HMCVT换挡过程离合器充油特性研究

鲍明喜，倪向东，钟春发，魏晓朝

（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）为满足大功率农业机械多变作业工况所提出的将液压传动和机械传动相结合的新型技术，可以实现在挡内速度无级调节。文献[1−4]针对其搭建的试验台对HM‐CVT 进行了试验研究，表明变速器在换挡阶段中存在换挡冲击度，乘坐舒适性下降。文献[5−6]提出关于负载、转矩和油压相结合的换挡过程，同时对离合器换挡时序进行了非线性研究。根据HMCVT换挡控制策略，研究离合器充油特性对液压机械无级变速器HMCVT输出转速、转矩曲线变化对分析的换挡品质具有重要意义。利用ITI Simulation X多体动力学仿真软件的仿真结果和试验研究结果，分析HMCVT离合器油压及流量对液压机械无级变速器的转速、转矩等动态参数特性进行分析。

2 HMCVT介绍

2.1 HMCVT传动原理

本课题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简图[7−10]，如图1所示。本课题自主研发的HMCVT可适用于大功率农业机械（如采棉机），作业速度可达到（0~25）km/h。HMCVT结合液压无极调速传动与机械高效传动的优点。其中液压无极调速传动采用双向变量泵控定量马达容积调速系统实现HMCVT在机械挡内无极变速；机械高效传动采用差动轮系双行星排组合的方式。发动机输出功率经齿轮副分为两部分，一部分经过双向变量泵—定量马达容积调速系统传递至行星轮系太阳轮，另一部分经过离合器、齿轮传递至行星轮系的齿圈或者行星架，最后功率通过行星轮系汇流向后输出。

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

这里所设计的HMCVT为四挡式，其中包括倒推R挡，纯液压H挡，液压机械HM1挡和液压机械HM2挡。各速度挡和离合器C1、C2，制动器Break，行星排K1、K2相配合的方式图，如表1所示。

表1 各速度挡配合方式图Tab.1 Fitting Mode Diagram of Each Speed Gear

2.3 离合器液压油路与控制系统

本课题采用湿式离合器，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。在离合器液压油路中设置压力计和流量计对液压系统的压力以及流量进行监测。通过自主研发的测控系统控制液压系统的离合器开关以及监测液压系统的压力与流量。液压油路图，如图2所示。液压控制系统，如图3所示。

图2 液压油路图Fig.2 Hydraulic Oil Circuit Diagram

图3 液压控制系统Fig.3 Hydraulic Control System

3 HMCVT仿真模型的建立

3.1 离合器控制系统动态仿真模型

按照液压油路建立离合器控制系统仿真模型，如图4所示。其中，回位弹簧刚度438N/mm，初始压缩量11.2mm；驱动电机采用三相异步电机，额定转速1450rpm；叶片泵排量6.3ml/r。离合器结合时间通过减压阀的压力设定值与流量调节阀的流量控制决定。

图4 离合器控制系统仿真模型Fig.4 Clutch Control System Simulation Model

3.2 双向变量泵控制系统动态仿真模型

双向变量泵斜盘通过PWM 占空比控制三位四通电液比例伺服阀进而通过液压流量控制双作用液压缸，使其产生位移推动变量机构进行角度控制。双向变量泵控制仿真模型，如图5 所示。其中变量机构位移是由带有质量的小球代替，减压阀维持容积调速回路系统的压力，电液比例伺服阀是由电压信号控制，回位弹簧保证双作用液压缸处于中间位置。

图5 双向变量泵控制仿真模型Fig.5 Simulation Model of Bidirectional Variable Pump Control

3.3 HMCVT动态仿真模型建立

根据液压机械无级变速器传动原理，利用ITI simulationX多体动力学软件建立HMCVT 的动态仿真模型[11−14]，如图6 所示。HMCVT动态仿真模型包括驱动模型、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、离合器模型、离合器和制动动态控制模型以及传感器传输模型等。其中离合器控制模型由液压缸的油液压力和回位弹簧的作用力复合作用；负载模型给予外力扭矩；双向变量泵控制模型由双作用液压缸产生的位移控制。

图6 双向变量泵控制仿真模型Fig.6 HMCVT Dynamic Simulation Model

4 HMCVT离合器充油特性研究

4.1 HMCVT试验台架装置

HMCVT 传动试验台架，如图7 所示。其中包括约翰迪尔−JD4045HCP29 发动机，ZJ 系列转速转矩传感器（额定转速：0~3000rpm），HPV−02双向变量泵（排量：54.7cc/rev），HMF−02定量马达（排量：51.3cc/rev），CZ系列磁粉制动器（显示：WLK−5A型程控电源）。

图7 HMCVT传动试验台架Fig.7 HMCVT Transmission Test Bench

4.2 试验与仿真研究

根据前面提出的参数，研究离合器的充油特性对HMCVT的输出转速转矩的影响。根据HMCVT 的结构特性和速度挡的结合方式，此次主要是研究HMCVT 前进挡，换挡过程开始时是纯液压H挡（制动器锁定行星轮系），排量比的范围是（−1～1）；再次是液压机械HM1挡，排量比的范围是（1～−1）；最后是液压机械HM2挡，排量比的范围是（−1～1）。

离合器的充油主要由电机转速、叶片泵的排量、减压阀最高压力值和流量调节阀的流量共同决定。本试验台架采用三相异步电机（额定转速：1450rpm）、叶片泵（排量：6.3ml/r），所以，本次研究主要针对减压阀的压力值和流量调节阀流量控制。设定发动机转速900rpm，负载扭矩为150Nm，（0~5）s为纯液压H挡，（5~15）为机械HM1挡，（15~25）s为液压机械HM2挡。

设定压力阀压力4MPa，离合器的充油流量随流量调节阀（3L/min，4L/min，5L/min）的不同对HMCVT 输出转速的影响，如图8所示。随着流量调节阀的流量不断增加，在纯液压H挡至液压机械HM1挡和液压机械HM1挡至液压机械HM2挡时，输出转速的下降幅度减少，并且下降后的输出转速达到稳定转速的时间也大大地缩短。因此增大流量调节阀的流量可以降低输出转速下降幅度和缩短达到稳定转速的时间。

图8 离合器流量对输出转速的影响Fig.8 Effect of Clutch Flow on Output Speed

设定压力阀压力4MPa，离合器的充油流量随流量调节阀（3L/min，4L/min，5L/min）的不同对HMCVT输出转矩的影响。从图9中可以看出，在纯液压H 挡至液压机械HM1挡和液压机械HM1挡至液压机械HM2挡时最大输出转矩在不同离合器流量时相差不大，但是随着流量调节阀流量的增加，产生输出转矩波动时间点较低。因此增大流量调节阀的流量可以降低产生输出转矩波动时间点。

图9 离合器流量对输出转矩的影响Fig.9 Effect of Clutch Flow on Output Torque

设定流量调节阀流量4 L/min，离合器的充油压力随减压阀（3MPa，4MPa，5MPa）的不同对HMCVT输出转矩的影响。从图10中可以看出，在纯液压H挡至液压机械HM1挡和液压机械HM1挡至液压机械HM2挡时产生输出转矩波动的时间点是相差不大的，但是随着压力阀压力的不断增加，在换挡过程中产生的最大扭矩是逐渐增大的。因此减小减压阀的压力可以降低输出转矩。

图10 离合器压力对输出转矩的影响Fig.10 Effect of Clutch Pressure on Output Torque

5 结论

根据液压机械无级变速器传动原理，通过自主搭建试验台架与ITI SimulationX 多体动力学软件建立的仿真模型，对液压机械无级变速器的充油特性进行分析。

（1）为研究对象建立试验台架和对离合器控制动态系统、双向变量泵控制系统和液压机械无级变速器动态过程建立仿真模型，为试验结果提供基础。（2）针对HMCVT换挡过程分析，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换挡过程为条件对象，对离合器流量、油压对HMCVT转速、转矩进行分析。得出结论：增大流量调节阀的流量可以降低输出转速下降幅度、缩短达到稳定转速的时间和降低产生输出转矩波动时间点，减小减压阀的压力可以降低输出转矩。