【正文】 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 1 章 緒 論 課題研究現(xiàn)狀 液壓傳動(dòng)由于其本身所具有的高功率重量比，體積小且能進(jìn)行無級調(diào)速等特點(diǎn)，使得液壓傳動(dòng)具有在汽車、工程機(jī)械、拖拉機(jī)及軍事車輛等中運(yùn)用的潛力。 在國外， 70 年代由于能源危機(jī)的出現(xiàn) ,以節(jié)能為目的的研究工作相繼開，通過對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)施以不同的控制策略，可使車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提高，節(jié)省燃油可達(dá) 30%。瑞典對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)在牽引機(jī)車和叉車上的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究，得出結(jié)論：在這兩個(gè)領(lǐng)域，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)比飛輪儲(chǔ)能復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)更有效。美國烕斯康星大學(xué)也對蓄能器儲(chǔ)能復(fù)合傳動(dòng)進(jìn)行了研究， 并于 1985 年在德國禮公司的公共汽車上得到實(shí)現(xiàn)。通過推算，得出結(jié)論：將公共汽車的傳 動(dòng)系統(tǒng)改成二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，三年內(nèi)車輛節(jié)省的開支就可以回收改裝成本，而且 同時(shí)還有降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的好處。最近幾年加拿大、日本一些學(xué)者仍在繼 續(xù)進(jìn)行此方面的研究，并將成果申請了專利。 全套圖紙，加 153893706 在國內(nèi)，對該方面的硏究還不多，主要是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要是對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真方面的研究。 上海交通大學(xué)對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)也進(jìn)行了理論上的研究 ,但是尚無樣車的試驗(yàn)研究。 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了一種電控液壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了理論研究。 與二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能原理相似的是混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，從事該方面研究的人也越來越多。具有代表性的是 1997 年豐田公司在 車上使用的混合動(dòng) 力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 該系統(tǒng)在減小排放， 提髙燃油經(jīng)濟(jì)性方面是比 較明顯， 目前已 有數(shù)種車型投放市場井將得到更廣泛的應(yīng)用。但是 ,由于作為該系統(tǒng)的重要組成元件之一的蓄電池的造價(jià)較高，使用壽命也較低。 而對于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，隨著液壓元件性能的提高和價(jià)格的降低，電子技術(shù)的飛越，將有越來越多的國內(nèi)外學(xué)者從事該領(lǐng)域的研究，并在未來將電控液驅(qū)汽車 推向市場，實(shí)現(xiàn)商品化，使電控液驅(qū)汽車真正進(jìn)入百姓生活。 研究的目的和意義 壓傳動(dòng)由于其本身所具有的高功率重量比，體積小且能進(jìn)行無級調(diào)速等特點(diǎn)， 使得液壓傳動(dòng)具有在汽車、工程機(jī)械、拖拉機(jī)及軍事車輛等中運(yùn)用的潛力 。 在國外， 70年代由于能源危機(jī)的出現(xiàn)，以節(jié)能為目的的研究工作相繼開，通過對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)施 以不地球是人類生存和發(fā)展的家園，地球上的資源是有限的。自從 1973 年石油危機(jī)以來，人們倍加意識到能源的有限性。與此同時(shí)，地球環(huán)境也遭受多種產(chǎn)業(yè)及交通工具污染的威脅，汽車工業(yè)及汽車對環(huán)境的污染是其中的一個(gè)重要方面。 而交通事故造成很多人員的傷亡及巨大經(jīng)濟(jì)損失， 已是社會(huì)的公害則。因此發(fā)展節(jié)能、環(huán)保、安全型汽車是汽車行業(yè)的主要研究方向。 汽車在制動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能通過 制動(dòng)器的摩擦片和制動(dòng)鼓的摩擦作用產(chǎn)生熱能而 被浪費(fèi)掉，不能加以利用。本課題綜合考慮了上述多種因素設(shè)計(jì)了新型電控液驅(qū)汽車。它能很好滿足汽車節(jié)能、環(huán)保、安全等方面的要求。通過電控液驅(qū)客車 的設(shè)計(jì)研究， 可以掌握電控液驅(qū)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)定壓網(wǎng)絡(luò)液壓馬達(dá)控制系 統(tǒng)（二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)）理論的發(fā)展，并使二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)盡快應(yīng)用于車輛中。同時(shí)， 也為今后電控液驅(qū)汽車的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。新型電控液驅(qū)汽車降低燃油消耗 量和減少有害排放的效果是很明顯的。這對于當(dāng)前我國石化燃料不足 ， 其它代替 能源尚未完全幵發(fā)利用的現(xiàn)狀以及緩解城市空 氣污染狀況來說具有很深遠(yuǎn)的意義。 新型電控液驅(qū)汽車能夠顯著提高車輛經(jīng)濟(jì)性、排放性能和主動(dòng)安全性等多方面的 性能，是對常規(guī)汽車有較大變革的、機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著對車輛節(jié)能環(huán)保性能的重視與要求的與日提高，具有良好節(jié)能環(huán)保性能的新型電控液驅(qū)客車。 設(shè)計(jì)一種新型電控液驅(qū)汽車液壓系統(tǒng)。能夠相助提高車輛經(jīng)濟(jì)性，排放性和主動(dòng)安全性等多方面的性能。確定液壓系統(tǒng)的總體組成，進(jìn)行各個(gè)相關(guān)部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 ，分析與優(yōu)化。 。 與計(jì)算。在保證性能的前提下，盡可能減小質(zhì)量和體積。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2 章 新型電控液驅(qū)汽車工作原理及分析 新型電控液驅(qū)汽車的工作原理 電控液驅(qū)汽車具有節(jié)能、環(huán)保、操縱方便等優(yōu)點(diǎn)。其液壓系統(tǒng)的基本方案見圖 。 電控單元 發(fā)動(dòng)機(jī) 溢流閥 單向閥 液壓泵 開 關(guān)閥 液壓蓄能器 二次元件〔液壓泵丨馬達(dá)） 減速器 驅(qū)動(dòng)車輪 圖 新型電控液驅(qū)汽車的基本方案 新型電控液驅(qū)汽車的工作原理：由電控單元 1控制發(fā)動(dòng)機(jī) 2 間歇工作 于最佳經(jīng) 性區(qū)域， 發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓泵。給液壓系統(tǒng)和液壓蓄能器 7 提供恒定高 壓油。壓力油黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 的作用下 二次元件（變量馬達(dá)） 8 通過減速器 9 驅(qū)動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)輪 10，實(shí) 現(xiàn)車輛的加速和勻速行駛。當(dāng)車輛在制動(dòng)過程中，二次元件在電控單元 1 的控制 下，使二次元件處于液壓泵工作狀態(tài)，所輸出的液壓油送入液壓蓄能 器，將車輛 的動(dòng)能以液壓能的形式存儲(chǔ)在液壓蓄能器中。在起動(dòng)和加速過程中 液壓蓄能器中 的壓力能又通過工作于液壓馬達(dá)工況的二次元件轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚨膭?dòng) 能。這樣，使得 發(fā)動(dòng)機(jī)工作與否和汽車的行駛工況基本無關(guān)，而只取決于液壓蓄 能器的壓力。發(fā) 動(dòng)機(jī)可以最 大限度地工作在最佳經(jīng) 與混合動(dòng)力車的比較 節(jié)能，環(huán)保性能比較分析 以混合動(dòng)力汽車相同的整車有關(guān)參數(shù)及相同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行車輛的性能仿真計(jì)算。其主要技術(shù)參數(shù)見表 。其中旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)是指由混合動(dòng)力汽車改為電控液驅(qū)汽車后的數(shù)值 。 混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖見圖 。 NEDC 工況是歐洲使用的一種用于測試輕型車輛及轎車的燃油經(jīng)濟(jì)性的車輛試驗(yàn) 表 混合動(dòng)力汽車的整車有關(guān)參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 車輛總質(zhì)量（ kg） 1000 車輛迎風(fēng)面積 A 2m 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 （ kw） 50 空氣阻力系數(shù) 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 圖 Insight 混合動(dòng)力車的發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 標(biāo)準(zhǔn)。圖 是 NEDC 工況圖。從圖中可以看出， NEDC 工況分為若干個(gè)加速、 等速、減速和怠速工況。 假設(shè)車輛在水平的路面上按 NEDC 工況的要求行駛，直至行駛 100公里。每一個(gè) NEDE 工況結(jié)束的蓄能器壓力即為下一個(gè) 工況蓄能器的初始壓力。車輛釆用的是變量泵。發(fā)動(dòng)機(jī)所釆用的控制策略：發(fā)動(dòng)機(jī)工作與否完全取決于蓄能器的壓力而與車輛 的行駛情況無關(guān)，當(dāng)蓄能器的壓力低于其最低壓力，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作在燃油消耗率最低的區(qū)域，也即發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)。 發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量一部分用來驅(qū)動(dòng)車輛行駛， 一部分存儲(chǔ)在蓄能器中。當(dāng)蓄能器 的眼里達(dá)到最大值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，車輛行駛所需的能量完全由蓄能器提供。此時(shí)，蓄能器開始釋放液壓能，待蓄能器的壓力低于其最低壓力值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)才再次工作。若發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)所提供的功率無法滿足車輛行駛要求時(shí)，就逐步提高發(fā)動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)速，直至滿足車輛行駛要求為止。當(dāng)車輛減速行駛或制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也處于怠速狀態(tài)，車輛所有的動(dòng)能通過變 量瑪法儲(chǔ)存在蓄能器中 ， 進(jìn)行能量回收。 表 是電控液驅(qū)車在不同的蓄能器體積和初始壓力下的 NEDC 工況的百公里 燃油消耗量和能量回收率。其中，能量回收率是蓄能器回收的總能量和車輛按 NEDC 工況 圖 NEDC 工況圖 行駛時(shí)所能回收的總能量的比值。這里所能回收的總能量是指所有減速工況車輛所具有的動(dòng)能的總和。蓄能器的體積為 40L時(shí)，其對應(yīng)的 NEDC 工況的能量回收率最髙，而NEDC 工況的百公里燃油消耗量最低。其平均百公里燃油消耗量為 L/KM 蓄能器的體積減小時(shí)，因其能量回收率降低，使得其 NEDC 工況的百公里燃油消耗量有所增大。 表 NDEC 工況的百公里燃油消耗率及能量回收率 蓄能器體積 （ L） 初始壓力 （ MPa） 最終壓力 (MPa) 燃油消耗率 （ L/KM） 能量回收率 （ %） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 40 20 40 40 25 20 25 25 16 20 16 16 動(dòng)力性分析 ： 表 是 Insingt 混合動(dòng)力汽車與電控液驅(qū)汽車的加速性能比較。在車輛從 0 加速到 100km/h 的過程中， Insing 混合動(dòng)力汽車的性能與電控液驅(qū)汽車的性能差不多。但是在車輛從 100km/h 加速到最高車速時(shí)， Insingt 混合動(dòng)力汽車的性能顯然比電控液驅(qū)汽車的性能要好一些。這主要是因?yàn)?Insingt 混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)效率較高，而電控液驅(qū)汽車的功 率從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變量（定量〕泵和變量馬達(dá)及主減速器傳遞到車輪上的效率較低，一般只有 左右。這樣使得相同功率的發(fā)動(dòng)機(jī)所達(dá)到的車輛的最髙車速是不一樣的。 Insingt 混合動(dòng)力汽車的最高車速 要比電控液驅(qū)汽車的最髙車速大，且在高速情況下的加速性能要好一些。 表 Insight 混合動(dòng)力車與電控液驅(qū)客車的加速度比較 比較項(xiàng)目 Insight 混合動(dòng)力車 Insight 參數(shù)下 的電控液驅(qū)車 0100km/h 所用時(shí)間（ s） 100150km/所用時(shí)間（ S） 0150km/h 所用時(shí)間（ S） 最大加速度 （ )/ 2sm 5秒所行駛的距離（ m） 0400m 所用時(shí)間（ s） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 假設(shè)車輛以給定的車速勻速爬坡。車輛的最大爬坡度與爬坡時(shí)蓄能器的壓力有關(guān)。蓄能器的壓力越大，最 大爬坡度越大。在給定蓄能器的初始壓力下 ,當(dāng)車輛行駛的速度小于 44km/h 時(shí)， 變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較低，由于變量馬達(dá)的最大排量限制，變量馬達(dá)所能提供的功率 要小于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，因此在這一速度區(qū)間內(nèi)車輛的最大爬坡度受到變量馬達(dá)的最大排量的限制，沒有完全利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。這時(shí)通過增大變量馬達(dá)的排 量可以在一定程度上提高最大爬坡度的數(shù)值。同時(shí)也能改善車輛在低速時(shí)的加速性能。車輛行駛的速度等于或大于 44km/h 時(shí)，正好是變量馬達(dá)所能提供的功率等 于或大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率。這時(shí)最大爬坡度就與變量馬達(dá)的最大排量無關(guān)了 ,而與發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率有關(guān)。 新型電控液驅(qū)客車特點(diǎn) 釆用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況與負(fù)荷基本無關(guān)，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分時(shí)間工作 于最佳經(jīng)濟(jì)性區(qū)域，同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，將顯著提高車輛經(jīng)濟(jì)性。而且在提高經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，可顯著減少有害排放物。由于該種車輛中存在高壓恒定液壓源，“電控液驅(qū)”可進(jìn)一步擴(kuò)展到車輛的其他子系統(tǒng)中，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不僅可以進(jìn)一步提髙車輛性能，而且也對簡化結(jié)構(gòu)與降低制造成本有益。 例如，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電控液驅(qū)且各車輪獨(dú)立控制與調(diào)節(jié)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向；在懸架系 統(tǒng)中，可利用電控液驅(qū)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架的功能。此外，目前已在一些車型中得到應(yīng)用的電控液驅(qū)冷卻風(fēng)扇等也可實(shí)現(xiàn)一體化的設(shè)計(jì)與控制。車輛的特點(diǎn)表明其特別適用于頻繁剎車、起動(dòng)的城市公交 車輛、越野車輛、清掃車輛、起重車輛、礦用挖掘車輛等。 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)完全可逆的斜盤式軸向柱塞泵廣 馬達(dá)（二次元件） 的斜盤傾角來適應(yīng)外負(fù)載的變化。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1. 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓泵和二次元件的配合使用，可以使二次元件的輸出軸 上轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)系的無級變速， 可使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何車輛行駛速度下都能充分發(fā)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 揮其功率，從而大大改善車輛的動(dòng)力性，起步平穩(wěn)，操縱方便。由于系統(tǒng)是壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，在系統(tǒng)的主要能量傳輸管路中沒有會(huì)產(chǎn)生節(jié)流損失的液壓元件（如減壓閥、節(jié)流閥等彡，從而提髙了系統(tǒng)效率。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制馬達(dá)排量的方向來控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)向 ,通過改變馬達(dá) 的排量來改變輸出轉(zhuǎn)矩的大小，從而得到所需的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。由于釆用了完全可逆的液壓馬達(dá)，所以系統(tǒng)可以將負(fù)載的制動(dòng)能量回收儲(chǔ)存起來并再加以重新利用。 由于系統(tǒng)中具有液壓蓄能器 ,當(dāng)負(fù)載突然加大時(shí)，蓄能器可短期提供一部 分能量，起到平衡峰值功率的作用， 從而可適當(dāng)減小通常須按峰值功率選用的發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵，提高系統(tǒng)效率。 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在近似恒壓的系統(tǒng)中傳遞能量的，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中可連接多個(gè) 互不相關(guān)的負(fù)載，這使多個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)成為 可能。同時(shí)也為今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、懸架等子系統(tǒng)的一體化控制與調(diào)節(jié)提供了前提條件。這些特點(diǎn)都表明了二次調(diào)節(jié)靜液儲(chǔ)能傳動(dòng)系統(tǒng)在節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)方面具 有極大的優(yōu)勢。 有極大的優(yōu)勢和潛力。 本章小結(jié) 本章把電控壓驅(qū)動(dòng)汽車與 insinght 混合動(dòng)力汽車在性能各方面進(jìn)行粗略的比較，同時(shí)簡要概括了其特點(diǎn)，分析得出其動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性與混合電動(dòng)汽車相當(dāng)。但由于其元件系列化成都與控制技術(shù)相對成熟，使得電控液驅(qū)汽車具有良好的應(yīng)用前景 。 與混合動(dòng)力汽車相比，新型電控液驅(qū)汽車在車輛性能、主要部件的技術(shù)成熟 程度、 制造成本等方面均有著較強(qiáng)的競爭力，不存在像蓄電池（可靠性與壽命，自重以及成本等）這類仍