【第四章】
静液压驱动功率传输元件
的分类及发展沿革
静液压驱动装置对泵和马达的要求
用于行走液压静液压驱动装置中的主要功率传输元件是液压泵和液压马达。
从前面章节，我们了解到基于使用环境及整机形态的不同，行走液压元件相对于工业液压元件之间存在差异，而且这种差异正在逐渐增多。
让我们继续一起来研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第四章，了解静液压驱动装置对液压泵和液压马达的功能要求。
液压泵是输入端元件
液压泵是静液压驱动装置的输入端元件，除了具有将输入的机械能转化为流体介质的压力能的基本功能以外，还是驱动系统的主要控制元件。
输出端液压马达的转速和转向主要是通过调节泵的排量控制的，所以静液压驱动装置采用的液压泵都应具有变量能力，液压马达则可以根据使用情况选为定量或变量的。
但是液压马达需要与各种各样整机形形色色的行走装置相匹配，对它们的结构和功能的要求，比只需接口形式比较统一、运转状态相对稳定的液压变量泵要宽泛得多。
基于静液压驱动装置常用的闭式回路的某些运行特点，对其所装用的液压泵和液压马达的性能和功能还有一些专门的要求。主要是
较高的工作压力
为满足提高功率密度的要求，车辆与行走机械用的静液压驱动装置必须采用较高的工作压力。
用于现代重型履带车辆转向的静液压驱动装置的最高工作压力已达56-60MPa。
用于一般大、中功率车辆的主流元件也达到35 – 42 MPa，只有小型轻载车辆和辅助传动液压装置使用的才降至20 – 25 MPa。
需要提高压力的理由很简单：静液压驱动装置的传输功率与系统压力和流量的乘积成正比。
采用较高的压力后，传输同样功率时所需的流量就较小，不仅可以装用较细的管件和较小规格的阀组，而且使液压马达自身旋转所需要的压差占系统压力的比例也会减少。
这和电力传动装置中提高电压可以减小电流以降低传输损耗和缩小导线截面的道理是一样的。
对于静液压驱动系统这样的需要设置专门的压力补油系统的闭式回路装置来说，主回路系统的工作压力比补油压力高出越多，对于提高系统总效率和功率密度越有利。
当然，从零部件的结构强度方面考虑，压力的提高使得相关的液压元件和管件的承压部分需要具有更大的厚度，并因此加大了元器件的体积和质量；
而且压力的提高不可避免地引起了泄漏的增大，在减小了流量的同时，泄漏量的增加意味着容积效率更明显的下降。
这些对功率密度和系统效率均有负面影响。实际上，与很多技术装备的发展趋势一样，诸如系统压力这样的单一参数的提高对于整体性能的改进总有一个限度。
不过在目前的材料工艺水平下，通过提高压力、减小流量带来的液压元件体积和功率密度方面的效益，直到高达56 MPa的压力时仍然未见明显的“饱和”现象。
为了方便整机用户选用，国际上各主要静液压驱动装置所需液压元件制造厂家大都把相关的液压泵和液压马达分为重系列（heavy duty）、中系列（middle duty）和轻系列（light duty）这样的三个挡次。
分挡的标准主要是最高工作压力，重、中、轻系列对应的最高压力值大体为42、35和25 MPa。
同种液压泵类和马达类元件的排量以及对应的功率范围的界线则比较模糊。主要品牌的重系列元件的排量规格从小到大都有，中系列和轻系列的则只有中小排量的规格。
一般而言重系列液压泵和液压马达属于高挡的产品，在设计和制造上都更为精良，调节控制方式也更为齐全，具有较高的效率和较长的使用寿命，更能够适应苛刻的使用条件，当然价格也贵。
相比之下，中、轻系列元件则更为强调经济性，结构和配置都有不同程度的简化，主要用于中小功率的低速车辆和机械，或作为大功率车辆的辅助驱动装置使用。
波克兰液压PM30 泵
较高的输入转速
静液压驱动装置输入端的变量液压泵的工作转速范围应该与现代车用动力装置相适应。
常见的车用柴油机和汽油机的可带载运行的转速范围大致分别为1000 – 4000 r/min 和1000 – 6000 r/min。
与发动机直接经联轴器连接是驱动液压泵的最简单和最经济的方式，液压泵的转速自然要尽可能与其相当。
即使是在由于结构布局、功率分流等原因需要在发动机与液压泵之间设置诸如齿轮分动箱、皮带或链传动装置等具有减速或增速功能的传动装置的情况下。
基于简化结构和保持必要的功率密度水平的考虑，液压泵的转速范围也不宜与发动机相差过大。
液压马达的转速则需要与行走装置相匹配，而后者可能的转速范围是从零到每分钟上千转，而且转矩也有很大的变化幅度，加上液压马达与行走机构之间既可能直联。
也可能经过传动比取值范围相当宽的变速箱或减速器等相耦合，所以液压马达的转速变化幅度要比液压泵大得多。
波克兰PM20 串泵
双向变量的能力
用于静液压驱动装置的变量液压泵应该具备对应于输入轴某一预定转向时（右转或左转）能够经过零流量的中立位置双向连续变量供油的能力。
其相应的流量大小和油口进出方向能根据泵上变量机构的动作经过零点连续地调节。在油流的两个方向的最大流量一般是对称相等的。
但也可根据作业工况的要求向下限制某一方向（通常是对应于整机倒驶后退的方向）的最大流量。
对于以回收制动能量为目的而使用蓄能器的静液压驱动装置，常要求其输出端的液压马达也是双向变量型的。
采用变量机构控制泵输出的流量方向，而不是通过方向阀控制，其目的不仅在于想获得更紧凑的结构和避免主系统流道中增加液阻。
而且还保证了相连的液压马达流量需求大于泵的供流量时，输入和输出元件具有在泵工况和马达工况之间能瞬间转化的可逆性。
在泵工况下，元件输入轴的机械能转化为进出油口处高压液流携带的压力势能；在马达工况中，则是进出油口处的高压液流携带的压力势能转化为输出轴的机械能。
如果驱动车辆前进时的输出转矩为正，倒驶时为负，则静液压驱动装置中的泵和马达都应具备在由正、反向转速和正、反向转矩两个坐标轴所构成的四个象限中运转的能力。
使得在车辆与行走机械减速时回路系统能瞬时变换压力方向，输入端的液压泵转化为马达工况，输出端的液压马达则转化为能够吸收动能的泵工况。
液压泵和马达工况的可逆性对于车辆静液压驱动装置来说是一个十分重要的性能，因为当车辆正常行驶中最频繁使用的减速操纵方式是通过降低发动机转速（“减油门”）来实施的。
此时多余的一部分动能要通过传动装置逆向反传给发动机，并由整个动力传动系统所吸收，实现动力制动。
在动力制动性能良好的车辆与行走机械上，设置在传动系统中或车轮内的机械型摩擦制动器仅在少数情况下才使用。
静液压驱动装置的动力制动的最终效果比较简单，亦即使得车辆的行驶速度在受控条件下渐进地降低，但其物理过程却比较复杂。
不带附加蓄能系统的静液压驱动装置在动力制动过程中，原先马达回油口排出的对应于马达减速前瞬时转速的流量将大于已经减速或降低了排量的变量泵所对应的流量。
这一流量的差值使得原来前进状态下的低压回油路中的压力上升而高压进油路压力下降，流道内的高低压方向反转，马达主轴的转矩方向由正转负，马达转化为泵的工况；
此压力差作用于泵，使其主轴上的转矩方向也发生反转而转化为马达工况。
已转化为马达工况的泵受反向压差的作用，出现一个按原有旋转方向拖动发动机增速的趋势，而发动机内因此增加的汽缸压力通过曲轴产生的转矩增量阻止了这种增速进程。
反过来以降低处于泵工况的液压马达转速的方式达到了新的流量平衡，由此液压马达所驱动的车辆的速度也随之降低。
在这个减速过程中，车辆的多余动能通过传动系统传到发动机后，大部分通过发动机汽缸压力的增加转化为热量经发动机的冷却系统所吸收或耗散。
也有一部分能量以发动机的转矩增量的形式“再生”，帮助发动机拖动其他需要动力的系统和部件，如液压转向装置和工作部件等。
不过在通过调节泵排量的方式使车辆减速时，由于系统响应较慢等原因往往会使静液压驱动装置的回路压力瞬时高于其系统安全阀的调定值。
此时尚会有一部分高压油通过安全阀溢出而由静液压驱动装置自身的冷却系统吸收这部分能量；
尤其是在以马达工况运行的变量泵的排量接近于零时，由于斜盘、斜轴等运动转化部件之间的压力角过大而使相关配合副进入了摩擦圆的死区。
已无法作为马达输出转矩驱动发动机，此时的全部制动能量都将由液压驱动系统本身转化为热能散失。
如果在驱动系统中设有液压蓄能器，则这些制动能量中的一部分可以通过对蓄能器中的气体增压而储存起来。
并可在下次加速时释放和“再生”利用。然而并非所有型式的液压泵和液压马达都能满足在上述的功能转化过程中正常运行的要求。
波克兰PMV0 泵
全方位的承受外载的能力
在一些应用场合，有时要求静液压驱动装置的功率传输元件的轴伸具有承受径向和轴向负荷，以及在同轴多联泵或多联液压马达上向后和向前传输驱动转矩的能力。
变量液压泵应能够方便地集成补油泵、相关的控制阀组以及滤清器等辅助元器件，最好还附带驱动其他液压泵以构成多联液压泵组的后置动力输出轴。
对于马达则经常还有附加机械制动器和具有转化为可被拖转的“自由轮”的功能要求，直接安装在驱动轮轮辋内的车轮液压马达更需要有全方位的承受外载的能力。
环境适应性好
除了体积小，质量轻，寿命长，可靠性高等一般要求外，静液压驱动元件还应该通过自身及系统内良好的防护而对于环境变化（温度、气压、盐雾、沙尘）以及姿态的变化、基座的振动和载荷的突变等不敏感。
全寿命使用成本低
虽然这已经是一种通用的要求，但全寿命使用成本这一因素对于静液压驱动装置的应用与推广具有特别重要的意义。
实际上，以前常为人们对于静液压驱动装置所诟病的，诸如传动效率低下、存在漏油和噪声污染等问题。
现在从技术层面上大多已得到了比较妥善的处理，唯独成本居高不下的经济性短板依然明显，尚有待于在价值工程方面进行更深入的努力。
行走液压对液压元件有
哪些特别的要求？
2022/9
注明
以上内容引用或改编自王意先生著作《车辆与行走机械的静液压驱动》化学工业出版社，2014.
原文始发于微信公众号（波克兰液压）：第35课 I 静液压驱动装置对液压泵和液压马达的功能要求
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