液压无级变速装置的基本特性

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1967页（3769字）

液压无级变速装置的基本组成部分是输入端的液压泵、输出端的液压马达，两者之间为联接管道以及油箱和调节装置(图31．4－1)。液压泵一般是变量的，马达则可以是定量或变量的。装置的基本工作原理是：由原动机以输入转速n₁和输入转矩M₁所体现的机械能，在液压泵上转化为体积流量Q和压差△p所表征的液压能，后者在液压马达上又重新转化为由输出转速n₂和输出转矩M₂所体现的机械能。当把液压无级变速装置本身视为一个整体时，则有关液压的各参量都只发生在其内部，外部与原动机和工作机相联系的仅是机械参量(转速和转矩)。

图31．4－1 液压无级变速装置的基本组成

(脚码1表示输入参数；脚码2表示输出参数；P表示泵参数；M表示马达参数)

液压无级变速装置的输入、输出功率均可用相应的转速及转矩乘积来表示，其效率可由下式计算：

式中 P₁——输入功率；

P₂——输出功率。

本节所讨论的液压无级变速装置主要用于动力传动，基于效率方面的考虑，它们均不采用节流调节，主要的调节参数是变量泵和变量马达的变排比，它等于该元件的实时排量和可能达到的最大排量之比(图31．4－1)：

式中 y^P——液压泵变排比；

V^P——液压泵实时排量；

y^M——液压马达变排比；

V^M——液压马达实时排量；

——液压泵最大排量；

——液压马达最大排量。

(1)输出特性

装用液压无级调速装置的目的一般都是为了使工作机在负荷下获得预期的转速n₂。大多数使用场合要求在n₁相对恒定的条件下能连续调节n₂的大小和方向。只有飞机和某些风力机上用以驱动发电机的恒速驱动装置等少数情况相反，要求在n₁不断变化时，n₂能保持恒定。

任何一个液压无级变速装置所能输出的转速n₂和转矩M₂以及它们的乘积功率P₂的范围均是有限的，构成这一可运行区域的边界称为该装置的输出包线。图(31．4－2)示出在n₁－M₁坐标系第一象限中液压无级变速装置的典型输出包线。当忽略装置的能量损失时，该包线由下述几部分组成：

图31．4－2 液压无级变速装置的典型输出包线

(A)对应于M_2max的最大输出转矩线AB。M_2max由装置中液压马达的最大排量和马达的最高工作压差的乘积决定。在理想情况下M_max与n₁无关，因此AB是一条水平线。

(B)对应于n_2max的最高输出转速线CD。n_2max由下面两个转速中的较小者决定：

·装置中液压马达的许用最高转速；

·装置中液压泵提供的流量使马达能达到的最高转速。

在理想情况下，n_2max不随M₁变化，所以CD线是一条垂直线。

(C)对应于最大输出功率P_1max的BC线。它由下列两个因素中较小者决定：

·装置中液压泵的最大许用功率；

·装置中液压马达的最大许用功率。

由于输出功率是输出转速和转矩的乘积，因此在n₁－M₁坐标系中，恒功率曲线是一族双曲线。在极限情况下，n₂和M₂同时达到最大值，其工作点在图31．4－2中AB和CD两直线的交点E处，E点对应的功率P_E代表了这一液压无级变速装置所能传输的功率极限，称为角功率。通常情况下，最大功率线BC是一条远离E点的双曲线。

实际的液压无级变速装置都是有功率损失的。装置中液压介质的泄漏(容积损失)表现为n₂随M₂的增加而下降。液压元件中的机械损失和介质的流动损失表现为M₂随n₂的上升而减小。此外，由于液压马达中零件间的静摩擦力较高，某些接触区的局部变形以及不均匀的泄漏，使它在很低的转速下不能正常运转而出现一个死区，该死区随M₂的增加而加宽。这些因素使装置的实际输出包线偏离到OA′B′C′D。图中绘有影线的部分即为实际能运行的范围。

许多工作机要求液压无级变速装置不仅能调速，而且能改变输出转速和转矩的方向，并且应在必要时能由输出端向输入端逆向传输制动能量。装有适当的液压泵和马达及采用合理油路的液压无级变速装置是能够满足这些要求的。图31．4－3示出它在n₂——M₂坐标系中所有四个象限中的输出包线。n₂的正负表示转向的不同；M₂为负值的Ⅲ、Ⅳ象限意味着装置由工作机吸收能量(制动或贮能运行)，所以考虑效率以后的运行区(虚线)可能超出理论的范围(实线)⁽¹⁾。另一方面，由于泄漏、润滑等方面的限制，液压元件作为泵运行时的低速死区比作为马达时更宽。通过改进元件的结构可以在一定程度上减小低速死区。最近出现的“用户端调节”的恒压系统则使液压无级变速装置能在四个象限中运行而不出现死区。

图31．4－3 在四个象限中的输出包线

以上分析表明，尽管存在着结构和性能方面的一些限制，但液压无级变速装置的可运行范围仍然是相当宽广的，对各种不同的负荷及原动机有着良好的适应性。

(2)输入特性

图31．4－4示出n₂－M₂坐标系表示的液压无级变速装置的输入包线，它的组成部分与上述输出包线相类似，只是M的方向相反，正值表示装置吸收功率，负值则表示向原动机回馈功率。此外，多数使用情况下输入转向是无须改变的，因此图中只表示了Ⅰ、Ⅳ两个象限的工况。n_1max受到泵的气蚀性能限制，M_1max对应于泵在最大排量时建立最大压差所需的转矩。设计合理的液压无级变速装置中马达的许用功率应比泵的要大或相等，最大输入转速可以达到n_1max，它和M_1max的乘积即是输入角功率值。

图31．4－4 液压无级变速装置的典型输入包线

装置中的能量损失要靠增加输入功率来补偿。实际输入包线与理想值的偏离表现为M_1max的上升和一个相当宽的低速死区。后者并不是重要的缺点，因为原动机绝大多数是高转速的内燃机或电动机。

液压无级变速装置的输入包线和输出包线一样具有相当大的可运行范围，这使它能与不同特性的多种原动机获得良好的匹配。图31．4－5给出了它与一台带全制式调速器的柴油机联合运行的特性曲线。Ⅰ象限中上部的曲线2为该柴油机的输出转矩与转速的关系，Ⅳ象限中的4则为其所能吸收的制动转矩曲线。G_e0～G_e4分别表示出不同供油量时柴油机的调速特性。由图可看出，液压无级变速装置的输入包线覆盖了柴油机的全部运行工况。图中同时给出了具有一定穿透性的液力传动装置的典型输入特性曲线1，后者能与柴油机共同工作的区域较窄，而且通常较难逆向传递制动能量，液力传动装置的输入与输出参数之间的关系比较密切，为了在接近于零的很低的输出转速下得到最大的输出转矩，必须使输入转速和转矩均达到接近于最大值，亦即要输入最大功率。这种特性虽然具有随负荷增加“自动”调大变矩系数的优点，但却使它在大转矩、低转速的输出状态下的功率损失显着增加，并常使原动机同时驱动其他工作机的剩余功率不足。相比之下，液压无级变速装置的输入和输出参数之间的相互关联就远没有那样密切。通过适当调节泵和马达的排量，即使在较小的输入功率时，也能获得低速下的大输出转矩。这使它在低速大转矩的输出工况时的效率与同时驱动多个工作机的性能优于液力传动。另一方面，当装有专门的调节系统时，它也可以具有类似于液力传动的输出特性。参数匹配的灵活性是液压无级变速装置的重要优点之一。

图31．4－5 液压与液力传动和柴油机特性匹配的对比

1－液力传动输入特性；2－柴油机转动特性；

3－液压传动输入特性；4－柴油机制动特性