液压泵控马达数字调速系统研究

　　液压机械无级变速器采用功率分流的传动形式,将行星排及固定齿轮作为分流、汇流元件,液压泵控马达系统作为调速元件.由于液压泵控马达具有良好的传动效率和无级调速特性,可以满足车辆传动系统高效和无级调速的要求.作为调速元件,液压泵控马达系统的性能很大程度上影响着液压机械无级变速器的调速性能[1].本文建立了液压泵控马达系统的数学模型,分析了泵控马达系统的动态性能,研究了其调速控制算法,并进行了实验验证.

　　1 液压泵控马达系统的数学模型

　　1.1液压泵控马达调速系统的原理

　　液压机械无级传动用泵控马达调速系统的液压原理图如图1所示,属于变量泵定量马达容积调速[2 3].排量伺服控制机构采用力反馈式闭环控制回路,由伺服阀、反馈杠杆、伺服缸、斜盘4部分构成,通过控制伺服阀阀芯位移量来控制变量活塞的位移,进而改变变量泵斜盘的倾角,达到变量的目的,其伺服控制液压原理图如图2所示.图2中F1,F2为比例电磁铁;a,b,c为杠杆长度;其余变量在以下公式中予以说明.

　　1.2 液压泵控马达数学模型

　　假设液压泵和马达中的油液流动为层流,忽略高低压油路的压力损失,不考虑流量脉动对系统动态特性的影响,补油系统的工作没有滞后,工作过程中补油压力为常数,建立泵控马达系统运动学方程和力矩平衡方程[4]如下.

　　液压泵和马达的流量连续性方程为

式中:qV,ip为变量泵理论输出流量;qV,im为马达理论输入流量;qV,zp为泵泄漏流量;qV,zm为马达泄漏流量;Vpmax为泵的最大排量;Vm为定量马达排量;Xp为泵的输入轴角速度;Xm为马达的输出轴角速度;E为泵的排量比;Gvp为泵的容积效率;Gmp为马达的容积效率;ph为泵控马达系统高低压回路压力差;Cs为泵或马达的层流泄漏系数;L为工作液压油的动力黏度;Be为工作液压油的弹性模量.

　　马达的运动学方程为

式中:Tim为马达的理论转矩;Tzm为马达的机械损失转矩;fm为马达的黏性阻尼;Jm为马达的转动惯量;Tl为马达的负载转矩.

　　1.3 伺服阀的数学模型

　　在比例电磁铁F1和F2的有效行程内,衔铁组件的动态力平衡方程及阀芯的动态力平衡方程为[5]

式中:ki为比例电磁铁的电流力增益;i为线圈电流;xT为衔铁位移;mT为比例电磁铁衔铁组件的质量;BT为比例电磁铁衔铁的阻尼系数;FX为伺服阀阀芯对衔铁组件的作用力;Ff为反馈杠杆对阀芯的作用力;mV为阀芯质量;BV为阀芯阻尼系数;xV为阀芯位移;KfV为阀芯稳态液动力刚度系数;Kh为阀芯反馈弹簧刚度;k1为杠杆比,k1=(a+b)/b.