【第十章】
静液压驱动装置的
输出特性及效率走向
了解静液压驱动装置元件和
系统效率走向的基本规律
组成静液压驱动装置的液压泵、液压马达、控制阀组、连接管道等部件以及整个系统都有效率的问题，各种效率分别表征了输出功率与输入功率中某个同名参数的比值，两者之间的缺失部分即为在传输过程中产生的由该参数表征的那部分能量或功率损失。
由于传动装置中影响总效率的能量或功率损失的形式很多，为简化计，业界习惯将它们归并为主要影响输出转速n2的容积效率ηV和主要影响输出转矩M2的机械效率ηm两个部分来分析。
总效率ηt为总的容积效率ηV和机械效率ηm的乘积。
请随我们一道继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第十章：静液压驱动装置的输出特性及效率走向，了解静液压驱动装置元件和系统效率走向的基本规律。
1. 影响静液压驱动元件容积效率的主要因素
在实践中，容积效率ηV的高低表现为静液压驱动装置的实际输出转速与理论值偏离的程度，与其有关的最重要的因素是工作介质的泄漏。
在闭式回路中的泄漏又分在主回路内高低压腔体之间发生的“内漏”和由主回路与元件壳体或液压油箱之间的“外漏”两部分。
注意此处的“外漏”系指由元器件中柱塞缸筒之类的工作腔体内的流体介质泄漏到壳体内的情况，这部分介质仍然在系统内循环并重复使用，而并非是流到装置以外的不允许出现的污染性泄漏。
进一步的深入分析表明，影响容积效率的除了泄漏以外还有以下几个因素：首先是工作流体介质的可压缩性。
纯净的液压介质的可压缩性极小，但在一般的运行条件下，工作介质中不可避免溶入的，尤其是被搅动混合进入的气体会使所形成的两相流体的压缩性显著增加，在工作压力高、实时流量小而且元件腔体和管道内不流动的介质所占据的“死”容积比例较大的情况下，这种压缩性对于容积效率的影响尤其明显。
有鉴于此，液压泵和液压马达都要通过各种结构措施来尽量减少“死”容积。其次，包容流体介质的固体零部件在流体压力的作用下的弹性变形与流体压缩对容积效率的影响相类似，虽然固体零件受压后材料本身体积的变化量微乎其微。
但由于包容零件等的弹性变形和装配间隙之类的因素使它们的整体刚度受到限制，承载的零部件及其装配体依然会在压力作用下出现可觉察的退让。
第三，元器件、管道及工作介质的热膨胀特性对于容积效率也有影响。但最后一项的量值很微小，一般工程设计中可以忽略不计。
液压泵和液压马达的容积效率是其实际有效排量与理论（几何）排量的比值，考虑到元件的转速以后则为有效流量与理论流量之比。
它们的有效容积与理论容积之间的差值为泄漏量和液体压缩量之和。对于泵或马达类元件来说，绝对泄漏量同时随工作压力和转速的提高这两个因素的影响而增加，但受工作压力增加的影响要比转速升高的大得多。
因此，在同一个元件和同一组系统中，压力越高，绝对漏损量越大，容积效率会随压力的增高而下降；
而由于转速的上升所引起的绝对漏损量的增加却不显著，因此在排量恒定的条件下，元件的转速越高，流量越大，绝对漏损量在总流量中所占的比例就越小，在一定压力条件下的容积效率就越高。
人们应该注意到，几乎所有的液压泵都在标示了最高转速的同时还给出了最低转速的容许值。
最高转速受结构强度和气蚀余量的限制比较易于理解，限制最低转速的则主要是顾及了上述容积效率受流量影响的效应。
当泵的转速过低从而输出流量很小时，容积效率将显著下降，泄漏和无效压缩的介质在元件内部反复循环，所造成的能量损失转化的热量无法通过微小的剩余流量导出，将使元件迅速过热烧毁。
常用的轴向柱塞泵的最低转速一般在500r/min左右，如果要在更低的输入转速下配置液压泵，则需要设置机械方式的增速装置。
必要时也可以用适当的低速柱塞马达或摆线齿轮马达来 “反串” 成液压泵使用。液压马达的最低转速理论上可以为零，但实际上只存在一个能够在一定负荷下稳定持续运转的 “最低稳定转速” 而并不能真正降到零。
该转速主要受制于与摩擦行为相关的机械效率的影响，但在接近于零的极低转速下过低的容积效率和随输出轴转角起伏变化的不均匀的漏损对此同样作出了可观的贡献。
流量等于元件排量和转速的乘积。在采用变量型液压泵和液压马达时，同等压力和转速下实时排量越大，容积效率也越高。
变量泵类元件在排量接近于零的区间，元件中的内外泄漏、死容积和含气工作介质的压缩性致使其出现一个实际上没有流量输出的死区。
变量马达的最小排量主要受到自锁等机械因素的制约，零排量的马达只能在一种被卸载的自由轮状态下被其他元件拖带运转。
而且和泵类元件一样，在它的可用的排量范围内，排量越小，容积效率越低的效应同样十分明显。
总之，在压力相同和传输功率允许的范围内，系统内的流量越大则容积效率越高。这个规律对于液压泵、液压马达和外设阀组等元器件都是适用的。
2. 影响静液压驱动元件机械效率的主要因素
液压技术业界采用的“机械效率”概念包含了元件或系统中所有与输出和输入转矩有关的因素。
除了狭义的零部件之间的摩擦废功造成的功率损失外，与这个意义上的机械效率有关的损失，还包含元件中介质流道和接头管道内各种液阻造成的流体介质的压力损失
以及在流体介质中运动的部件引起的搅油损失等“黏滞性”阻尼损失。对于采用闭式回路的静液压驱动装置，以补油系统为主的附件在工作中同样引起输入转矩的增加，因此也一并归入了机械效率的范畴。
机械效率ηm的变化趋势比较复杂。首先，在转速接近于零的低速区段内，元件中配合副零件之间的静摩擦系数都比动摩擦要高得多，所以在启动和低速区会有一个阻力高峰，转速超过这个区段后，各种摩擦副的摩擦系数都将明显下降并趋于稳定，称为动摩擦区段。
在工程计算中，一般将动摩擦系数视为不随相对速度和法向载荷变化的一个常数，因此在元件允许的转速范围内，数值上等于法向载荷和摩擦系数乘积的“纯”机械性质的摩擦力只与法向载荷成正比地增长，而基本上与转速无关。
但是如上所述，除了动静摩擦系数之间的差异外，业界把所有引起静液压元件和系统的输入和输出转矩偏离理论值的因素都作为机械效率来考虑，亦即除了摩擦损失外，元件和连接管道中各种液阻造成的工作介质的压力损失和搅油损失等流动阻力损失也归入了机械效率的范畴。
而后面这些因素却都与工作转速及与之相关的系统中工作介质的流量密切相关。工作介质的实时压力在形成输出转矩、克服有效载荷和部件的摩擦转矩的同时，还必须克服或称平衡传动装置内部的这些压力损失。
在工作介质的运动黏度不变时，转速越高和输入流量越大，流动阻力损失就越显著。在元件和系统所允许的最高压力范围内，同等流量下的实时工作压力越高，为克服摩擦力和元件及管路中各种流动阻力损失的压力所占的比例就越小，机械效率则越高；
反之，实时工作压力越低，机械摩擦和液阻等对应的压力损失所占比例也越大，机械效率将随之下降。
静液压驱动装置输入端的变量液压泵的转速变化不大，以其由旋转轴驱动往复运动的柱塞的运动转化方式也不存在机构自锁等原理性问题。
在输入转速不变和常用流量范围内，对它的机械效率的影响因素主要是工作压力的高低，在流量较大时则由于液阻的增加等使机械效率略有下降。
现代静液压驱动装置输出端所采用的定量和变量液压马达的结构型式比变量泵要多得多，运行中的转速变化范围也要大得多。
因此液压马达的机械效率的变化规律就比液压泵的更为复杂。转速、压力、流量、实时变排比等均会对它产生影响。
液压马达与液压泵的在机械效率方面的第一个重要区别在于，受静摩擦效应的影响，液压马达在从静止状态启动，加速到某一转速间的低速区内的机械效率较低而且不稳定。
在这个转速区间内，相同压力下马达的输出转矩明显低于在较高转速时的转矩值，并由此引出了一个“启动效率”的概念，它是以启动时的平均转矩和在该压力下可能输出的最大转矩的比值表征的。
液压泵则不存在这个问题。液压马达启动效率的高低，主要取决于其运动转化机构的型式和承载机理，但与实时压力、工作介质的温度和运动黏度以及加载梯度等运行参数亦有密切关系。
一般说来，运动转化机构中，采用动静摩擦系数接近的滚动摩擦副和外部供油的静压轴承的动静摩擦系数差别，远小于依靠动压油膜润滑的滑动轴承副，因此前一种结构的液压马达具有较高的启动效率。
第二个区别在于，柱塞式液压马达中以往复运动的柱塞驱动旋转轴的传力路线，与液压泵中的以旋转轴驱动柱塞往复运动相反，在常用轴向柱塞马达中存在着自锁摩擦圆的机构原理性工作界限。
当传力部件的压力角接近自锁区时，运动转化机构的机械效率会急剧下降；与之相关联的是，它们作为变量马达时的最小排量不能调到很小，有效变排比受到限制。
一些新型单作用径向柱塞变量马达的传力机构则基本避免了自锁的问题，作到了从最大排量到排量为零的全程有效变量，这是一个显著的进步。
图10-3和10-4分别示出压力和转速对于柱塞式液压元件容积效率和机械效率影响的一般关系。
图10-3 斜盘型变量液压泵在额定转速下的容积效率、机械效率与流量和压力的一般关系（Von Roll）
ηQ –容积效率 ηmh –机械效率 ηG – 总效率 测试条件：带有补油泵，闭式系统
图10-4 柱塞式液压马达在额定转速下（上）及额定压力下（下）的容积效率、机械效率和总效率的一般关系
3. 静液压驱动元件实时总效率的走向趋势
静液压驱动装置中的变量液压泵和液压马达的实时总效率ηt随工况参数变化的走向，受到上述容积效率和机械效率的双重影响。
在采用了高品质的液压油、并在温度、运动黏度都适宜的环境中运转时，输入转速变化幅度较小，且自身机械转化机构工作条件较有利的变量液压泵的性能受容积效率的影响较大；
而输出转速变化范围大，且存在自锁等机构原理限制的液压马达的性能则受机械效率的影响更为明显。
(1) 在常用的恒定转速下，由于各密封面间的泄漏量的变化，液压泵的容积效率随工作压力的增高而下降。
而泵的机械效率却在相当大的程度上随压力增加而上升，因为压力越高，输入扭矩中用于克服泵内零部件自身运动阻力的部分所占的比例就越小。
但当压力上升到一定限度后，由于某些运动副零件受力后出现变形，运动阻力增加，机械效率将重新下降。
所以对应于液压泵总效率最高的区域，通常在最高压力为40-50%的工况下，比样本给出的额定压力值还要低一些。
例如最高压力为42MPa、额定压力25 MPa的重系列液压泵的总效率最高的区域对应的工作压力一般在16-20MPa之间。
在设计中应使静液压驱动装置的最高压力仅出现在起步、爬坡和克服偶然出现的高载荷等短时间工况下，较长时间的连续工作中的压力应控制在在额定压力以下。
这样做不仅能保持较高的效率，也有利于延长元件的使用寿命。
(2) 在压力恒定时，泵的容积效率开始时随转速的增加上升，继而下降。原因是当泵转速过高时，不仅吸油阻力增加
而且液压油内所含气体的析出也会使实际进入柱塞缸筒的油量（填充系数）减小，导致实时有效容积与几何容积的差距加大，容积效率又趋下降。
排量一定并在恒定压力下运转的泵的有效输入转矩并不随转速变化，而引起泵轴无效转矩的油液的流动损失、运动副间的摩擦损失和各旋转部件的搅油损失等。
在泵的工况范围内却都是随转速增加的，所以转速越高，泵的机械效率越低。不过在车辆与行走机械实用的静液压驱动装置中。
用于驱动变量泵的柴油机的额定转速大多在1800-3000r/min之间，都处于变量泵高效运行范围内，因此上述因素对其总效率的影响并不明显。
（3）在同样的压力和转速下，各种变量泵在部分排量时的容积效率总是低于全排量时的值，相对排量越低，容积效率要越差。
这可以用同一台泵内相对恒定的泄漏和压缩等容积损失量与随排量变化的输出流量之间的比值关系来解释，实时排量越小，容积损失占理论流量的比例越大。
另一方面，由于变量机构的支承刚度较差和浸油旋转部件较多、较大等的影响，即使在最大排量时变量泵的机械效率也总是略低于同型同排量的定量泵。这两个因素都拉低了部分排量时变量泵的总效率（图10-5）。
图10-5 SPV90系列变量液压泵在额定转速（约为最高转速的2/3）下的总效率ηt与压力和变排比的关系（据Sauer Danfoss）
据此，由变量泵的容积效率和机械效率相乘而得到的总效率曲线也就必然呈现出一种随压力和转速的增加先升高，然后又降低的走势。
但是如前所述，一般静液压驱动装置中变量泵的转速变化范围有限，而且在这个范围内的机械效率变化不大，所以对于变量泵总效率的主要影响因素是与系统工作压力和实时变排比关系更为密切的容积效率（图10-6）。
图10-6 SPV90系列变量液压泵在不同转速下最大排量时的的总效率ηt与压力和转速的关系（据Sauer Danfoss）
(1) 静液压驱动装置中的液压马达的转速变化范围比液压泵要大得多。在常用转速范围内，液压马达的总效率与压力的关系曲线的走向与液压泵相似，高效点在略低于额定压力附近的区间（图10-7）。
（2）启动效率对于马达在低速区间的性能至关重要。更综合一些的指标是最低速稳定转速，后者不仅取决于液压马达选用的运动转化机构的原理和配流装置的设置以及制造精度，而且还综合反映了马达在低转速时的机械效率和容积效率的水平。不同结构的液压马达的这两个指标可参阅第四章的表4-12。
（3）液压马达总效率较低的不利工况出现在两种工况下。第一种是转速不高、但压力较高时，即图10-7中的左上角部分。
此时元件中的泄漏量相对于总流量的比例较大，而致使容积效率显著降低；第二种是压力较低而转速较高的区域，对应于图10-7中的右下角。
此时马达的转矩容量过剩而转速容量接近饱和，虽然泄漏量很少，但输入压力中可观的部分被用于克服液压马达内部自身零部件中的流道阻力和旋转阻力矩，较高的容积效率并不足以补偿机械效率低下对总效率的影响。
克服这一问题的主要措施是以变量液压马达在小排量状态下运行或以并联可切换的多个马达的方式取代单一的定量马达。
当然，变量马达在效率上、特别是成本方面也有自己的弱项，多马达方案则会在管路和切换阀的配置以及空间占用上带来新的难点。
总之，最终选用何种液压马达作为输出元件，需要经过多方面的慎密考虑和评估。
图10-7 内曲线液压马达的总效率ηt曲线族与压力和转速的典型关系（据Poclain）
整套静液压驱动装置由变量液压泵、液压马达及它们之间的连接导管构成，其总效率是以上三者各自效率的乘积。
总效率的实时走向相当复杂，但也基本符合在各个参数的中等量值附近具有较高效率的基本规律。
图10-48示出的大功率整体式静液压无级变速箱的总效率曲线族即为一例。但这个装置的工作区一直延伸到了角功率点，所以最高效率的区域相对偏于转速和压力都较低的部位。
综上所述可以得到一个基本的印像，即在以不同的运转参数为坐标绘制的等效率云图中，高效区总是分布在坐标图的中间偏下部位，而等效率曲线都是向纵横两个坐标轴方向发散，工况点越接近坐标轴，对应的效率值就越低。
,图10-8 Poclain GHD H31VMR型整体式静液压变速箱的总效率曲线
该变速箱外形见图5-61，此曲线族是在变量液压泵全排量状态下测定的，最高效率区偏于输入转速较低的左下端。注意它可以在输入转速和系统压力均达到最高值的“角功率”工况点（图中右上角）短期运转，而且在这一工况点还能保持接近70%的较高效率。但这个变速箱的补油是外供的，所以综合效率仍需要扣除1-2个百分点。变速箱中变量液压泵和定量马达自身的最高总效率都必须超过90%才能达到图示的总传动效率水平。
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当压力相同时，
在传输功率允许的范围内，
系统内的流量对
元件的容积效率影响如何？
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