量泵/馬達(dá)在再生制動(dòng)工況下的效率與正向驅(qū)動(dòng)時(shí)基本相等。為此，第七章專門分析了閥配流變量軸向柱塞馬達(dá)工作在再生制動(dòng)工況