閥配流變量軸向柱塞馬達及其變量機構研究.pdf

1、液壓混合動力車輛受其儲能元件—蓄能器能量密度的限制，在將發(fā)動機的工作點移到sweatline（輸出與負載功率相適應的最佳效率點）后，需要實時地用多余的轉速補償扭矩的不足，或用多余的扭矩補償轉速的不足，以避免對蓄能器的過度依賴，這就要求用于轉速、扭矩互為轉換的變量泵/馬達，在正常轉速低扭矩，或正常扭矩低轉速的極端工況下，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”。液壓界慣性地認為，變量泵/馬達很快就能象數(shù)字變量泵一樣，在10％的轉速或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，從而對柱塞造成嚴重損傷的問題，研究工作紛紛陷入停滯。
　　作者的導師作為數(shù)字變量液壓的前身——對液壓源實現(xiàn)整體數(shù)字變量的“開關液壓源”技術的創(chuàng)始人，一貫不認同采用電控方法

3、補償液壓元件內部缺陷的方法，因為電控無法嚴格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動作。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年在美國明尼蘇達大學留學訪問期間，在導師的指導下提出了軸向柱塞馬達閥配流變量控制原理，在接下來的五年里，成功地將該原理應用于斜軸式定量柱塞液壓馬達，深入地研究了這種開關變量控制機構消除開關過程壓力沖擊、降低節(jié)流損耗、降低泄

4、漏損耗、以及提供再生制動工況能力的方法，為提升變量泵/馬達低速小排量工況的效率、閥配流柱塞泵/馬達的可靠性、耐久性、可維修性另辟了一條捷徑。
　　論文原創(chuàng)了“軸向柱塞馬達閥配流變量機構”，把“開關液壓源”中“純機液、低壓差、主動關、被動開”的理念，以及徑向柱塞泵的電控數(shù)字變量驅動機構，應用到閥配流變量機構中，提出了“閥配流變量軸向柱塞馬達”的新結構:用一對高、低壓配流閥（純機液高速開關閥）控制斜軸式軸向柱塞馬達的一個柱塞，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、低壓配流閥的主級采用錐閥，先導級為滑閥。所有高壓配流閥的先導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的先導閥體內，由高壓變量驅動環(huán)驅動先導閥芯，控制高壓先導閥換向的角位置，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，從而降低了馬達的平均輸出扭矩，實現(xiàn)了“閥配流變量”;所有低壓配流閥的先導閥芯也同樣由另一個低壓變量驅動環(huán)驅動，

6、控制低壓先導閥換向的角位置，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械能轉化為液壓壓力能的泵工況，輸出與換向角位置相對應的的再生制動扭矩;高壓變量驅動環(huán)工作時低壓變量驅動環(huán)全開，即柱塞不向高壓油口排油，反之亦然。在實現(xiàn)采用變量驅動環(huán)控制高、低壓先導閥換向角位置的過程中，進一步提出了“正交偏置”式驅動環(huán)位置配置方法，在確保馬達輸出轉矩和再生制動扭矩能有效實現(xiàn)“閥配流變量”的基礎上，確保了高、低壓配流閥初始狀態(tài)的準確

7、設置。
　　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，從混合動力車輛的傳動系統(tǒng)對液壓元件的極端要求、電控數(shù)字變量技術的前身——對液壓源實現(xiàn)整體數(shù)字變量的“開關液壓源”、以及國內外目前針對液壓馬達內每個柱塞實施數(shù)字變量受阻三個方面，剖析了現(xiàn)有數(shù)字變量技術在可靠性、耐久性、可維修性等方面普遍薄弱，無法在工業(yè)界應用的根結在于，雖然數(shù)字變量技術在原理上可行，但在開關過程壓力沖擊、節(jié)流損耗、泄漏損耗、以及

8、再生制動工況效率低下四個方面存在著嚴重缺陷，再次證明了作者的導師一貫堅持的“不要試圖采用電控方法補償液壓元件內部缺陷，因為電控無法嚴格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動作”這一觀點。在此基礎上，提出了本文的研究目標與研究內容——閥配流變量軸向柱塞馬達。
　　第二章提出了閥配流變量軸向柱塞馬達的整體結構。首先分析了液壓混合動力車輛的傳動系統(tǒng)對馬達在極端工況下（輸出轉速達到額定值但輸出扭矩僅為額定值的10％，或者輸出扭矩達到額定值但輸出

9、轉速僅為額定值的10％），仍然需要達到較高效率的要求。為此創(chuàng)造了“閥配流變量軸向柱塞馬達”的概念和結構，提出了相應的高、低壓配流閥組結構，通過簡單的“變量驅動環(huán)”的偏置，就可以實現(xiàn)馬達輸出扭矩和再生制動扭矩的“閥配流變量”。在此基礎上，提出了“正交偏置”的變量變量驅動環(huán)位置配置方法，在確保馬達輸出扭矩和再生制動扭矩能有效實現(xiàn)“閥配流變量”的基礎上，確保了高、低壓配流閥初始狀態(tài)的準確設置。最后建立了該馬達單個柱塞和7個柱塞聯(lián)合的仿真模型，

10、開發(fā)了該閥配流變量軸向柱塞馬達的原理樣機，搭建了樣機試驗系統(tǒng)。
　　閥配流機構是閥配流變量軸向柱塞馬達實現(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的閥配流機構，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對其高、低壓配流閥流量、頻響接近極限的嚴格要求，據(jù)此提出了高、低壓配流閥的結構參數(shù)。在此基礎上，分析了在馬達的一個工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個工作狀態(tài)，證明了“正交偏置”式的變量配流機構，

11、在靜態(tài)上可以實現(xiàn)馬達輸出扭矩和再生制動扭矩的“閥配流變量”。最后通過仿真和試驗加以驗證。
　　電控“數(shù)字液壓”與“高速開關液壓”類似，不被很多專家學者和工業(yè)界看好，最主要的原因就是無法嚴格保證液壓元件在壓力平衡的那一刻動作。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的高、低壓配流閥切換過程的壓力平衡問題，對馬達的

12、一個工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個工作狀態(tài)，逐個進行了分析，證明了所有這些高、低壓配流閥，無論是主閥還是先導閥，無論在哪一個工作狀態(tài)，都是“嚴格地在閥口壓力平衡的那一刻動作”。在此基礎上，對閥配流變量軸向柱塞馬達在啟動、制動和換向三個極端工況下的動態(tài)特性也進行了分析。最后通過仿真和試驗加以驗證。
　　電控“數(shù)字液壓”不被很多專家學者和工業(yè)界看好的第二大原因，就是在高速開關閥開關的動態(tài)過程中，會產生很大節(jié)流損耗，甚至超

13、過了通過變量節(jié)省下來的能量;另外，在高速開關過程中，穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力也變得不可忽略，進一步延長了開關過程的時間，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的動態(tài)特性，特別是穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力對開關過程時間的影響。在此基礎上，對馬達的一個工作循環(huán)中，在高、低壓配流閥控制下形成的六個工作狀態(tài)，逐個進行了分析，證明了所有這些高、低壓配流閥，無論是主閥還是先導閥，無論在哪一個工作狀態(tài)，其節(jié)流損耗都非常低。最后通過仿真

14、加以驗證。
　　電控“數(shù)字液壓”不被很多專家學者和工業(yè)界看好的第三大原因，就是元件內部的零件數(shù)量非常多，而且很多都是在高速相對運動的，不平衡液壓力又會隨著變量比的變化而變動，因而產生了很大泄漏損耗，甚至還會帶來機械摩擦。作者在兩年前就已經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動面上存在大量的泄漏和摩擦，導致實驗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構，應用在閥配流變量軸向柱塞馬達的中心旋轉部分，替代常規(guī)軸向柱塞泵或柱塞馬達的剩余壓緊力配合方法，將所有高壓高速相對運動面的泄漏損耗都降到較低水平。最后通過仿真和試驗加以驗證。
　　液壓混合動力車輛的傳動系統(tǒng)對變量泵/馬達提出了“正反轉效率基本相等”的要求，即要求變量泵/馬達在再生制動工況下的效率與正向驅動時基本相等。為此，第七章專門分析了閥配流變量軸向柱塞馬達工作在再生制動工況