鮑明喜，倪向東，鐘春發(fā)，魏曉朝

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

1 引言

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器（Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT）為滿(mǎn)足大功率農(nóng)業(yè)機(jī)械多變作業(yè)工況所提出的將液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合的新型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在擋內(nèi)速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[1?4]針對(duì)其搭建的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)HM‐CVT 進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明變速器在換擋階段中存在換擋沖擊度，乘坐舒適性下降。文獻(xiàn)[5?6]提出關(guān)于負(fù)載、轉(zhuǎn)矩和油壓相結(jié)合的換擋過(guò)程，同時(shí)對(duì)離合器換擋時(shí)序進(jìn)行了非線(xiàn)性研究。根據(jù)HMCVT換擋控制策略，研究離合器充油特性對(duì)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器HMCVT輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)變化對(duì)分析的換擋品質(zhì)具有重要意義。利用ITI Simulation X多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件的仿真結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果，分析HMCVT離合器油壓及流量對(duì)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等動(dòng)態(tài)參數(shù)特性進(jìn)行分析。

2 HMCVT介紹

2.1 HMCVT傳動(dòng)原理

本課題自主研發(fā)設(shè)計(jì)的分矩匯速型等差式液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖[7?10]，如圖1所示。本課題自主研發(fā)的HMCVT可適用于大功率農(nóng)業(yè)機(jī)械（如采棉機(jī)），作業(yè)速度可達(dá)到（0~25）km/h。HMCVT結(jié)合液壓無(wú)極調(diào)速傳動(dòng)與機(jī)械高效傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。其中液壓無(wú)極調(diào)速傳動(dòng)采用雙向變量泵控定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HMCVT在機(jī)械擋內(nèi)無(wú)極變速；機(jī)械高效傳動(dòng)采用差動(dòng)輪系雙行星排組合的方式。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率經(jīng)齒輪副分為兩部分，一部分經(jīng)過(guò)雙向變量泵—定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)傳遞至行星輪系太陽(yáng)輪，另一部分經(jīng)過(guò)離合器、齒輪傳遞至行星輪系的齒圈或者行星架，最后功率通過(guò)行星輪系匯流向后輸出。

圖1 液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Hydraulic Machinery Stepless Transmission Principle Diagram

2.2 HMCVT換擋控制策略

這里所設(shè)計(jì)的HMCVT為四擋式，其中包括倒推R擋，純液壓H擋，液壓機(jī)械HM1擋和液壓機(jī)械HM2擋。各速度擋和離合器C1、C2，制動(dòng)器Break，行星排K1、K2相配合的方式圖，如表1所示。

表1 各速度擋配合方式圖Tab.1 Fitting Mode Diagram of Each Speed Gear

2.3 離合器液壓油路與控制系統(tǒng)

本課題采用濕式離合器，通過(guò)電磁閥控制離合器的充油、卸油實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器的結(jié)合與分離繼而控制HMCVT 換擋。在離合器液壓油路中設(shè)置壓力計(jì)和流量計(jì)對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力以及流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)自主研發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)的離合器開(kāi)關(guān)以及監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的壓力與流量。液壓油路圖，如圖2所示。液壓控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 液壓油路圖Fig.2 Hydraulic Oil Circuit Diagram

圖3 液壓控制系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic Control System

3 HMCVT仿真模型的建立

3.1 離合器控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

按照液壓油路建立離合器控制系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。其中，回位彈簧剛度438N/mm，初始?jí)嚎s量11.2mm；驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1450rpm；葉片泵排量6.3ml/r。離合器結(jié)合時(shí)間通過(guò)減壓閥的壓力設(shè)定值與流量調(diào)節(jié)閥的流量控制決定。

圖4 離合器控制系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Clutch Control System Simulation Model

3.2 雙向變量泵控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

雙向變量泵斜盤(pán)通過(guò)PWM 占空比控制三位四通電液比例伺服閥進(jìn)而通過(guò)液壓流量控制雙作用液壓缸，使其產(chǎn)生位移推動(dòng)變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行角度控制。雙向變量泵控制仿真模型，如圖5 所示。其中變量機(jī)構(gòu)位移是由帶有質(zhì)量的小球代替，減壓閥維持容積調(diào)速回路系統(tǒng)的壓力，電液比例伺服閥是由電壓信號(hào)控制，回位彈簧保證雙作用液壓缸處于中間位置。

圖5 雙向變量泵控制仿真模型Fig.5 Simulation Model of Bidirectional Variable Pump Control

3.3 HMCVT動(dòng)態(tài)仿真模型建立

根據(jù)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)原理，利用ITI simulationX多體動(dòng)力學(xué)軟件建立HMCVT 的動(dòng)態(tài)仿真模型[11?14]，如圖6 所示。HMCVT動(dòng)態(tài)仿真模型包括驅(qū)動(dòng)模型、變量泵—定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)模型、雙行星排模型、制動(dòng)器模型、離合器模型、離合器和制動(dòng)動(dòng)態(tài)控制模型以及傳感器傳輸模型等。其中離合器控制模型由液壓缸的油液壓力和回位彈簧的作用力復(fù)合作用；負(fù)載模型給予外力扭矩；雙向變量泵控制模型由雙作用液壓缸產(chǎn)生的位移控制。

圖6 雙向變量泵控制仿真模型Fig.6 HMCVT Dynamic Simulation Model

4 HMCVT離合器充油特性研究

4.1 HMCVT試驗(yàn)臺(tái)架裝置

HMCVT 傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架，如圖7 所示。其中包括約翰迪爾?JD4045HCP29 發(fā)動(dòng)機(jī)，ZJ 系列轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器（額定轉(zhuǎn)速：0~3000rpm），HPV?02雙向變量泵（排量：54.7cc/rev），HMF?02定量馬達(dá)（排量：51.3cc/rev），CZ系列磁粉制動(dòng)器（顯示：WLK?5A型程控電源）。

圖7 HMCVT傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.7 HMCVT Transmission Test Bench

4.2 試驗(yàn)與仿真研究

根據(jù)前面提出的參數(shù)，研究離合器的充油特性對(duì)HMCVT的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的影響。根據(jù)HMCVT 的結(jié)構(gòu)特性和速度擋的結(jié)合方式，此次主要是研究HMCVT 前進(jìn)擋，換擋過(guò)程開(kāi)始時(shí)是純液壓H擋（制動(dòng)器鎖定行星輪系），排量比的范圍是（?1～1）；再次是液壓機(jī)械HM1擋，排量比的范圍是（1～?1）；最后是液壓機(jī)械HM2擋，排量比的范圍是（?1～1）。

離合器的充油主要由電機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片泵的排量、減壓閥最高壓力值和流量調(diào)節(jié)閥的流量共同決定。本試驗(yàn)臺(tái)架采用三相異步電機(jī)（額定轉(zhuǎn)速：1450rpm）、葉片泵（排量：6.3ml/r），所以，本次研究主要針對(duì)減壓閥的壓力值和流量調(diào)節(jié)閥流量控制。設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900rpm，負(fù)載扭矩為150Nm，（0~5）s為純液壓H擋，（5~15）為機(jī)械HM1擋，（15~25）s為液壓機(jī)械HM2擋。

設(shè)定壓力閥壓力4MPa，離合器的充油流量隨流量調(diào)節(jié)閥（3L/min，4L/min，5L/min）的不同對(duì)HMCVT 輸出轉(zhuǎn)速的影響，如圖8所示。隨著流量調(diào)節(jié)閥的流量不斷增加，在純液壓H擋至液壓機(jī)械HM1擋和液壓機(jī)械HM1擋至液壓機(jī)械HM2擋時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速的下降幅度減少，并且下降后的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間也大大地縮短。因此增大流量調(diào)節(jié)閥的流量可以降低輸出轉(zhuǎn)速下降幅度和縮短達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。

圖8 離合器流量對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的影響Fig.8 Effect of Clutch Flow on Output Speed

設(shè)定壓力閥壓力4MPa，離合器的充油流量隨流量調(diào)節(jié)閥（3L/min，4L/min，5L/min）的不同對(duì)HMCVT輸出轉(zhuǎn)矩的影響。從圖9中可以看出，在純液壓H 擋至液壓機(jī)械HM1擋和液壓機(jī)械HM1擋至液壓機(jī)械HM2擋時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩在不同離合器流量時(shí)相差不大，但是隨著流量調(diào)節(jié)閥流量的增加，產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)間點(diǎn)較低。因此增大流量調(diào)節(jié)閥的流量可以降低產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)間點(diǎn)。

圖9 離合器流量對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響Fig.9 Effect of Clutch Flow on Output Torque

設(shè)定流量調(diào)節(jié)閥流量4 L/min，離合器的充油壓力隨減壓閥（3MPa，4MPa，5MPa）的不同對(duì)HMCVT輸出轉(zhuǎn)矩的影響。從圖10中可以看出，在純液壓H擋至液壓機(jī)械HM1擋和液壓機(jī)械HM1擋至液壓機(jī)械HM2擋時(shí)產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)是相差不大的，但是隨著壓力閥壓力的不斷增加，在換擋過(guò)程中產(chǎn)生的最大扭矩是逐漸增大的。因此減小減壓閥的壓力可以降低輸出轉(zhuǎn)矩。

圖10 離合器壓力對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響Fig.10 Effect of Clutch Pressure on Output Torque

5 結(jié)論

根據(jù)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)原理，通過(guò)自主搭建試驗(yàn)臺(tái)架與ITI SimulationX 多體動(dòng)力學(xué)軟件建立的仿真模型，對(duì)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的充油特性進(jìn)行分析。

（1）為研究對(duì)象建立試驗(yàn)臺(tái)架和對(duì)離合器控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、雙向變量泵控制系統(tǒng)和液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器動(dòng)態(tài)過(guò)程建立仿真模型，為試驗(yàn)結(jié)果提供基礎(chǔ)。（2）針對(duì)HMCVT換擋過(guò)程分析，建立離合器、制動(dòng)器以及變量泵控制策略，以完成液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器純液H段、液壓機(jī)械HM1段和液壓機(jī)械HM2段換擋過(guò)程，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。（3）以液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器換擋過(guò)程為條件對(duì)象，對(duì)離合器流量、油壓對(duì)HMCVT轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。得出結(jié)論：增大流量調(diào)節(jié)閥的流量可以降低輸出轉(zhuǎn)速下降幅度、縮短達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間和降低產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，減小減壓閥的壓力可以降低輸出轉(zhuǎn)矩。