液压机械无级变速器换挡动态特性研究

鲍明喜，倪向东，赵 新，李 申

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

1 引言

液压机械无级变速器（Hydraulic mechanical continuously variable transmission，HMCVT）是一种液压功率流和机械功率流相结合的传动装置，通过液压可控调速和齿轮高效传动实现无级变速，主要应用于工作条件恶劣的大功率工程车辆。HMCVT换挡机构采用湿式离合器和制动器匹配控制作为换挡机构。根据液压机械无级变速器进行动态过程分析对研究HMCVT的换挡品质具有基础特征。文献[1-3]对变速器进行了试验研究，表明变速器在换挡阶段输出转速会发生波动，呈下降趋势。文献[4-5]针对其物理参数提出外负载小转矩、低油压的换挡过程，对离合器换挡时序进行了非线性研究。针对HMCVT换挡控制策略，研究变速器转速曲线变化及液压油压曲线变化对分析HMCVT的换挡品质具有重要意义。

利用ITI Simulation X仿真结果和试验研究结果，对液压机械无级变速器的转速、油压等动态参数特性进行分析。

2 HMCVT介绍

2.1 HMCVT传动原理

本项目自主研发设计的分矩汇速型等差式液压机械无级变速器传动原理图，如图1所示。采用变量泵-定量马达和双排行星齿轮系相互结合，具有高效传动和无级变速等优点[6-8]。发动机输出功率经定轴齿轮副分为机械路功率和液压路功率，液压路功率经泵控马达调速回路传递至K1行星轮系和K2行星轮系的太阳轮，机械路功率通过结合湿式离合器C1和湿式离合器C2分别传递至K1行星轮系的行星架和K2行星轮系的齿圈，最后由K2行星轮系中行星架向后传递功率。该变速器具有一个倒退挡、一个纯液压挡和两个液压机械挡，通过两个湿式离合器和制动器匹配结合、分离实现HMCVT换挡过程，调节液压容积调速回路中的变量泵的排量比可实现挡内无极变速[9-11]。

图1 液压机械无级传动原理简图Fig.1 Hydraulic Machinery Stepless Transmission Principle Diagram

2.2 HMCVT换挡控制策略

HMCVT换挡控制由湿式离合器C1、湿式离合器C2、制动器以及变量泵排量比相互匹配控制，湿式离合器、制动器在液压机械无级变速器换挡过程中结合位点图以及HMCVT液压系统控制油路图，如表1、图2所示。

表1 离合器和制动器结合位点图Tab.1 Clutch and Brake Joint Site Diagram

图2 HMCVT控制油路图Fig.2 HMCVT Control Oil Circuit Diagram

湿式离合器通过电磁阀控制离合器的充油、卸油实现对离合器的结合与分离继而控制HMCVT换挡。变量泵通过上位机给电磁铁（MY和MZ）输入电控信号给电-机转换元件带动比例方向控制阀的阀芯，传递至双作用液压缸进而来改变流体流量和方向。控制电流与排量比关系，如图3所示。

图3 排量比与控制电流关系图Fig.3 Displacement Ratio and Control Current Diagram

3 液压系统时域数学模型

该变速箱液压系统采用的是HPV-02闭式变量泵和HMF-02定量马达，通过控制变量泵排量比改变调速回路中的流量进而控制马达的转速。变量泵控马达容积调速系统工作原理，如图4所示。

图4 变量泵控马达容积调速系统工作原理Fig.4 Variable Pump Control Motor Volume Control System Works

液压马达高压腔流量连续方程：

马达和负载的转矩平衡方程：

式中：kp—变量泵的排量梯度；Dp—变量泵排量；r—变量泵变量机构摆角；ωp—变量泵的转速；Cip—变量泵的内泄漏系数；Cep—变量泵的外泄漏系数；Qp—变量泵的输出流量；pI、pr分别为液压系统高压侧压力和低压侧压力；Cim—液压马达内泄漏系数；Cem—液压马达外泄漏系数；Dm—液压马达排量；θm—液压马达轴转角；V0—泵和马达工作容积及管道总容积。Jt—液压马达轴的总惯量；Bm—液压马达轴的总粘性阻尼系数；G—负载刚度；TL—作用在马达轴上的负载转矩。其增量方程的拉式变换为：

式中：式（2）～式（4）—泵控马达的基本方程，描述了泵控液压马达的动态特性；kqp—变量泵流量增益；Ctp—变量泵的总泄露系数；Cm—液压马达的总泄露系数；Ct—变量泵和液压马达的总泄露系数。

假设没有弹性负载，联立拉氏变换方程式（5）（6）（7）可得：

式中：ωh—液压固有频率

δh—阻尼比

当负载TL恒定时，系统传递函数为：

当变量泵排量Dm恒定时，系统传递函数为：

4 HMCVT仿真模型的建立

4.1 离合器控制系统动态仿真模型

建立了离合器液压系统仿真模型，如图5所示。离合器液压系统供油元件由驱动电机驱动辅助泵组成。为防止系统压力过高，采用溢流阀调节离合器液压系统主路油压。离合器液压系统的执行元件由柱塞杠、带有质量的小球以及弹簧组成。比例阀由比例阀控制信号C1和比例阀控制信号C2控制对离合器进行动态结合与分离以完成换挡。

图5 离合器液压系统仿真模型Fig.5 Clutch Hydraulic System Simulation Model

4.2 HMCVT换挡动态仿真模型建立

根据液压机械无级变速器数学模型，利用ITI simulationX软件建立HMCVT的动态仿真模型，如图6所示。HMCVT仿真模型包括发动机模型、变量泵—定量马达容积调速系统模型、双行星排模型、制动器模型、离合器动态模型等。并建立了由定量马达转速、HMCVT输出转速、湿式离合器C1和C2油压曲线以及变量泵压力差曲线组成的HMCVT可视化界面以便实时监测HMCVT系统动态参数。

图6 HMCVT动态仿真模型Fig.6 HMCVT Dynamic Simulation Model

5 HMCVT动态特性研究

5.1 HMCVT实验台架装置

本课题自主搭建的液压机械无级变速器实验台架装置，如图7所示。实验台架包括约翰迪尔型发动机、ZJ型转速转矩传感器、自主研发HMCVT以及CZ型磁粉制动器。利用测控系统LabVIEW对变量泵、离合器、制动器和磁粉制动器进行精准控制以及对HMCVT输出转速、变量泵控定量马达的压力及流量进行监测。

图7 液压机械无级变速器实验台架Fig.7 Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission Test Bench

5.2 试验与仿真研究

当发动机转速稳定在900rpm时，给定变量泵控制信号，如图8所示。湿式离合器控制信号，如图9（a）所示。制动器控制信号，如图9（b）所示。其中，图中：“1”和“0”—湿式离合器和制动器的结合与断开。从图中可以看出0-5s时制动器结合，HMCVT处于纯液压H段，变量泵排量比从（0～1）连续变化。在第5s时（e=1），制动器分离，离合器C1开始结合，HMCVT处于液压机械HM1段，变量泵排量比从（1～-1）之间连续变化。在第15s时（e=-1），离合器C1开始分离，离合器C2结合，此时HMCVT处于液压机械HM2段，变量泵排量比从（-1～1）之间连续变化，实现纯液压H段、液压机械HM1和液压机械HM2段内无级变速。

图8 排量比控制曲线Fig.8 Displacement Ratio Control Curve

图9 离合器、制动器结合时序示意图Fig.9 Schematic Diagram of the Combination of Clutch and Brake

根据离合器、制动器结合时序与变量泵排量比控制信号，液压机械无级变速器从纯液压H段依次变化到液压机械HM2段转速输出试验与仿真结果和定量马达转速输出试验与仿真结果，如图10所示。纯液压H段转速由0连续变化到382rpm，液压机械HM1段转速由382rpm连续变化到1215rpm，液压机械HM2段转速由1215rpm连续变化到1976rpm。HMCVT输出转速变化趋于平稳且仿真结果与试验结果误差较小，验证了仿真模型的合理性。

图10 HMCVT、定量马达转速变化曲线试验与仿真结果Fig.10 Test and Simulation Results of Speed Change Curves of HMCVT and Quantitative Motor

在图10（a）、图10（b）中，可以看出在纯液压H段换挡至液压机械HM1段、液压机械HM1段换挡至液压机械HM2段中，HMCVT输出转速发生下降波动，产生换挡冲击。

湿式离合器作为HMCVT换挡机构，研究其油压特性对转速的影响。离合器油压测试以液压机械无级变速器HM1段变化到HM2段为实现条件对象。溢流阀压力调定至50bar，由图11离合器油压测试中可以看出，在第15s时离合器C1开始分离（HM1段结束），离合器C2开始结合（HM2段开始），离合器C1快速卸油，同时离合器C2缓慢充油，离合器C2从换段开始充油至离合器油压升至稳定工作油压，充油完成所需时间大约（0～0.5）s。由离合器C2油压曲线可知，离合器完成充油过程分为三个阶段：（1）快速充油阶段（15～15.1）s，控制油充入柱塞缸，填满柱塞缸初始间隙，并迅速使液压缸具有一定油压。（2）缓慢升压阶段（15.1～15.45）s，随着控制油不断进入柱塞缸，活塞在工作油压的推动下，压紧摩擦片和钢片，开始传递摩擦转矩。（3）阶跃升压阶段（15.45～15.55）s，柱塞缸在工作油压的推动下至极限位置，柱塞杠内油压继续上升，直至升至稳定工作油压。因为湿式离合器换挡时油压升至稳定工作油压存在时间滞后，导致HMCVT输出转速短暂性下降。

图11 离合器油压测试Fig.11 Clutch Oil Pressure Test

6 结论

针对液压机械无级变速器数学模型，结合ITI SimulationX多体动力学软件建立的仿真模型与试验结果，对液压机械无级变速器的动态特性进行分析。

（1）为更加直观准确的分析其动态特性，在HMCVT仿真模型建立了可视化界面，可对定量马达转速、HMCVT输出转速、湿式离合器C1和C2油压曲线以及变量泵压力差曲线等HMCVT动态特性参数进行实时监测。（2）针对HMCVT换挡动态过程分析，建立离合器、制动器以及变量泵控制策略，以完成液压机械无级变速器纯液H段、液压机械HM1段和液压机械HM2段换挡过程，实现无级变速。（3）以液压机械无级变速器HM1段至HM2段为条件对象，对湿式离合器C1～C2油压进行测试，得出其在换挡过程期间离合器充油分为三个阶段，对液压机械无级变速器输出转速产生换挡冲击。