液压驱动装置性能比较

液压驱动装置性能比较

1.3转速性能对比在上一节中，讨论了低速、低速和高速执行器之间的性能差异。为了更了解它们之间的性能差异，比较了启动能力、低速稳定性、传动效率、畸变性能和旋转性能、安装尺寸和价格。(1)高速马达驱动装置等效排量相同的各种液压驱动装置在同等工作条件下进行的效率比较试验资料不多，图20是POCLAIN公司提供的内曲线低速大扭矩马达与高速马达减速驱动装置的总效率对比图；图20(a)为S18-2C内曲线低速马达，排量1747mL/r，背压1MPa，油温50℃；图20(b)为高速马达装置，马达排量为58mL/r，等效排量为5636mL/r，背压为1MPa，油温50℃。两种装置等效排量和工作转速均不相同，可比性稍差，但定性分析仍具意义。高速马达驱动装置在平均意义上比低速驱动装置效率低6%左右，图示高速驱动装置中减速机速比为98.7，为多级行星传动，一级行星传动损失效率约为2%，可以认为两种驱动装置效率的差异主要由减速机造成，马达本身传动效率相当。中速马达驱动装置的摆缸式径向马达效率高于低速马达和高速马达2%以上，与一级行星减速传动组成中速驱动装置后效率仍然很高，特别是绕开了马达的低转速区，高转速区转速也不太高，不致造成减速机损失增加，因此中速驱动装置在整个工作区域有最高的传动效率。(2)高速装置结构设计表3列举了几种驱动装置的特性参数。由表中的直径尺寸看，内曲线低速马达和中速装置相当，高速装置有多级减速机使结构复杂尺寸稍大。几种装置尺寸尽管略有差异，但均可满足使用要求。(3)运行转速和转速受液压驱动装置目前在转速限制多作用的低速大扭矩马达和摆缸式高速径向柱塞马达均有很高的启动机械效率，由于小速比减速机机械损失很小，因而低、中速液压驱动装置均有启动扭矩大的特点。高速马达本身启动机械效率低，加之多级减速损失大，故启动能力差。低速稳定性与低速时的机械效率及容积效率有关，机械摩擦和泄漏为低速不稳定的主要因素，由各种马达显示出的低速特性可知，低速驱动装置有良好的低速稳定性，1～2r/min的转速下可带载稳定工作；中速驱动装置的摆缸式马达尽管各效率很高，由于为单作用工作原理，低速平稳性仍较多作用低速马达为差，但与小速比减速机组成中速驱动装置后适当升高了马达转速，整个装置的低速稳定性更好，可在1r/min以下稳定工作；斜盘式高速马达最低稳定转速为100～150r/min，斜轴式高速马达为50～100r/min，因此当用于履带或轮式低速机械(如压路机)等驱动时，减速比大约在70～110之间，考虑减速机本身扭矩损失，高速液压驱动装置有望在2～3r/min的输出转速下带载稳定工作，而用于较高车速的轮式车辆时减速比在10～42之间，有望在5～10r/min以上的输出转速时带载稳定工作。(4)大排量范围内运行速度对驱动装置性能的影响对表3所列举的性能参数可作如下分析。(1)低速驱动装置最高输出转速由马达本身转速限制。中速驱动装置减速机速比小，减速机输入转速为中低速范围，整个驱动装置的输出转速由马达最高转速限制。而高速驱动装置由于减速机速比大，要求减速机输入转速很高才能达到输出转速要求，现代的高速马达可以承受的转速很高，而减速机(即使功率不大)受润滑条件(一般为飞溅润滑)和噪声及散热条件(自然散热)等因素限制，允许的最高输入转速不超过4000r/min，当考虑到传动效率后一般为3000r/min以下，因而整个驱动装置的输出转速受减速机允许的输入转速限制。表3中的数据未考虑传动效率限制条件，否则高速驱动装置的输出转速将更低。(2)当等效排量较小在1500mL/r以下时，低速驱动装置最高输出转速最低，高速装置略高，而中速装置最高(高1/3左右)，假定表3中各装置最高压力相当且不计等效排量的微小差异，则转速高低表明装置角功率大小及传递能量的能力和变换范围的大小。显然在小等效排量范围内，低速和高速装置扭矩和转速性能相当，而中速装置有明显优势；当排量增加到中等排量范围(2500～5000mL/r)，各种传动装置性能参数接近；当排量继续增大到大排量范围(一般为5000～10000mLr)，三种驱动装置性能差异增大，转速高低依次为中速、低速、高速装置。等效排量增大，高速驱动装置性能变差的主要原因是：在小排量和中等排量范围内，高速装置可以使用较小速比减速机和较小排量马达构成所需等效排量，此种情况下减速机速比一般在20～30之间可形成马达和减速机的最优配合(指驱动装置性能价格比最高)，由于减速机速比较小因而输出转速较高，多为轮式车辆使用，因而又称为轮式驱动装置；当达到大排量范围时，可以使用大速比减速机和较小排量马达或者使用较小速比减速机和较大排量马达组成所需的等效排量驱动装置，由于马达排量增大转速降低不多，因而选用较小速比减速机和较大排量马达组成相同等效排量的驱动装置时，输出转速较高，即角功率较大；然而用小排量马达和大速比减速机组合时情况就不同了。表3中两种等效排量相近的高速马达减速驱动装置(等效排量为5063和5166以及9684和10529两组)参数说明了这一点。因此应根据驱动所要求的等效排量和输出转速决定使用大排量马达与小速比减速机组合还是选用小排量马达和大速比减速机来组合驱动装置，前者输出转速高，角功率大；但由于马达大，小速比减速机功率大，因而驱动装置成本高。表3中在5000～10000mL/r大排量范围内高速驱动装置显示出较低的输出转速和角功率，正是由于选用了较小排量马达和大速比减速机组成驱动装置的缘故。这是基于最佳性能价格比考虑的，这一性能价格比对应之速比大约为80～110。由于速比大，输出转速低，因而多用于超低速的轮式车辆或履带驱动，又称为履带驱动装置。如上所述，通过加大马达排量，专门设计一种减速比约为40～55的小速比大功率减速机，同样可以组成一种与低速驱动装置或中速驱动装置性能参数相当的大排量、高输出转速的高速驱动装置，但这种装置的代价太高了。由此可见，在大等效排量范围内扭矩和转速性能最高的为中速驱动装置，既可用于低速车辆驱动，又可用于高速车辆驱动，其次为低速驱动装置，性能较差的为高速驱动装置，它仅适用于低速的轮式或履带车辆驱动。(5)轮中独立驱动几种驱动装置安装均比较方便，常用于车轮(履带)独立驱动，也称为分置式驱动。此外，高速马达驱动装置由于变量控制方式多还常用于车辆中央驱动，使用更广泛。(6)．不同树种，两种低速驱动装置受到马达排量规格限制，有时不得不制造专用马达，通用性差。中速和高速驱动装置通过系列标准马达和具有多种减速比的系列减速机组合，可以获得更多的等效排量驱动装置，可与多种工况要求匹配，马达通用性强。(7)连续变量和驱动方式低速和中速驱动装置多采用定量马达或两级变量马达，变矩范围小，中速驱动装置仅有少数规格可连续变量。高速轴向柱塞马达具有多种控制方式的连续变量马达，必要时可加装变速器(用于车辆中央驱动方式)，通过改变变速器速比可获得更大的变换范围。加以多种控制方式配合，适用范围最广，控制性能最佳，正因为如此，高速驱动装置是现代自控式车辆发展的主流。(8)高速驱动系统与车辆低速驱动装置直接在马达输出端设制动器，由于制动扭矩大，因而结构尺寸大，可靠性差，价格也高，低速内曲线径向柱塞马达及端面曲线轴向柱塞马达“自由轮”工况可以空转，无需离合器离合动力。高速驱动装置制动器设置在减速机的高速级上，扭矩小，结构简单，体积小，价格低。具有零排量的变量马达在零排量时有空转能力，而绝大多数最小排量非零的马达则需要设置离合器，在马达成为被动轮工况时切断传动，以防因高速拖动中马达中循环油液流量大而发热(马达成为被动轮时均为车辆的轻载高速工况，只有部分马达驱动工作，而另一部分马达切断供油，进出口接通成为小循环)，同时还应设置特殊的补油系统以防马达在高速空转中因油液泄漏而产生空穴。由于使用不便，因此高速驱动装置几乎不在被动轮工况下工作。这在一定程度上影响着车辆变速范围的扩大，成为制约四轮独立驱动车辆普及发展的一个障碍(这一问题在后述车辆驱动方式中还将讨论)。中速驱动装置的制动器制动扭矩及特性介于低速与高速驱动装置制动器之间。其摆缸式径向柱塞马达可以通过“真空”工作来形成类似的“自由轮”工况。与“自由轮”工况不同的是它的柱塞仍为往复运动但缸体中无油成为真空，而内曲线径向柱塞马达的柱塞缩入缸体不再往复运动，马达的转子体成为真正的自由轮空转，“真空”工作与“自由轮”工作的液压系统油路如图21和图22所示。(9)%抗温性和抗污染性内曲线凸轮式低速马达滚轮与轨道为线接触且非匀速转动，接触应力大，润滑条件差，耐温和抗污染能力低。中速和高速驱动装置这一性能好。(10)液压马达几种基本概念液压驱动装置由精密机械元件(马达)和普通机械元件(减速机)组成，这两部分元件的技术含量(为成本一部分)和制造成本差异很大，作为一个将液压能转换为机械能的驱动装置，存在着通过多大比例的精密元件和普通机械元件来完成这种能量转换的问题。利用多大比例的液压方式和多大比例的机械方式说到底是利用多大排量的马达和多大速比的减速机，液压马达达最大排量使液压比例达100%则为纯液压传动，液压马达排量减小，则需增大减速机速比才能实现要求的等效排量。从理论上讲，尽量多的利用机械元件来完成能量转换是降低成本最佳的方式，然而这种方式变换性能差，当液压马达排量过小时会因转速过高而无法达到所要求的性能指标，并且减速机速比过大使结构变得复杂，可靠性变差，效率降低，成本反而增加。因此合理的液压环节和机械环节比例是使性能价格比最高的方式，中速马达减速驱动装置正是基于这一思想而发展起来的新型传动装置。实际情况与此相符：在小排量范围内，由于能量变换难度低、数值小，简单结构的纯液压元件即低速驱动装置即可完成能量变换，因此低速和中速驱动装置价格接近，而复杂的高速驱动装置价格明显偏高，这也正是在小排量范围内内曲线低速马达普遍应用的原因；在中、大排量范围内，由于传动难度增加，低速装置和高速装置或因成本增加，或因性能变差，最终均使性能价格比降低，中速传动装置取两者之长，保持液压和机械环节最佳分配比例，因而有较高的性能价格比。(11)动态性能对比几种驱动装置的惯性矩大小依次为高速、中速、低速驱动装置，结合传动效率和启动扭矩考虑，则快速反应的动态性能以低速装置最高，中速装置与之接近，高速装置最差。在需快速反应的车辆上，以及频繁往复的机械上如叉车、小型装载机、小型压路机等使用低速、中速驱动装置有良好的机动性和快速反应性，启动、制动迅速，定位准确。(12)参数匹配问题影响液压传动装置可靠性与寿命的关键因素是使用条件，即负荷模式、使用压力、转速等。低、中速驱动装置工作中的薄弱环节为马达，当达到高压、高速时，马达的可靠性与寿命对转速和负荷模式(高压作用时间)非常敏感，并且其敏感程度与油液温度和过滤精度密切相关。为了使低、中速驱动装置工作可靠