农用拖拉机HST 与动力系统特性研究

任军华，尹丛勃，杜妍辰，张振东

（1.200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院；2.200093 上海市 上海理工大学 医疗器械与食品学院）

0 引言

随着农用机械越来越重要，对机械运行、制动性、动力性、高效性有了更高要求。农用机械作业环境恶劣，机械负载情况多变，常出现发动机功率损失、工作不稳定等情况，为使农用机械工作平稳，多采用液压传动[1-3]。静液压传动（Hydrostatic Static Transmission，HST）具有传动效率高、体积小、质量轻、无级变速、布局灵活等优点，在农用机械上有很广泛的应用[4]。静液压传动根据负载变化，通过调节变量泵的排量，使发动机与变量泵功率匹配，稳定发动机转速，降低燃油消耗，克服整机工作效率低的缺点[5-7]。现有研究多是仿真HST 与发动机匹配，计算发动机与HST 效率，在试验测试方面很少。国内主要是对动力系统匹配优化和控制，车辆液压传动参数优化，液压无级变速器功率分流时动力传等方面研究[8-11]。研究目的集中在液压传动系统的理论分析和控制方面，而且整体研究多是在理论方面。

为了研究农用拖拉机HST 系统及柴油机系统的联合工作特性，本文通过仿真与试验相结合的方式进行研究，搭建了HST 系统及柴油机系统的联合测试台架，基于发动机实际运行工况，研究了全工况下HST 的传动特性。建立HST 与动力系统联合仿真平台[12]，对发动机与HST 联合工作特性进行分析。得到不同分流比例下动力系统与HST 联合工作动力及经济特性。研究成果可用于农用拖拉机动力及传动系统的高效匹配及部件协同优化。

1 试验设备及方法

1.1 农用拖拉机静液压传动系统

农用拖拉机HST 液压系统主要组成部件为柴油发动机、离合器、HST、变速器、负载等。柴油发动机主要参数如表1 所示。在试验中，以测功机代替负载，测量HST 的输出扭矩及转速。试验中采用的HST 中是变量泵与定量马达，主要参数如表2 所示。

表1 发动机主要参数Tab.1 Main parameters of engine

表2 HST 主要参数Tab.2 Main parameters of HST

试验所使用HST 采用斜盘式轴向柱塞泵和马达。斜盘式轴向柱塞泵和马达作为液压泵使用时，泵轴在发动机的带动下转动。当柱塞腔容积变大时，完成吸油功能；当柱塞腔容积变小时，完成排油功能。当其作为马达使用时，能量传递路线相反。通过马达进油口输入高压油，驱动缸体转动，最终实现传动轴连续回转。

1.2 HST 液压试验方法及模型

为对液压系统总成进行测试，设计并搭建一种新型测试平台，完成液压系统测试，该平台为静液压动力系统试验台。所搭建的试验台包括发动机、离合器总成、减速器总成、液压传动机构、测功机，其架构如图1 所示。系统具备可视化在线数据系统，可以实时显示发动机转速、液压系统转速、液压系统动力输入值、动力输出值、液压系统效率等信息。通过控制发动机油门开度得到不同工况下的发动机动力输出，通过测功机得到液压系统输出动力，计算得到液压测试系统的工作效率以及动力损失。

图1 静液压动力系统试验台Fig.1 Hydrostatic power system test bench

1.2.1 发动机单机台架试验及方法

液压动力系统中，发动机的性能会影响整车性能，包括动力性和经济性。先对发动机部分进行试验，不同油门下，对发动机不同工况下的动力及经济特性进行测试，试验中获得不同油门开度下的发动机特性。在测试平台上，测功机转速即是发动机输出转速，测功机测得扭矩即是发动机扭矩。完成对发动机动力性及燃油经济性的试验测量，为液压系统仿真分析及优化提供边界输入参数。试验时，控制发动机油门开度，调节发动机转速、扭矩，得到发动机输出功率。发动机的输出功率乘以减速箱传动效率就是HST 的输入功率。

1.2.2 HST 试验及方法

在发动机单机试验的基础上，在发动机和测功机之间添加HST 总成，采用发动机提供动力，对HST 的性能进行测试，通过控制发动机油门开度得到不同工况下的发动机动力输出，通过测功机得到液压系统输出，计算得到液压测试系统的工作效率以及动力损失。如图1 所示。利用实时测试系统监测发动机输出转速及扭矩，以及HST的输出转矩及扭矩，在进行试验时，逐级调节5%、10%、15%、……、100%油门开度，记录发动机输出转矩及扭矩，HST 的输出转矩及扭矩。发动机单机台架试验获得不同油门开度下的发动机特性。通过减速器的增速比，减速箱的传动效率计算为0.9409；GW160 测功机给动力总成加载，测得HST 输出转速和输出扭矩。通过试验测出HST 总成的输出转速和输出扭矩的乘积，比上发动机的输出、输出扭矩和减速箱效率的乘积，得到HST 效率。计算如下：

式中：P0——输入功率，W；P1——HST 输出功率，W；n0——发动机输出转速，r/min；T0——扭矩，N·m；n1——HST 输出转速，r/min；T1——扭矩，N·m；η0——减速箱效率，%。

2 HST 及发动机联合试验结果分析

2.1 发动机特性

通过发动机单机台架试验，逐级调节发动机油门开度，发动机输出发生改变。根据测得的发动机转速和扭矩、油耗等，计算得到发动机的油耗及调速特性曲线。图2 所示为发动机调速特性曲线。可见，油门开度在30%以下时，每个油门开度下发动机最大功率数值较小，在2～12 kW之间，最大为13 kW；油门开度在40%以上时，发动机最大输出功率在14～20 kW 之间，最大是19 kW，表明发动机高油门开度时，发动机输出功率较大；油门开度较小时，随着转速增大，发动机输出功率的降低速度较为缓慢，而油门开度较大时，特别是油门开度在80%以上，发动机输出功率降低速度较快，表现出急速下降的趋势。

图2 发动机调速特性图Fig.2 Engine speed regulation characteristics

可以看出，发动机转速在1 600 r/min 以上，发动机动力性得到体现。随着发动机转速及扭矩的增加，发动机的功率在不断上升，并随转速增加而迅速增长，但转速增加到1 800 r/min 后，功率增长速度变缓。这表明，发动机在同一油门开度下，发动机扭矩随发动机转速的升高而降低，发动机输出功率随之升高。不同油门开度下，随着油门开度增大，发动机转速增大，发动机输出功率增大。同一发动机转速下，油门开度越大，发动机提供的动力越大。

图3 所示为发动机等比油耗曲线。可以看出在不同的发动机转速和扭矩情况下的油耗率，数值越小表示油耗率越低，经济性越好。图中最低等油耗率曲线是封闭的，油耗率值很小，发动机在中等转速的条件下燃油消耗率最低。等油耗率曲线在横坐标方向较大，表明发动机在转速变化较大而负荷变化较小的情况下工作时经济性较好；在纵坐标方向较长，表明发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下运行，燃油消耗率较小。根据图3 的变化曲线看出，发动机转速在1 000～1 700 r/min 范围内转矩在40～70 N·m 时燃油消耗率在220 g/(kW·h)以下，得到发动机油耗较低区间，是发动机经济区间。

图3 发动机等比油耗曲线Fig.3 Fuel consumption curve of engine

根据图2、图3 可得，发动机最佳动力性和最佳燃油经济性的曲线是每一个油门开度下发动机最小燃油消耗率和最大功率所对应的发动机转速[9-10]，如图4 所示。综上所述，合理设置发动机油门开度与发动机转速，可以实现发动机的动力性与燃油经济性运行。

图4 发动机最佳工作曲线Fig.4 Optimal performance curve of engine

2.2 HST 及发动机综合性能

根据HST 台架试验，在发动机不同油门开度下改变发动机转速，测得HST 的输出功率。不同油门开度下，HST 的输出功率相比发动机的均有所削弱，在传动过程中受到损失，在同一油门开度下随发动机转速的增大而下降。由式（1）可知，静液压传动效率是HST 输入功率比上HST 输出功率，通过扭矩转速传感器采集发动机转速和扭矩参数及HST 输出转速和扭矩参数，得到HST 的传动效率。

图5 所示为HST 效率随发动机转速变化的趋势图。不同油门开度，发动机转速不同，HST的效率不同。每一个油门开度下HST 效率的变化趋势大致相似。同一油门开度，随着发动机转速的增加，HST 的效率是先增加后降低的趋势。HST 效率先期是随着发动机转速的增长不断提高，达到最大值后HST 的效率急剧下降，表明无论油门开度大小，随着发动机转速的增加，HST 效率最终会下降，这是由于发动机转速的增加，HST 内液压油压力急剧增加，出现液压油泄漏造成效率急剧降低。但HST 的效率最高达到95%，表明有非常优良的传动效率。

图5 不同油门开度下的HST 效率Fig.5 Efficiency of HST at different throttle opening

为达到HST 传动的高效率，发动机工作时换段工作，随发动机转速的增加，改变油门开度，使HST 传动始终保持在高效率区域。发动机高油门开度变化规律与低油门开度的规律相似，HST 效率达到最大值后呈现下降的趋势，但低开度油门时下降得较为缓慢，说明发动机低转速和高转速均不能使HST 效率达到最高。发动机转速过大或过小的工况，HST 效率较低，说明在此种工况，功率损失较大，不符合经济性。

图6 所示为HST 的等效率曲线图。发动机转速在1 000～1 900 r/min 及扭矩在30～45 N·m范围内HST 的效率达到80%以上，说明此时HST 损失功率最少。合理控制发动机油门开度和转速，调整变量泵的流量，可以控制HST 的输出扭矩和传动效率，实现传动系统静液压传动和无极调速，保证传动的动力性和效率性。根据发动机的燃油消耗率可以计算出发动机的效率，如图7 所示。

图6 HST 效率图Fig.6 Efficiency diagram of HST

图7 发动机效率图Fig.7 Efficiency diagram of engine

发动机经济性要得到体现，需保证发动机转速及扭矩的合理。不同工况下发动机有最佳效率，通过功率匹配与控制，可使发动机的效率处在最高点，表明想要得到发动机高效率，则发动机需要特定转速和扭矩。

3 动力系统效率优化方法

经过试验，发动机效率与HST 效率因发动机的工况与外负载的变化不能达到最优。动力系统总效率与发动机效率和HST 传动效率相关，提高发动机效率和HST 传动效率就可以提高动力系统总效率。发动机效率与发动机匹配有关，HST 传动效率与外负载有关。

农用拖拉机的工作负载的不断变化导致发动机与HST 出现功率不匹配的现象，造成发动机功率损失。只有发动机输出功率与拖拉机负载相匹配，发动机的效率才会提高。发动机与HST实现功率匹配，负载变化导致变量泵的出口压力、输入扭矩和发动机的转速变化，为了使发动机工作在最佳经济性曲线或最佳动力性曲线上，依据匹配方程[9]确定变量泵的排量，调节变量泵斜盘倾斜角调节变量泵排量，使变量泵转矩保持不变，使发动机、变量泵和负载匹配，保证发动机的经济性或动力性[13-15]。动力系统的匹配，使发动机在最佳动力曲线上工作，使发动机保持最大功率输出，可使发动机效率最佳。图8 表明,功率匹配对于提高发动机整机运行效率有明显的作用，发动机在最佳动力曲线上工作使发动机功率最大。

图8 不同转速下发动机效率曲线Fig.8 Engine efficiency curve at different speed

外负载占总功率的比例的大小也会影响HST的传动效率，外负载越大，液压泵的输出压力增大，液压泵的内泄加剧，容积效率降低，HST 传动效率降低。图9 所示为不同外负载分流比例的HST 传动效率与不同发动机转速下HST 传动效率的变化。外负载分流比例增大，HST 传动效率有所下降。分流比例增大，HST 传动效率达到最大时发动机的转速向低转速移动，发动机分流功率降低，HST 输出功率不变，HST 传动效率提高。要使HST 的输出功率不变，保证发动机效率与HST 传动效率，通过控制系统调节变量泵斜盘倾斜角调节变量泵的排量，保证HST 输出功率。使发动机工作在最佳状态，保障了发动机的燃油经济性及动力性，为系统的稳定运转提供了保障。

图9 不同分流比例下HST 传动效率Fig.9 Efficiency of HST under different shunt ratios

4 结论

通过对发动机的试验数据进行分析，建立发动机功率曲线、发动机调速特性曲线，研究发动机与HST 匹配，使发动机的实际工作曲线在最佳动力性曲线或者在最佳燃油经济性曲线上。采用静液压传动系统，实现区间段无级变速，实现发动机最佳动力输出。

（1）通过使用 Simulink 建立不同分流比例下的效率仿真模型，表明不同的分流比例对HST的传动效率的影响不同，外负载分流比例增大，HST 传动效率下降。

（2）试验表明，在发动机1 000 r/min 以上、发动机扭矩在25～60 N·m 以上能使HST 效率达到80%以上，为达到HST 传动的高效率，发动机工作时需换段工作，随发动机转速的增加，改变油门开度，使HST 传动始终保持在高效率区域。确定最大传动效率时发动机转速，调整液压泵的排量，使发动机转速提高到目标转速，使HST传动效率最高。

（3）通过调节变量泵的排量，使发动机与HST 功率相匹配，使发动机能够在最佳动力性曲线上工作，达到高效率的工作目的，不同分流比例使HST 传动效率不同，亦可通过调节HST 排量提高HST 传动效率，使发动机效率与HST 传动效率最大，动力系统总效率最高。HST 中变量液压泵可通过调节流量调整总成输出，使液压传动在各个工况下能够实现平稳的动力输出。