【第十章】
静液压驱动装置的
输出特性及效率走向
一套动力传输系统的输出特性用以表征在输入转速恒定时它的输出转矩M2和输出转速n2之间的关系。
输出转矩是由负荷大小所决定的，严格说应称为负荷转矩；输出转速则由操作者通过操控装置所给定，通常都作为自变量。
装用静液压驱动装置的目的一般都是为了使工作机在负荷转矩M2下获得预期的输出转速n2，即以此达到所需的行驶速度。
只有某些飞机的供电系统和风电设备中用以驱动发电机的恒速驱动装置等少数应用情况与之相反，要求在输入转速n1和输出转矩M2不断变化时，保持输出转速n2不变以保证电源频率的稳定。
当然，很多时候由于原动机功率的限制和传输系统刚性的影响，负荷转矩M2对于输出转速n2也有明显的制约作用。
让我们一同开始研读王意教授《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的输出特性和输出包线。
任何一套静液压驱动装置
所输出的转矩是有限的
任何一套静液压驱动装置所能输出的转矩M2、转速n2和以它们的乘积所表征的输出功率P2都是有限的。
我们把在分别以n2 和 M2作为坐标轴的四象限坐标系中，以 n2、M2和P2所能运行界限的构成区域称为该装置的输出包线。驱动装置的实时工作点只能处于包线和纵横坐标轴所包围的面积之中。
这个源自航空技术的包线的概念与内燃发动机的外特性曲线相当，不同的是静液压驱动装置具有在由正负方向坐标轴构成的四个象限内运行的能力。
其四个象限分别表征了对应于车辆前进加速（第I象限：n_2和M_2皆为正）、后退减速（第II象限：n_2为负和M_2为正）、后退加速（第III象限：n_2和M_2皆为负）和前进减速（第IV象限：n_2为正和M_2为负）的四种工况。
图10-1 静液压驱动装置在第I象限的输出包线
在输入端液压泵的功率、压力及流量完全能覆盖输出端液压马达的需求并忽略传动装置中的能量损失的理想条件下，第I象限中的输出包线由纵横坐标轴及以下几个线段包围而成。
对应于液压马达最大输出转矩M2max的线段AB：M2max由装置输出端液压马达的最大排量q_max^M和马达进出口允许的最大压差∆p_max^M的乘积决定。在忽略了能量损失的理想条件下，M2max与马达实时输出转速n2无关，因此AB是一条水平线段。
对应于液压马达最高输出转速n2max的线段CD：在理想条件下，n2max仅受液压马达的许用最高转速限制，而与马达的实时输出转矩M2无关，因此CD是一条垂直线段。
对应于液压马达最大输出功率P2max的曲线段BC：实时输出功率P2等于实时输出转矩M2和实时输出转速n2的乘积，其极限最大值Pag等于马达最大输出转矩和最高输出转速的乘积，即 Pag = M2max × n2max。在输出包线图上对应于AB和CD线延长线的交点E，此点对应的功率值称之为 “角功率” 。实践中由于受零部件材料强度的限制，绝大多数液压元件所能够传输的最大功率都远小于角功率值。理想条件下，表征最大功率P2max与输出转矩M_2和输出转速n_2关系的是一条恒功率双曲线。
由此可得出的基本概念是：当采用同等压力级别的液压元件时，静液压驱动装置输出包线的最大转矩取决于所配置的液压马达的排量和系统压力，而与液压泵及输入功率无关；
但最高转速和可用功率则要受到液压泵与液压马达的参数以及原动机输入功率的共同制约。
不过在多数情况下，正确配置的液压泵和液压马达自身的许用功率都明显地大于原动机的可用功率，后者往往是确定输出特性中功率包线的主要因素。
真正要用到静液压驱动的极限功率或“角功率”的，只有履带车辆的静液压机械双功率转向装置在执行原地高速转向时等极少数情况。
然而实际上的静液压驱动装置都是有能量损失的，因此实际的输出包线比图中OABCD线段所包围的区域要小一些。
驱动装置中液压介质的漏损（容积损失）表现为实际最高输出转速n2max’ 随输出转矩M2的增加而降低；而机械部件的摩擦损失和系统中工作介质压差的损失（机械损失）则表现为实际最大输出转矩M2max’随输出转速n2的上升而减小。
与之对应的实际最大输出功率P2max’ 曲线也相应地向原点方向有所偏移。此外，受到零件间静摩擦和工作介质静态黏滞力增大等效应的影响，液压马达在坐标原点附近的低速区有一个运转不稳定的死区，并且该死区会随着输出转矩(即工作压力)的增加而扩大。
所有这些因素使传动装置的实际输出包线偏离到了OA’B’C’D’，实际的角功率点也移到了E’ 处。
将以上分析扩展到全部四个象限，即得到如图10-2 所示的包线图。图中n2和 M2均为负值的III象限是正常倒退时的工况，包线走向与I象限的前进工况围绕原点中心对称。
在n2和M2符号不同的II和IV象限中，静液压驱动装置的泵和马达的工况转化，功率流逆向传输，由输出端的原动机和传动装置本身吸收车辆的多余动能使之减速和制动。
如果原动机和传动装置的吸能容量足够大，则II和IV象限中的制动转矩可能超过静液压驱动装置理论输出转矩和功率的最大值，如图中虚线所示。
但实际上静液压驱动车辆上各种原动机和传动装置配置的冷却系统所能吸收的制动功率都仅为其驱动功率的40-60%。
这说明一般的车用静液压驱动装置在动力制动时是达不到包线的功率限值的，而且仅利用静液压驱动装置的动力制动功能也不能在坡道上熄火驻车。
尽管如此，静液压驱动装置的动力制动能力仍然比图中作为对比绘出的三挡液力传动装置的特性要好得多。
图中II和IV象限中的包线是以静液压驱动装置在测功试验台和测试牵引力的负荷车上专门作为吸能装置时的工况绘制的。
能够在所有四个象限中从零开始的相当宽广的速度范围内无级地和稳定地连续调节输入转矩的特性，彰显出静液压驱动装置优异的运转性能，特别是在回收制动能量方面所具有的特殊应用价值。
图10-2 静液压驱动装置与液力传动在
四个象限中的输出包线
应该说明的是，图10-1和10-2所示的输出包线只表征了一套静液压驱动装置可用工况的界限，而并不是它的各主要参数的实际走向。由于构成具体的静液压驱动装置的元件特别是输出端的液压马达品种、结构和规格的多样性，一些驱动装置输出特性包线并不像图10-2 所示的那么典型。
由于大多数液压马达的零部件的承载能力和配流窗口的流动阻力对于转速的变化较之压力的变化更为敏感，因此它们的功率容量会随转速的升高而显著下降，实际上并不具有恒功率特性。
而且许多液压马达生来就被设计成 “各向异性” 的，通常是用牺牲对应于车辆与行走机械倒车的反向旋转时的某些性能来增强运行时间更长、使用要求也更高的正向旋转时的性能。
因此有时具体产品工作包线的走向规律会更为复杂，并且没有什么对称性。尤其需要强调的是，一台具体的静液压驱动车辆或行走机械的行走装置实际能利用的驱动功率，取决于原动机的外特性和静液压装置的输出包线两者之间的较低者，而且在大多数情况下，原动机能够分配给行走装置的功率都小于与之配套的静液压驱动装置可传输的功率。
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静液压传动中的
零件间摩擦和工作介质静态黏滞力
对系统输出扭矩和转速有何影响？
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