淺析液力推土機變速箱的換擋平順性評價

李中華，續魯寧，文 傲，王濤衛，李宣秋，馮西友，康正生

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

目前，液力推土機基本采用動力換擋及電控換擋兩種方式。GB/T 13441.1-2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1 部分一般要求》（ISO2631《關于全身振動評價指南》）中，描述了車輛振動對人體的影響，但缺乏對變速箱換擋品質的評價，國內外也沒有統一的標準。可借用常用的民用車輛換擋品質評價指標對其進行評價。通常有如下評價指標：加速度方根均值、燃油消耗率、換擋沖擊度及離合器滑磨功等。傳統的評價方法采用與平順性相關的指標進行評價：沖擊度[1～3]。

1 變速箱的換擋平順性評價指標

對沖擊度指標進行分析，首先設計輸入自變量換擋時間。換擋時間對換擋沖擊和離合器的滑摩功存在很大影響。換擋時間包含分離離合器的分離時間、結合離合器的充油時間及建壓時間，結合離合器的充油時間與建壓時間存在比例關系。液控通過閥等液壓元件控制建壓過程，電控通過調節電流強弱、持續時間及時間比例來控制。換擋時間越短則換擋沖擊大而離合器滑磨小；時間越長，換擋沖擊小而離合器滑磨大。

對于推土機換擋時間設計輸入值與車型、油溫變化、離合器充油體積、制造精度、工況載荷及功率損失等都存在諸多關聯。目前工程車輛、重型車輛通常控制在1.0～1.6s 之間，離合器的滑磨時間一般控制在0.4～1.0s 之間[4]。

沖擊度定義為整機縱向加速度的變化率。通過沖擊度可以真實地反映換擋沖擊對乘員感受程度的影響。換擋時，離合器結合速度越快，縱向加速度變化速率越快，正向沖擊度就越大，乘員前后傾力越明顯。

由整機行駛的動力學模型，可以求出整機的加速度為[5]

變速箱輸出軸到鏈輪的動力學方程為

式(1）、式（2）中，v為車速；a為整機加速度；r為鏈輪半徑；io為變速箱輸出端之后的總傳動比；ωoT為變速箱輸出軸角速度；TOT為變速箱輸出轉矩；Tow為折合到變速箱輸出軸的負載轉矩：IoW為折合到變速箱輸出軸的整機等效轉動慣量。

由式（1）、式（2），可得整機沖擊度為

由式(3），當推土機同向換擋時，Tow假定定義變化不大，此時J=r/(ioIoW)(dTOT)/dt，沖擊度J與變速箱輸出扭矩變化率(dTOT)/dt成正比，當輸出扭矩的變化率越大時，沖擊度也就越大。液力推土機變速箱換擋是通過離合器的結合或分離來實現的，沖擊度則真實地反映了離合器接合、分離過程的動力學本質。

對于換擋沖擊度J，德國推薦值為J=10m/s3，蘇聯推薦值為J=31.36m/s3，我國推薦值為J=17.64m/s3[6]。

2 動力傳動系的模型描述

2.1 發動機模型

當發動機油門全開時，輸出轉矩Te可定義為轉速ne的函數。外特性段為二次方程曲線；調速特性段描述為直線。

式(4）中：Te為發動機轉矩；n(e)為發動機轉速；neh為發動機額定轉速；a0、a1、a2、b0、b1為待定系數。

發動機動力學模型

式(5）中：Ie為發動機曲軸軸系至液力變矩器泵輪的轉動慣量；為發動機曲軸角加速度；TB為液力變矩器泵輪轉矩；TQ為其余系統的消耗轉矩。

2.2 液力變矩器模型

液力變矩器的原始特性反映的是泵輪轉矩系數λB、變矩系數K、效率η隨渦輪和泵輪的轉速比i的變化規律[7]，即用式(6)表示

功率流由變矩器泵輪輸入，在渦輪輸出（不考慮變矩器閉鎖），變矩器特性

式(7)中：r為傳動液密度；g為重力加速度；D為液力變矩器的有效循環圓直徑；nB為液力變矩器泵輪轉速；nT為液力變矩器渦輪轉速；TT為液力變矩器的渦輪轉矩。

2.3 變速箱模型

根據行星變速箱的傳動原理，不考慮動力傳遞效率的情況下，變速箱的輸出轉矩TOT和輸出轉速ωOT可表示為

式(8）中：ii為變速箱各擋位傳動比；ωOT為液力變矩器渦輪的輸出角速度。

2.4 輸出端車身等效慣性力矩模型

1）車身的平移運動形成的轉動慣量IW（未考慮履帶）

2）履帶的等效旋轉轉動慣量Ic

變速箱輸出端的等效轉動慣量定義車身平移的轉動慣量IW、履帶的等效旋轉轉動慣量Ic和變速箱輸出端之后旋轉部件的轉動慣量IR三者之和，于是可得

式(11）中，G為整機總重量；GB為推土鏟負荷重量；Gc為履帶總重量；η為變速箱輸出端之后的傳遞效率；I(i1)為旋轉體產生的轉動慣量置換到輸出軸的值；i1為變速箱輸出端到旋轉體的變速比。

3 沖擊度評價計算

某液力型推土機液力變矩器的特性曲線如圖1 所示。

圖1 液力變矩器原始特性曲線

由此可得液力變矩器穩態特性模型，并得出發動機與液力變矩器共同作用的輸出特性（圖2）。

圖2 液力變矩器與發動機共同作用的輸出特性曲線

綜合以上模型，對某型推土機進行換擋平順性評價計算。設計輸入換擋時間1.2～1.5s，以推土機前進1 擋至前進2 擋進行簡化計算示例。根據圖3 可得，不同渦輪轉速下，前進1 擋換至前進2 擋時的沖擊度J值。此處模型為簡化計算，若需獲得較為準確的理論值，需補充詳細模型，諸如發動機油門開度、傳動效率、工況、油溫變化等因素。

圖3 沖擊度J值曲線

4 電控換擋控制策略

換擋平順性的關鍵控制在于控制換擋時間，以控制離合器的平穩變化。在以下控制流程中（圖4），主要采取調控換擋過程各擋位所需的電流強弱、持續時間及相應時間比例的策略方法，實現對換擋時間的調控，以達到最佳的沖擊度要求。

5 總結

圖4 電控換擋模塊控制流程圖

本文建立了液力推土機動力傳動系的模塊模型，并推導出來變速箱換擋平順性評價指標的數學模型，并進行計算示例。通過控制換擋時間及相應時間比例，有效控制換擋沖擊值，提高車輛的乘坐舒適性。評價指標的提出對整機評價標準的建立提供參考及理論基礎。