双流传动的拖拉机转向工况换段过程

曹付义，邓瑞涛，郭广林，刘 洋

（河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003）

双流传动的拖拉机转向工况换段过程

曹付义，邓瑞涛，郭广林，刘 洋

（河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003）

以拖拉机液压机械无级变速器为研究对象，通过对变速器构成及工作原理的理论分析，结合拖拉机的工作特性，搭建了由发动机作为驱动系统、由电涡流测功机和盘式制动器作为负载模拟系统、由工控机作为主要测控系统的试验台，建立了发动机及双功率流传动系统负载模型，给出了双功率流传动系统负载在试验台上的实现方法。以F4段换入F5段为例，对基于双流传动的拖拉机转向工况换段过程进行了试验研究。研究结果表明：所给出的双流传动试验台构成方案和试验方法，可为拖拉机转向工况速比控制研究提供试验依据。

拖拉机；液压机械传动；转向工况；换段过程

0 引言

液压机械传动是一类由液压传动和机械传动复合的车辆动力传动形式，通过液压传动实现无级变速，通过机械传动完成高效率大功率动力输出，在大功率拖拉机［1－2］、工程车辆［3－4］及军用装甲车辆［5－6］上有良好的应用前景。国内外对液压机械传动系统的设计及参数匹配理论、性能分析方法及控制方式等开展了相关研究［7－11］。采用液压机械无级变速原理的拖拉机液压机械无级变速器的速比调节过程是一个多离合器参与的、连续系统与离散系统混合的连续多段变化过程［10］，有关其换段过程的研究还较少。另外，由于转向阻力计算及转向操纵等因素的复杂性，现有拖拉机换挡过程方面的研究均不考虑其转向工况。

本文以拖拉机液压机械无级变速器为研究对象，通过分析液压机械无级变速器构成及工作原理，结合拖拉机的工作特性，提出拖拉机双功率流传动系统试验台构成方案，建立发动机及双功率流传动系统试验台负载模型，给出发动机控制、负载模拟及试验台测控的实现方法。对拖拉机转向工况双功率流传动系统换段过程进行试验研究，为拖拉机全工况双功率流传动系统速比控制提供理论参考。

1 变速器构成及工作原理

图1为液压机械无级变速器示意图，液压机械无级变速器主要由分流机构、泵 －马达系统、汇流行星排和有级变速机构等组成。图1中，L1～L8为离合器。

发动机功率经分流机构分液压路功率和机械路功率两路传递，液压路功率传递给汇流行星排的太阳轮，机械路功率通过离合器L1（L2）传递给汇流行星排的齿圈（行星架），两路功率经行星排汇流后，由行星架（齿圈）、通过离合器L3（L4）传递到中间轴，中间轴与输出轴之间通过离合器L5、L6、L7的不同接合状态组成前进方向低、中、高3挡，通过离合器L8实现倒车行驶。

根据离合器的接合状态不同，随着泵－马达系统排量比的变化，变速器在前进方向实现连续6段无级变速，倒车方向实现连续2段无级变速。当L1和L3接合（或L2和L4接合）时，组成变速器传动比不随泵－马达系统排量比变化的前进方向3个纯机械挡，倒车方向1个纯机械挡。当L3和L4接合时，构成双向连续变速的纯液压段。

图1 液压机械无级变速器

2 试验台构成及控制方法

2.1 试验台构成

拖拉机双功率流传动系统试验台联接方案如图2所示。主要由驱动系统（发动机）、试验对象（无级变速器）、加载系统（电涡流测功机、盘式制动器）及试验测控系统等构成。试验测控系统主要完成对试验台上众多传感器输出信号的转换与处理、驱动系统和加载系统的控制、试验台工作状态和试验过程的监视与控制等。

图2 试验台联接方案

2.2 试验台控制方法

双功率流传动系统试验台控制主要涉及发动机控制、负载计算及其在负载模拟系统上实现、试验参数的高精度实时设定及测量等。

2.2.1 发动机模型及控制

试验台采用与装机对象相同的LR6105ZT10型柴油发动机，其调速特性模型为［12］：

式中，Me为发动机输出转矩，N·m；ne为发动机输出转速，r／m in；nemax为发动机最高空载转速，r／min；χ为发动机油门开度。

发动机动力学模型为：

式中，Je为发动机输出轴上等效转动惯量，kg·m2；ω·e为发动机输出角加速度，rad／s2；Ml为发动机负载转矩，N·m。

试验时，发动机采用恒转速控制，通过对发动机油门开度的调节，根据发动机模型可计算出期望转速控制信号。采用HN200-3426步进电动机及其驱动器IM483对发动机进行控制。

2.2.2 负载计算及试验模拟

拖拉机直驶工况变速器换段试验负载计算及实现方法已有文献论述［13］。本文研究拖拉机转向工况的换段过程，拖拉机转向工况双功率流传动系统换段过程的影响因素较多，限于篇幅，本文仅研究拖拉机转向时两侧负载变化对换段过程的影响。

拖拉机工况不同，其左、右侧负载变化关系不同。拖拉机直驶时，其左、右侧负载大小相等、方向相同；中心转向工况时，其左、右侧负载大小相等、方向相反；在拖拉机直驶过程中转向时，其左、右侧负载存在着一定差值，其差值大小与拖拉机的结构参数、使用条件及左、右侧输出角速度大小有关，经过一定换算可得拖拉机左、右侧负载模型为：

式中，MkL、MkR为拖拉机双功率流传动系统左、右侧负载转矩，N·m；Md为拖拉机直驶工况系统负载转矩，N·m，根据拖拉机质量及使用条件给定；w为转向负载因数，根据本文研究对象的结构参数和使用条件，转向负载因数的变化范围为w＝0.10～0.25［14］；ωkL、ωkR分别为系统左、右侧输出角速度，rad／s；β、ψ为常数。

负载模拟由电涡流测功机和盘式制动器完成，电涡流测功机实现高速下负载模拟，盘式制动器完成低速下负载模拟。电涡流测功机对负载的模拟由外控输入电压调节，通过对电涡流测功机提供合适的外控输入电压，使其产生制动转矩，转速反馈用于调节系统设定载荷。盘式制动器由制动盘、电液控制加力装置构成，电液控制加力装置主要由电磁比例阀、放大器、液压源、液压油缸等组成，负载由制动盘惯性阻力矩和制动蹄与制动盘间摩擦阻力矩构成。

2.2.3 试验测控系统

试验测控系统硬件主要由工控机、数据采集卡、转速转矩传感器、测量仪表及执行器等组成。工控机实现人机交互，完成试验条件设定、子系统管理、信号采集及数据处理等。发动机起动时，工控机同时控制发动机油门控制器与起动机；发动机正常工作时，由油门控制器根据工控机的指令控制发动机。离合器油压及流量等经数据采集卡输入工控机，转速转矩传感器信号由测速计数单元通过通用串行总线（USB）通讯输入工控机。负载模拟系统控制器根据工控机设定的负载，模拟拖拉机行驶阻力，同时将负载模拟系统的信息通过串口与工控机通信。试验台工作状态信号通过控制器局域网络（CAN）总线实现与工控机的信息交互。

试验测控系统软件基于分散控制、集中管理模式，采用LabVIEW开发软件平台进行程序开发，主要包括输入输出（I／O）接口软件、人机交互面板、仪器驱动程序、功能算法程序等。

3 试验研究

3.1 换段过程评价指标

拖拉机动力传动系统换挡过程评价指标有换挡冲击、滑磨功和换挡时间等。换挡冲击的直观评价指标为冲击度和动载荷，道路车辆一般用冲击度表示驾乘人员对换挡冲击感受程度的影响，对在田间或恶劣地面上工作的拖拉机，换挡过程对其纵向冲击度的影响可以忽略不计，采用变速器输出轴动载因数来评价换段冲击，定义为：

式中，Mmax为换段过程中变速器最大输出转矩，N·m；Ms为换段前变速器稳定输出转矩，N·m。

另外，采用动载因数作为换段冲击的评价指标，还可避免对变速器输出动载荷的微分计算，有利于试验测定值的稳定。

离合器的滑磨功虽然可以通过理论计算得出，但在试验时较难测得。另外，本研究的双功率流传动系统中采用湿式离合器，滑磨功导致的离合器温升可通过油液冷却，试验时滑磨功不作为换段品质的评价指标进行测定。

3.2 换段过程试验

拖拉机转向工况双功率流传动系统换段过程的影响因素较多，如转向负载、转向半径、发动机油门开度、离合器调速阀流量及控制油压等。限于篇幅，以转向负载变化对其换段过程的影响为例进行研究。转向负载的大小由转向负载因数w表示，转向负载因数越大，表明拖拉机转向时所受的转向阻力越大，拖拉机双功率流传动系统两侧的负载差值越大。

以F4段换入F5段为例进行换段过程试验。试验时发动机油门开度保持100%不变，换段离合器主油路压力为1.5 MPa，直驶阻力设定为1 kN，转向负载因数对双功率流传动系统换段过程的影响如图3所示。

由图3a可以看出：转向负载因数越大，动载因数越大，换段冲击越大。原因在于：当转向负载因数增大时，拖拉机双功率流传动系统两侧负载差值增大，对液压机械无级变速器负载的扰动增大，增大了换段冲击。

由图1可知：F4段换入F5段时涉及3组离合器（L1和L2、L3和L4、L6和L7），换段时每一组离合器都有切换前、转矩相、惯性相和切换后4种状态，F4段换入F5段的过程中离合器存在16种可能状态。图3b是离合器状态序号变化及换段时间的试验结果。由图3b可以看出：F4段换入F5段的状态改变顺序为1－2－3－6－9－11－13－16。由图3b还可以看出：当转向负载因数为0.15时，换段过程约在10.9 s完成；当转向负载因数为0.10时，换段过程约在11.1 s完成，说明转向负载因数越大，换段时间越短。

图3 转向负载对换段过程的影响

4 结论

（1）设计了拖拉机双流传动试验台，通过对其构成及控制方法的理论分析，表明该试验台可实现双流传动拖拉机多工况参数的实时调节与控制，能完成双流传动拖拉机转向工况换段过程的试验研究。

（2）提出了采用动载因数作为拖拉机双功率流传动系统换段过程的评价指标。以F4段换入F5段为例，对拖拉机转向工况双功率流传动系统换段过程进行了试验研究。试验结果表明：转向负载因数越大，换段冲击越大，换段时间越短。

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S219.032.3

A

1672－6871（2014）06－0075－05

国家自然科学基金项目（51375145）；河南省教育厅科技攻关基金项目（13A460242）

曹付义（1969－），男，河南兰考人，副教授，博士，研究方向为车辆系统动力学.

2014－01－26