带贮能设备的液压无级变速装置
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第1998页（3214字）
对于那些负荷经常波动，甚至会周期性出现负转矩或多余能量的工作机，采用带贮能设备的传动装置可以减少原动机的功率，降低失配功率损失。当工作机出现能量过剩时，贮能设备可以回收这些能量供再次需要时重新利用。例如，贮能设备能吸收车辆下坡或减速时的多余动能或起重挂钩下降时重物的势能，供车辆再次上坡或加速时以及提升重物时使用。贮能传动装置还可以为机具提供应急启动和运行的能力，以及满足某些特殊条件下的使用要求，例如防爆内燃机的启动，使内燃车辆在“熄火”状态下通过不允许排烟污染的室内等。各种工作机，特别是行走车辆的负荷或多或少都是波动的，因此贮能传动有其普遍意义。
为了贮存车辆的制动、重物下降等频繁出现的多余能量，实际可用的是飞轮和液压蓄能器，后者多应用压缩气体贮能原理工作。
一个良好的贮能系统应该能对工作机和原动机的工况变化迅速作出反应并控制能量的合理“收支”，只有能在较宽范围内无级调节的传动装置才能满足这一要求。因此，现代贮能传动装置多为电力传动和液压传动，而后者在功率密度和反应速度方面的优点，特别是它和液压蓄能器的良好匹配性使其在行走机械上获得了更广泛的应用。
(1)飞轮贮能设备
飞轮是一种很古老的贮能设备。当向它输入能量时，飞轮转速升高，能量以动能的形式贮存在飞轮的旋转质量中；当由它释放能量时，其转速下降。由于充、放能量过程中飞轮的转速会有相当大的变化，所以它和工作机之间应当采用无级变速装置相连接。为了得到较好的贮能密度，现代贮能飞轮的转速常高达10000r／min以上，它们须经严格的动平衡和强度检验，精确地安装在真空或充氢的壳体内，以减少高速旋转时的风阻损失。
瑞典Volvo公司开发了一种采用飞轮贮能的液压无级变速装置，供市内公共汽车使用。其传动原理图见图31．4－34，其工作原理如下：
图31．4－34 瑞典Volvo公司飞轮贮能液压无级变速装置的传动原理图
1－柴油机；2－分动箱；3－增速器；4－飞轮；5－输出分动箱；6－驱动桥；7－变量泵；8、9－变量马达；10－控制泵；11－补油泵；12－冷却、滤清泵；13－阀组；14－风扇马达；15－冷却器；16－控制系统；17－液控离合器；18－液控离合器；19、20、21－传动轴
柴油发动机1的曲轴左侧通过液控离合器17、分动箱2、液控离合器18、传动轴19和增速器3驱动飞轮4，并又通过传动轴20与主变量泵7相联接。泵7向两个由分动箱5联接在一起的变量马达8和9供油，分动箱的输出轴21将动力传给车辆驱动桥6。柴油机1同时还直接驱动冷却风扇驱动系统的泵12，并通过分动箱2驱动补油泵11和控制泵10。
车辆在准备起步时，首先由发动机向飞轮充能。此时马达8、9调至最小排量，并通过制动器使传动轴21和马达轴制动。离合器17接合，而离合器18分离。这时，补油泵11通过阀组13向主油路的供油就会迫使主变量泵7作为液压马达运行，它通过传动轴20使飞轮4逐渐增速。当飞轮转速达到约5000r／min时，离合器18结合，柴油机和飞轮开始并联工作。
正常运行时，离合器17与18均结合，发动机与飞轮提供的能量经泵7和马达8、9传输到驱动桥6上，以使车辆加速和克服各种行驶阻力。当车辆减速或下坡时，由马达8、9通过泵7逆向传输能量，这将使发动机和飞轮增速并因之在飞轮中贮存了制动能量，车辆所减少的动能中的一部分(取决于传动效率)转化成为飞轮的动能增量。
在某些特殊条件下，该系统也可以利用飞轮短时间地单独驱动车辆。此时离合器17分离。在必要时，也可用飞轮来启动发动机。
该装置的飞轮装在一个铸铁制的真空壳体内，转子质量为330kg，转动惯量1kg·m2，飞轮单独运行时的最高转速为10000r／min，此时的贮存能量为8．3J，足以使公共汽车(重16t)行驶1200m远。在正常工况下与发动机共同工作时，飞轮转速为6800～8000r／min。
主油路中的液压泵7和马达8、9均为缸体摆角可达40°的球面柱塞式斜轴元件，三个元件的最大排量均为160ml／r。该液压无级变速装置使车辆产生1．6m／s2的加速度时的最高压力为32MPa，制动时最高压力约27MPa，单向传动效率(由泵到马达或由马达到泵)为70%～80%。为了按驾驶员的指令和路面实况协调发动机、飞轮和液压系统的工作，在车上装有一套以微处理机为核心的电子控制设备，主要控制参数是系统压力、泵和马达的排量及飞轮转速。
上述飞轮贮能的公共汽车已在斯德哥尔摩等城市投入了运行，并获得了良好的经济效益。德国和美国也开展了类似的研究工作。在上述Volvo公司的系统中，飞轮与发动机、液压泵之间的传动比是固定的，有时难以达到三者工作转速的最佳匹配，因此，一些新的方案往往倾向于通过差速器和功率分流装置联接这些元件，以便按实时工况合理地分配各部分的功率比例。
(2)液压蓄能器贮能设备
对于液压无级变速装置来说，采用属于同一技术范畴的液压蓄能器贮能可能更为方便。
图31．4－35是德国M．A．N公司研制的用于市内公共汽车的液压无级变速装置及贮能设备示意简图。输入轴5经过一个由差速器8、液压泵9和液压马达10组成的输出分流式传动装置将动力传输给输出轴11。泵和马达之间的主油路经过控制阀组3与高压蓄能器2及低压蓄能器1相联。当车辆加速时，由轴5输入的发动机功率与蓄能器提供的液压功率汇合到输出轴11上，匀速行驶时，蓄能器与主油路可分离。车辆减速或下坡时，车辆的动能通过以泵工况运行的液压马达10转化为液压能，重新贮存到蓄能器中，直到它的压力达到额定值为止。一套电子控制设备根据运行工况的要求控制阀组3中各元件的启闭和液压泵9，液压马达10的排量变化。在必要时，刹住制动器7可以得到纯机械传动的“机械档”，结合离合器6则得到“直接档”。
图31．4－35 带液压蓄能器的功率分流变速装置运动简图
1－低压蓄能器；2－高压蓄能器；3－控制阀组；4－变速箱；5－输入轴；6－离合器
7－制动器；8－差速器；9－变量泵；10－变量马达；11－输出轴
对于行走机械的传动装置来说，飞轮和蓄能器这两种贮能装置各有优缺点，在现有技术条件下，飞轮装置的单位重量贮能密度尚高于批量生产的标准型液压蓄能器，因此比较紧凑。但是当用飞轮与液压传动配合使用时，要经过由机械能(车辆动能、重物的势能等)到液压能再到机械能(飞轮动能)的两次转化才能把回收的能量贮存到飞轮中；在需要重新利用这些能量时，又须经过两次转化。这必然增加了损失，使贮能系统的再生效率(可资利用的能量与输入能量之比)下降。蓄能器装置则无须第二次能量转化，在布置方面亦有优点，因而它更适合于与液压传动配合使用。