阀配流变量轴向柱塞马达及其变量机构研究

摘要

液压混合动力车辆受其储能元件—蓄能器能量密度的限制，在将发动机的工作点移到sweatline（输出与负载功率相适应的最佳效率点）后，需要实时地用多余的转速补偿扭矩的不足，或用多余的扭矩补偿转速的不足，以避免对蓄能器的过度依赖，这就要求用于转速、扭矩互为转换的变量泵/马达，在正常转速低扭矩，或正常扭矩低转速的极端工况下，仍然具有很高的效率。2004年苏格兰的Artimis公司数字变量泵DDP(Digital Displacement Pump)的开发成功，在全世界液压界掀起了一股“数字变量热”。液压界惯性地认为，变量泵/马达很快就能象数字变量泵一样，在10％的转速或10％的扭矩下，仍然能维持80％以上的高效率。但九年过去了，还没有一家公司能有效地解决高速开关阀由于非平衡切换过程形成的节流压差气蚀，从而对柱塞造成严重损伤的问题，研究工作纷纷陷入停滞。
　　作者的导师作为数字变量液压的前身——对液压源实现整体数字变量的“开关液压源”技术的创始人，一贯不认同采用电控方法补偿液压元件内部缺陷的方法，因为电控无法严格保证液压元件在压力平衡的那一刻动作。只要节流压差超过下游压力的3倍，气蚀就不可避免，从而产生较大的压力冲击，大幅度降低了元件的可靠性和耐久性，元件寿命极短。因此，作者2008年在美国明尼苏达大学留学访问期间，在导师的指导下提出了轴向柱塞马达阀配流变量控制原理，在接下来的五年里，成功地将该原理应用于斜轴式定量柱塞液压马达，深入地研究了这种开关变量控制机构消除开关过程压力冲击、降低节流损耗、降低泄漏损耗、以及提供再生制动工况能力的方法，为提升变量泵/马达低速小排量工况的效率、阀配流柱塞泵/马达的可靠性、耐久性、可维修性另辟了一条捷径。
　　论文原创了“轴向柱塞马达阀配流变量机构”，把“开关液压源”中“纯机液、低压差、主动关、被动开”的理念，以及径向柱塞泵的电控数字变量驱动机构，应用到阀配流变量机构中，提出了“阀配流变量轴向柱塞马达”的新结构:用一对高、低压配流阀（纯机液高速开关阀）控制斜轴式轴向柱塞马达的一个柱塞，高、低压配流阀分别控制柱塞腔与高压供油口、低压回油口的油路通断。高、低压配流阀的主级采用锥阀，先导级为滑阀。所有高压配流阀的先导阀芯都像径向柱塞泵的柱塞一样安装到与缸筒同轴同步旋转的先导阀体内，由高压变量驱动环驱动先导阀芯，控制高压先导阀换向的角位置，让超出该角位置的柱塞改从低压油口吸油，把柱塞的这段吸油行程变成了不对外做功的无效行程，从而降低了马达的平均输出扭矩，实现了“阀配流变量”;所有低压配流阀的先导阀芯也同样由另一个低压变量驱动环驱动，控制低压先导阀换向的角位置，让超出该角位置的柱塞改向高压油口排油，把柱塞的这段行程变成了把机械能转化为液压压力能的泵工况，输出与换向角位置相对应的的再生制动扭矩;高压变量驱动环工作时低压变量驱动环全开，即柱塞不向高压油口排油，反之亦然。在实现采用变量驱动环控制高、低压先导阀换向角位置的过程中，进一步提出了“正交偏置”式驱动环位置配置方法，在确保马达输出转矩和再生制动扭矩能有效实现“阀配流变量”的基础上，确保了高、低压配流阀初始状态的准确设置。
　　论文共分八章。
　　第一章是全文的综述。首先阐述了论文的研究背景和意义，从混合动力车辆的传动系统对液压元件的极端要求、电控数字变量技术的前身——对液压源实现整体数字变量的“开关液压源”、以及国内外目前针对液压马达内每个柱塞实施数字变量受阻三个方面，剖析了现有数字变量技术在可靠性、耐久性、可维修性等方面普遍薄弱，无法在工业界应用的根结在于，虽然数字变量技术在原理上可行，但在开关过程压力冲击、节流损耗、泄漏损耗、以及再生制动工况效率低下四个方面存在着严重缺陷，再次证明了作者的导师一贯坚持的“不要试图采用电控方法补偿液压元件内部缺陷，因为电控无法严格保证液压元件在压力平衡的那一刻动作”这一观点。在此基础上，提出了本文的研究目标与研究内容——阀配流变量轴向柱塞马达。
　　第二章提出了阀配流变量轴向柱塞马达的整体结构。首先分析了液压混合动力车辆的传动系统对马达在极端工况下（输出转速达到额定值但输出扭矩仅为额定值的10％，或者输出扭矩达到额定值但输出转速仅为额定值的10％），仍然需要达到较高效率的要求。为此创造了“阀配流变量轴向柱塞马达”的概念和结构，提出了相应的高、低压配流阀组结构，通过简单的“变量驱动环”的偏置，就可以实现马达输出扭矩和再生制动扭矩的“阀配流变量”。在此基础上，提出了“正交偏置”的变量变量驱动环位置配置方法，在确保马达输出扭矩和再生制动扭矩能有效实现“阀配流变量”的基础上，确保了高、低压配流阀初始状态的准确设置。最后建立了该马达单个柱塞和7个柱塞联合的仿真模型，开发了该阀配流变量轴向柱塞马达的原理样机，搭建了样机试验系统。
　　阀配流机构是阀配流变量轴向柱塞马达实现“阀配流变量”的核心。第三章提出了阀配流变量轴向柱塞马达的阀配流机构，分析了其静态变量特性。首先分析了阀配流变量轴向柱塞马达对其高、低压配流阀流量、频响接近极限的严格要求，据此提出了高、低压配流阀的结构参数。在此基础上，分析了在马达的一个工作循环中，在高、低压配流阀控制下形成的六个工作状态，证明了“正交偏置”式的变量配流机构，在静态上可以实现马达输出扭矩和再生制动扭矩的“阀配流变量”。最后通过仿真和试验加以验证。
　　电控“数字液压”与“高速开关液压”类似，不被很多专家学者和工业界看好，最主要的原因就是无法严格保证液压元件在压力平衡的那一刻动作。只要节流压差超过下游压力的3倍，气蚀就不可避免，从而产生较大的压力冲击，大幅降低了元件的可靠性和耐久性，元件寿命极短。为此，第四章专门分析了阀配流变量轴向柱塞马达的高、低压配流阀切换过程的压力平衡问题，对马达的一个工作循环中，在高、低压配流阀控制下形成的六个工作状态，逐个进行了分析，证明了所有这些高、低压配流阀，无论是主阀还是先导阀，无论在哪一个工作状态，都是“严格地在阀口压力平衡的那一刻动作”。在此基础上，对阀配流变量轴向柱塞马达在启动、制动和换向三个极端工况下的动态特性也进行了分析。最后通过仿真和试验加以验证。
　　电控“数字液压”不被很多专家学者和工业界看好的第二大原因，就是在高速开关阀开关的动态过程中，会产生很大节流损耗，甚至超过了通过变量节省下来的能量;另外，在高速开关过程中，稳态液动力和瞬态液动力也变得不可忽略，进一步延长了开关过程的时间，增加了节流损耗。为此，第五章专门分析了阀配流变量轴向柱塞马达的动态特性，特别是稳态液动力和瞬态液动力对开关过程时间的影响。在此基础上，对马达的一个工作循环中，在高、低压配流阀控制下形成的六个工作状态，逐个进行了分析，证明了所有这些高、低压配流阀，无论是主阀还是先导阀，无论在哪一个工作状态，其节流损耗都非常低。最后通过仿真加以验证。
　　电控“数字液压”不被很多专家学者和工业界看好的第三大原因，就是元件内部的零件数量非常多，而且很多都是在高速相对运动的，不平衡液压力又会随着变量比的变化而变动，因而产生了很大泄漏损耗，甚至还会带来机械摩擦。作者在两年前就已经完成了论文前几章的研究工作，由于在这些高速高压的相对运动面上存在大量的泄漏和摩擦，导致实验研究工作无法开展下去，才又重新研究了一轮。为此，第六章专门针对这些高压高速的相对旋转面，特别是配流盘位置，提出了基于圆盘缝隙前置阻尼的中心通流式静压推力轴承结构，应用在阀配流变量轴向柱塞马达的中心旋转部分，替代常规轴向柱塞泵或柱塞马达的剩余压紧力配合方法，将所有高压高速相对运动面的泄漏损耗都降到较低水平。最后通过仿真和试验加以验证。
　　液压混合动力车辆的传动系统对变量泵/马达提出了“正反转效率基本相等”的要求，即要求变量泵/马达在再生制动工况下的效率与正向驱动时基本相等。为此，第七章专门分析了阀配流变量轴向柱塞马达工作在再生制动工况下的静、动态特性。证明了该变量泵/马达对再生制动过程的变量控制性能，无论是在静态方面还是动态方面，都与正向驱动时基本相等。最后通过仿真和试验加以验证。
　　第八章总结全文，在此基础上提出了进一步研究的方向。

目录

声明

摘要

图表清单

第1章 绪论

1．1 油液混合动力车辆对变量泵／马达在极端工况的高效率要求

1．1．1 车辆油液混合动力系统的原理与发展趋势

1．1．2 油液混合动力车辆动力系统及其对泵／马达的效率要求

1．1．3 变量柱塞泵／马达的配流机构及其在低排量下的效率

1．1．4 座阀配流柱塞泵的转速限制和马达工况的缺失

1．2 数字变量的前身——对整个液压源进行数字变量的“开关液压源”

1．2．1 开关液压源理论提出的背景

1．2．2 升压型开关液压源结构及工作原理

1．2．3 降压增流型开关液压源结构及工作原理

1．2．4 复合型开关液压源结构及工作原理

1．2．5 开关液压源速度控制系统的负载自动适应原理与脉频调制

1．2．6 开关液压源的变压损耗

1．3 电控数字变量与传统变量方式的对比及其面临的挑战

1．3．1 可变有效排量的液压泵／马达(VVDP／M)

1．3．2 高速开关阀配流的柱塞泵／马达

1．3．3 电控数字变量柱塞泵／马达的冲击问题

1．3．4 论文研究的目标

1．3．5 论文的主要研究内容

1．3．6 论文研究的意义

1．4 本章小结

第2章 阀配流变量轴向柱塞马达的结构与工作原理

2．1 液压混合动力系统对阀配流变量轴向柱塞马达的要求

2．2 阀配流变量轴向柱塞马达的结构与阀配流工作原理

2．3 基于“正交偏置法”的轴向柱塞马达的阀配流变量方法

2．4 高、低压配流阀的初始状态设置

2．4．1 数字变量泵／马达配流阀的初始状态

2．4．2 变量阀配流机构中高、低压配流阀初始状态设置

2．5 阀配流变量轴向柱塞马达的建模

2．5．1 单柱塞马达建模

2．5．2 七柱塞马达数学建模

2．6 阀配流变量轴向柱塞马达的样机与实验系统

2．7 本章小结

第3章 阀配流变量轴向柱塞马达的开关变量控制机理研究

3．1 阀配流变量轴向柱塞马达对阀配流机构的要求

3．2 阀配流变量轴向柱塞马达的配流机构及其工作原理

3．3 阀配流变量轴向柱塞马达在100％变量时的输出流量与扭矩

3．3．1 单个柱塞的输出流量与扭矩

3．3．2 多柱塞马达的综合输出流量与扭矩

3．4 基于“正交偏置法”的轴向柱塞马达阀配流变量控制

3．4．1 变量驱动环位移控制先导换向阀阀口开度的机理

3．4．2 变量驱动环位移控制配流阀开关角位置的机理

3．4．3 理想状态下变量驱动环位移控制马达输出扭矩的机理

3．4．4 理想状态下变量驱动环位移控制马达做功流量的计算

3．5 变量驱动环位移控制配流阀开关角位置的静特性仿真

3．5．1 单个柱塞马达工况

3．5．2 单个柱塞再生制动工况

3．5．3 七个柱塞联合仿真结果与分析

3．6 变量驱动环位移控制配流阀开关角位置静特性试验与分析

3．7 本章小结

第4章 阀配流变量轴向柱塞马达消除开关过程压力冲击的机理研究

4．1 阀配流变量轴向柱塞马达工作周期的六个阶段

4．2 高压配流阀的无冲击关闭机理

4．3 低压配流阀的无冲击开启机理

4．4 低压配流阀流动方向的无冲击切换机理

4．5 低压配流阀的无冲击关闭机理

4．6 高压配流阀的无冲击开启机理

4．7 高压配流阀流动方向的无冲击切换机理

4．8 阀孔加工误差及先导柱塞外缘磨损对开环变量的影响分析

4．9 阀配流变量轴向柱塞马达的三种极端工况控制方法

4．9．1 阀配流变量轴向柱塞马达的启动控制方法

4．9．2 阀配流变量轴向柱塞马达的制动控制方法

4．9．3 阀配流变量轴向柱塞马达的换向控制方法

4．10 阀配流变量轴向柱塞马达的起制动特性仿真

4．10．1 启动特性仿真结果与分析

4．10．2 再生制动特性仿真结果与分析

4．11 阀配流变量轴向柱塞马达的起制动特性试验结果与分析

4．12 本章小结

第5章 阀配流变量轴向柱塞马达变量偏差与降低节流损耗的机理研究

5．1 高、低压配流阀芯的结构参数及液动力分析

5．1．1 主阀芯的结构参数与数学建模

5．1．2 主阀芯的静态特性分析

5．1．3 作用在主阀芯上的稳态液动力分析

5．1．4 作用在主阀芯上的瞬态液动力分析

5．2 开关过程延时引起的变量偏差

5．2．1 吸油过渡过程中柱塞产生的角位移

5．2．2 高压配流阀关闭到低压阀开启过程中柱塞产生的角位移

5．2．3 排油过渡过程中柱塞产生的角位移

5．2．4 低压配流阀关闭到高压阀开启过程中柱塞产生的角位移

5．3 开关过程延时阶段的柱塞压力变化与节流损耗

5．3．1 吸油过渡过程中柱塞的压力变化

5．3．2 排油过渡过程中柱塞的压力变化

5．3．3 单个柱塞在六个阶段的总输出扭矩

5．3．4 转速对单个柱塞在六个阶段输出扭矩的影响

5．3．5 单个柱塞在两个开关过程的总节流损耗

5．4 阀配流变量轴向柱塞马达单柱塞的动态性能仿真结果与分析

5．4．1 变量控制特性仿真结果与分析

5．5 本章小结

第6章 阀配流变量轴向柱塞马达的不稳定轴向力支撑机理

6．1 阀配流变量轴向柱塞马达的不稳定轴向力分析

6．1．1 阀配流变量轴向柱塞马达在100％变量时的轴向力分析

6．1．2 阀配流变量轴向柱塞马达在其他变量比下的轴向力分析

6．2 基于圆盘缝隙前置阻尼的中心通流式静压推力轴承原理与承载能力

6．3 前置阻尼大小与承载能力、容积损耗的关系

6．4 单个静压推力轴承试验结果与分析

6．5 本章小结

第7章 阀配流变量轴向柱塞马达的再生制动机理研究

7．1 阀配流变量轴向柱塞马达再生制动过程的配流机构工作原理

7．2 阀配流变量轴向柱塞马达再生制动过程的阀配流控制机理

7．3 阀配流变量轴向柱塞马达全再生制动过程的输出流量与扭矩

7．3．1 理想状态下的输出流量

7．3．2 非理想状态下的输出流量与扭矩

7．4 纯机液数字马达的再生制动特性仿真结果与分析

7．5 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 下一步的研究计划

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢