HMCVT速率调整特性在拖拉机上的应用
2019-11-16李苑玮武迎迎秦涛李国朋
文/李苑玮 武迎迎 秦涛 李国朋
1 引言
HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission 液压机械无极变速传动）指可以在一定范围内连续获得传动比的变速系统。车辆使用无机变速器后，可以实现发动机与变速器的最佳匹配，使发动机始终工作在最佳工况下，从而提高整车动力性和经济性。由于换挡过程没有动力中断，整车驾驶舒适性被大大提高。可以说HMCVT是现代中大功率智能拖拉机的绝佳搭配，它可以与电控发动机充分配合，轻松而精确地实现精细农业所要求的自动驾驶、恒传动比、恒发动机转速、定速巡航、经济模式、自动全功率控制等现代智能拖拉机功能，有着其他传动系无法比拟的优势。
HMCVT发展至今，日本和欧美国家在大、中型功率拖拉机、装载机、挖掘机等车辆上装备了液压机械无极变速器，比较典型的是德国道依茨法尔、德国采埃夫公司、美国卡特彼勒、日本小松等公司产品。近年来，国内部分高校和拖拉机厂也在液压机械无极变速器方面进行了研究，取得了一定的技术突破。
利用液压机械无级变速器的连续变化传动比，配合电子控制器的精确控制，可以实现传动比加速度的调整。传动比加速度是指到达设定传动比的快慢速度。传动比加速度影响整车的速度特性。传动比加速度越快，到达设定传动比的时间越短，从而整车到达设定整车速度的时间越短。反之亦然。
2 速率调整功能在拖拉机上的应用
拖拉机的工况比较复杂，负载经常变化，具有道路空载、半载、满载等行驶工况，以及在田间进行耕地、除草等作业工况。2014年Case IH公司向市场推出的Farmall U系列还可以选装各类装备,包括前置装载机、前置提升器和前置动力输出轴,这样,Farmall U系列拖拉机不仅可以在牧场和农场使用,也可以作为城市环保和市政工程方面施工作业装备。由于这些多样的使用场景，变速器中仅有一种传动比的变化速率是不能很好的满足整车运行要求的，比如在道路运输中，尤其是空载或者没有拖挂车时，司机希望整车尽快加速；而在路滑地面，司机希望整车速度减慢，降低车轮打滑的概率；在田间作业时，司机根据整车工作情况加快或者降低车辆变化速度，适应作业要求。
为增加拖拉机驾驶的灵活性，在整车驾驶面板上安装一个线性变化的加速度调整旋钮，顺时针调整旋钮到加速度最大，逆时针调整旋钮到加速度最小。调整加速度旋钮到较大值，变速器传动比加速度变大，较快的到达整车设定速度；调整加速度旋钮到较小值，变速器传动比加速度变小，较慢的到达整车设定速度。
3 速率调整功能的实现方法
HMCVT变速器液压传动系统一般使用变量泵，变量泵上装配可以调整泵排量的液压比例阀，比例阀的开度受变速器控制系统（简称TCU）输出电流值大小控制。每段内液压系统的排量比从正向最大到负向最大之间变换。通过设置两条线性曲线，来描述每段内变速器控制系统输出电流与变速器传动比的关系。
将图1横坐标设置为TCU输出电流值，纵坐标设置为液压系统排量比。TCU输出电流与泵上液压阀的开度成正向比例关系，液压阀的开度与排量比成正向比例关系。
将图2横坐标设置为液压系统排量比，纵坐标设置为变速器传动比值；在常用路况下通过试验标定出液压系统的排量比与变速器传动比之间的逻辑关系。
分析图1、图2，每段内TCU输出电流值越大，液压系统排量比越大，变速器传动比值也越大；每段内TCU输出电流值越小，液压系统排量比越小，变速器传动比值越小。所以，通过控制输出电流值的大小，可以控制变速器的传动比值。
进一步，通过控制到达设定电流值的速度，可以控制到达变速器传动比的速度。因为实际应用中，传动比变化时间太慢或者太快，会影响到变速器的换档性能及整车性能。所以有必要对输出电流值变化速度增加一个调整值，使电流值变化速度在一个合理范围内。
图1：TCU输出电流值与液压系统排量比的关系曲线
图2：液压排量比与变速器传动比值的关系曲线
图3：旋钮位置与调整值的关系
调整值通过加速度调整旋钮设置。将加速度调整旋钮的位置与到达设定电流值的调整值Limit按照图3设置，Limit实际上是电流值随旋钮位置变化的加速度曲线，将范围区间设置为[Limit_Min，Limit_Max]。设定TCU控制器默认的加速度为Limit=A，此时旋钮位置在中位；顺时针方向旋转加速度调整旋钮，Limit变化区间为[A，Limit_Max]，到达设定电流的时间越快，到达设定变速器传动比的时间越快；逆时针方向旋转加速度调整旋钮，Limit变化区间为[Limit_Min，A]，到达设定电流值的时间越慢，到达设定变速器传动比的时间越慢。
4 物理模型仿真
在模型搭建工具MATLAB 上搭建控制模型和物理模型，对模型进行联合仿真测试。设置横坐标为时间，单位S；设置纵坐标为车速，单位Km/h。形成仿真结果如图4、图5所示。图4设置速比为K，图5设置速比为1.4K。可以明显见到1.4K的速比明显比K速比更快的到达目标车速。
5 结束语
图4：速比为K
图5：速比为1.4K
本文体现的方法，具备实际的可操作性，适合普遍推广应用。未来在应用过程中，通过收集不同工况下的技术参数，能够将限制值设置的更加合理。从国外技术发展看，HMCVT拖拉机大多都配置GPS定位系统或预留安装位置,利用GPS定位系统及转向控制技术,可实现作业机组中的自动驾驶。装有自动智能驾驶设备的车辆通过对工况的判断，实现变速器速率调整性能的自适应，省略驾驶员对速率的手动调整，并通过大数据分析，提高传动比速度变化的精准程度。可以预见HMCVT变速器未来将会有更广阔的应用。
