汽车控制系统中的容积调速回路解析

1.开式容积调速回路

执行元件的回油直接流回油箱，称为开式油液循环。如图7-11a所示，开式容积调速回路通常设计为泵-缸回路，回路中没有节流调速元件，通过改变液压泵的排量，对液压缸进行调速，液压缸的回油直接流回油箱，溢流阀作安全阀用，限定系统的最高压力，起安全保护作用。这种回路结构简单，油液在油箱中冷却充分，发热量小，但油箱体积较大，并且由于是开式系统，空气和杂质容易混入，从而使系统的可靠性降低。

2.闭式容积调速回路

执行元件的回油直接进入液压泵的吸油口，称为闭式油液循环。闭式容积调速为泵-马达回路，如图7-11b所示。由于作为执行元件的液压马达的回油直接进入液压泵的吸油口，因此整个回路结构紧凑，但油液的冷却条件较差。为了补偿泄漏和冷却油液，该回路一般需设置补油装置。

图7-11 开式和闭式容积调速回路

a）开式 b）闭式 c）特性曲线

根据变量元件的不同，闭式容积调速回路通常可分为三种：变量泵-定量马达，定量泵-变量马达，变量泵-变量马达容积调速回路。

（1）变量泵-定量马达容积调速回路 图7-11b所示为变量泵-定量马达容积调速回路，它是利用变量泵排量的变化来调速的。图中溢流阀4在回路中作安全阀用，以防止系统过载。考虑到泵和马达的泄漏，加装了补油装置，由补油泵1和溢流阀6组成，其中溢流阀6用于调定补油泵的供油压力。由于补油装置使低压管路始终保持一定的低压，改善了变量泵的吸油性能，还可以置换部分发热油液，降低系统的温升。

若不计系统损失，马达的转速n_m=q_Pn_P/q_m，显然马达的转速n_m随变量泵的排量q_P的改变呈线性变化。马达的输出转矩M_m和回路的工作压力Δp（高低压油路的压差）取决于负载转矩，与调速无关，当负载转矩不变时，马达的输出转矩M_m恒定不变，故该回路又称为恒转矩调速回路。马达的输出功率N_m=2πn_mM_m=Δpq_mn_m=Δpq_Pn_P，

由上式可知，马达的输出功率N_m也随泵的排量q_P的改变呈线性变化。回路的特性曲线如图7-11c所示。该回路的调速范围一般可达R=40（R为马达的最高转速与最低转速之比）。当回路中泵和马达都能双向运转时，马达可以实现平稳地反向。

（2）定量泵-变量马达容积调速回路

图7-12a所示为定量泵-变量马达容积调速回路，它是利用变量马达的排量的变化来调速的。若不计系统损失，马达的转速n_m=q_Bn_B/q_m，马达的输出转矩公式为

显然马达的转速n_m随变量马达排量q_m的变小而增大，马达的输出转矩M_m随变量马达排量q_m的变化而变化，故该回路又称为变转矩调速回路。马达的输出功率N_m=2πn_mM_m=Δpq_mn_m=Δpq_Pn_P，从表达式看，马达的输出功率N_m取决于定量泵的输入功率，因为定量泵的排量、压力都不变，马达的输出功率N_m也恒定不变。回路的特性曲线如图7-12c后半段所示。

定量泵-变量马达容积调速回路的调速范围很小，一般R=3～4。同时不能利用马达的变量机构实现马达的平稳反向，调节不方便。

（3）变量泵-变量马达容积调速回路(www.xing528.com)

图7-12b所示为双向变量泵与双向变量马达组成的容积调速回路。变量泵可以双向供油，变量马达也可以双向回转。通过调节泵或马达的排量都可使马达的输出转速改变，达到调速的目的。系统的过载保护，由溢流阀8并通过单向阀6和7实现双向保护。系统的补油泵3通过单向阀4和5实现双向补油，并由溢流阀9调定补油泵3的补油压力。

图7-12 变量泵-变量马达容积调速回路

a）回路图 b）回路特性曲线

此回路的调速过程分两个阶段，分述如下：

第一阶段，将马达的排量调至最大，通过改变泵的排量实现调速。特点与变量泵-定量马达容积调速回路一致，为恒转矩调节，马达的转速随泵的排量的增大而逐渐增大。

第二阶段，当泵的排量调至最大时，使其固定，通过调节变量马达的排量实现调速，与定量泵-变量马达容积调速回路一致。随着马达排量的由大到小，马达的转速逐渐升至最高。此时泵处于最大输出功率状态不变，故马达处于恒功率状态。在工程中，多数设备的负载特性都要求低速时有较大的转矩，高速时则希望输出功率不变，由此可知，变量泵-变量马达容积调速回路可以满足这一要求。其回路特性曲线如图7-12c所示。由于泵和马达的排量都可以改变，该回路的调速范围比较大，R最大可达100。

该回路适用于大功率液压系统，如港口起重机械、矿山采掘机械等。

对于闭式容积调速回路，还有一点必须注意，就是泵和马达的泄漏对回路速度刚性的影响。负载变化时，引起泵和马达的泄漏量发生变化，从而导致马达的输出转速随之变化，即速度刚性受负载变化影响。对于变量泵-定量马达容积调速回路，在全载下，马达的输出转速下降量可达10%～25%，而在临近q_P=0处，实际的n_m、M_m和N_m也都等于零。对于定量泵-变量马达容积调速回路，在临近q_m=0处，实际的n_m、M_m和N_m也都等于零。因此减小泵和马达的泄漏，对提高闭式容积调速回路的速度刚性是非常重要的。

3.容积节流调速回路

容积节流调速回路是由压力补偿式变量泵和流量控制元件（包括调速阀和节流阀）组成的一种调速回路。其工作原理是通过压力补偿式变量泵的输出流量与调速阀所调节的进入液压缸的流量相适应，来调节液压缸的运动速度。如图7-13a所示。工作时，限压式变量泵1输出的液压油经调速阀2进入液压缸，液压缸的回油经背压阀5流回油箱。液压缸运动速度的控制是通过调节调速阀来实现的，在调速过程中，通过压力反馈，变量泵的输出流量始终与调速阀所调节的进入液压缸的流量相匹配。例如，调速阀关小，在这一瞬间，Q_P＞Q₁，致使泵的供油压力升高，根据限压式变量泵的调节特性可知，泵的流量便自动减小到Q_P≈Q₁为止；反之，开大调速阀，Q_B＜Q₁，泵的供油压力下降，泵的流量又自动增大到Q_P≈Q₁。

图7-13 限压式变量泵调速阀容积节流调速回路

a）回路图 b）回路特性曲线

显然限压式变量泵与调速阀组成的容积节流调速回路，集合了调速阀调速回路与容积调速回路的优点，没有溢流，因此效率高、发热量小，并且调速稳定，适用于速度稳定性要求高的系统。