單泵驅動擺動多路馬達傳動系統輸出特性

呂世君，朱鴻飛，苗宇航，聞德生

(燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

液壓技術是工業體系中至關重要的一環，大到航空航天，小到日常生活，液壓傳動無處不在[1-2]。近年來，節能、綠色、環保、高效的觀念已經深入人心。推動液壓傳動向更高功率密度、更輕質量、更小體積、更少污染方向發展是一種必然的趨勢[3]。圍繞這個中心，眾多學者、研究人員以及相關行業從業者紛紛在材料[4-5]、原理[6-7]、元件[8-9]、系統[10-11]等方面展開了大量研究，通過不同的方式對液壓傳動進行改進。擺動液壓馬達是液壓系統的執行元件之一，具有結構簡單、控制精度高、功率質量比大、可靠性高等特點，不需任何變速機構就可以使負載獲得往復擺動運動[12]。雙定子多作用擺動多路馬達在原有的擺動馬達基礎上，通過兩側端蓋、轉子和內、外定子，在殼體內部形成內外兩種馬達，兩種馬達的排量成比例，工作時既可以單獨驅動內、外馬達之一工作，又可以同時驅動兩者聯合工作，還可以實現差動工作[13-15]，從而形成一個馬達、多種輸出。本文作者基于擺動多路馬達和單泵建立新型傳動系統，并對這種傳動系統下馬達輸出的轉速和轉矩進行理論探討和分析，這種新型傳動方式的優點在于一個執行機構(擺動多路馬達)下，輸出多種轉速和轉矩。

1 擺動多路馬達原理

1.1 結構特點

如圖1所示，以雙定子雙作用擺動多路馬達為例。雙定子雙作用擺動多路馬達由1個外定子、1個內定子、1個轉子以及兩側端板組成。外定子、轉子和兩側端板組成外馬達；內定子、轉子和兩側端板組成內馬達。內外馬達相互獨立，均由葉片分隔成兩個馬達，每個馬達的輸入、輸出油口單獨設置，轉子中心與內外定子的中心重合，內外馬達同軸輸出，既充分利用了馬達內部的空間，提高了功率質量比，又可實現馬達的多輸出。

圖1 擺動多路馬達原理

1.2 工作原理及職能符號

雙定子雙作用擺動多路馬達有2個外馬達、2個內馬達，共計8個密閉的腔室，內、外馬達的排量成比例。在輸入流量和進、出油口壓差一定的情況下，通過控制內、外擺動馬達進、出油口的通斷，即可使擺動馬達輸出多種角速度和轉矩。擺動多路馬達職能符號如圖2所示。

圖2 擺動多路馬達職能符號

2 連接方式

2.1 普通連接方式

以雙定子雙作用擺動多路馬達為例，馬達有兩個等量的外馬達和兩個等量的內馬達，內、外馬達的排量成比例，在單泵輸入的情況下內、外馬達均有0個工作、1個工作和2個工作的狀態，傳動的形式一共有3×3-1=8種。圖3所示為馬達的幾種典型普通連接方式。

圖3 普通連接方式

2.2 差動連接方式

差動連接可以實現快進，其原理是液壓缸兩側的有效工作面積不同，將無桿腔和有桿腔連在一起，通入高壓油后，以損失輸出力為代價，增大輸入無桿腔內的流量，實現快速伸出。雙定子擺動馬達的外、內馬達排量之比為C，當C≠1時，可以實現2×2=4種差動連接，如圖4所示為差動連接方式。

圖4 差動連接方式

3 馬達轉速及轉矩的分析

為便于分析，將馬達進、出油口壓差設置為Δp，輸入油液流量為定值Q。在不考慮泄漏的情況下，設一個內擺動馬達的排量為V1，轉速為n1，轉矩為T1，一個外馬達的排量為V2，轉速為n2，轉矩為T2，則有：

(1)

(2)

(3)

3.1 普通連接方式下馬達轉速與轉矩

普通連接方式下雙定子雙作用擺動多馬達的輸出扭矩和轉速如表1所示。

表1 普通連接下馬達的轉矩與轉速

由表1知：對于以單泵為動力機構的雙定子N作用擺動多馬達存在這樣的轉矩和轉速公式：

T=(k1+Ck2)ΔpV1

(4)

(5)

式中：k1為工作的內馬達個數(k1≤N)；k2為工作的外馬達個數(k2≤N)。

3.2 差動情況下馬達轉速與轉矩

差動情況下馬達的轉速和轉矩如表2所示。

表2 差動連接下馬達的轉矩與轉速

由表2知：對于以單泵為動力機構的雙定子N作用擺動多馬達差動連接存在這樣的轉矩和轉速公式：

T=(Ck2-k1)×Δp×V1

(6)

(7)

3.3 比例系數C對傳動系統的影響

對于雙定子擺動多路馬達而言，由于外、內馬達排量成比例，比例系數為C，而馬達的差動連接需要同時連接至少1個外馬達和1個內馬達，當比例系數C的值滿足Ck2=k1時就會出現死點；當比例系數C滿足Ck2

4 仿真分析

傳統葉片式擺動馬達的排量是不可變的，而雙定子擺動多路馬達可以通過改變連接方式來實現排量的變化，從而改變馬達的轉矩和轉速。圖5所示為多路馬達試驗樣機，圖6所示為雙定子雙作用擺動多路馬達實驗平臺。根據公式(4)—公式(7)對馬達輸出的轉矩和轉速進行仿真分析。取單個內馬達排量為7 mL，單個外馬達排量為18 mL，進出油口壓差Δp為6.5 MPa，馬達輸入流量為0.5 L/min。以雙作用和三作用的擺動馬達作為分析對象，仿真結果如圖7—圖10所示。

圖5 多路馬達試驗樣機

圖6 單泵驅動多路馬達系統

圖7 普通連接下的轉矩種類

普通連接方式下馬達輸出轉矩與內馬達工作數k1、外馬達工作數k2的關系如圖7所示。

普通連接方式下馬達輸出轉速與內馬達工作數k1、外馬達工作數k2的關系如圖8所示。

圖8 普通連接下的轉速種類

從圖7和圖8不難看出：普通連接方式下，馬達轉矩和轉速種類與作用數N之間存在這樣的關系：轉矩種類數nT=轉速種類數nn=N2+2N。

差動連接方式下馬達輸出轉矩與內馬達工作數k1、外馬達工作數k2的關系如圖9所示。

圖9 差動連接下的轉矩種類

差動連接方式下馬達輸出轉速與內馬達工作數k1、外馬達工作數k2的關系如圖10所示。

圖10 差動連接下的轉速種類

從圖9和圖10可以看出：差動連接方式下，馬達轉矩和轉速種類與作用數N之間存在這樣的關系：轉矩種類數nT=轉速種類數nn=N2。同時，比例系數的選取對傳動系統有較大影響，系數選取不當會出現反轉乃至死點，反轉仍可以看作是一種差動連接，而死點則應盡量避免。

5 結論

以單泵和擺動多路馬達組成的系統為基礎，從理論上探討了該系統馬達轉速和轉矩的輸出種類，并更進一步推導出單泵對N作用的雙定子擺動多路馬達的傳動規律。相較于傳統的單泵單馬達傳動系統，該傳動系統在普通連接狀態下可以輸出N2+2N種轉矩和轉速，差動狀態下可以輸出N2轉矩和轉速，豐富了多泵多馬達傳動系統，為進一步研究多泵多馬達傳動系統奠定基礎。