HMCVT換擋過程離合器充油特性研究

鮑明喜，倪向東，鐘春發(fā)，魏曉朝

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

1 引言

液壓機械無級變速器（Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT）為滿足大功率農(nóng)業(yè)機械多變作業(yè)工況所提出的將液壓傳動和機械傳動相結(jié)合的新型技術(shù)，可以實現(xiàn)在擋內(nèi)速度無級調(diào)節(jié)。文獻[1?4]針對其搭建的試驗臺對HM‐CVT 進行了試驗研究，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[5?6]提出關(guān)于負(fù)載、轉(zhuǎn)矩和油壓相結(jié)合的換擋過程，同時對離合器換擋時序進行了非線性研究。根據(jù)HMCVT換擋控制策略，研究離合器充油特性對液壓機械無級變速器HMCVT輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線變化對分析的換擋品質(zhì)具有重要意義。利用ITI Simulation X多體動力學(xué)仿真軟件的仿真結(jié)果和試驗研究結(jié)果，分析HMCVT離合器油壓及流量對液壓機械無級變速器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等動態(tài)參數(shù)特性進行分析。

2 HMCVT介紹

2.1 HMCVT傳動原理

本課題自主研發(fā)設(shè)計的分矩匯速型等差式液壓機械無級變速器傳動原理簡圖[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)機械（如采棉機），作業(yè)速度可達到（0~25）km/h。HMCVT結(jié)合液壓無極調(diào)速傳動與機械高效傳動的優(yōu)點。其中液壓無極調(diào)速傳動采用雙向變量泵控定量馬達容積調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)HMCVT在機械擋內(nèi)無極變速；機械高效傳動采用差動輪系雙行星排組合的方式。發(fā)動機輸出功率經(jīng)齒輪副分為兩部分，一部分經(jīng)過雙向變量泵—定量馬達容積調(diào)速系統(tǒng)傳遞至行星輪系太陽輪，另一部分經(jīng)過離合器、齒輪傳遞至行星輪系的齒圈或者行星架，最后功率通過行星輪系匯流向后輸出。

圖1 液壓機械無級傳動原理簡圖Fig.1 Hydraulic Machinery Stepless Transmission Principle Diagram

2.2 HMCVT換擋控制策略

這里所設(shè)計的HMCVT為四擋式，其中包括倒推R擋，純液壓H擋，液壓機械HM1擋和液壓機械HM2擋。各速度擋和離合器C1、C2，制動器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，通過電磁閥控制離合器的充油、卸油實現(xiàn)對離合器的結(jié)合與分離繼而控制HMCVT 換擋。在離合器液壓油路中設(shè)置壓力計和流量計對液壓系統(tǒng)的壓力以及流量進行監(jiān)測。通過自主研發(fā)的測控系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)的離合器開關(guān)以及監(jiān)測液壓系統(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，初始壓縮量11.2mm；驅(qū)動電機采用三相異步電機，額定轉(zhuǎn)速1450rpm；葉片泵排量6.3ml/r。離合器結(jié)合時間通過減壓閥的壓力設(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)動態(tài)仿真模型

雙向變量泵斜盤通過PWM 占空比控制三位四通電液比例伺服閥進而通過液壓流量控制雙作用液壓缸，使其產(chǎn)生位移推動變量機構(gòu)進行角度控制。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動態(tài)仿真模型建立

根據(jù)液壓機械無級變速器傳動原理，利用ITI simulationX多體動力學(xué)軟件建立HMCVT 的動態(tài)仿真模型[11?14]，如圖6 所示。HMCVT動態(tài)仿真模型包括驅(qū)動模型、變量泵—定量馬達容積調(diào)速系統(tǒng)模型、雙行星排模型、制動器模型、離合器模型、離合器和制動動態(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試驗臺架裝置

HMCVT 傳動試驗臺架，如圖7 所示。其中包括約翰迪爾?JD4045HCP29 發(fā)動機，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（排量：51.3cc/rev），CZ系列磁粉制動器（顯示：WLK?5A型程控電源）。

圖7 HMCVT傳動試驗臺架Fig.7 HMCVT Transmission Test Bench

4.2 試驗與仿真研究

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 前進擋，換擋過程開始時是純液壓H擋（制動器鎖定行星輪系），排量比的范圍是（?1～1）；再次是液壓機械HM1擋，排量比的范圍是（1～?1）；最后是液壓機械HM2擋，排量比的范圍是（?1～1）。

離合器的充油主要由電機轉(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。本試驗臺架采用三相異步電機（額定轉(zhuǎn)速：1450rpm）、葉片泵（排量：6.3ml/r），所以，本次研究主要針對減壓閥的壓力值和流量調(diào)節(jié)閥流量控制。設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速900rpm，負(fù)載扭矩為150Nm，（0~5）s為純液壓H擋，（5~15）為機械HM1擋，（15~25）s為液壓機械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擋至液壓機械HM1擋和液壓機械HM1擋至液壓機械HM2擋時，輸出轉(zhuǎn)速的下降幅度減少，并且下降后的輸出轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時間也大大地縮短。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到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時間。

圖8 離合器流量對輸出轉(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 擋至液壓機械HM1擋和液壓機械HM1擋至液壓機械HM2擋時最大輸出轉(zhuǎn)矩在不同離合器流量時相差不大，但是隨著流量調(diào)節(jié)閥流量的增加，產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動時間點較低。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)矩波動時間點。

圖9 離合器流量對輸出轉(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擋至液壓機械HM1擋和液壓機械HM1擋至液壓機械HM2擋時產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動的時間點是相差不大的，但是隨著壓力閥壓力的不斷增加，在換擋過程中產(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)液壓機械無級變速器傳動原理，通過自主搭建試驗臺架與ITI SimulationX 多體動力學(xué)軟件建立的仿真模型，對液壓機械無級變速器的充油特性進行分析。

（1）為研究對象建立試驗臺架和對離合器控制動態(tài)系統(tǒng)、雙向變量泵控制系統(tǒng)和液壓機械無級變速器動態(tài)過程建立仿真模型，為試驗結(jié)果提供基礎(chǔ)。（2）針對HMCVT換擋過程分析，建立離合器、制動器以及變量泵控制策略，以完成液壓機械無級變速器純液H段、液壓機械HM1段和液壓機械HM2段換擋過程，實現(xiàn)無級變速。（3）以液壓機械無級變速器換擋過程為條件對象，對離合器流量、油壓對HMCVT轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進行分析。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、縮短達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時間和降低產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩波動時間點，減小減壓閥的壓力可以降低輸出轉(zhuǎn)矩。