单泵驱动摆动多路马达传动系统输出特性

吕世君，朱鸿飞，苗宇航，闻德生

(燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004)

0 前言

液压技术是工业体系中至关重要的一环，大到航空航天，小到日常生活，液压传动无处不在[1-2]。近年来，节能、绿色、环保、高效的观念已经深入人心。推动液压传动向更高功率密度、更轻质量、更小体积、更少污染方向发展是一种必然的趋势[3]。围绕这个中心，众多学者、研究人员以及相关行业从业者纷纷在材料[4-5]、原理[6-7]、元件[8-9]、系统[10-11]等方面展开了大量研究，通过不同的方式对液压传动进行改进。摆动液压马达是液压系统的执行元件之一，具有结构简单、控制精度高、功率质量比大、可靠性高等特点，不需任何变速机构就可以使负载获得往复摆动运动[12]。双定子多作用摆动多路马达在原有的摆动马达基础上，通过两侧端盖、转子和内、外定子，在壳体内部形成内外两种马达，两种马达的排量成比例，工作时既可以单独驱动内、外马达之一工作，又可以同时驱动两者联合工作，还可以实现差动工作[13-15]，从而形成一个马达、多种输出。本文作者基于摆动多路马达和单泵建立新型传动系统，并对这种传动系统下马达输出的转速和转矩进行理论探讨和分析，这种新型传动方式的优点在于一个执行机构(摆动多路马达)下，输出多种转速和转矩。

1 摆动多路马达原理

1.1 结构特点

如图1所示，以双定子双作用摆动多路马达为例。双定子双作用摆动多路马达由1个外定子、1个内定子、1个转子以及两侧端板组成。外定子、转子和两侧端板组成外马达；内定子、转子和两侧端板组成内马达。内外马达相互独立，均由叶片分隔成两个马达，每个马达的输入、输出油口单独设置，转子中心与内外定子的中心重合，内外马达同轴输出，既充分利用了马达内部的空间，提高了功率质量比，又可实现马达的多输出。

图1 摆动多路马达原理

1.2 工作原理及职能符号

双定子双作用摆动多路马达有2个外马达、2个内马达，共计8个密闭的腔室，内、外马达的排量成比例。在输入流量和进、出油口压差一定的情况下，通过控制内、外摆动马达进、出油口的通断，即可使摆动马达输出多种角速度和转矩。摆动多路马达职能符号如图2所示。

图2 摆动多路马达职能符号

2 连接方式

2.1 普通连接方式

以双定子双作用摆动多路马达为例，马达有两个等量的外马达和两个等量的内马达，内、外马达的排量成比例，在单泵输入的情况下内、外马达均有0个工作、1个工作和2个工作的状态，传动的形式一共有3×3-1=8种。图3所示为马达的几种典型普通连接方式。

图3 普通连接方式

2.2 差动连接方式

差动连接可以实现快进，其原理是液压缸两侧的有效工作面积不同，将无杆腔和有杆腔连在一起，通入高压油后，以损失输出力为代价，增大输入无杆腔内的流量，实现快速伸出。双定子摆动马达的外、内马达排量之比为C，当C≠1时，可以实现2×2=4种差动连接，如图4所示为差动连接方式。

图4 差动连接方式

3 马达转速及转矩的分析

为便于分析，将马达进、出油口压差设置为Δp，输入油液流量为定值Q。在不考虑泄漏的情况下，设一个内摆动马达的排量为V1，转速为n1，转矩为T1，一个外马达的排量为V2，转速为n2，转矩为T2，则有：

(1)

(2)

(3)

3.1 普通连接方式下马达转速与转矩

普通连接方式下双定子双作用摆动多马达的输出扭矩和转速如表1所示。

表1 普通连接下马达的转矩与转速

由表1知：对于以单泵为动力机构的双定子N作用摆动多马达存在这样的转矩和转速公式：

T=(k1+Ck2)ΔpV1

(4)

(5)

式中：k1为工作的内马达个数(k1≤N)；k2为工作的外马达个数(k2≤N)。

3.2 差动情况下马达转速与转矩

差动情况下马达的转速和转矩如表2所示。

表2 差动连接下马达的转矩与转速

由表2知：对于以单泵为动力机构的双定子N作用摆动多马达差动连接存在这样的转矩和转速公式：

T=(Ck2-k1)×Δp×V1

(6)

(7)

3.3 比例系数C对传动系统的影响

对于双定子摆动多路马达而言，由于外、内马达排量成比例，比例系数为C，而马达的差动连接需要同时连接至少1个外马达和1个内马达，当比例系数C的值满足Ck2=k1时就会出现死点；当比例系数C满足Ck2

4 仿真分析

传统叶片式摆动马达的排量是不可变的，而双定子摆动多路马达可以通过改变连接方式来实现排量的变化，从而改变马达的转矩和转速。图5所示为多路马达试验样机，图6所示为双定子双作用摆动多路马达实验平台。根据公式(4)—公式(7)对马达输出的转矩和转速进行仿真分析。取单个内马达排量为7 mL，单个外马达排量为18 mL，进出油口压差Δp为6.5 MPa，马达输入流量为0.5 L/min。以双作用和三作用的摆动马达作为分析对象，仿真结果如图7—图10所示。

图5 多路马达试验样机

图6 单泵驱动多路马达系统

图7 普通连接下的转矩种类

普通连接方式下马达输出转矩与内马达工作数k1、外马达工作数k2的关系如图7所示。

普通连接方式下马达输出转速与内马达工作数k1、外马达工作数k2的关系如图8所示。

图8 普通连接下的转速种类

从图7和图8不难看出：普通连接方式下，马达转矩和转速种类与作用数N之间存在这样的关系：转矩种类数nT=转速种类数nn=N2+2N。

差动连接方式下马达输出转矩与内马达工作数k1、外马达工作数k2的关系如图9所示。

图9 差动连接下的转矩种类

差动连接方式下马达输出转速与内马达工作数k1、外马达工作数k2的关系如图10所示。

图10 差动连接下的转速种类

从图9和图10可以看出：差动连接方式下，马达转矩和转速种类与作用数N之间存在这样的关系：转矩种类数nT=转速种类数nn=N2。同时，比例系数的选取对传动系统有较大影响，系数选取不当会出现反转乃至死点，反转仍可以看作是一种差动连接，而死点则应尽量避免。

5 结论

以单泵和摆动多路马达组成的系统为基础，从理论上探讨了该系统马达转速和转矩的输出种类，并更进一步推导出单泵对N作用的双定子摆动多路马达的传动规律。相较于传统的单泵单马达传动系统，该传动系统在普通连接状态下可以输出N2+2N种转矩和转速，差动状态下可以输出N2转矩和转速，丰富了多泵多马达传动系统，为进一步研究多泵多马达传动系统奠定基础。