液壓機(jī)械無級(jí)變速器換擋動(dòng)態(tài)特性研究

鮑明喜，倪向東，趙 新，李 申

（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)械無級(jí)變速器（Hydraulic mechanical continuously variable transmission，HMCVT）是一種液壓功率流和機(jī)械功率流相結(jié)合的傳動(dòng)裝置，通過液壓可控調(diào)速和齒輪高效傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，主要應(yīng)用于工作條件惡劣的大功率工程車輛。HMCVT換擋機(jī)構(gòu)采用濕式離合器和制動(dòng)器匹配控制作為換擋機(jī)構(gòu)。根據(jù)液壓機(jī)械無級(jí)變速器進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程分析對(duì)研究HMCVT的換擋品質(zhì)具有基礎(chǔ)特征。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)變速器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明變速器在換擋階段輸出轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生波動(dòng)，呈下降趨勢(shì)。文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)其物理參數(shù)提出外負(fù)載小轉(zhuǎn)矩、低油壓的換擋過程，對(duì)離合器換擋時(shí)序進(jìn)行了非線性研究。針對(duì)HMCVT換擋控制策略，研究變速器轉(zhuǎn)速曲線變化及液壓油壓曲線變化對(duì)分析HMCVT的換擋品質(zhì)具有重要意義。

利用ITI Simulation X仿真結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)液壓機(jī)械無級(jí)變速器的轉(zhuǎn)速、油壓等動(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

本項(xiàng)目自主研發(fā)設(shè)計(jì)的分矩匯速型等差式液壓機(jī)械無級(jí)變速器傳動(dòng)原理圖，如圖1所示。采用變量泵-定量馬達(dá)和雙排行星齒輪系相互結(jié)合，具有高效傳動(dòng)和無級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率經(jīng)定軸齒輪副分為機(jī)械路功率和液壓路功率，液壓路功率經(jīng)泵控馬達(dá)調(diào)速回路傳遞至K1行星輪系和K2行星輪系的太陽輪，機(jī)械路功率通過結(jié)合濕式離合器C1和濕式離合器C2分別傳遞至K1行星輪系的行星架和K2行星輪系的齒圈，最后由K2行星輪系中行星架向后傳遞功率。該變速器具有一個(gè)倒退擋、一個(gè)純液壓擋和兩個(gè)液壓機(jī)械擋，通過兩個(gè)濕式離合器和制動(dòng)器匹配結(jié)合、分離實(shí)現(xiàn)HMCVT換擋過程，調(diào)節(jié)液壓容積調(diào)速回路中的變量泵的排量比可實(shí)現(xiàn)擋內(nèi)無極變速[9-11]。

圖1 液壓機(jī)械無級(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

HMCVT換擋控制由濕式離合器C1、濕式離合器C2、制動(dòng)器以及變量泵排量比相互匹配控制，濕式離合器、制動(dòng)器在液壓機(jī)械無級(jí)變速器換擋過程中結(jié)合位點(diǎn)圖以及HMCVT液壓系統(tǒng)控制油路圖，如表1、圖2所示。

表1 離合器和制動(dòng)器結(jié)合位點(diǎn)圖Tab.1 Clutch and Brake Joint Site Diagram

圖2 HMCVT控制油路圖Fig.2 HMCVT Control Oil Circuit Diagram

濕式離合器通過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。變量泵通過上位機(jī)給電磁鐵（MY和MZ）輸入電控信號(hào)給電-機(jī)轉(zhuǎn)換元件帶動(dòng)比例方向控制閥的閥芯，傳遞至雙作用液壓缸進(jìn)而來改變流體流量和方向。控制電流與排量比關(guān)系，如圖3所示。

圖3 排量比與控制電流關(guān)系圖Fig.3 Displacement Ratio and Control Current Diagram

3 液壓系統(tǒng)時(shí)域數(shù)學(xué)模型

該變速箱液壓系統(tǒng)采用的是HPV-02閉式變量泵和HMF-02定量馬達(dá)，通過控制變量泵排量比改變調(diào)速回路中的流量進(jìn)而控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。變量泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)工作原理，如圖4所示。

圖4 變量泵控馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)工作原理Fig.4 Variable Pump Control Motor Volume Control System Works

液壓馬達(dá)高壓腔流量連續(xù)方程：

馬達(dá)和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩平衡方程：

式中：kp—變量泵的排量梯度；Dp—變量泵排量；r—變量泵變量機(jī)構(gòu)擺角；ωp—變量泵的轉(zhuǎn)速；Cip—變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù)；Cep—變量泵的外泄漏系數(shù)；Qp—變量泵的輸出流量；pI、pr分別為液壓系統(tǒng)高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力；Cim—液壓馬達(dá)內(nèi)泄漏系數(shù)；Cem—液壓馬達(dá)外泄漏系數(shù)；Dm—液壓馬達(dá)排量；θm—液壓馬達(dá)軸轉(zhuǎn)角；V0—泵和馬達(dá)工作容積及管道總?cè)莘e。Jt—液壓馬達(dá)軸的總慣量；Bm—液壓馬達(dá)軸的總粘性阻尼系數(shù)；G—負(fù)載剛度；TL—作用在馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。其增量方程的拉式變換為：

式中：式（2）～式（4）—泵控馬達(dá)的基本方程，描述了泵控液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性；kqp—變量泵流量增益；Ctp—變量泵的總泄露系數(shù)；Cm—液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；Ct—變量泵和液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)。

假設(shè)沒有彈性負(fù)載，聯(lián)立拉氏變換方程式（5）（6）（7）可得：

式中：ωh—液壓固有頻率

δh—阻尼比

當(dāng)負(fù)載TL恒定時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

當(dāng)變量泵排量Dm恒定時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

4 HMCVT仿真模型的建立

4.1 離合器控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

建立了離合器液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。離合器液壓系統(tǒng)供油元件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助泵組成。為防止系統(tǒng)壓力過高，采用溢流閥調(diào)節(jié)離合器液壓系統(tǒng)主路油壓。離合器液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件由柱塞杠、帶有質(zhì)量的小球以及彈簧組成。比例閥由比例閥控制信號(hào)C1和比例閥控制信號(hào)C2控制對(duì)離合器進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)合與分離以完成換擋。

圖5 離合器液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Clutch Hydraulic System Simulation Model

4.2 HMCVT換擋動(dòng)態(tài)仿真模型建立

根據(jù)液壓機(jī)械無級(jí)變速器數(shù)學(xué)模型，利用ITI simulationX軟件建立HMCVT的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖6所示。HMCVT仿真模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)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、離合器動(dòng)態(tài)模型等。并建立了由定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速、HMCVT輸出轉(zhuǎn)速、濕式離合器C1和C2油壓曲線以及變量泵壓力差曲線組成的HMCVT可視化界面以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HMCVT系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。

圖6 HMCVT動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.6 HMCVT Dynamic Simulation Model

5 HMCVT動(dòng)態(tài)特性研究

5.1 HMCVT實(shí)驗(yàn)臺(tái)架裝置

本課題自主搭建的液壓機(jī)械無級(jí)變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架裝置，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括約翰迪爾型發(fā)動(dòng)機(jī)、ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、自主研發(fā)HMCVT以及CZ型磁粉制動(dòng)器。利用測(cè)控系統(tǒng)LabVIEW對(duì)變量泵、離合器、制動(dòng)器和磁粉制動(dòng)器進(jìn)行精準(zhǔn)控制以及對(duì)HMCVT輸出轉(zhuǎn)速、變量泵控定量馬達(dá)的壓力及流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖7 液壓機(jī)械無級(jí)變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.7 Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission Test Bench

5.2 試驗(yàn)與仿真研究

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在900rpm時(shí)，給定變量泵控制信號(hào)，如圖8所示。濕式離合器控制信號(hào)，如圖9（a）所示。制動(dòng)器控制信號(hào)，如圖9（b）所示。其中，圖中：“1”和“0”—濕式離合器和制動(dòng)器的結(jié)合與斷開。從圖中可以看出0-5s時(shí)制動(dòng)器結(jié)合，HMCVT處于純液壓H段，變量泵排量比從（0～1）連續(xù)變化。在第5s時(shí)（e=1），制動(dòng)器分離，離合器C1開始結(jié)合，HMCVT處于液壓機(jī)械HM1段，變量泵排量比從（1～-1）之間連續(xù)變化。在第15s時(shí)（e=-1），離合器C1開始分離，離合器C2結(jié)合，此時(shí)HMCVT處于液壓機(jī)械HM2段，變量泵排量比從（-1～1）之間連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)純液壓H段、液壓機(jī)械HM1和液壓機(jī)械HM2段內(nèi)無級(jí)變速。

圖8 排量比控制曲線Fig.8 Displacement Ratio Control Curve

圖9 離合器、制動(dòng)器結(jié)合時(shí)序示意圖Fig.9 Schematic Diagram of the Combination of Clutch and Brake

根據(jù)離合器、制動(dòng)器結(jié)合時(shí)序與變量泵排量比控制信號(hào)，液壓機(jī)械無級(jí)變速器從純液壓H段依次變化到液壓機(jī)械HM2段轉(zhuǎn)速輸出試驗(yàn)與仿真結(jié)果和定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速輸出試驗(yàn)與仿真結(jié)果，如圖10所示。純液壓H段轉(zhuǎn)速由0連續(xù)變化到382rpm，液壓機(jī)械HM1段轉(zhuǎn)速由382rpm連續(xù)變化到1215rpm，液壓機(jī)械HM2段轉(zhuǎn)速由1215rpm連續(xù)變化到1976rpm。HMCVT輸出轉(zhuǎn)速變化趨于平穩(wěn)且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。

圖10 HMCVT、定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線試驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.10 Test and Simulation Results of Speed Change Curves of HMCVT and Quantitative Motor

在圖10（a）、圖10（b）中，可以看出在純液壓H段換擋至液壓機(jī)械HM1段、液壓機(jī)械HM1段換擋至液壓機(jī)械HM2段中，HMCVT輸出轉(zhuǎn)速發(fā)生下降波動(dòng)，產(chǎn)生換擋沖擊。

濕式離合器作為HMCVT換擋機(jī)構(gòu)，研究其油壓特性對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。離合器油壓測(cè)試以液壓機(jī)械無級(jí)變速器HM1段變化到HM2段為實(shí)現(xiàn)條件對(duì)象。溢流閥壓力調(diào)定至50bar，由圖11離合器油壓測(cè)試中可以看出，在第15s時(shí)離合器C1開始分離（HM1段結(jié)束），離合器C2開始結(jié)合（HM2段開始），離合器C1快速卸油，同時(shí)離合器C2緩慢充油，離合器C2從換段開始充油至離合器油壓升至穩(wěn)定工作油壓，充油完成所需時(shí)間大約（0～0.5）s。由離合器C2油壓曲線可知，離合器完成充油過程分為三個(gè)階段：（1）快速充油階段（15～15.1）s，控制油充入柱塞缸，填滿柱塞缸初始間隙，并迅速使液壓缸具有一定油壓。（2）緩慢升壓階段（15.1～15.45）s，隨著控制油不斷進(jìn)入柱塞缸，活塞在工作油壓的推動(dòng)下，壓緊摩擦片和鋼片，開始傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩。（3）階躍升壓階段（15.45～15.55）s，柱塞缸在工作油壓的推動(dòng)下至極限位置，柱塞杠內(nèi)油壓繼續(xù)上升，直至升至穩(wěn)定工作油壓。因?yàn)闈袷诫x合器換擋時(shí)油壓升至穩(wěn)定工作油壓存在時(shí)間滯后，導(dǎo)致HMCVT輸出轉(zhuǎn)速短暫性下降。

圖11 離合器油壓測(cè)試Fig.11 Clutch Oil Pressure Test

6 結(jié)論

針對(duì)液壓機(jī)械無級(jí)變速器數(shù)學(xué)模型，結(jié)合ITI SimulationX多體動(dòng)力學(xué)軟件建立的仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)液壓機(jī)械無級(jí)變速器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

（1）為更加直觀準(zhǔn)確的分析其動(dòng)態(tài)特性，在HMCVT仿真模型建立了可視化界面，可對(duì)定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速、HMCVT輸出轉(zhuǎn)速、濕式離合器C1和C2油壓曲線以及變量泵壓力差曲線等HMCVT動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（2）針對(duì)HMCVT換擋動(dòng)態(tài)過程分析，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段換擋過程，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。（3）以液壓機(jī)械無級(jí)變速器HM1段至HM2段為條件對(duì)象，對(duì)濕式離合器C1～C2油壓進(jìn)行測(cè)試，得出其在換擋過程期間離合器充油分為三個(gè)階段，對(duì)液壓機(jī)械無級(jí)變速器輸出轉(zhuǎn)速產(chǎn)生換擋沖擊。