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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
第1章 緒 論
隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車成為重要的交通工具已越來越廣泛的運用于日常生活中。但其所帶來的問題也是不容忽視的。首當其沖的便是能源的過度消耗和環(huán)境的污染問題。本章主要介紹了汽車面臨的問題及解決辦法，并介紹了新型節(jié)能汽車的國內(nèi)外發(fā)展情況。
1.1 汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的問題
汽車是重要的交通工具，是科學技術(shù)發(fā)展水平的標志。汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，對社會的經(jīng)濟建設和科學技術(shù)的發(fā)展起著重要推動作用。另外，汽車也是社會物質(zhì)生活水平的標志。自第一輛汽車18“年問世以來至今己100多年，汽車工業(yè)從無到有，迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大幅度增加，技術(shù)日新月異。目前全世界汽車的保有量已超過5億輛。雖然汽車工業(yè)發(fā)展良好，前景光明，但也面臨著不少問題急待解決。傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)多采用機械操作系統(tǒng)，在汽車剎車、怠速和下坡時會損失大量的能量。而大量能量的損失會導致一系列問題[1]。
1.1.1 能源問題
近年來，能源問題的陰影己籠罩著全世界，能源問題已成為世界各個國家共同關(guān)注的焦點問題。自1972年第一次石油危機以來，在世界范圍內(nèi)接連發(fā)生了第二次和第三次石油危機，再加上世界主要產(chǎn)油地區(qū)——海灣地區(qū)戰(zhàn)火不斷，極大的影響了世界石油供應。能源問題己成為關(guān)系國家經(jīng)濟命脈的頭等重要問題。如何有效的利用能源己成為世界科學家與工程師們普遍關(guān)注的問題。與其它國家相比，正處于發(fā)展中的我國的能源消耗巨大，平均以每年3%的速度遞增。
1.1.2 環(huán)保問題
無獨有偶，與能源危機相伴而來的是環(huán)保問題。當今世界是和平與發(fā)展的年代，在總體和平的背景下，各國經(jīng)濟情況較好，物資生活水平迅速提高?？墒牵S著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大量人為排放的廢水廢氣、噪音、無節(jié)制地取用地下水、沒有計劃的開發(fā)資源已嚴重破壞了自然界的生態(tài)平衡，酸雨、洪澇、干旱、各種罕見疾病等如洪水猛獸般不斷出現(xiàn)，對人們的日常生活帶來嚴重的影響，環(huán)境保護成為社會日益關(guān)注的問題。
在我國，據(jù)國家環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)對全國1999年各大中城市環(huán)境污染所做的報告顯示：在被調(diào)查的338個城市中，只有33.1%的城市的空氣狀況滿足國家空氣質(zhì)量二級標準，另外66.9%的城市超過國家空氣質(zhì)量二級標準。在這中間，還有137個城市超過國家空氣質(zhì)量三級標準，占所統(tǒng)計城市數(shù)目的40.5%。在對大氣的主要污染物總懸浮物(TSP)的調(diào)查中，有60%的城市的TSP濃度值超過國家二級標準。在對另一項污染物二氧化碳濃度的調(diào)查顯示，年均值超過國家二級標準的達到28.4%左右。一些大城市機動車排放的污染物對各項大氣污染指標的貢獻率達到60%以上。全國有80%的城市的主要交通干線噪音超標，超過70分貝。在這方面，數(shù)目大的驚人的汽車無疑是罪魁禍首之一。汽車排房物中有大量的有害物質(zhì)，包括碳氧化合物，氮氧化合物和黑煙等等[2]。
另外，在當代的城市中，由于汽車剎車、啟動頻繁，經(jīng)常鳴笛，從而為都市的生活造成了很大的噪音。即使汽車在一般的行駛過程中其噪音也達到了80~90分貝。一般的噪音會影響人的工作效率，引起人的煩惱。噪音達到35分貝以上的時候就會影響人的睡眠休息，甚至分致耳聾或其它疾病，從而導致一系列的惡性后果，嚴重影響人們的正常生活。
1.2 節(jié)能環(huán)保汽車的發(fā)展情況
節(jié)能汽車在當今我們這個提倡節(jié)約的社會越來越被人們廣泛關(guān)注。各種各樣節(jié)能型汽車的不斷出現(xiàn)為汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了良好的開端。本節(jié)主要介紹國內(nèi)外幾種形式的節(jié)能汽車發(fā)展情況及程度，在了解其基本情況的基礎上可拓展一下我們的視野和思維。
1.2.1 總體發(fā)展思路
實施汽車排放清潔的方式很多，比如提高油的品質(zhì)、在燃油中加入添加劑。但通過汽車技術(shù)創(chuàng)新來實現(xiàn)環(huán)保的思路只有三條：一是在傳統(tǒng)汽車的基礎上進行技術(shù)改造；二是開發(fā)全新的汽車，利用新能源；三是安裝凈化裝置。其中，技術(shù)改造包括電控噴射技術(shù)，半導體輔助點火系，無觸點點火系，微機控制點火系和無分電器點火系。開發(fā)新能源包括電動汽車，太陽能汽車，氫動力汽車，醇類燃料汽車和天然氣汽車。安裝凈化裝置包括催化式凈化器，陶瓷微粒捕集氧化器，靜電微粒捕集器和袋濾器等。
1.2.2 國外發(fā)展情況
在國外，以節(jié)能驅(qū)動為目的的研究發(fā)展情況主要如下：
一種以發(fā)動機長時間處于經(jīng)濟工況為目的的復合驅(qū)動系統(tǒng)(即在相對于同等車型的底盤上裝用小功率發(fā)動機，在不失動力性的同時獲得較高經(jīng)濟性的技術(shù))研究已有很長時間，并取得相當?shù)某晒Α?
上世紀七十年代末期和八十年代初期，原聯(lián)邦德國的大眾和美國的福特公司開始分別在Pinto和Chico小轎車上、原聯(lián)邦德國的Mannesmann Rexroth加Hydromati。兩家公司在公共汽車上進行了節(jié)能的有關(guān)研究工作，前蘇聯(lián)也進行了類似的工作。概括起來有靜液壓傳動的飛輪蓄能的電力復合驅(qū)動和特殊異步電機控制蓄電池組蓄能的電力復合驅(qū)動兩種型式。試驗結(jié)果表明，靜液壓飛輪復合驅(qū)動可使每循環(huán)(加、減速循環(huán))平均油耗降低約30;電力復合驅(qū)動平均循環(huán)節(jié)約油20，同時，提高了汽車的加速性能，延長了其使用壽命。到了九十年代，隨著液壓和電動技術(shù)的發(fā)展，世界許多汽車公司加緊了對復合驅(qū)動汽車的研制和開發(fā)。俄羅斯的阿茲勒克A3JTK一2141和拉斯J1A3一4202公共汽車運用成熟的技術(shù)開發(fā)了小功率發(fā)動機加儲能器的復合驅(qū)動裝置，油耗分別下降了29%～62%和18%～42%。94～96年俄羅斯依熱大斯克車輛廠采用鉛酸電池作為電能儲存器，發(fā)動機油耗比原車型降低21%以上，在車輛的燃油經(jīng)濟性得到了可觀提高的同時，排放也得到了人大的改善，二氧化碳的排放率下降50%, CO, HC和NO、只有傳統(tǒng)發(fā)動機的1/10,且有良好的加速性，反應更加靈敏。另外，美囚的通用福特、克萊斯勒在九十年代中期與美國能源部投資上億美元開發(fā)復合驅(qū)動項目研究，最近俄羅斯專家提出用電容器儲能裝置研究復合驅(qū)動汽車，其優(yōu)點是質(zhì)量功率大，并能在數(shù)秒內(nèi)存儲和釋放能量。
隨著世界性油料緊張，價格上漲，尾氣排放限制越來越嚴格;復合驅(qū)動是今后汽車節(jié)約傳動的一種發(fā)展趨勢。美國PNGV(美國政府和汽車工業(yè)界的合作契約的簡稱)計劃十年內(nèi)開發(fā)出三倍與目前燃料效率的汽車，其研究主要從三個方面著手，一是提高燃料轉(zhuǎn)換成機械能的效率，二是降低車重減少汽車對能量的要求，三是實現(xiàn)再生制動，將減速及制動過程損耗的能量回收利用。
最近，瑞士科學家又研制成功了一種新型的節(jié)能環(huán)保車。據(jù)俄羅斯國際傳媒新聞網(wǎng)的報道，瑞士聯(lián)邦工程大學利諾·顧澤拉教授帶領的專家小組近日研發(fā)、制造出了世界上消耗燃料最低的汽車并給它起名為Pac-Car，如圖1.1所示。顧澤拉教授介紹說，Pac-Car中運用了目前世界上先進的氫氣動力技術(shù)。只需要8升燃料，人們就可以駕駛這種汽車環(huán)游世界一周！此外，這種汽車的另一大優(yōu)點就是，它在公路上行駛時絕對不會污染環(huán)境[3]。
圖1.1 氫動力汽車
1.2.3 國內(nèi)發(fā)展情況
在國內(nèi)，汽車的節(jié)能技術(shù)研究開展了很長一段時間，取得了一定成就。但多局限于內(nèi)燃機的個別系統(tǒng)。以運行的車輛整體為研究對像，通過回收被損失的機械能予以再利用的義合驅(qū)動途徑改善車輛燃料經(jīng)濟性、動力性、環(huán)保性的研究尚不多見。
另外，還有一種采用二次調(diào)節(jié)靜液傳動的系統(tǒng)其功能與復合驅(qū)動系統(tǒng)似，二次調(diào)節(jié)靜液傳動是德國學者H.W.Nilaus提出的一種新型靜液傳動技術(shù)，它利用驅(qū)動元件(液壓馬達/泵，也稱為二次元件)能夠工作在由其輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩構(gòu)成的直角坐標系中四個象限的特點，把工作系統(tǒng)的慣性能和重力能回收并儲存.在需要時再將所儲存的能最釋放。此外，該系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)方便、易對多種參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率)進行控制等優(yōu)點，可廣泛地應用于車輛的驅(qū)動中，尤其在頻繁剎車、起動的城市公交車輛中，它可以極大地提高系統(tǒng)效率，節(jié)約能源。在國內(nèi)哈爾濱工業(yè)人學對其進行了大量研究，取得了一些成果。
我國的新型的電動節(jié)能轎車的開發(fā)和研制也取得了很大的進展，華中科技大學研制成功了一種這類車輛。據(jù)介紹，這種純電動轎車的驅(qū)動系統(tǒng)是該校自行研制的開關(guān)磁阻電機及其控制器，采用了與世界先進水平保持同步的全數(shù)字化高性能控制技術(shù)，并具有明顯的性能與價格優(yōu)勢。動力源為高性能鋰離子電池。傳動系統(tǒng)取消了離合器，專門設計制作了傳動箱，無須手動變速，操作方便。該汽車具有電機能量回收制動系統(tǒng)和機械制動系統(tǒng)，一次“能量補給”能續(xù)駛250公里，適合于各種路況，具有零排放、低噪音、運行平穩(wěn)、出力大、自動調(diào)速、快響應等明顯特點。
現(xiàn)在國家對小排量汽車也取消了限制，建立能源節(jié)約型，環(huán)境友好型的社會已經(jīng)成為了一個熱門話題，前不久，國務院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了國家發(fā)改委等六部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保型小排量汽車的意見》，要求取消一切針對節(jié)能環(huán)保型小排量汽車在行駛線路和出租汽車運營等方面的限制，小排量汽車的發(fā)展再次成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。發(fā)展節(jié)能環(huán)保小排量汽車是一件魚與熊掌能夠兼得的利國利民的好事。既能發(fā)展汽車工業(yè)，又可緩解能源資源短缺的壓力，既能促進中國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，又可滿足廣大消費者消費結(jié)構(gòu)升級過程中的需求。他說，發(fā)展經(jīng)濟型的環(huán)保小排量汽車，要致力于消除體制性、政策性、觀念性等多重障礙，通過財政稅收等體制改革、加大對節(jié)能環(huán)保型小排量汽車研發(fā)的支持力度、更新消費者消費觀念等手段，為節(jié)能環(huán)保型小排量汽車的發(fā)展創(chuàng)造一個好的體制環(huán)境、政策環(huán)境和發(fā)展環(huán)境。相信我們的節(jié)約環(huán)保汽車的前景會更加的美好[3]。
1.3 液壓節(jié)能驅(qū)動技術(shù)在汽車上的應用
車輛行駛過程中，按著起步、加速、勻速、減速和制動等工況循環(huán)交替地工作。 車輛在減速、制動工況，實質(zhì)上是將其在上一工況行駛中具有的機械能借助空氣阻力、道路阻力、制動器以及發(fā)動機制動予以吸收。這一工況不僅使機械能量被浪費掉，制動系統(tǒng)磨損，而且，發(fā)動機處于強推怠速工況，燃燒及排放惡化。
車輛在加速與上坡工況，發(fā)動機處于大負荷甚至超負荷狀態(tài)，混合氣濃度大，耗油量加大且燃燒不完全現(xiàn)象加劇。導致油耗大且加劇環(huán)境噪聲與廢氣污染。
起步工況，車輛狀態(tài)由靜到動，由于慣性載荷大(尤其對大、中型車輛)，導致耗油多，沖擊力大。在汽車的減速及制動過程中若減速度大于車輛在該車速、環(huán)境、路況下自由滑行的減速度，則該過程中即有可回收利用的慣性能量(通過發(fā)動機制動、制動器制動所消耗的能量)。
由上述分析可見，如果將車輛在減速制動工況損失的機械能加以回收，使發(fā)動機處于正常的怠速工況:然后在車輛起步、加速、爬坡等工況子以釋放，幫助發(fā)動機工作，使發(fā)動機更長時間處于經(jīng)濟工況下運轉(zhuǎn)。這樣不僅可以節(jié)約油料，提高動力性，減少裝車功率，延長車輛使用壽命，而且還可以減低噪聲和廢氣對環(huán)境的污染。
1.4 液壓節(jié)能驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展前景
液壓混合動力技術(shù)是指在不改變傳統(tǒng)客車底盤結(jié)構(gòu)和發(fā)動機的前提下，通過在底盤上加裝一套液壓再生驅(qū)動總成，使大部分通常被浪費掉的制動能量有效回收儲存、并利用在車輛起動和加速上，從而達到節(jié)約燃油、降低排放、減少發(fā)動機和制動器磨損的作用。
產(chǎn)品特點和優(yōu)勢：減少30%（最高可達42%）的燃油消耗；減少50%的尾氣排放；減少80%的制動維修費用；減少50%的發(fā)動機磨損；增加50%的制動力；增加40%的加速力；減少50%的運行費用；價格便宜，整車成本增加不超過30%；維修保養(yǎng)操作簡便，一般車輛維修廠均可對該產(chǎn)品進行維修保養(yǎng)
技術(shù)創(chuàng)新性：液壓裝置上，采用新的液壓網(wǎng)絡節(jié)能理論新的節(jié)能控制策略該總成采用國際標準工業(yè)通訊CAN總線進行計算機智能控制。
市場現(xiàn)狀和前景：液壓再生能量驅(qū)動裝置具有很廣闊的市場切入面，具有投入小,見效快的特點。既可以對在用車進行改造，也可以作為新車的一個可選擇的配置直接裝備在新車上。對在用車進行改造的主要產(chǎn)業(yè)鏈群體為各地公交運營公司，而裝備于新車的主要產(chǎn)業(yè)鏈群體是客車生產(chǎn)廠家和底盤生產(chǎn)廠家。以北京公交為例，北京公交目前擁有公交運營車輛1萬8千多輛，每年燃油費用高達10億元人民幣，如果全部安裝上液壓再生驅(qū)動總成，每年可為公交節(jié)省3-4億元的燃油費用。如果推廣至全國，市場前景將相當可觀。
另外，再加上系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)保方面的優(yōu)勢，更是能給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
第2章 車輛液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)工況分析
液壓系統(tǒng)的設計有著明確的規(guī)范和要求，而對整個系統(tǒng)所進行的工況分析是必不可少的。只有在明確系統(tǒng)的工作情況后才能進行具體的改造和設計。本章主要介紹了汽車的工作情況及各方面的性能要求，以便設計參考。
2.1 液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求
設計液壓系統(tǒng)時，首先要明確主機對液壓系統(tǒng)的要求，具體包括[4]：
1、主機的動作要求 是指主機的哪些動作要求用液壓傳動來實現(xiàn)，采用哪種類型的執(zhí)行元件，各執(zhí)行元件間的動作循環(huán)及其動作時間是否需要同步，互鎖等。
2、主機的性能要求 是指主機對采用液壓傳動的各執(zhí)行機構(gòu)在力和運動方面的要求。各執(zhí)行機構(gòu)在各工作階段所需的力和速度的大小，調(diào)速范圍，速度的平穩(wěn)性，動作周期等方面都必須有明確的數(shù)據(jù)。對要求高精度，高生產(chǎn)力及自動化程度高的主機，還要提出靜，動態(tài)指標的要求。
3、主機的使用條件和工作環(huán)境 如環(huán)境溫度的變化范圍，作業(yè)場地等情況，灰塵狀況等；周圍有無易燃物質(zhì)和腐蝕氣體等，也應加以注意。
4、其他要求 如液壓裝置在重量，外行尺寸等方面的限制以及經(jīng)濟性，耗能方面的要求。
2.2 工況分析
液壓系統(tǒng)的工況分析就是分析設備在工作過程中，其執(zhí)行元件的負載和運動之間的變化規(guī)律。在此基礎上，繪制出負載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖。工況分析包括負載分析和運動分析。
2.2.1 例子
汽車行駛速度變化典型曲線如圖2.1所示。
圖2.1 汽車行駛速度變化實測圖
從圖2.1可知，公交汽車時速一般低于60 km/h且加減速頻繁，大多數(shù)時間公交汽車處于20 km/h～40 km/h的較低速度。僅就公交汽車在通行較為順暢的市郊路段而言，經(jīng)實測其起步、加速、減速、制動工況頻率高達72%以上。并且隨著道路、交通流量和環(huán)境的復雜化，這一頻率會變得更大。
因為加減速頻繁，所以大量的能量在制動時被浪費，同時也加速了機器零件的磨損，增加了廢氣的排放量。
2.2.2 測定結(jié)果分析
由于汽車運動具有隨機性，因此采用統(tǒng)計學原理進行分析，把單位時間內(nèi)速度變化絕對值小于士0.255的運行工況(即有效載荷是1.5T脫擋滑行減速度值。)定為勻速工況；減速度大于0.255者定義為減速度工況；加速度值大于0.255者定義為加速工況。
經(jīng)對記錄曲線統(tǒng)計:平均行駛速度為20～40km/h；依發(fā)生時間統(tǒng)計勻速工況，加速工況，減速工況，頻率分別為27.8 % 、44.88%、27.30%，如圖2.2所示，典型脫擋滑行減速度均值為-0.255，收油門減速度為-0.255～0.65，制動減速度為-0.65～9.0 。
圖2.3是全程典型減速、制動與加速循環(huán)工況，其平均減速度為0.689，典型加速強度為0.729，平均加速強度為0.419 。
圖2.2 加、減、勻速頻率圖
圖2.3 典型加速、減速與制動工況圖
2.3 制動系統(tǒng)性能要求
標準規(guī)定的制動系統(tǒng)性能是在規(guī)定的條件下，通過測量相應的初速度下
的制動距離和/或充分發(fā)出的平均減速度來確定。
充分發(fā)出的平均減速度按下列公式計算[GB 12676 –1999]
（2.1）
式中 —實驗車制動初速度；
—0.8實驗車速；
—0.1實驗車速；
—實驗車速從到的行駛距離；
—實驗車速從到的行駛距離。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求，并對汽車工況進行了測定分析，給出了汽車速度和工況等隨時間變化的曲線圖，從而使我們更加了解車輛的各方面的性能。
第3章 車輛液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)方案設計
本章主要介紹液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，對各個部分進行了簡要的說明并明確其在系統(tǒng)中的功能。另外簡單的介紹了二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)以便于更好的理解節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)。
3.1 節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)方案確定
本次設計的目的是通過對公交車輛在制動時的所產(chǎn)生的慣性能加以存儲和利用，從而達到節(jié)約能源，減少環(huán)境污染的目的。經(jīng)過各方案的比較，最終決定采用這種液壓復合驅(qū)動系統(tǒng)。所謂復合驅(qū)動系統(tǒng)是采用兩種以上的驅(qū)動方式作為動力來源。本次設計的第二個能量來源就是系統(tǒng)所儲存的液壓能。
3.1.1 液壓復合驅(qū)動系統(tǒng)的組成
1、 蓄能器
蓄能器是本系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的元件之一，在系統(tǒng)中起到儲存、釋放能量的作用。
2、 液壓泵/馬達
液壓泵/馬達都是液壓傳動系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換元件。液壓泵將機械能轉(zhuǎn)換為液壓
能，即由原動機驅(qū)動，把輸入的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，再以壓力和流量的形式輸送到系統(tǒng)中去。液壓馬達將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，即將輸入的液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，以轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的形式輸送到執(zhí)行機構(gòu)做功。
3、 離合器
離合器是傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。通過閉合和分離兩種狀態(tài)來達到液壓能的輸出和截止。
4、 輔件
包括電磁換向閥、過濾器、壓力表等。具體作用見4.3。
3.1.2 液壓復合驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理
以下是液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)圖，通過此圖來說明該系統(tǒng)的工作過程。
1 -分動器 2- 傳動軸 3 -單片機 4 -電磁閥 5-蓄能器 6 -壓力表 7-安全閥 8 -油箱
9 -變量泵/馬達 10 -離合器 11 -濾清器 12 -變量泵/馬達工作機構(gòu) 13 -油門踏板
14 -剎車踏板 15-壓力繼電器
（1）加速信號 （2）減速信號 （3）壓力信號 （4）閥控制信號 （5）壓力繼電器信號
（6）工作機構(gòu)控制信 （7）分離機構(gòu)控制信號
圖3.1 液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)圖
能量的回收與釋放通過可逆的油泵/馬達9實現(xiàn)，在蓄能時作為油泵，在能量釋放時作為馬達。液壓泵/馬達的蓄能能量釋放功能轉(zhuǎn)換山電磁閥4及其相應的輔助裝置實現(xiàn)，并受單片機控制，單片機接受發(fā)動機轉(zhuǎn)速、泵/馬達轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、車輛運行狀況及駕駛員操作意圖等相關(guān)傳感信號，綜合處理后對節(jié)能系統(tǒng)進行控制。
回收的能量以液壓能的形式存貯于蓄能器5中，在能量釋放過程中，貯存的液壓能由馬達經(jīng)分動器接口傳動軸協(xié)同發(fā)動機驅(qū)動底盤工作。為消除回收能量時發(fā)動機起制動作用而使能量不能充分回收再利用，方案設置了車的傳動系統(tǒng)與發(fā)動機間的動力流電控液動離合裝置。該裝置工作信號與主控閥信號相一致，在能量回收時將發(fā)動機與傳動系統(tǒng)間動力傳遞切斷，從而消除了減速制動過程中的發(fā)動機起制動作用，而使蓄能裝置不能充分發(fā)揮作用的現(xiàn)象，同時也消除了發(fā)動強推怠速工況。
3.1.3 功能描述
汽車制動分為緊急制動與普通減速。前者直接使用汽車原有剎車系統(tǒng)。后者使用節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)，當減速開始時，司機輕踩剎車踏板，通過踏板上的傳感器及控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)被激活。變量泵/馬達作為泵，將油液從油箱泵入蓄能器。同時，泵/馬達產(chǎn)生扭矩進行制動。蓄能器通過氣囊將氣體與液體分開。當蓄能器未泵入液體時，蓄能器內(nèi)氣體壓力維持在較低值。在減速過程當中，逐漸增加的液體容積迫使氣囊變小，因此氣體壓力也隨之增大并接近最大值。在這個過程中，泵/馬達產(chǎn)生的制動扭矩也逐漸加大。當系統(tǒng)壓力達到最大值時，馬達也產(chǎn)生最大的制動扭矩，同時液壓系統(tǒng)的安全閥打開，使得系統(tǒng)壓力不再增加，泵/馬達也將保持該制動力矩，直到將車輛速度減至理想速度。
如果遇到緊急情況，要求汽車在極短的時間內(nèi)將速度減到很小或停止，司機將踩動剎車踏板，則在節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生最大制動力矩的同時，原有的汽車剎車系統(tǒng)也將起作用，兩套制動系統(tǒng)一起動作將速度減至理想。
如果節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的蓄能器未充滿而減速過程已停止，則系統(tǒng)將保持該壓力，等下一個加速或減速過程將釋放或充滿。
當汽車開始啟動加速時，高壓液體經(jīng)過開關(guān)閥驅(qū)動變量泵/馬達，該元件作為馬達再推動驅(qū)動軸，使汽車啟動加速。在這個過程當中，發(fā)動機同時運作，汽車此時有兩個動力源，使得汽車能在更短的時間內(nèi)加速并減少發(fā)動機耗油量。當在加速過程中，節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)壓力小于調(diào)定值時，由壓力傳感器發(fā)信號自動斷開與傳動系統(tǒng)的連接，由發(fā)動機驅(qū)動汽車繼續(xù)前進。
在水平路面上，蓄能器所儲存的能量達這個速度后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加并逐漸與驅(qū)動軸協(xié)調(diào)一致，汽車傳動系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)。發(fā)動機接替變量泵/馬達輸出動力。汽車又回到剎車減速前的正常狀態(tài)。
3.1.4 車輛的控制方法
1、汽車開始制動時，司機踩動剎車踏板，由制動踏板控制的變量泵/馬達控制開關(guān)將其轉(zhuǎn)化為泵工作。汽車的動能通過車輪、傳動系驅(qū)動泵工作。給蓄能器提供液壓能，這樣就把汽車制動時的動能轉(zhuǎn)換成液壓能儲存起來。系統(tǒng)壓力的最大值可通過安全閥控制。如在緊急狀態(tài)，要求汽車的減速度較大時，繼續(xù)踩制動踏板，激活汽車的機械剎車系，使汽車迅速停車。
當緊急制動時，司機猛踩剎車踏板，踏板在極短的時問內(nèi)就通過啟動節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)階段的行程，在本系統(tǒng)起作用的同時，汽車原來的剎車系統(tǒng)也一起制動，從而使汽車能在極短時間內(nèi)減速至要求速度或停止。
2、當汽車起步加速時，駕駛員踩動加速踏板。加速踏板控制的變量泵/馬達控制開關(guān)使得變量泵/馬達轉(zhuǎn)化為馬達工作狀態(tài)。與變量泵/馬達相連的離合器結(jié)合，馬達給車輛提供動力，同時，發(fā)動機也給汽車提供動力。馬達在蓄能器釋放的壓力能推動下運轉(zhuǎn)，使汽車起步或加速，隨著汽車加速運動，蓄能器內(nèi)壓力能減少，壓力降低。當壓力低于設定值時，壓力傳感器發(fā)出信號控制節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的離合器與汽車傳動系脫開。發(fā)動機接替變量泵/馬達為汽車提供能源，驅(qū)動汽車前進。
當汽車在行駛過程中加速時，隨著司機踩動油門，在發(fā)動機加大輸出功率的同時，節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)也被激活。當泵/馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速相匹配時，控制系統(tǒng)控制與汽車傳動系接合，為汽車提供額外動力，直至加速過程結(jié)束或系統(tǒng)所儲存液壓能釋放完畢，才將本系統(tǒng)與汽車傳動系斷開。
3.2 二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)簡介
二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)功能與復合驅(qū)動系統(tǒng)類似，二次調(diào)節(jié)靜液傳動是德國學者H.W.Nilolaus提出的一種新型靜液傳動技術(shù)，它利用驅(qū)動元件(液壓馬達/泵，也稱為二次元件)能夠工作在山其輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩構(gòu)成的直角坐標系中四個象限的特點，把工作系統(tǒng)的慣性能和重力能回收并儲存，在需要時再將所儲存的能最釋放。此外，該系統(tǒng)還具有調(diào)節(jié)方便、易對多種參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率)進行控制等優(yōu)點，可廣泛地應用于車輛的驅(qū)動中，尤其在頻繁剎車、起動的城市公交車輛中，它可以極大的提高系統(tǒng)效率，節(jié)約能源。采用該技術(shù)的公交車組成結(jié)構(gòu)如圖3.2。在圖3.2中，發(fā)動機2帶動液壓泵4為系統(tǒng)提供所需的液壓能，在液壓能的作用卜，二次元件6通過后橋7驅(qū)動車輛的驅(qū)動輪8，實現(xiàn)車輛的加速和勻逆行駛。當車輛在制動過程中，二次元件在控制器1的控制下，使二次元件處于液壓泵工況，由動能轉(zhuǎn)化輸出的壓力能送入液壓蓄能器5，將車輛的動能以壓力能的形式存此在液壓蓄能器中：在啟動和加速過程中，二次元件處于液壓馬達工況，液壓蓄能器中的壓力能又通過工作于液壓馬達工況的二次元件轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚨膭幽躘4]。
1-控制器 2-發(fā)動機 3-離合器 4-液壓泵 5-液壓蓄能器 6-二次元件 7-后橋 8-驅(qū)動輪
圖3.2 采用二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)的城市公交車輛傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 本章小結(jié)
本章首先從整體上對液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)作了介紹，明確了系統(tǒng)方案及組成，并對各個元件的作用進行了說明。隨后對照系統(tǒng)圖對其原理進行了詳細的解釋，并結(jié)合車輛的實際行駛過程對系統(tǒng)的各種功能及控制方法進行了描述。
第4章 驅(qū)動系統(tǒng)設計
本章主要對液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)中的各個元件進行了詳細的介紹，并分別對蓄能器、液壓馬達、電磁閥等關(guān)鍵零件進行了各項性能標準的標定并對其工作原理進行了介紹。該部分是整個液壓驅(qū)動系統(tǒng)的核心。
4.1 蓄能器的工作原理及參數(shù)計算（NXQ系列蓄能器）
蓄能器作為整個液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，必須明確其功能和設計標準，本節(jié)著重介紹了其工作原理和各項指標的計算方法，并對其進行了校合。
4.1.1 蓄能器的工作原理
NXQ系列膠囊式蓄能器是液壓系統(tǒng)中重要的不可缺少的液壓輔件。有儲蓄能量、穩(wěn)定壓力、消除脈動、吸收沖擊、補償容量和補償泄漏等作用。
油液實際是不可壓縮的，因此不能蓄積壓力能。膠囊式蓄能器是利用氣體（氮氣）的可壓縮性來蓄積液體的原理（即采用氮氣作為壓縮介質(zhì)）而工作的。
膠囊式蓄能器由油液部分和帶有氣密隔離件的膠囊（內(nèi)裝氮氣）構(gòu)成。位于膠囊周圍的油液與液壓回路相通。因此，當壓力升高時油液進入囊式蓄能器由此氣體被壓縮；當壓力下降時，壓縮氣體膨脹，進而將油液壓入回路，
以下明確了部分NXQ系列液壓蓄能器的表示方法及技術(shù)參數(shù)和各種型號的各項標準，以便根據(jù)系統(tǒng)要求選擇適當?shù)男钅芷鱗5]。
圖4.1 NXQ型蓄能器螺紋連接結(jié)構(gòu)簡圖
設計標準見表4.1。
表4.1 NXQ系列蓄能器技術(shù)參數(shù)表
型號
公稱
壓力
公稱
容積
尺寸
重量
NXQ-0.63/*-L
10
20
31.5
0.63
89
50
190
318
4.5
NXQ-1/*-L
1
290
418
6
NXQ-1/*-L
1
114
50
205
333
6
NXQ-1.6/*-L
1.6
152
65
215
370
12.5
NXQ-2.5/*-L
2.5
280
435
15
NXQ-4/*-L
4
390
545
18.5
NXQ-6.3/*-L
6.3
560
715
25.5
4.1.2 參數(shù)計算
由于本系統(tǒng)任務是將車輛的所損失的機械能(主要是動能)轉(zhuǎn)換為液壓能，所以根據(jù)能量守恒定律，車輛所損失的機械能必與系統(tǒng)液壓能相等。
汽車制動前后動能損失為：
（4.1）
式中 —車輛的質(zhì)量 ；
、—車輛制動前后的速度。
而在液壓系統(tǒng)中，蓄能器為儲能裝置。其儲存的液壓能應與汽車損失的動能相等。對于蓄能器，根據(jù)單通道穩(wěn)態(tài)流動能量方程，有如下能量守恒公式：
（4.2）
式中 —單位質(zhì)量流體與外界的作用功；
—所考察的兩截面5的壓力能差；
—所考察的兩截面間的動能差；
—所考察的兩截面間的壓縮能差；
—所考察的兩截面間的位能差；
—所考察的兩截面間的內(nèi)能差；
—對外熱傳導，輻射，對流等熱能損耗。
以下為對公式的幾點說明：
1、壓力能使液壓技術(shù)中最主要的能量形式，也是蓄能器的主要儲能方式。在液管路中，單位質(zhì)量流體介質(zhì)的壓力能表達式為：
（4.3）
式中 —液體密度；
—壓力；
—體積流量。
2、單位質(zhì)量液體所具有的動能為
（4.4）
式中 —單位液體所具有的動能；
—液體的流動速度。
3、壓縮能是因液體的可壓縮性而消耗的能量。工程上認為，容積隨著壓力升高按線性規(guī)律逐步被壓縮，故其壓縮能為：壓縮能是因液體的可壓縮性而消耗的能量。工程上認為，容積隨著壓力升高按線性規(guī)律逐步被壓縮，故其壓縮能為：
（4.5）
式中 —介質(zhì)的體積彈性能量；
—壓力。
由于液體的可壓縮性較差，即液體體積變化受壓力影響很小，在主要靠壓力能儲能，即壓力能為主要儲能方式下可以忽略不計。位能相對于壓力能所占的比重很小，可以忽略不計。
4、位能相對于壓力能所占的比重很小，可以忽略不計。
5、指能量損耗導致的介質(zhì)溫升的熱能部分
（4.6）
式中 —介質(zhì)比熱。
—介質(zhì)升溫的熱能；
—溫度的變化量。
6、項由于難以估算，且系統(tǒng)溫升限定在熱平衡狀態(tài)，故忽略不計。綜上所述，把以上不容忽視的各項能量表達式代入能量守恒方程式4.2中，得
（4.7）
本系統(tǒng)所采用的蓄能器中，所儲存的能量形式主要是壓力能。由于蓄能器充、放油完成后，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，殼體內(nèi)液體處于靜止非流動狀態(tài)，故液體速度為零。同時，由于介質(zhì)的能耗導致的溫升的熱能部分，即內(nèi)能部分，考慮到蓄能器與整個液壓系統(tǒng)相通，且熱能又在通過傳導、對流、輻射的形式散失，因而介質(zhì)的能耗導致的液體溫升總體不大，故也可在計算蓄能器的儲能量時不以考慮[6]。
所以，由式（4.7）可計算蓄能器的儲能量為：
（4.8）
式中 —蓄能器最大工作壓力；
—蓄能器最大工作容積。
因此，聯(lián)立公式（4.1）、（4.8）可得:
（4.9）
式中 —汽車傳動系效率；
—液壓系統(tǒng)效率。
汽車行駛方程式為：
（4.10）
式中 —車輛驅(qū)動力 ；
—空氣阻力 ；
—坡度阻力 ；
—車輛慣性力 ；
—滾動阻力 。
其中
（4.11）
（4.12）
（4.13）
（4.14）
式中 —滾動阻力系數(shù)；
—空氣阻力系數(shù)；
—汽車正面投影面積；
—車速；
—變量泵/馬達輸出角速度；
—坡度角；
—速度轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù)；
—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。
變量泵/馬達輸出軸上，驅(qū)動扭矩方程為:
（4.15）
式中 —變量泵/馬達輸出轉(zhuǎn)矩；
—汽車傳動比；
—車輪工作半徑。
公共汽車的運行車速一般都比較低，因此，所受的空氣阻力很小，可忽略不計。系統(tǒng)工作壓力可根據(jù)扭矩選擇，但應有一定范圍。系統(tǒng)工作壓力低，勢必加大液壓元件的結(jié)構(gòu)尺寸，而樣機布置空間不允許，同時，從材料消耗角度也不經(jīng)濟；反之，壓力選得太高，對液壓元件密封、制造精度要求就高，必然提高裝置成本。所以依據(jù)該裝置工作性質(zhì)與環(huán)境，初選為[7]
（4.16）
將選定的壓力代入公式(4.5)中，可得蓄能器工作容積為：
（4.17）
由此可得蓄能器公稱容積公式為：
（4.18）
式中 —所需蓄能器公稱容積 ；
—充氣壓力；
—指數(shù)，取1.4，按絕熱處理；
—蓄能器工作容積，按式（4.17）計算；
—最高工作壓力；
—最低工作壓力。
在本系統(tǒng)中蓄能器作為蓄能使用，所以蓄能器充氣壓力應按以下計算：
1、蓄能器總?cè)莘e最小，單位容積儲存能量最大的條件下，絕熱過程時
（4.19）
2、使蓄能器重量最小時
（4.20）
3、壓縮能是因液體的可壓縮性而消耗的能量。工程上認為，容積v隨著壓力升高按線性規(guī)律逐步被壓縮，故其壓縮能為:在保護膠囊，延長其使用壽命的條件下
折合形氣囊 （4.21）
波紋形氣囊 （4.22）
隔膜式 （4.23）
蓄能器的充氣壓力，根據(jù)應用條件的不同，選用不同計算公式進行計算。代號含義同前。對于蓄能器最低工作壓力和最高工作壓力作為動力源來說，蓄能器的最低工作壓力應滿足
（4.24）
式中 —最遠液壓機構(gòu)的最大工作壓力；
—蓄能器到最遠液壓機構(gòu)的壓力損失（）。
從延長皮囊式蓄能器的使用壽命考慮
（4.25）
越低于極限壓力3，皮囊壽命越長，提高雖然可以增加蓄能器有效排油量，但勢必使泵的工作壓力提高，相應功率消耗也提高了，因此凡應小于系統(tǒng)所選泵的額定壓力。作為動力源的蓄能器，為使其在有效工作容積過程中液壓機構(gòu)的壓力相對穩(wěn)定些，一般推薦
（4.26）
蓄能器作為液壓能儲存和釋放的裝置。根據(jù)在本設計中其應具有較強的能量儲存與釋放功能，以及反應靈敏，工作平穩(wěn)可靠使用方便，壽命長等要求。綜合比較彈簧式、氣瓶式、活塞式和氣囊式蓄能器的特點，選用氣囊式蓄能器，如圖4.2所示。
圖4.2 NXQ型皮囊式蓄能器結(jié)構(gòu)圖
4.1.3 蓄能器的校核
蓄能器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，不同型號具有不同的標準。其公稱容積和壓力允許范圍必須經(jīng)過嚴格的校合以便選擇蓄能器的型號。
以下是對本次設計所用蓄能器所做的校核：
各參數(shù)確定如下：
由式（4.16）得，最低工作壓力和最高工作壓力分別為20和35。
由于本系統(tǒng)是在單位容積存儲能量最大的條件下進行設計，所以即沖氣壓力取0.471。
又公交車最高速度為60，最低為20，即=60，=20。
公交車輛最大質(zhì)量為12。
假設汽車傳動系效率和液壓系統(tǒng)效率均為最大，為1。
由式（4.17）可得：（因為最大工作容積，所以=20。）
由（4.18）可得：
由表4.1可選擇NXQ-L4/31.5型號蓄能器，其壓力和公稱容積均可符合要求。
4.2 變量泵/變量馬達的計算
為了分析簡單，假定汽車運行在水平路面上。將(4.10)代入式(4.15 )并經(jīng)過轉(zhuǎn)換得變量泵/馬達與負載的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：
（4.27）
式中 —變量泵/馬達輸出角加速度；
—汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換為變量泵/馬達軸上的轉(zhuǎn)動慣量與變量泵/馬達轉(zhuǎn)動慣量之和
；
—滾動摩擦力折算到變量泵/馬達輸出軸上的負載扭矩，。
當汽車制動時，二次元件的轉(zhuǎn)速由開始加速至，對式(4.18)進行變換得：
（4.28）
式中 —液壓蓄能器內(nèi)氣體壓力；
—變量泵/馬達排量。
根據(jù)公式（4.11）、（4.15），可得：
（4.29）
同時，對于公交汽車一類的汽車，按國標要求在制動初速度為60 km/h時其充分發(fā)出的平均減速度為=5 。但通過對公交汽車的測定，公交汽車的速度一般保持在20 km/h ～40 km/h之間。所以以5作為公交汽車的平均減速度是偏安全的。
所以，對于公交汽車
（4.30）
對（4.30）求導并化簡得：
（4.31）
式中 —公交車制動時的平均減速度；
—公交汽車主傳動比；
—車輪工作半徑。
將代入可得最終結(jié)果為
（4.32）
將式（4.29）、（4.31）、代入式（4.28）可得：
（4.33）
由此可得變量泵/馬達排量為：
（4.34）
式中 —液壓蓄能器內(nèi)氣體壓力；
—變量泵/馬達排量；
—汽車質(zhì)量轉(zhuǎn)換為變量泵/馬達軸上的轉(zhuǎn)動慣量與變量泵/馬達轉(zhuǎn)動慣量之和；
—滾動阻力系數(shù)；
—汽車質(zhì)量；
—公交汽車主傳動比；
—車輪工作半徑。
按(4.34)求得的排量值為系統(tǒng)所需變量泵/馬達最大排量的最小值，考慮到公交汽車在運行當中的意外情況，以及隨著系統(tǒng)老化，效率下降，所選變量泵/馬達的最大排量一般要大于該值，以留下足夠的余量[8]。
另外，根據(jù)公交汽車在單位時間內(nèi)動能的變化可求得系統(tǒng)變量泵/馬達應具有的功率。
根據(jù)規(guī)定，對于公交汽車一類的汽車，其要求在制動時平均減速度。
最大制動距離
（4.35）
最大制動時間
（4.36）
式中 —制動后的速度（如剎車至停止則為0）
—制動前的速度（國標規(guī)定以60為制動初速度，即50/3）；
—平均減速度。
將各項值代入式(4.36)可得：
（4.37）
因此，由式（4.1）與（4.36）可得理論公率為：
（4.38）
式中各項含義見式(4.1)、 (4.36)。
變量泵/馬達作為節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換元件，其工作效率、質(zhì)量好壞對整個系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。因此，應謹慎選擇變量泵/馬達。
A2F斜軸式軸向柱塞泵發(fā)展較早，構(gòu)造成熟。額定工作壓力為35，最高可達40，在高壓下仍能保持較高的容積率，容易實現(xiàn)變量。
4.3 液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵零件
4.3.1 電磁閥
電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液壓流動方向，機械裝置一般都由液壓鋼控制，所以就會用到電磁閥。電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來擋住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動[9]。
在本液壓系統(tǒng)中，液壓泵/馬達的蓄能與能量釋放功能轉(zhuǎn)換必須由電磁閥及相應的輔助裝置實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用2W-B系列電磁閥，該閥體積緊湊，可簡便閥體的拆裝, 電器接線空間大，安裝配線容易，由于閥體流道采用特殊結(jié)構(gòu)設計，因而內(nèi)部阻抗小，可減少內(nèi)部壓力損失，使能源效率提高，并且符合節(jié)省能源的潮流。
而且內(nèi)阻抗小，使壓力降減低，液壓油之溫度亦相應降低，使液壓油較不易變質(zhì)，液壓油壽命延長，減少液壓油更換費用，機器本身亦不會因為受到熱量之影響而導致加工精度誤差甚至變形。電磁線圈的固定螺帽具有特殊防松設計，可防止因機器產(chǎn)生共振而發(fā)生電磁線圈脫開。 附加低沖擊電壓型的線圈，可確保電氣系統(tǒng)的安全性。外觀如圖4.3。
圖4.3 2W-B型電磁換向閥
4.3.2 過濾器
過濾器的功能是清除液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的固體污雜物，使工作介質(zhì)保持清潔，延長元器件的使用壽命，保證液壓元件的工作性能可靠。液壓系統(tǒng)故障的75%左右是由介質(zhì)的污染所造成的。因此過濾器對液壓系統(tǒng)來說是不可缺少的重要輔件。
過濾器的主要性能參數(shù)包括：
1、過濾精度：指油液通過過濾器時，能夠穿過濾芯的球形污染物的最大直徑。
2、過濾能力：指在一定壓差下允許通過過濾器的最大流量。
3、納垢容量：指過濾器在壓力降達到規(guī)定值以前，可以濾除并容納的污染物數(shù)量。
4、工作壓力：不同結(jié)構(gòu)的過濾器工作壓力是不同的。
5、允許壓力降：油液經(jīng)過過濾器時要產(chǎn)生壓力降，其值與油液的流量、粘度和混入油液的雜質(zhì)數(shù)量有關(guān)。為了保持濾芯不被破壞或系統(tǒng)的壓力損失不致過大，要限制過濾器的最大允許壓力降，取決于濾芯的強度[10]。
4.4 本章小結(jié)
本章主要對液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的主要元件——蓄能器和變量泵/馬達的各項設計參數(shù)進行了說明，并明確了其計算方法。對各元件進行了校核，為系統(tǒng)選定了各元件的型號，完成了系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設計。
第5章 傳動裝置設計
本章主要介紹液壓驅(qū)動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)部分，主要元件是離合器。本章對離合器的結(jié)構(gòu)、工作原理及各項指標的確定均作了詳細的闡述和設計，并對其結(jié)構(gòu)元件的材料作了必要的規(guī)定。
5.1 概述
5.1.1 離合器設計
離合器裝在發(fā)動機與變速器之間，汽車從啟動到行駛的整個過程中，經(jīng)常需要使用離合器。它的作用是使發(fā)動機與變速器之間能逐漸接合，從而保證汽車平穩(wěn)起步；暫時切斷發(fā)動機與變速器之間的聯(lián)系，以便于換檔和減少換檔時的沖擊；當汽車緊急制動時能起分離作用，防止變速器等傳動系統(tǒng)過載，起到一定的保護作用。離合器類似開關(guān)，接合或斷離動力傳遞作用，因此，任何形式的汽車都有離合裝置，只是形式不同而已。
目前，汽車離合器操縱形式有拉線和液壓式兩種，轎車多用液壓操縱式，它具有噪聲小、省力、平穩(wěn)、布置方便的優(yōu)點，由總泵、分泵、軟管、踏板等組成。當駕車者踩下離合器踏板時，推桿推動總泵活塞使油壓增高，通過軟管進入分泵，迫使分泵拉桿推動分離叉，將分離軸承推向前；當駕車者松開離合器踏板時，液壓解除，分離叉在回位彈簧作用下逐漸退回原位，離合器又處在接合狀態(tài)[11]。如圖5.1。
現(xiàn)在，電子技術(shù)也進入了離合器系統(tǒng)。一種由控制單元（ECU）控制的離合器已經(jīng)應用在多款的轎跑車上。其ECU匯集油門踏板、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等信號，驅(qū)動伺服馬達機構(gòu)施行自動變速。
5.1.2 任務與性能
分離裝置實現(xiàn)可逆向動力傳遞，在車輛減速制動工況將底盤的動能向泵/馬達傳遞(即作為泵的動力源)，在起動及加速工況將液壓馬達輸出的動力傳遞給傳動軸與發(fā)動機一同驅(qū)動車輛行駛或起步。要求其工作過程中的動力輸出特性及可靠性與該車發(fā)動機相匹配，同時自身具備動力離合機構(gòu)。
5.2 關(guān)鍵部件設計
本節(jié)主要根據(jù)系統(tǒng)要求對離合器提出了相應的要求，并對離合器的結(jié)構(gòu)選擇做了一定的規(guī)定。
5.2.1 離合器的要求
本系統(tǒng)所用離合器主要用于主從動部分在同軸線上傳遞運動和動力時實現(xiàn)結(jié)合或分離功能的裝置。它與汽車傳動系所用離合器有相似之處，它應滿足下列基本要求:
1、離、合迅速，平穩(wěn)無沖擊，分離徹底，動作準確可靠。
2、結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，慣性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。
3、結(jié)合元件耐磨性高，使用壽命長，散熱條件好。
4、操作方便省力，制造容易，調(diào)整維修方便。
此外，在設計離合器時還需要考慮離合片的分離機構(gòu)，此機構(gòu)在離合器需要分離時能提供一定的外力使其能快速可靠地分離[12]。
5.2.2 離合器結(jié)構(gòu)的選擇
選擇離合器的依據(jù)主要有原動機的類型、載荷的大小和性質(zhì)、環(huán)境條件以及對離合器的工作要求和使用特點等。其主要包括以下幾方面;離合器的選擇、操作方法的選擇、結(jié)合方法的選擇、缸體運動狀態(tài)的選擇。
1、離合方式
離合器按其離合方法的不同分為操縱離合器和自動離合器。鑒于本系統(tǒng)離合器分離頻繁，且系統(tǒng)由計算機控制。與駕駛員無關(guān)，本系統(tǒng)采用自動離合器。
2、操縱方式
離合器按其操縱方法的不同可分為機械操縱式、液壓操縱式、氣壓操縱式和電磁操縱式。機械操縱離合器一般由人力操縱，不適合自動操縱。電磁操縱離合器對環(huán)境要求高，發(fā)熱量大，也不適合本系統(tǒng)。氣壓操縱離合器和液壓操縱離合器都可基本滿足本系統(tǒng)要求。但與氣壓操縱離合器相比，液壓式離合器具有更大的單位容積扭矩，具有傳遞扭矩大、體積小的特點。而且液壓式離合器可以無沖擊，平穩(wěn)的起動與換向。
3、結(jié)合元件
離合器的結(jié)合元件主要有嵌合式和摩擦式。其中，嵌合式離合器結(jié)構(gòu)簡單，傳遞扭矩大，主從動軸可同步轉(zhuǎn)動，尺一寸小。但嚙合時有剛性沖擊，只能在靜止或量軸差速不大時接合，這顯然不適合本系統(tǒng)的要求。摩擦式離合器離合較平穩(wěn)，過載時可自行打滑，這對于保護系統(tǒng)的主要元件十分有益。所以，本系統(tǒng)選用摩擦時離合器。
對摩擦式接合元件材料的選擇需考慮:
1、具有高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。對于干式摩擦片一般要求摩擦系數(shù)值的波動量不超過正常平均值的士15%。對于濕式摩擦片摩擦系數(shù)值的波動不應超過士20% ；
2、有足夠的強度和良好的耐磨性；
3、耐熱性好，熱容量大，能經(jīng)受較高的溫度而無明顯的變形或引起材質(zhì)的改變；
4、工藝性好，摩擦時無噪音、無振動、無異味、無污染，成本低[13]。
5.3 離合器的設計計算
本節(jié)主要介紹了離合器各主要參數(shù)的計算方法，而且對各主要部分如扭轉(zhuǎn)減振器、操縱機構(gòu)等元件進行了簡要的說明并提出了必要的要求。
5.3.1 離合器主要參數(shù)的選擇
1、靜摩擦力矩的計算
摩擦式離合器是靠離合器的摩擦面間的摩擦力矩來傳遞轉(zhuǎn)矩的，離合器的靜摩擦力矩根據(jù)摩擦定律可表示為：
= （5.1）
式中 —靜摩擦力矩；
—摩擦面間的靜摩擦因數(shù)，計算時一般取0.25-0.30；
—摩擦片的平均摩擦半徑；
—摩擦面數(shù)，是從動片數(shù)的兩倍。
設壓盤施加在摩擦面上的壓力是均勻分布的，摩擦面上的總壓力為，單位面積上的壓力為，摩擦面的面積為，則有：
（5.2）
式中 —摩擦片的外徑；
—摩擦片的內(nèi)徑。
在摩擦面上取一微面積，則在微元面積上所受的正壓力，摩擦力和摩擦力矩分別為：
（5.3）
（5.4）
（5.5）
式中 —摩擦面間的靜摩擦系數(shù)，計算時一般取0.25～0.30
則離合器摩擦面上總的靜摩擦力矩為：
（5.6）
式中 —摩擦面數(shù),單片式離合器,雙片式離合器=4；
—內(nèi)外徑之比， 。
2、離合器的基本參數(shù)
離合器的基本參數(shù)主要有后備系數(shù)和單位壓力。
(1) 后備系數(shù)
后備系數(shù)是離合器的一個重要參數(shù)，它反映離合器傳遞系統(tǒng)最大扭矩的可靠程度。汽車用離合器的靜摩擦力矩應大于發(fā)動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。因本系統(tǒng)所用離合器所傳遞最大扭矩與汽車用離合器相同，所以可以類比于汽車用離合器的計算。
即：
（5.7）
式中 —離合器的后備系數(shù)，必須大于1。
各類汽車，通常的取值范圍為：轎車和輕型貨車為1.2～1.75，中型和重型貨為1.5～2.25，越野汽車，帶拖掛的重型汽車和牽引汽車為1.8～4.0，對于本系統(tǒng)可參選1.75。
(2) 單位壓力
若離合器使用頻繁，發(fā)動機后備功率小，應取小些，反之可取大些。當摩擦外徑較大時，為降低摩擦片外緣處的熱負荷，應降低。當采用石棉基摩擦材料時，可取為0.10～0.35，燒結(jié)金屬允許為0.35～0.50 ， 金屬陶瓷材料允許其超過0.70甚至可達；1.50～2.00 。
對于轎車，為0.18 -0.30 ；對貨車，為0.14-0.24 。 參照以上原則，選取石棉基摩擦材料，選為0.2離合器主