双变量对称式液压变压器的压力特性分析.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#双变量对称式液压变压器的压力特性分析*陈延礼，石陆军（吉林大学机械科学与工程学院，长春130025）5摘要：本文提出一种新型的双变量对称式液压变压器，建立该型液压变压器的扭矩特性和压力特性模型，通过瞬时扭矩、平均扭矩以及液压变压器压力特性的理论分析及其与变压比的特性关系建立联系，并通过液压变压器配流盘旋转角度、T口压力以及摩擦扭矩等因素对液压变压器变压比的影响做了仿真分析，仿真结果表明，液压变压器变压比的影响因素可以被10控制。关键词：流体传动与控制；液压变压器；变压比；中图分类号：TH137Pressurecharacteristicofdual-variableSymmetrical15HydraulictransformerChenYanli,ShiLujun(SchoolofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025)Abstract:Atypeofbivariablesymmetricalhydraulictransformerisproposedtoestablishthemathematicalmodeloftorquecharacteristicsandpressurecharacteristicsofthehydraulictransformer.20Therelationshipbetweentheinstantaneoustorque,theaveragetorqueandthepressurecharacteristicsofthehydraulictransformeranditsrelationshipwiththetransformerThesimulationresultsshowthattheinfluencingfactorsofthetransformertransformercanbecontrolledbytheinfluenceoftheterminalontherotationangle,theTportpressureandthefrictiontorqueofthehydraulictransformer.Keywords:Fluidpowertransmissionandcontrol；Hydraulictransformer；pressureratio250引言随着恒压网络技术和二次调节静液传动技术的发展，液驱混合动力设计方案取得了巨大的进展，尤其是荷兰Innas和Noax公司于1997年提出新型液压变压器(Hydraulic[1,2]30TransformerHT)，该元件在液驱混合动力车辆系统中即可无节流损失的高效调节流体压[3]力Pressurecharacteristicanalysisofthedual-variableSymmetricalHydraulictransformer，也可[4-6]避免整车系统中压力、流量耦联现象的产生。目前，国内外均已开展此项研究，但对提出双变量对称式液压变压器的理论研究和仿真分析的科研论文相对较少。因此，本文对双变量对称式液压变压器的瞬时流量特性进行重点分析。351系统构成如图1所示，双变量对称式液压变压器主要包括：机构壳体；设置在机构壳体中心线位置的主轴；设置在机构壳体两端部的端盖结构；与主轴中间位置通过轴承Ⅱ连接的异面配流盘；分别与异面配流盘两端面接触的两个斜轴式通轴柱塞泵；动力调节机构；以及设置在机构壳体上的两个变量机构。基金项目：教育部博士点基金（20130061120038）作者简介：陈延礼(1983-)，男，副教授，硕导，流体传动与控制.E-mail:chenyanli@jlu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn401、主轴，2、前端盖Ⅰ，3、螺栓Ⅰ，4、唇形密封圈，5、O型密封圈Ⅰ，6、轴承Ⅰ，7、前端盖Ⅱ，8、螺栓Ⅱ，9、机构壳体，10、斜盘，11、变量机构，12、O型密封圈Ⅱ，13、O型密封圈Ⅲ，14、缸体，15、O型密封圈Ⅳ，16、螺栓Ⅲ，17、上端盖Ⅰ，18、异面配流盘，19、上端盖Ⅱ，20、上端盖Ⅲ，21、定位销，22、柱塞，23、轴承Ⅱ，24、螺栓Ⅳ，25、齿轮，26、步进电机，27、电机壳体，4528、回程盘，29、滑靴图1双变量对称式液压变压器整体结构示意图Fig.1Schematicofdoubleswash-plateserieshydraulictransformer2理论计算及仿真分析2.1数学模型50双变量对称式液压变压器是在斜盘柱塞式液压元件的基础设计的，因此其柱塞工作原理与斜盘柱塞式液压泵和马达是相同的，其受力分析如图2所示。图2液压变压器受力分析图Fig.2ForceAnalysisofHydraulicTransformer55由图2的受力分析图，液压变压器在工作过程中，柱塞腔内部会充满液压油，液压油作用在柱塞上产生推力使其压在斜盘上紧密接触，对于单个柱塞来说，由于相互作用斜盘上会产生垂直于斜盘面的支持力F，由力学知识可以对该力进行正交分解为水平力F和垂直Nx力F，由力的平衡条件可得水平力F的大小等于柱塞腔内液压油的压力与柱塞面积的乘vx积，根据力的正交分解及斜盘倾角β可得垂直方向的分力F分别为v-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2πdFp=⋅xi460（1）2πdF=⋅=⋅⋅Ftgββptgvxi4式中，p−−对应柱塞腔内的液压油压力（MPa）；d−−柱塞直径（m）。i由于水平力F的方向和缸体旋转轴向平行，所以对缸体的旋转运动不会产生影响，只x有垂直力F垂直于缸体旋转轴线，对缸体产生扭矩使其发生旋转运动；结合图1当柱塞转v过角度φ时，单个柱塞对缸体产生的转矩为2πd65T=p⋅⋅tgβ⋅R⋅sin()φ（2）iii4式中，R−−柱塞分布圆半径（°）；φ−−柱塞转角（°）。双变量对称式液压变压器各槽口的瞬时流量为5ππ4π2.247k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ−,0≤φ≤Δφ−2121212ππ4π2πk⋅tgβ⋅1.802sinφ−Δφ++2.247sinφ−,Δφ−≤φ≤21212121qAi=（3）2π4π2π1.802k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ−,≤φ≤Δφ212121π4π2πk⋅tgβ⋅2.247sinφ−Δφ−+1.802sinφ−,Δφ≤φ≤2121732π26π2π1.802k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ+,0≤φ≤Δφ−21212129π26π2π4πk⋅tgβ⋅2.247sinφ−Δφ++1.802sinφ+,Δφ−≤φ≤21212121qBi=（4）29π23π4π2.247k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ+,≤φ≤Δφ21212126π23π2πk⋅tgβ⋅1.802sinφ−Δφ++2.247sinφ+,Δφ≤φ≤21217-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn17π11π2π2π2.247k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ+,≤φ≤Δφ−212121212π11π2π4πk⋅tgβ⋅1.802sinφ−Δφ++2.247sinφ+,Δφ−≤φ≤321212170qTi=（5）2π8π4π2π1.802k⋅tgβ⋅sinφ−Δφ++sinφ+,≤φ≤+Δφ321212111π8π2π8πk⋅tgβ⋅2.247sinφ−Δφ++1.802sinφ+,+Δφ≤φ≤21212121式中，s−−柱塞在缸体内的轴向运动位移（m）；β−−斜盘实际倾角（°）；ω−−缸体旋转角速度（°/s）。2.2仿真分析75结合前面对其的分析可得各个槽口的瞬时扭矩；A腰型槽口的瞬时扭矩变化情况是χ0≤φ≤（a）当3时2πdαATAi=⋅R⋅pA⋅tgβ⋅sinφ+δ−+χ⋅()2cosχ+1（6）42χ（b）≤φ≤χ当3时2πdαAχχTAi=⋅R⋅pA⋅tgβ⋅2sinφ+δ−+⋅cos（7）422280B腰型槽口的瞬时扭矩变化情况是2χ（a）当0≤φ≤时32πdαA11χχTBi=⋅R⋅pB⋅tgβ⋅2sinφ+δ−+⋅cos（8）42222χ（b）当≤φ≤χ时32πdαATBi=⋅R⋅pB⋅tgβ⋅sinφ+δ−+5χ⋅()2cosχ+1（9）4285T腰型槽口的瞬时扭矩变化情况是χ2χ当≤φ≤时（a）332πdαATTi=⋅R⋅pT⋅tgβ⋅sinφ+δ−+3χ⋅()2cosχ+1（10）42-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2χ4χ（b）当≤φ≤时332πdαA5χχTTi=⋅R⋅pT⋅tgβ⋅2sinφ+δ−+⋅cos（11）422290联立式6—11和式3-5可以得到瞬时扭矩与瞬时流量的关系如下所示，即pA⋅qAiT=AiωpB⋅qBiTBi=（12）ωp⋅qTTiT=Tiω根据上式可以对其进行仿真，画出仿真曲线如图3—5所示；根据仿真结果和式12的表达式可以看出在槽口压力一定转速确定后瞬时扭矩和瞬时流量的变化情况是一样的。95图3在δ=60°时各槽口瞬时扭矩仿真图Fig.3Instantaneoustorquesimulationcurveatδ=60°根据式12可以看出扭矩是所在槽口的压力与对应的流量的乘积再和缸体旋转角速度做商得到的，因此，各个槽口产生的平均扭矩为2p⋅qdαAAAT==p⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ⋅sinAAω222pB⋅qBdαATB==−pB⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ+⋅sinαA（13）ω22p⋅qd2αTT()AT==p⋅R⋅z⋅tgβ⋅sinδ+α⋅sinTTAω22100根据式13对平均扭矩进行仿真，仿真曲线如图4所示；根据仿真结果和式13的表达式可以看出在槽口压力确定后平均扭矩和平均排量的变化情况是一样的。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图4槽口平均扭矩仿真图Fig.4Aaveragetorquesimulationcurve1053双变量对称式液压变压器压力特性分析3.1变压比模型的建立液压变压器可以完成对负载压力的匹配，负载需要多大的压力液压变压器理论上都可以对其进行匹配，其压力特性就是研究输出压力的特性，而输出压力的大小还与油源压力有关，因此也可以说压力特性的研究就是对变压比的研究，这节就是对双变量对称式液压变压110器变压比的分析研究。前期液压变压器的研究者们对变压比的研究大部分是由缸体的转矩平衡方程在忽略摩擦和泄漏等条件下推导得到的；在考虑到缸体转动过程中的摩擦和泄漏等损失时，根据缸体的转矩平衡方程可得ΔT=T+T+T（14）ABT115式中，ΔT——粘性摩擦扭矩与机械摩擦扭矩等摩擦扭矩之和。2παA联立式13和式14且由α=sinα=sin可得AA322dαAαAΔT=⋅R⋅z⋅tgβ⋅sin⋅pA⋅sinδ−pB⋅sinδ++pT⋅sin()δ+αA2222dαA令K=⋅R⋅z⋅tgβ⋅sin22（15）psinδsin()δ+αpΔT1BATλ==+⋅−⋅pAsinδ+αAsinδ+αApAKp⋅sinδ+αAA2223.2配流盘旋转角度对变压比的影响由上述分析及已有知识可以知道液压变压器的变压比主要受配流盘旋转角度影响，根-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn120据上述模型对液压变压器的变压比受配流盘旋转角度的影响情况进行仿真分析，图5是T口压力为零且不记各种损失的情况下配流盘旋转角度对液压变压器变压比的影响。由图5的仿真曲线可以看出，液压变压器的变压比λ随着配流盘旋转角度δ的增加而逐渐增大，在配流盘旋转角度δ<60°时，变压比λ随着配流盘旋转角度δ的增加拟合线性增大，在δ=60°时变压比λ=1即是PA=PB，由缸体的转矩平衡方程知qA=qB，与上一章的分125析结果相符，在δ>60°时变压比λ随着配流盘旋转角度δ的增加按抛物线增大。图5配流盘旋转角度对变压比的影响仿真图Fig.5Therelationshipcurvebetweentherotationangleandthepressureratio3.3T口压力对变压比的影响130由双变量对称式液压变压器的工作原理知，T口为补偿油口用来补偿其他两口的油液流量差，还有上述变压比数学模型可知T口压力对变压比具有一定的影响，下面是不考虑摩擦扭矩的影响的情况下，令PA=10MPa时，分别对PT=0MPa、PT=0.5MPa和PT=1MPa的情况进行仿真分析，仿真结果如图6所示。135图6T口压力对变压比的影响仿真图Fig.6TherelationshipcurvebetweentheTportpressureandthepressureratio-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn由图6的仿真曲线可以看出，在不考虑摩擦扭矩的影响的情况下，PA压力值得大小保持不变时，仍然是在配流盘旋转角度δ=60°时变压比λ=1不随配流盘旋转角度δ的变化而变化，在δ<60°时，变压比λ随着T口压力PT的增加而增大，在δ>60°时，变压比λ随着T口140压力PT的增加而减小。3.4摩擦扭矩对变压比的影响双变量对称式液压变压器是在柱塞式液压泵/马达的基础设计研究的，它也存在着机械摩擦、粘性摩擦等摩擦损失，因此对摩擦扭矩对变压比的影响的研究也存在一定的意义，下面在PA=10MPa和PT=0.5MPa时，分别对ΔT/K=0MPa、ΔT/K=1MPa和ΔT/K=2MPa的情145况分别进行仿真分析，如图7所示。图7摩擦扭矩等因素对变压比的影响仿真图Fig.6Therelationshipcurvebetweenthefrictiontorqueandthepressureratio由图7的仿真曲线可以看出，在PA=10MPa和PT=0.5MPa时，液压变压器的变压比随150着摩擦扭矩的增大而减小；而根据液压泵/马达的了解可得随着转速的增大其摩擦扭矩也相应的增大，故而在其他条件都相同的情况下液压变压器的变压比随着转速的增大而减小。4结论本文在提出并设计了双变量对称式液压变压器基本结构的基础上，建立了该液压变压器的运动学方程和流量方程，对双变量对称式液压变压器的扭矩特性和压力特性进行了理论155分析和特性研究，同时对瞬时扭矩、平均扭矩以及液压变压器压力特性的表征量变压比的模型的建立和仿真分析，得出液压变压器配流盘旋转角度、T口压力以及摩擦扭矩等因素对液压变压器变压比的关系特性曲线。[参考文献](References)[1]PeterAJAchten,ZhaoF,VaelGeorgesEM,etal.Transformingfuturehydraulics:anewdesignofahydraulic160transformer[J].linkÖping,sweden:ThefifthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,1997[2]PeterAJAchten.Hydraulictransformer[P].WO97/31185,1997[3]WerndinR，etal.EfficiencyperformanceandcontrolaspectsofahydraulicTransformer[C].Tampere，Finland:TheSixthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,1999，395-407.-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[4]VaelGeorgesEM,AchtenPAJ,FuZhao.TheInnashydraulictransformer:theKeytothehydrostaticcommon165pressurerail[J].SAE,2000-01-2561.[5]姜继海,董宏林,吴盛林.液压恒压网络功率完备匹配的结构条件及其控制方案的研究[J].中国机械工程.2003.14(1):16-19.[6]SunHui,JiangJi-hai,WangXin.Torquecontrolstrategyforaparallelhydraulichybridvehicle[J].JournalofTerramechanice46(2009)259-265.170-9-'