越野叉車靜壓傳動系統設計與動力匹配控制

徐 磊，朱從民，王 縣

（總后建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

0 引言

靜壓傳動系統主要由液壓泵和液壓馬達組成，是一種無極變速的傳動裝置，是通過改變泵或馬達的排量來調節馬達轉速和扭矩的，故又稱為容積調速裝置。靜壓傳動以其結構簡單、無級調速、控制簡便、控制方式多樣和功率利用合理等優點在叉車行駛系統中得到了越來越多的應用。主要應用在叉車、自動式震動壓路機、穩定土拌和機、輪式裝載機等工程車輛。本文針對某越野叉車作業工況。對叉車靜壓傳動系統進行研究與設計。

1 靜壓傳動系統特點分析

靜壓傳動調節方式有：變量泵調速系統、變量馬達調速系統、變量泵一變量馬達調速系統三種形式。只需在變量泵和變量馬達之間加入自動調節控制裝置，便能夠實現車輛運行中的自動調節，從而提高車輛的作業性能。靜壓傳動有齒輪傳動和液力變矩傳動不具備的優點，具體優勢為：

（1）無極調速高效區寬。根據泵和馬達的不同組合，可以使叉車獲得不同的牽引特性，發動機在低速下有更好的負荷特性。改變變量泵的斜盤傾角和正反方向即可容易地實現平穩的變速及換向，方便實現無極調速及微動行駛。

（2）自動變矩調節驅動。工程機械作業時，由于工況不斷的變化，發動機輸出負載也不斷的調節。當行駛阻力增大，馬達要克服大阻力其輸出扭矩增大，則其入口壓力增加，使泵輸出壓力增大，變量油缸液壓回位力增大，泵擺角減小，行駛速度下降，使車輛在一個新的穩定速度下工作。當行駛阻力大到發動機的輸出額定功率后，隨負載的加大發動機轉速下降，DA 閥控制壓力減小，油泵排量降低，車輛行駛速度也隨之下降，實現恒功率驅動。

（3）功率優化分配，節省油料。靜壓傳動系統具有獨特的發動機轉速匹配功能，使得發動機的最佳性能得以體現且節省油耗，減少尾氣排放和降低噪音。靜壓傳動可以將發動機的轉速控制在非常合理的范圍內。以叉車舉例說明，當靜壓傳動叉車的行駛速度在0～9km/h 內變化時，通過改變斜盤的角度即可滿足。而發動機的轉速保持大約在1500r/min。只有當叉車行駛速度大干9 千米／小時后才需要提高發動機的轉速來獲得更高的行駛速度。

（4）易于控制操縱方便。靜壓系統在控制方面具有先天優勢，便于將機械、液壓、電子集于一體實現自動控制，這也是叉車實現智能化的基礎。車輛前進、后退、制動等動作只需一根操縱桿即可實現，并能迅速變速及無沖擊變換行駛方向。

此外，靜壓傳動還具有低速性能好，總體布置方便，操作省力，可靠性高和維護簡便等優點。

2 某型越野叉車靜壓傳動系統設計

2.1 越野叉車靜壓傳動系統設計要求

傳動裝置是影響車輛行駛性能好壞的關鍵的組件之一，叉車的行駛工況更復雜，需要頻繁完成起動、停止、換向等動作，傳動系統性能和叉車加速性能、操作性能、爬坡性能、油耗經濟性、可靠性、安全保障等息息相關，所以傳動系統可靠與否直接關系到叉車的可靠性和故障率。同時，越野叉車還應當具備在復雜地形環境和復雜天候環境下的作業能力，對行駛速度、動力性能、爬坡能力、加速性能、脫困能力等均有特殊要求。

2.2 越野叉車靜壓傳動系統原理

由于發動機的輸出扭矩基本是恒定的，扭矩曲線不是理想的牽引力雙曲線，當扭矩超過發動機最大值時發動機會熄火，一個理想的動力傳動系統應該在整個轉速范圍內提供不變的功率（恒功率），即速度增大時扭矩減小，反之亦然。為改善發動機的外工作特性，就需配套合適的傳動控制裝置。

靜壓傳動系統根據元件選擇的不同分為高速方案和低速方案，高速方案由軸向柱塞馬達通過變速箱，驅動橋或減速機等中間傳動元件驅動車輪，低速方案采用低速大扭矩的輪邊馬達直接驅動車輪，中間幾乎不需要任何傳動元件，馬達直接與車輪連接，可以帶有制動器，因此結構簡單使用方便。高速方案中要求液壓泵、液壓馬達具有較大的變量范圍，再配合變速裝置合理的速比和檔位的設置，可以得到理想的功率輸出特性曲線，滿足工程機械低速重載的需要，一般在重載的工程機械領域，大量使用高速方案。低速方案結構簡單，生產組織和采購環節工作量大大減小，低速方案車輪獨立驅動可以實現更加方便動力分配，當車輛某一驅動馬達打滑或懸空時，通過電磁閥的通斷控制可以實現驅動馬達的自由輪工況，使變量泵提供的壓力油進入其它未打滑的驅動馬達，實現差速鎖功能，有利于復雜地形環境作業。若高速行走時僅前橋驅動，后橋兩液壓馬達摘斷油路，具有自由輪功能。一般相對較輕載的叉車領域，采用低速方案更加易于實現。只是目前低速大扭矩馬達的內泄漏量一般比高速軸向柱塞馬達要大，因此在低速方案的靜壓傳動裝置中，補油泵的排量要大一些。

該型越野叉車用于解決野外環境下托盤集裝物資裝卸搬運、掏裝集裝箱和散件物資的裝卸及短途搬運等多種勤務需求。該車靜壓傳動系統采用靜壓傳動低速方案，靜壓傳動系統原理詳見圖1。

圖1 越野叉車靜壓傳動系統原理圖Fig.1 Forklift field hydraulic schematic

3 越野叉車靜壓傳動系統部件選型與設計計算

3.1 發動機的確定

發動機是叉車的心臟，其動力性能、可靠性、燃油經濟性對叉車的許多技術性能指標有著至關重要的作用。所以進行叉車設計時，首先是根據叉車性能及允許發動機安裝的空間和通用性等要求進行發動機的選型。

越野叉車使用地區廣泛，天氣差異大，工作環境惡劣，工況變化大，負荷較重。因此，要求發動機在具有良好的動力性與燃油經濟性、工作可靠性，好的冷啟動性能和易于維修保養、符合標準法規的壞保指標等一般性要求的基礎上，還應具有下列基本特性：①為保證能在急變化的負荷狀態下工作，一般宜采用全程式調速器，其瞬時調速率應小于12%，穩定調速率小于8%；②為適應越野環境作業要求，發動機有較大的扭矩適應性，通常扭矩儲備系數應大于15%；③叉車常在傾斜的地面上作業，要求發動要能在前后或左右傾斜狀態下正常工作，通常要求發動性能在縱傾20°、橫傾15°狀態下工作；④叉車常在空氣含塵量較多的環境作業，要求有高效率的空氣濾清器，加油口，通氣口和管接頭處都應有防塵密封；⑤為適應高原地區工作需要，應設置增壓器以補償高原功率的降低，要求在海拔2500m 地區作業而不降低功率；⑥發動機的體積功率比，燃油和機油消耗率，轉速儲備系數、最低工作穩定思考速以及機械振動技術性能指標應符合叉車的配套要求。

發動機功率可根據下式計算：

式中：P—發動機計算功率（kW）；Dνmax—高速檔最大動力因素，可取Dνmax=0.08/Q+0.04，Q 為叉車起重量單位為t；Vmax—滿載最大行駛速度（km/h）；Ga—叉車滿載總重（N）；ηt—傳動效率，取ηt=0.7。

按GB 1105 發動機臺架試驗功率修訂，具體可參考海拔每上升1000m，發動機功率下降12%的標準要求，對計算功率進行修訂。根據計算值確定發動機的功率，在查閱發動機樣本后根據總體布置的結構尺寸的要求選定發動機型號。

3.2 系統壓力確定

靜壓傳動系統工作壓力是指行走液壓系統在正常運行時所能克服外載荷的最高限定壓力，在實際工作過程中，系統壓力隨著載荷大小不同而變化。在液壓系統的設計中，系統工作壓力往往是事先確定的，根據叉車的技術要求，經濟效果和目前液壓技術所能達到的水平來確定的。

在外負荷已定的情況下，系統壓力選得越高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，結構緊湊，重量輕。壓力的選擇還要考慮制造、密封等因素，壓力太高，密封要求也高，制造維修困難。同時，隨著壓力的升高，尺寸和重量的減小是有限制的。因為壓力升高到一定程度，元件與管道的壁厚也要相應增加，尺寸和重量的減少將越來越少，甚至使液壓元件的尺寸和重量增大，所以壓力的選取要從現有的生產技術水平出發，全面考慮各種因素，然后加以確定。

3.3 牽引力計算

復雜路況滿載最大牽引力：

式中：N—叉車滿載總重（N）；f—總牽引力系數，經驗選取0.8。

最大爬坡度時的牽引力：若叉車最大爬坡度為α°，所需最大牽引力Fmax為：

式中：N—叉車滿載總重（N）；f1—為滾動磨擦系數取0.04。將以上數據代入上式計算最大牽引力Fmax。

3.4 馬達排量計算

行走液壓馬達選用低速大扭矩的輪邊馬達，直接與輪胎相連，直接為車輪提供扭矩。馬達最大排量計算：

式中：Fmax—最大牽引力（N）；R—驅動輪半徑（mm）；Qm—液壓馬達排量（mL/r）；n—馬達個數；P—系統壓力，壓力損失按10%計，故系數取0.9。根據計算馬達最大排量選擇合適的輪邊馬達。

3.5 泵排量計算

泵最大排量按下式計算：

式中：V—滿載最大行駛速度（km/h）；D—車輪直徑（mm）；n—發動機最高轉速（rpm）；Qpmax—變量泵最大排量（mL/r）；Qm—液壓馬達的排量（mL/r）；ην——系統容積效率，取0.9。根據計算變量泵的最大排量選擇合適的變量泵。

4 液壓泵與發動機參數匹配與控制

當發動機與液壓泵、液壓馬達組成一個傳動系統后，該系統的綜合性能不僅受發動機、液壓泵、液壓馬達各組件本身性能的影響，而且還受到各部件性能參數之間是否合理匹配的影響，同時控制方式對系統的性能也有著特別重要的影響。不考慮機械傳動的功率損失時，泵與發動機的匹配方程為：

式中：Pp（t）—液壓泵吸收功率；Pe—發動機輸出功率。即泵的吸收功率等于發動機的輸出功率。在發動機轉速保持不變時：

式中：Mp（t）—液壓泵吸收扭矩；Me—發動機輸出扭矩。

即泵的吸收扭矩等于發動機的最佳工作點的輸出扭矩。

式中：Mp（t）—液壓泵吸收扭矩；Pp—液壓泵壓力；qp—液壓泵排量。Pp取決于負載，當負載變化時，引起Pp和Mp（t）的變化，當Mp（t）偏離最佳工作點時，泵與發動機不匹配，通過調節泵的排量qp以改變Mp（t），使得Mp（t）始終近似滿足等式Mp（t）=Me，這就實現了泵與發動機的匹配。

由以上匹配方式出發，將叉車的發動機—液壓傳動裝置—負荷看作是負荷驅動系統，提出最適合于發動機和液壓傳動系統的控制方式：

（1）發動機恒功率控制：不論外界負荷扭矩的大小如何變化，都要將發動機輸出軸扭矩控制為一定值，即通過液壓傳動系統的變換作用，使發動機定值適應變化的負荷扭矩，若給定合適的負荷率，在這一工況下工作，則發動機性能不為外界負荷的變化所影響，功率利用情況最好。

（2）發動機變功率控制：據外界負荷扭矩的變化來控制調整發動機的轉速，保證發動機的功率利用和燃料經濟性對于外負載始終處于最佳狀態。

通常為了更好的適應外負載的變化，保證發動機具有最佳的動力性和經濟性，一般將兩種控制方式結合使用，即根據外負荷的狀況控制發動機轉速的變化，然后通過調整變量泵的排量使其適應外負荷在該狀況下的變化，從而使發動機在該轉速下的功率得以充分發揮并且燃油經濟性最好。實現發動機恒功率控制和變功率控制。其原理及實現如圖2 所示。在發動機與液壓傳動裝置的性能參數進行良好的匹配以后，發動機合適的負荷率是其動力性、燃油性和液壓系統效率最佳的必要條件。大約在90%～100%的負荷率下燃料消耗率最低。

圖2 泵與發動機匹配實現方案框圖

按以上控制方式進行行走液壓傳動系統的自動控制裝置目前主要有電動比例控制和機械-液壓伺服控制兩種，如德國力士樂公司的A4VG 變量泵中的DA 控制，意大利SAM 公司HCV 系列液壓泵的HVA 控制，德國林德公司的BPV 系列泵中的Au 控制等均屬于機械-液壓伺服控制方式；德國力士樂公司的A4VG 系列泵中的EP 控制。一般控制方式在變量泵的樣本中均有詳細的說明，我們根據叉車的使用工況來進行合理的選擇。

5 結論

本文分析了靜壓傳動系統的特點，設計了某型越野叉車靜壓傳動系統，進行了靜壓傳動系統主要部件選型分析與設計計算，分析了發動機恒功率控制與發動機變功率控制兩種靜壓傳動系統設計與動力匹配控制策略，并給出了具體解決思路，使靜壓傳動系統在越野叉車上得到了成功的應用。

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