静液压传动技术_HST_在拖拉机上的应用_秦剑秋

2 . 3 变 量泵 -定量马达方案 3 如图 3 所示采用 Z 型装置 , 思 路同方 案 2。静压装 置的 马达与变速箱做在同一壳体内 , 变速箱 结构需专 门设计。该 方案省去了驱动 齿轮。但 同样 存在变 量泵 需具备 通轴 驱动 能力 , 内燃机需 有输 出 口安 装辅 助 齿轮 泵以 及 维修 保养 困 难、 维修时拖拉机需解体的问题。
Abstrac: t The techno logy of hydrostatic transm ission has been w ide ly used on ove rsea advanced tractors . H ST
comb ined w ith e lectron ic control techno logy , has high ly pro m o ted the perfor m ance o f ag ricu ltura l tracto rs. T h is pape r in troduces the app lications o fH ST on tracto r in deta il and ana lyzes the different configurations and contro lm ethods .
App lication o f Hydrostatic T rans m ission ( HST) to Agricultura l T ractor
QI N J ian-qiu
( Sauer -D anfoss -D a ik in M ob ile H ydraulics ( Shangha i) Co . L td, Shanghai 200233, China)
拖拉机与农用运输车
第 2 期 2006 年 4 月
4 在橡胶履带拖拉机上的应用
在国外的橡胶履 带拖 拉机上 很多 采用了 静液 压传 动技 术 , 如日本 M orooka M K 系列 ( 30~ 162 kW ) 采用 萨澳 -丹 佛 斯大金的 90 系列柱塞泵 /马达组成双泵 -双 马达的静 液压传 动系统。 双泵 - 双马达静压传动系 统优 点是 结构简 单 , 主要 传动 元件为外购标准件 , 设 计和制 造都 比较 简单 , 缺点 是功 率损 失大 , 传动效率低。 AGCO 的 挑战者 和 Deere的 8000T, 9000T 均采用萨澳 - 丹佛斯的 90 系 列柱 塞 泵 /马 达 构成 静 压 差速 转 向 系 统。 主动力传动为动力换挡变速箱 , 并由专用微 控制器检 测内燃
第 33 卷第 2 期 2006 年 4 月
拖拉 机 与 农 用 运 输 车 T racto r& F ar m T ransporter
V o.l 33 N o .2 A pr . , 2006
静液压传动技术 ( HSTБайду номын сангаас在拖拉机上的应用
秦剑秋
( 萨澳行走液压 ( 上海 ) 有限公司 , 上海 200233)
1 系统结构
1967 年美国万 国公 司与 萨 澳 - 丹 佛 斯的 前身 桑斯 川特 ( Sundstrand) 公司联手开发了拖拉机 专用静液压 传动装 置。目前萨澳 - 丹佛 斯可 提供 BDU, 15 , 40, 42 共 4 个系 列 , 泵排量从 15 , 20 , 21, 23, 25, 28 , 32, 35, 41 , 44 共 10 个规 格的 产品用于 上 述 小功 率 拖拉 机。元 件 的 最大 工 作 压力 从 31 M Pa到 40 M Pa 。泵控形式上以直接排量控制 为主 , 近几年出 现了类似自动变速箱 , 具有功率控制功能的电控系统。 从安装形式上 有泵、 马 达一体 的 U 形、Z 形 , 以 及泵、 马 达分离 3 种结构。 U 形、Z形 泵 -马 达组合 在同一 壳体内 , 元 件成 本低 , 同时省 去了部 分接管 , 安装 成本低 , 泄 漏点少 , 工 作可靠 ; 但静压装置与 变速 箱的接 口要 专门设 计 , 适用 于大 批 量生产 。 泵、 马达 分离 结构安 装灵 活 , 但 元件 成本 和安 装
2 配置方案介绍
从设计上讲 , 由于采 用的 是低 成本元 件 , 系统只 装有 高 压溢流阀 , 因此系统提供的最大牵引力必须 大于轮胎 打滑极 限 , 这样可防止溢流阀长时间开启造成 系统发热损 坏。另一 个设计准则是保证达到拖拉机的最大行驶 速度。 从泵、 马达的组成以及布置方式上主要有以下几种方式。 2 . 1 变量泵 - 定量马达方案 1 如图 1 所示采 用 U 型装 置 , 内 燃机 经增 速 后驱 动变 量 泵 , 另一路经离合器作为辅助取力口。静压 装置输出 经变速 后驱动后轮 , 同时经分流后通过离合器 输往前轮驱 动。该方 案所具有的优点如下 : ①可利用泵的 最大转 速能 力 , 可选用 小排 量的变 量 泵 ,
36 现代液压 - 机械分流系统 都采用 微控制 器控 制 , 根 据内 燃机 及输出转速信号实现 不同行车速度的动力分 配 , 并进 行内燃 机防熄火控制 , 保证内燃机工作在最佳 工况 , 在满足牵引、 作 业机构要求的前提 下降 低油耗、 减 小排 放 , 因此实 际的 液压 - 机械分流系统要复杂得多。
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1 . 电源 2 . FNR 开关 3 . 微动踏板或传感器 4. 模式开关 5 . N FPE 控制模块 6. 比例减压阀 7 . 制动器 8. 变量马达 9 . 马达排量控制阀 10 . 变量泵 11. 内燃机测速传感器 12. 内燃机 图 4 无反馈比例电控系统 Fi g. 4 D ispl a cement P r oportional Control S ystem ( no Feedback)
摘要 : 静液压传动技术在国外先进拖拉机上得到了 广泛的 应用 , 并与 电子控 制技术紧 密的结 合在一 起 , 使拖拉 机性能得到了很大的提高 。 本文详细介绍了静液压 传动技 术在拖 拉机上 的各种 应用 , 对不同 的配置 方案和 控制方 式进行了分析 。 关键词 : 静液压传动 ; 结构 ; 拖拉机 中图分类号 : TH 133. 31 ; S219 文献标识码 : B 文章编号 : 1006- 0006( 2006) 02- 0034 - 03
Keywo rds : H ydrostatic transm ission; Configuration; T rac to r
目前全球 15 kW 到 74 k W 静液压传动拖拉机已 超过 50 万台 , 并呈增长势头。 拖拉机采用静液 压传动除了具有无级变 速、 结构 设计简 单等优点外 , 其低速牵引特性是得以大量 应用的一个 重要原 因。即使内燃机工作在极低转速 , 只要符 合泵的最低 输入转 速条件 ( 通常为 500 r /m in) 系统就 能建 立起压 力 , 直至 达到 最大工作压力 , 拖拉机 即可 获得最 大设 计牵引 力 , 因此 静液 压传动可低速带载启 动。无论 是内燃机低转速 工况 , 还是车 辆低速工况 , 由于泵的 斜盘 角度很 小 , 即使 系统压 力再 高泵 轴转矩仍低于内燃机输出转矩 , 不会造 成内燃机 熄火。其他 诸如静压制动效应等 使得 静液 压传动 系统 能够适 应拖 拉机 作业的各种恶劣工况 。 要求较高。
图 5 液压 - 机械功率分流系统 F ig 5 Mechanical Hydraulic Power S plit S ystem
机和 行车速 度 , 实 现内燃 机功率 /防熄火 控制及 挡位自 动切 换。目前 挑战者 的最大行车速 度达到 39 . 6 km /h; 内 燃机 功率从 130~ 368 kW。 D eere8000T, 9000T 系 列 的最 大速 度 31. 8 km /h, 功率从 125~ 368 kW。 图 7 为静液压差速转向的基本原理。左右各有一个行星 传动机构。由泵、 马达 输出构成的 液压功率 流驱动行 星机构 的太阳轮 , 而由内燃 机经机械 传动系输出 的机械功 率流驱动 行星机构齿圈 , 最后由行星架输出经最终传动到达驱动链轮。
3) 无反馈比例电控系统 无反馈比例电控系统的操纵力小 , 可以 采用微控 制器实
图 2 变量泵 - 定量马达方案 2 Fi g. 2 Design 2 of Integrated PV & MF
现内燃机功率 ( 防熄火 ) 、 巡 航速度、 低速 微动控 制和可 设定 加减速特性的功能。 在该系统中微控制器检测内 燃机转速 ( 测速传 感器可装 在泵上 ) 。拖拉机工作时如遇到大的负载而降速时 , 控制器减 小输给泵的电流 , 使拖拉机速 度减小, 保证内燃机不熄火。同 时该泵具有负载反馈效应 , 在给定的控制信号不 变时, 如负载 增大造成系统压力升高时 , 泵斜盘摆角也会减小 , 输出流量下 降 , 使车辆行走速度减小 , 因此系统的控制稳定性很好。驾驶 室操作面板上有模式 开关 , 正 常操作模式 为驾驶员 踩内燃机 油门控制行车速度 , 泵的斜盘 摆角根据内 燃机转速 和负载大 小自动调定 , 类 似驾驶自动 变速箱的 汽车。所谓巡航 速度模 式是指内燃机转速固 定, 驾驶 员通过面板 上的电位 器调节拖 拉机速度, 如负载不变则拖拉机速度保持很好的重复性。 4) 电动排量控制 电动排量控制可采用微控制 器实现内燃 机功率控 制 ( 防
图 3 变量泵 - 定量马达方案 3 Fi g. 3 Design 3 of Integrated PV & MF
熄火 ) 、 定速行走、 低速微 动、 可设 定加减 速特性、 速度 与输入 信号成比例变化等功能, 它的缺点是成本比手动变量控制高。
2 . 4 变 量泵 -变量马达 采用变量泵 - 变量马达 ( 图 4) 的优点 是便于行车 过程中 换挡 , 但会降低行 驶挡的 传动 效率 , 并且 速度 /转矩 范围 窄。 设计时一般 泵的 排量 小 于马 达排 量 , 以 防止 高 速挡 马达 过 速。传动方案同方案 1 和 2, 其控制系统介绍 如下 : 1) 直接排量控制 大多数小型拖 拉机 采用直 接排 量控制 , 它 具有 成本 低 , 响应快的优点 , 但同时 也存 在操纵 力矩 大、 驾驶员 易疲 劳和 操纵机构复杂的缺点 。 2) 手动排量控制 与直接排量控 制相 比 , 手 动排 量控 制的操 纵力 小 , 操纵 连杆机构简单 , 并且控 制特 性平滑 , 但 是它 的成本 比直 接排 量控制高。
收稿日期 : 2005- 07 - 18
降低成本 ;
图 1 变量泵 -定量马达方案 1 F ig . 1 D es i g n 1 of Integr a ted PV & M F( U type)
秦剑秋等 : 静液压传动技术 ( HST ) 在拖拉机 上的应用 ②变量泵不需通 轴能力 ; ③变量泵上可串 接辅助齿轮泵 ; ④维修保养方便 。 同时存在如下缺 点 : ①泵轴承受较大 径向负载 ; ②需要带支撑的 驱动齿轮。 2 . 2 变 量泵 -定量马达方案 2 如图 2 所示采用 U 型装 置 , 内燃机 直接 驱动变 量泵 , 变 量泵通轴输出经 离合器 作为 辅助 取力口。 静压装 置输 出经 变速后驱动后轮 , 同时 经分 流后 通过离 合器 输往前 轮驱 动 , 同方案 1。该方案存在变量泵需具备通轴驱动能力和内燃机 需有输出口安装辅助 齿轮泵的问题。
3 液压-机械功率分流系统介绍
为解决静液压传动效率低的缺点 , 在大 功率拖拉 机上人 们提出了各种各 样的功 率分 流式传 动系 统。在这 种传 动装 置中 , 总的功率被分为机 械的 ( 齿轮传 动 , 高 效率 ) 和液 压的 ( 可无级变速 ) 两支分功率流 , 然后再汇合 起来 , 这样 , 它在满 载时的最高传动效率 ( 不包括后桥 ) 可从全 液压的约 70% 提 高到约 85% 。 液压 - 机械功率分流系统 中的 行星 传动有 3 根 轴 , 动力 由其中的两根输入 ( 图 5 中 机械传 动动 力流从 太阳 轮输 入 , 液压传动动力流从齿 圈输入 ), 行星架 输出为 合流 后的 功率 输出。工作时机械传动输入转速固定 , 液压 传动系统 的输出 速度可无级调节 , 从而 实现 了合流 后输 出转速 的无 级调 节。