液壓機械無極變速箱智能換段控制策略

劉中秀 孫曉鵬 任憲豐 盧朋珍

（濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261000）

液壓機械無級變速箱( hydro-mechanical continuouslyvariable transmission，HMCVT) 是一種復合傳動型無級變速器，通過機械路徑與液壓路徑共同完成功率傳遞，實現(xiàn)無級變速和大功率動力傳輸，廣泛應(yīng)用于拖拉機、裝載機等大功率工程機械上[1]。國內(nèi)外眾多學者對 HMCVT 的方案設(shè)計和動態(tài)特性做了廣泛的研究，控制技術(shù)已經(jīng)逐步成為研究熱點[2-3]。如何防止反復換段是CVT 控制技術(shù)的研究重心，目前國內(nèi)外關(guān)于多段HMCVT 換段的研究主要是通過研究液壓單元的容積效率、液壓機械無級變速箱速比匹配策略解決行駛過程的循環(huán)換段問題、燃油經(jīng)濟性問題[4-6]，并未過多關(guān)注載荷變化時離合器的頻繁換段對離合器磨損的影響，本文結(jié)合液壓機械無級變速箱的工作原理，研究載荷突變對速比控制影響，解決負荷突變引發(fā)的頻繁換段現(xiàn)象，避免了離合器的磨損。

1 多段HMCVT傳動原理

所研制的HMCVT 采用分矩匯速型無級變速機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1中，VTP1、VTP2 代表行星排，C1、C2、C3、CRing、CRev 為離合器編號，P1、M1 代表變量泵和定量馬達。

車輛起步時，HMCVT 先由空擋換入純液壓段，液壓系統(tǒng)采用的是斜盤式雙向變量泵，采用電液伺服排量控制機構(gòu)，通過控制比例電磁閥A 和B 的通入電流，控制伺服活塞的位移，進而控制變量泵斜盤擺角，達到雙向變量的目的，可以實現(xiàn)在低速時前進或者倒退；隨著車速升高排量比e 增加，當滿足換段條件后，換入液壓機械段，合理控制C1、C2、C3、CRing、CRev 離合器的結(jié)合，實現(xiàn)不同段之間速比連續(xù)可調(diào)。本文就前進段進行分析。

1.1 傳動原理

（1）行星排VTP1 工作，通過控制制動器CRing 的接合/分離狀態(tài)，C1、C2、C3、CRev 離合器都斷開，使變速器工作于純液壓HM1 段，輸入功率經(jīng)分流機構(gòu)液壓泵和液壓馬達，傳遞到匯流行星排1，最后由匯流行星排1 的行星架輸出，全部功率均由液壓路徑傳遞。

（2）行星排VTP2 工作，制動器CRing 斷開，C1 或者C2 離合器結(jié)合，使變速器工作于液壓機械段HM2 或者HM3 段，輸入功率一部分經(jīng)分流機構(gòu)傳遞給液壓泵和液壓馬達(即液壓路徑)，其余由行星排2 的齒圈輸入，最后再匯流行星排2 的行星架輸出。

1.2 換段控制

為了實現(xiàn)多段HMCVT 的連續(xù)無級變速，在相鄰的兩段進行切換時，必須實現(xiàn)同步換段，各相鄰兩段的速比應(yīng)該首尾銜接，保證車速連續(xù)的前提下完成換段操作，理論上可以實現(xiàn)換段的平穩(wěn)連續(xù)，為實現(xiàn)同步換段，保證變速器在換段前后有相同的速比，假定換段前C1 離合器工作處于HM2 段，換段后C2 離合器結(jié)合后排量比e變化至同步換段點排量比e*，就可以在理論上保證換段平穩(wěn)連續(xù)。

2 HMCVT異常換段原因分析

圖1：液壓機械無級變速箱的結(jié)構(gòu)簡圖

圖2：HM2 段至HM3 段頻繁換段曲線

在耕地時，發(fā)動機經(jīng)常需要工作在滿負荷工況下，但是由于土壤松緊程度不一致會導致發(fā)動機負荷變化，此時由于整車負荷減少，車速會有升高的趨勢，隨著車速升高，液壓排量比增大，當排量e等于e*時就會從HM2 段切換至HM3 段。重載下為了保證換段的平順性，換段時間可能長達2 秒，在拖拉機時速4m/s 時，經(jīng)過2秒換段后，拖拉機耕地里程已經(jīng)超過了8 米，此時土壤已經(jīng)變得更為堅硬，整車負荷又變大，導致發(fā)動機輸出軸承受的扭矩越來越大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速由于受到外特性的限制，轉(zhuǎn)速就會下降，導致變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速降低，總需求傳動比降低，變速箱就會從HM3 段重新切換至HM2 段，即出現(xiàn)了頻繁換段現(xiàn)象。HMCVT 在HM2、HM3 段之間切換時C1、C2 離合器的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生變化，重載下離合器短時間反復切換就會產(chǎn)生大量的熱量，加劇離合器的磨損。

結(jié)合圖2中細線看出，隨著車速升高，傳動比逐漸增大，排量比升至換段點排量比e*=0.92，由于外部負荷變化，發(fā)動轉(zhuǎn)速從換段前的1600rpm，下降至HM3 段初的1400rpm，相應(yīng)的需求傳動比逐漸降低，根據(jù)換段策略，需求速比又降到了HM2 段數(shù)值。當負荷不斷變化時，就會出現(xiàn)短時間內(nèi)不斷進行HM2、HM3 多次換段的現(xiàn)象。

圖3：異常換段工況識別流程

圖4：智能換段策略測試結(jié)果

3 智能換段控制策略研究

3.1 檢測異常換段的方法

液壓系統(tǒng)高低壓測都裝有壓力傳感器，根據(jù)公式計算得到行星架扭矩，隨著負載的增大，計算的行星架扭矩也會相應(yīng)成比例的增大，因此通過檢測行星架扭矩的變化也可以識別出耕地時載荷的變化。

在一片耕地中土質(zhì)變化不會很大，對TCU 來講能夠識別有規(guī)律的負荷變化，因此檢測方法為：

（1）一般車輛上都會配置模式選擇旋鈕，包含道路模式、耕地模式、PTO 模式；在耕地時駕駛員就會選擇耕地模式，在耕地模式下發(fā)動機轉(zhuǎn)速更高，能夠提供更大的功率。

（2）在檢測到耕地模式后檢測發(fā)動機負荷，如果發(fā)動機平均負荷超過85%，行星架扭矩超過1000Nm,說明已經(jīng)真實的進入耕地狀態(tài)，此時再判斷車速變化，如果車速在勻速行駛過程中突逐漸加速，HMCVT 從HM2 段切換至HM3 段，切換之后或者檔位切換過程中車速逐漸減小，導致HM3 切換成功后立刻又切換為HM2 段，在耕地盡頭能夠識別到駕駛員掉頭的工況，此時為一個耕地循環(huán)，統(tǒng)計3 個耕地循環(huán)中出現(xiàn)短時間換段的次數(shù)Nall。

（3）使用公式1 計算離合器的摩擦功，統(tǒng)計異常換段過程中離合器摩擦功Pf超過閾值A(chǔ) 的次數(shù)Nbig、換段總次數(shù)Nall，通過公式2 得到異常磨損的百分比Per，如果此數(shù)值超過50%，說明絕大部分異常換段都帶來了離合器的磨損，因此判斷出異常換段的工況。式中△n 為離合器主動盤與從動盤速差；Tclt為離合器承受扭矩。

異常換段工況識別流程如圖3所示。

3.2 控制策略

檢測到異常換段工況后，通過計算耕地過程中一段時間內(nèi)行星架扭矩的平均值，如果行星架扭矩平均值大于一定閾值時，判斷為重載工況，在這種工況下，如果檢測需求車速有增大趨勢，通過控制需求傳動比不變，同時提高發(fā)動機設(shè)定轉(zhuǎn)速，在保持變速箱不換段的前提下，實現(xiàn)了增加車速的控制目標，既保證了耕地效率，又避免了重載下異常換段引發(fā)的離合器摩擦功過大的問題，根據(jù)優(yōu)化后的換段控制策略，優(yōu)化控制策略后的多段HMCVT 的換段曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出車速變化時不再出現(xiàn)HM2、HM3 反復換段的現(xiàn)象，避免了頻繁換段的發(fā)生，因此采用上述策略可以解決多段HMCVT 異常換段的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

在分析了多段HMCVT 的傳動原理基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有HMCVT 變速箱HM2 切換至HM3 段的過程為例分析了在耕地過程中負荷多變導致頻繁換段。使用工況統(tǒng)計方法判斷出耕地模式下異常換段的現(xiàn)象，提出了消除異常換段的控制策略，負荷降低時控制需求傳動比不變，提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，減少換段頻次，試驗表明，在多段液壓機械無級變速箱換段過程中，使用智能換段策略能夠有效地減少換段頻率，進一步提高了HMCVT 可靠性。