静液压储能传动汽车动力源系统匹配及性能分析

!""#年$月农业机械学报第$%卷第$期静液压储能传动汽车动力源系统匹配及性能分析李翔晟常思勤韩文&摘要’分析了静液压储能传动汽车动力源系统中发动机(蓄能器和液压泵之间的匹配关系)论述了气囊式蓄能器各参数之间的关系)以及蓄能器的压力比(有效容积(多变指数等参数的变化对能量回收(能量密度及汽车制动性能的影响*关键词+车辆静液压传动匹配中图分类号+,-#$.!文献标识码+/0121345678914:74;3851238<=3>56?8@A 1>B 118C 8@?8138<D 55E ;E F 3>7438<9E ;G:74>61H 16?5F 17:I J <472>3>?5K 4382;?22?78L J 2>1;M N O N P Q R S T U Q R V T P Q RW N X N Q Y P QZU Q [\]^_‘^ab ^‘c d e f ‘g hi jk l ‘d ^l d m n d l o ^i p i a h qD A 2>435>r T N S s P s U t u t N U v w x N Q y t z {|}U S y T U }z ~s z S N y N z Q )!z t "N Q Rs t N Q }N s w U P Q {}T P t P }y U t N S y N }S z v P Q U !y t P Q S ~N S S N z Q S x S y U ~##T x {t z S y P y N }y t P Q S ~N S S N z Q )!N y T U ~s T P S N S z Q y T U ~P y }T N Q R u U y !U U Q U Q R N Q U )P }}|~|w P y z t P Q {s |~s $r T t z |R T ~P y T U ~P y N }P w ~z {U w y T U t U w P y N z Q S T N s u U y !U U Q s P t P ~U y U t S +S |}TP S s z w x y t z s N }U %s z Q U Q y )}T P t R U &z w |~U )U v v U }y N &U &z w |~U P Q {s t U S S |t U t P y N zz v P }}|~|w P y z t )P Q {y T U N tN Q v w |U Q }Uz Q U Q U t R x{U Q S N y xP Q {u t P "N Q Rs U t v z t ~P Q }U Sz v &U T N }w U !P S P Q P w x ’U {N Q{U y P N w $r T Ut U S |w y S}P Qu U|S U {y z{U S N R Qy T UT x {t z S y P y N }y t P Q S ~N S S N z QS x S y U ~P Q {S U w U }y z s U t P y N Q Rs P t P ~U y U t S$(1JB 74<2)U T N }w U )Y x {t z S y P y N }y t P Q S ~N S S N z Q )*P y }T N Q R收稿日期+!""-++"$李翔晟南京理工大学车辆与交通工程系博士生)!+"",-南京市常思勤南京理工大学机械工程学院教授博士生导师韩文南京理工大学车辆与交通工程系博士生引言静液压储能传动由于具有制动能再生)降低发动机装机容量)即减少燃料消耗和排放等特点目前受到人们的广泛关注*我国在这一领域的研究还处在理论性研究阶段)主要采用模拟试验的方法*本文将利用数学模型和仿真的方法)对动力源中发动机(蓄能器和液压泵之间的匹配关系进行分析)对气囊式蓄能器各参数之间的关系)以及蓄能器的压力比(有效容积和多变指数等参数的变化对能量回收(能量密度及车辆制动性能的影响进行论述*-汽车静液压储能传动系统-.-基本组成汽车静液压传动系统主要由发动机(液压变量泵(液压蓄能器(液压变量马达(减速装置及驱动桥组成*其中减速装置指液压系统与主减速器匹配的减速器*-..工作原理汽车静液压储能传动系统工作原理如图+所示*在该系统中)蓄能器使系统中液压泵的体积流量/+与变量马达的流量/!之间没有直接联系)流量之差/$0/+1/!将直接流入或流出液压蓄能器)即液压泵和变量马达有互不相关的转速*变量马达采用对称结构)可过零点的轴向柱塞斜盘式结构)变量马达完全可逆工作)即排量23的大小和方向均可以改变*亦即变量马达可在-个象限工作)当变量马达工作在一象限时驱动车辆前进)在三象限时驱动车辆后退)即车辆倒挡工况是通过改变变量马达的旋向来实现的)4444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444当在二象限和四象限时分别为前进和后　万方数据退的制动工况!静液压传动系统就是通过调节变量马达斜盘的倾斜角及其方向来适应外负载的变化和马达工况转变的!图"静液压储能传动系统原理图#$%&"’()*+,-$(.$,%/,+01-)*232-*+"&发动机4&液压泵5&单向阀6&蓄能器7&双向变量马达8泵9&工作机构:&油箱;动力源系统分析;<=发动机的工作特性发动机的运行情况以其发出的功率>?和转速@?来表示!此功率和转速应该与发动机所驱动的工作机械要求的功率和转速相适应!只有当发动机发出的转矩与工作机械所消耗的转矩相等时A两者才能在一定的转速下稳定工作!由于稳定工作必须满足转矩相等的条件A当工作机械阻力矩或转速变化时A 就引起与之配合的发动机运行工况的变化A因此发动机工况变化规律与所带动的工作机械的工作情况有关!车用发动机的功率和转速都独立地在很大范围内变化A它们之间没有特定的关系!其运行情况是B转速取决于行驶车速A可以从最低稳定转速一直变到最高转速C转矩取决于行驶阻力A在同一转速下A可由零变到全负荷!因此A发动机很难在一个相对较佳的工作区域运行!由于静液压储能传动使发动机的工况与工作负荷没有直接联系A只要发动机与系统匹配合理就能使发动机在一个相对较佳的工作区域内稳定工作A提高发动机的运行效率和经济性A同时减少排放!;<;液压变量泵与发动机的匹配分析发动机的输出功率为>?DE?@?F77GH"I式中E?JJ 发动机输出的转矩A K L+由文献M4A5N得液压泵的驱动功率为>O D P O Q O9G R SDE O@OF77GH4I其中EO D P O T O9G R UQ O DR V@O T O"G G GR S D R V R U H5I式中P O JJ泵进出口压力差A WX,Q O JJ泵流量A Y8+$ZE O JJ泵驱动转矩A K L+@O JJ泵转速A/8+$Z R S JJ泵的总效率R V JJ泵容积效率T O JJ泵排量A+Y8/R U JJ泵机械效率A对高性能柱塞泵A可取为G<F7由式H4I[H5I和传动关系A得液压泵与发动机之间关系为>O DP O@O T O9GG G G R UD>?H6I由式H"I[H6I A@O D@?时整理得E?DP O T O4\R UH7I 当发动机工作在某一最佳工作点时A节气门开度不变A转速一定A其输出转矩为一常值A所以液压泵与发动机匹配关系式为E0]-D R U E?D^H9I式中E0]-JJ液压泵的输出转矩A K L+对于变量泵A当工作负载引起P O变化时A通过调节变量泵的排量TO使得发动机的输出转矩H液压泵所需的输入转矩I不变A另外当瞬时负载增加时A 还可由蓄能器补能以保证发动机的输出转矩不变A 这样就实现了液压变量泵与发动机之间的功率匹配A发动机的转速为期望的最佳工作点处的转速!由此得出结论A当发动机在期望的最佳工作点运行时A 欲实现液压泵与发动机匹配A则要求液压泵具有恒转矩特性!;<_蓄能器参数与系统匹配分析蓄能器是动力源系统中重要元件A它的作用就是回收能量和储存能量A需要的时候向系统释放能量!因此A蓄能器对能量回收[发动机装机容量及整车的性能有重要的影响!;<_<=蓄能器储能分析影响蓄能器储能大小的主要参数有初态容积[最大与最小工作压力[多变指数和有效容积等!液压蓄能器在气体压缩过程中A所能储存的能量M6N为‘DO4T4aO"T""a@D O4T4ab T""a@H:I其中b D O"8O4式中O"JJ蓄能器的最低工作压力A WX,T"JJ与O"对应的容积A YO4JJ蓄能器的最高工作压力A WX,T4JJ与O4对应的容积A Y@JJ气体的多变指数A等温过程@D"A绝热过程@D"<6根据气体定律之多变过程M4N有5"第5期李翔晟等B静液压储能传动汽车动力源系统匹配及性能分析　万方数据!"#$"%!&#$&%!’#$’%(得#’)#&%*!&)!’+&$%,&$*-+则蓄能器单位容积储存的能量./%.#&%!’&0$*,&)$0,+*1+由式*2+3*1+分别得#&%.*&0$+!’*,&)$0,+*&"+#’%.*&0$+!’*,&)$0,+,&)$*&&+则蓄能器的吸能容积4#%#&0#’%.*&0$+*&0,&)$+!’*,&)$0,+*&’+蓄能器的质量56#&%57,4#859,#’8574#%*57,857+#&*&0,&)$+859,#&,&)$*&:+式中56;;蓄能器密度<=>)?:57;;液压油密度<=>)?:57,;;气囊密度<=>)?:59,;;气体密度<=>)?:蓄能器单位质量储存的能量为.@%.56#&%!’&0$*,&)$0,+*57,857+*&0,&)$+859,,&)$*&A +设系统最高压力为:&B C DE F <蓄能器单位容积和单位质量储存能量如图’所示*!’%:&B C DE F +G H B I B H 蓄能器储能密度的影响因素分析如果气体的膨胀或压缩是在绝热条件下完成<则多变指数是温度和压力的简单函数<蓄能器的储能密度随多变指数的增加而降低G 蓄能器储能密度与压力比3多变指数的关系如图’所示G 由图’可知<当!’%:&B C DE F 3$%&B ’3,%"B :C 时<蓄能器的储能密度最大G 由此说明<对一个选定的皮囊式液压蓄能器<在不同的多变指数下<发挥其储能效果的最优条件是液压蓄能器的最低压力为其最高压力的:"J 左右G 与文献K C L的结论相同G H B I B I 蓄能器最低压力的选择蓄能器总容积3被压缩气体容积3有效容积与蓄能器最小压力之间关系*$%&B ’<!’%:&B C DE F +如图:所示G 由图:可知<蓄能器的最低压力从&"DE F 升高到&C DE F 时<蓄能器的总容积变化很小<而有效容积下降了’"J<为减小蓄能器的总容积<提高储能密度<蓄能器的最小压力应在&"M&C DE F 之间选择<这与前面的分析结果*,%"B :+一致G 但在实际应用中蓄能器的最小工作压力可能会超出此理想范围G图’储能密度3压力比3多变指数之间的关系曲线N O >P ’Q R S F T O U V W X O YZ R T [R R VR V R \>]^R V W O T ]F V ^Y \R W W _\R \F T O UF V ^Y U S ]T \U Y O ‘R a Y U V R V T*F+单位体积储存能量*Z+单位质量储存能量图:蓄能器的容积与最小压力关系曲线N O >P :Q R S F T O U V W X O YZ R T [R R Vb U S _?R F V ^?O V O ?_?Y \R W W _\R U c F ‘‘_?_S F T U \H B I B d 蓄能器有效容积的计算根据!"#$"%!&#$&%!’#$’%(<得蓄能器的有效容积4#e $%#"K &0*!&)!’+&)$L )*!&)!"+&)$*&C +式中!";;蓄能器的充气压力<DE F #";;与!"对应的容积<f 当#"3!&不变时<由式*&C +可知<要增大蓄能器的有效容积<一是减小!&)!’项的值<即增大最高工作压力与最低工作压力的差值!’0!&<当!’0!&的数值从"B &!&增大到"B ’!&时<蓄能器的有效容积将增大&倍g 二是减小!&)!"的值<但受充气压力!"的限制G 图A 为蓄能器有效容积在不同多变指数下随充气容积的变化曲线GA&农业机械学报’""h 年　万方数据图!蓄能器的有效容积随充气容积的变化曲线"#$%!&’()*#+,-.#/0’*1’’,’22’3*#4’4+(56’),73.)8$’4+(56’9:;蓄能器压力随充液容积的变化制动过程中充入蓄能器的油液体积为<=>?@AB C<C @7@由D >E F B C G H I A 和D >D AJ K @得B C >L A M D AJ K @N H M F G N 则<=>?@A L A M D AJK @N F G<C @7@M O I N式中<=PP 油液体积Q R B C PP 液压马达的转速Q8H 6#,G PP 车轮半径Q 6<C @PP 马达的总排量Q 6R H 8D PP 汽车车速Q 6H -D APP 制动时的车速Q 6H -K PP 制动减速度Q 6H -E蓄能器的体积变化S <T B ><O J <=Q 其中Q <O ><A M U A H U ON O H BQ 在储能过程中Q 蓄能器的压力U >U O M <O H <T BN BM O V N 图W 蓄能器压力随充入油液体积的变化曲线"#$%W X .),$’+2)33565()*+8/8’--58’4’8-5-#,*)Y ’4+(56’+2)33565()*+8M )N B >O :E M 0N B >O :!图W 为蓄能器M 系统N 的压力在不同多变指数下随充入油液体积的变化曲线Z 分析图W 可知Q 当多变指数不变时Q 蓄能器的压力增长率随蓄能器容积的减小而增大Q 相应的制动减速度增长快Q 但吸收的能量较少Z[制动性能与能量回收分析[:\汽车制动减速工况假设汽车的制动工况在平路上进行Q 则汽车制动时能量平衡方程为]O ^]E ^]L>O E_C D EA M O ‘N式中C PP 汽车质量Q Y $_PP 汽车旋转质量换算系数Q _>O ^_O ^_E Q 其中_O a _E>A :A L bA :A W c I d]OPP 回收能量Q e ]EPP 滚动阻力损失能量Q e ]LPP 空气阻力损失能量Q e 汽车最后停车瞬间制动轮摩擦片耗损的能量已经很小Q 可忽略不计Z 由于汽车减速回收的能量是通过车轮由液压马达M 泵工况N 来实现的Q 因此]O >f g >h C gH G M O i N 式中h C PP 液压马达输出轴上制动转矩Q j k 6f PP 汽车行驶阻力Q j g PP 汽车制动距离Q 6根据汽车理论Q 汽车行驶方程式为h C l h G >m n o E O :O W D E^C p q ^C p r ^_C K M E A N式中qPP 滚动阻力系数r PP 道路坡度Q s m n PP 空气阻力系数o PP 汽车迎风面积Q 6E l h PP系统效率汽车在制动过程中Q 产生制动减速度的力矩Q 除制动力矩外Q 还包括滚动阻力矩和空气阻力矩Q 因此在制动过程中Q 汽车的力平衡方程式为h C G l h^m n o E O :O W M D AJ K @N E^C p q >_C K M E O N 由于在静液压储能传动系统中Q 汽车制动时发动机处于停机或怠速状态Q 并与传动系处于完全解耦状态Q 因此Q 发动机及其相关运动件的旋转惯性质量对系统无影响Z 当车速较低M D A tL W Y 6H .N 时Q 空气阻力可以忽略不计Z 因此制动减速度与制动力矩的关系式为K>h C ^G l h Cp q _C G l hM E E N又知h C >U <C @H M E F N M E L N由式M E E N u M E L N可得制动减速度K>O _C G l v hU <C @E F ^C p q G l whM E !NWO 第L 期李翔晟等S 静液压储能传动汽车动力源系统匹配及性能分析万方数据由式!"#$可知%对于给定的车辆%在液压马达排量一定的情况下%制动减速度只是系统压力的函数%若忽略压力损失%系统压力就是蓄能器的压力&图’(图)分别为减速度和制动力矩!仅为泵制动$随系统压力以及制动时间和制动距离随减速度变化关系&由图可知%汽车在制动过程中制动强度逐渐增大%在有预见制动中%仅由泵制动产生的减速度的条件下%当制动车速为#*+,-.时%平均制动时间和平均制动距离也只有/*0’1和)0*,%能保证汽车制动行驶平顺性和安全性%只有在紧急的情况下才需要使用制动器制动%这样可大大减少制动系统的耗损%提高制动器的使用寿命&203制动能回收以某型全轮驱动公共汽车为例进行计算%其主要参数为45670##*,%86707/#%9:6//777+;%<76/=>?@%</6"7>?@%<"6A7>?@%B 6/0"%图’减速度和制动力矩随系统压力的变化曲线C D ;E ’F G H @I D J K 1.D LM G I N G G KO G P G H G Q @I D J K %M Q @+G R ,J ,G K I @K O@P P S ,S H @I J Q L Q G 11S Q G!@$制动减速度随压力变化!M$制动力矩随压力变化图)制动时间和制动距离与减速度关系曲线C D ;E )F G H @I D J K 1.D LM G I N G G KM Q @+G R I D ,G -O D 1I @K P G@K OO G P G H G Q @I D J K!@$制动距离随减速度变化!M$制动时间随减速度变化T 9:6/’7,U -Q &若制动时车速V 76A *+,-.%则汽车具有的动能为4W T 69:V "7-"6*/X=’=0=")"Y &当取B 6/0"%T 7分别取"*U 和#7U 时%蓄能器吸收能量W /分别为4/X XX *70#X X=Y 和A /X X =)0*#’)Y &则能量回收率分别为4A =0#’Z 和’/0**Z&在车辆起步加速时%蓄能器释放此能量在A [*1内提供的瞬时功率分别达’’[#7+\和/7A [’A +\%这样发动机的功率可按满足经常工况的要求来选择%不必考虑最大功率要求%可大大降低发动机的装机容量%减少燃油消耗&对于选定的车型在同一制动条件下%若选用规格更大的蓄能器几乎可回收汽车的全部制动能%但随着蓄能器容积的增大其体积和质量也随之增大%同时也影响汽车制动时系统压力的增长率以及在汽车上的布置%因此选择蓄能器的容积要结合车型及使用要求综合考虑&参考文献/]@D ^J_@N @D E ‘S I J ,J I D a G L J N G Q 1J S Q P G 1b J Q I .G "/1I P G K I S Q ^c Y d E ]e f e ]‘]G P .K D P @H F G a D G N %"777%*7!/$4’[//E "雷天觉E 新编液压工程手册4上册c >d E 北京4北京理工大学出版社%/X X =E A 姚怀新E 行走机械液压传动与控制c >d E 北京4人民交通出版社%"77/E #路甬祥E 液压气动技术手册c >dE 北京4机械工业出版社%"77"4))#[))X E *董宏林%姜继海%吴盛林E 液压变压器与蓄能器串联使用的优化条件及能量回收研究c Yd E 中国机械工程%"77A %A !/#$4/X "[/X *E’余志生E 汽车理论c >dE 第A 版E 北京4机械工业出版社%"77/4A =[*’E )韩文%常思勤E 二次调节静液车辆传动系统的智能?g h 控制c Yd E 农业机械学报%"77#%A *!*$4X [//E ’/农业机械学报"77’年万方数据。