液压扭矩分配阀

作者： /

一、产品定位与核心概念

产品名称： HydraForce HTD HyPerformance Hydraulic Torque Divider（液压扭矩分配阀）

核心作用：

  • 用“控制扭矩而不是控制流量”的方式，在串联系统中实现各液压马达之间的扭矩平衡。
  • 解决传统并联/分流、串联系统在牵引力分配、转弯差速、能量损失与发热方面的固有问题。
  • 典型应用：四轮驱动车辆、草坪机械、定向钻机、特种收割机等多轮/多马达驱动场合。

二、传统方案的问题背景

1. 静液压驱动的优点与缺点

  • 优点：
    • 功率密度高
    • 布置灵活
    • 速度可变、控制方便
  • 缺点：
    • 热量积聚
    • 油液粘度变化影响性能
    • 污染敏感

基本物理约束：

  • 牵引力不能超过轮胎与地面的摩擦力。
  • 并联系统中，流量总是优先流向压降最低的马达。

2. 并联+流量分流器（Flow Divider）的局限

  • 流量分流器可以保证各马达转速相同，但：
    • 属于节流型元件，需要较大的压差，浪费能量并产生热量。
    • 在低流量工况下，分流精度下降。
    • 车辆转弯时，内外轮需要不同流量，强制等流会导致：
      • 轮胎打滑、磨损草皮（wheel scuffing）
      • 外侧轮马达空化（cavitation）

能量损失示例：

  • 100 L/min（26 gpm）的四轮驱动系统，采用两个流量分流器做牵引控制：
    • 在全速驱动时，流量分流器本身消耗约 3.3 kW（4.4 hp）
    • 这部分功率全部变成热量，增加冷却负担
    • 还会导致：更大的油箱、更大的发动机、更大的风扇功率需求

3. 串联系统的局限

  • 串联可以保证所有马达都“被带着转”，但：
    • 各马达负载不均，导致磨损加剧和寿命缩短
    • 不能很好处理转弯时的差速需求

三、HTD 的工作原理与结构特点

1. 基本原理：控制扭矩而非流量

  • HTD 是一个内部先导的减压/溢流阀（internally piloted pressure reducing/relieving valve）。
  • 安装位置：两个串联马达之间。
  • 通过内部的压力分配网络（pressure divider network），将系统总压分配为一定比例（标准为 50/50），从而：
    • 平衡两个马达的压降
    • 实现扭矩均分，而不是强制流量均分
  • 允许少量油液进出回路，使两个马达在保持扭矩平衡的前提下，转速可以不同。
  • 标准比例为 50/50，也可以设计为其他比例（非 50/50）。

2. 转弯差速与“尺寸匹配”

  • 在车辆直线行驶、地面平整时：
    • HTD 阀几乎不通过流量，只起到压力平衡作用。
  • 在车辆转弯时：
    • 内外轮行驶距离不同（例如：内侧 10 m，外侧 18 m），需要不同转速。
    • HTD 只需要通过内外轮速差对应的那部分流量（小流量的补油或泄流）。
  • 这意味着：
    • HTD 的通流能力只需覆盖“差速流量”，而不是整个驱动回路流量。
    • 相比传统流量分流器，阀尺寸可以更小，压降更低，发热更少。

3. 降低能量损失与发热

  • 传统流量分流器：
    • 对整个驱动流量产生压降 → 直接变成热量。
  • HTD：
    • 只在需要差速时通过小流量，且本质是压力控制 → 显著降低能量损失。
  • 宣传册中给出的结论：
    • 流量分流器是静液压驱动中最大的能量浪费源之一。
    • 26 gpm 四轮驱动系统中，流量分流器可浪费近 5 hp。
    • 这些能量既不产生牵引力，还要通过冷却系统额外排出。

四、具体型号与性能特性

1. HTD10-40

  • 功能：
    • 将总压降调节为一半（标准 50/50），也可设计其他比例。
  • 类型：
    • 内部先导减压/溢流阀
  • 特点：
    • 通过内部压力分配网络，实现扭矩均分
    • 适用于两台串联马达之间的扭矩平衡
  • 文档中包含：
    • 符号图（Symbol）
    • 性能曲线：
      • 工况：32 cSt，40 ℃（104 °F）
      • 死挡工况（Deadhead condition），油箱压力 < 0.7 bar（10 psi）
      • 曲线坐标：
        • 横轴：供油压力（Supply pressure）bar/psi
        • 纵轴：受控压力（Controlled pressure）bar/psi

2. HTD10-50（专利申请中，patent pending）

  • 结构：五口阀（five-ported）
  • 特点：
    • 内置先导溢流（internal pilot relief）
    • 随着系统压力升高（例如车辆上坡时），先导比例会变化，以适应不同工况下的扭矩分配需求。
  • 文档中同样给出：
    • 符号图（Symbol）
    • 性能曲线：
      • 工况：32 cSt，40 ℃（104 °F）
      • 死挡工况，油箱压力 < 0.7 bar（10 psi）
      • 横轴：供油压力
      • 纵轴：受控压力

五、测试集成块（试验用集成阀块）

1. 两轮驱动测试集成块（Two Wheel Drive Testing Manifold）

  • 用途：
    • 用于验证两轮驱动系统或两台串联马达系统的性能。
    • 只需少量管路连接即可安装到试验车辆上。
  • 配置：
    • 两台串联马达
    • 1× HTD10-40：提供扭矩控制
    • 1× HFR10-32A 可调溢流阀：在极低附着工况下限制打滑
    • 4× 单向阀：实现双向运行
  • 订货号：595C458

2. 四轮驱动测试集成块（Four Wheel Drive Testing Manifold）

  • 用途：
    • 用于验证四轮驱动系统，特别是交叉驱动（FR-RL / FL-RR）配置。
  • 配置：
    • 四轮交叉驱动（前右-后左 / 前左-后右）
    • 2× HTD10-40：分别控制两个并联支路的扭矩
    • 2× HFR10-32A 可调溢流阀：在极低附着工况下限制打滑
    • 4× 单向阀：实现双向运行
  • 订货号：595C459

六、典型应用场景

1. 草坪与园林机械（Turfcare）

  • 适用设备：
    • 球道割草机（fairway mowers）
    • 两轮或四轮驱动割草机
    • 果岭割草机、滚压机（rollers）
  • 需求特点：
    • 需要保护草皮，避免轮胎打滑和“擦伤”
    • 需要平稳牵引与差速控制

2. 定向钻机（Directional Drills）

  • 特点：
    • 常用串联马达驱动钻头和推进小车（carriage）。
  • HTD 作用：
    • 确保各马达负载均衡，避免某一马达过载或空转。

3.特种收割机（Specialty Harvesters）

  • 例如葡萄收割机等：
    • 独立四轮驱动
    • 多个旋转功能：振动器（shakers）、输送机（conveyors）等
  • HTD 优势：
    • 在多驱动、多功能场合提供扭矩平衡和能效优化。

七、HTD 带来的系统级收益

1. 扭矩平衡与寿命提升

  • 平衡各马达的扭矩 → 减少局部过载
  • 延长马达及相关传动元件寿命

2. 降低元件尺寸与成本

  • 因为 HTD 只处理差速流量，系统中其他元件（如泵、冷却器等）可以适当减小规格。

3. 纯液压方案，无需电子控制

  • 完全依靠液压压力与内部结构实现控制
  • 不需要传感器或控制器
  • 自动按需工作，无需操作员干预

4. 降低热负荷与能耗

  • 消除或显著减少流量分流器带来的压降损失
  • 减少冷却系统负担
  • 有助于使用更小的发动机和油箱

Related Posts

滚动至顶部