多段式液壓機械無級變速器方案設(shè)計與特性分析

徐立友 周志立 彭巧勵 王彬彬

1.河南科技大學(xué)，洛陽，471003 2.中國一拖集團有限公司，洛陽，471004

0 引言

液壓機械無級變速傳動是一種液壓功率流與機械功率流并聯(lián)的新型傳動裝置，通過機械傳動實現(xiàn)傳動高效率，通過液壓傳動與機械傳動相結(jié)合實現(xiàn)無級變速。目前國外先進的拖拉機及工程車輛的傳動系已開始采用該變速裝置［1-4］。本文以東方紅1302R拖拉機為對象，結(jié)合拖拉機實際作業(yè)工況，設(shè)計了一種新型多段式液壓機械無級變速器，并對其速度特性、動力性及經(jīng)濟性進行分析。

1 傳動方案

液壓機械無級變速器傳動方案如圖1所示，發(fā)動機輸出功率分成液壓功率和機械功率兩路，液壓功率經(jīng)由液壓傳動系傳遞給行星排的太陽輪s，機械功率通過離合器C1或C2傳到行星排的齒圈r或行星架c上，然后兩種功率經(jīng)行星排匯流后，經(jīng)由行星架或齒圈，通過閉合離合器C3或C4傳遞到多擋有級變速箱的輸入軸上。根據(jù)離合器的接合狀態(tài)不同(表1)，隨著變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)排量比e的變化，變速器前進方向由6個變速段構(gòu)成，后退方向由3個變速段構(gòu)成。C1、C2脫開，C3、C4接合時，變速器工作在純液壓段。C1、C4同時結(jié)合時，變速器工作在4個純機械擋。

圖1 液壓機械無級變速器傳動方案

表1 液壓機械無級變速器離合器接合狀態(tài)

2 液壓機械無級變速器速度特性

2.1 無級調(diào)速特性

液壓機械無級變速器通過調(diào)節(jié)液壓元件的相對排量來實現(xiàn)無級變速。無級調(diào)速特性是指構(gòu)件的輸出與輸入轉(zhuǎn)速比ib隨變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)排量比 e 變化的特性［5］。設(shè) n0、nb、ns、nr、nc、nd分別為變速器輸入軸、輸出軸、太陽輪、齒圈、行星架和多擋有級變速箱輸入軸的轉(zhuǎn)速;k為行星排特性參數(shù)，k=zr/zs;zr為齒圈的齒數(shù);zs為太陽輪的齒數(shù)。

由圖1和表1可知，后退方向與前進方向具有相同的傳動形式。本文只對前進方向各段特性進行分析。經(jīng)推導(dǎo)可得各段的速度特性:

(4)其他各段

由圖1及表1可看出，HM4、HM6段與HM2段傳動形式相同，計算其速度時將式(2)中的i3用i4和i5代換即可。同理，將式(3)中的i4用i5代換可得到HM5段的速度。由速比定義［6］知

式(1)～式(4)反映了液壓機械無級變速器的無級調(diào)速特性。當(dāng)各齒輪副的傳動比、行星排特性參數(shù)(i1=0.63，i2=0.60，i3=6.00，i4=2.00，i5=0.89，k=4)及拖拉機中央傳動和最終傳動的總傳動比(21.32)、驅(qū)動輪的動力半徑(0.346m)、發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速(2300r/min)給定時，可得到拖拉機行駛速度隨變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)排量比e變化的特性曲線，如圖2所示?？梢姡?dāng)排量比e在－1～+1范圍內(nèi)變化時，拖拉機的速度連續(xù)無級變化。

圖2 各段速比隨e變化特性

2.2 平穩(wěn)換段條件

液壓機械無級變速器平穩(wěn)換段的條件是:前后相互銜接的兩段在換段點應(yīng)具有相同的速比和排量比。由H1段H2段輸出轉(zhuǎn)速相等求得H1段到HM2段換段時的e值:

顯然，只要使i1i2≤1即可實現(xiàn)平穩(wěn)換段。

由HM2、HM3兩段輸出速度相等得HM2段到HM3段換段時的e值:

顯然，只要合理選擇i3和i4使e≥－1即可實現(xiàn)平穩(wěn)換段。

同理可求得其他各段換段條件。HM3到HM4、HM5到HM6的換段條件與H1到HM2的換段條件相同。HM4到HM5換段條件為

H1到 HM2、HM3到 HM4、HM5到 HM6換段時，nc=nr=ns=nd=n0，離合器接合完全同步，不存在動力中斷。HM2到HM3、HM4到HM5換段時，多擋有級變速箱輸入軸不同步，存在瞬時動力中斷，但換段前后速比相等，對車輛在換段前后的速度影響不大。

3 動力性和經(jīng)濟性分析

3.1 轉(zhuǎn)矩特性

對于本文所研究的液壓機械無級變速器，當(dāng)其輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mb增大時，定量液壓馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩MM也隨之增大;當(dāng)定量液壓馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到其最大輸出轉(zhuǎn)矩時，定量液壓馬達(dá)將卸壓保護，產(chǎn)生輸出打滑現(xiàn)象［7］。因此，液壓機械無級變速器各段輸出轉(zhuǎn)矩的極限值Mbmax取決于定量液壓馬達(dá)的最大輸出轉(zhuǎn)矩MMmax。

對于本文所采用的差動輪系，單從數(shù)值上考慮，行星排三構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

太陽輪的輸出轉(zhuǎn)矩為

(1)H1段:此段行星排三元件聯(lián)為一體，故

將式(9)代入(10)得

(2)HM2段:無級變速器的輸出轉(zhuǎn)矩為

式中，Mr為齒圈輸出轉(zhuǎn)矩。

聯(lián)合式(8)、式(9)及式(12)可得

(3)HM3段:無級變速器的輸出轉(zhuǎn)矩為

式中，Mc為行星架輸出轉(zhuǎn)矩。

聯(lián)合式(8)、式(9)及式(14)可得

(4)其他各段:由于HM4段、HM6段與HM2段傳動形式類似，計算HM4段和HM6段輸出轉(zhuǎn)矩時，將式(13)中的i3用i4和i5代換即可。同理，將式(15)中的i4用i5代換可得HM5段的輸出轉(zhuǎn)矩。

將式(11)、式(13)、式(15)中的Mb、MM分別用Mbmax和MMmax代換，繪制出轉(zhuǎn)矩比Mbmax/MMmax隨拖拉機速度變化的關(guān)系曲線，如圖3所示。圖3中的雙曲線l為拖拉機理想的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性場曲線，粗實線為無級變速器各段輸出轉(zhuǎn)矩曲線，細(xì)實線q為受地面附著力限制，拖拉機所能提供的最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性場線，垂直細(xì)實線為段間區(qū)分輔助線。由圖3可知，實際拖拉機所能提供的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性場包圍了理想的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性場，所設(shè)計的液壓機械無級變速器能滿足拖拉機的轉(zhuǎn)矩要求。

圖3 液壓機械無級變速器轉(zhuǎn)矩特性

3.2 液壓功率分流比

液壓功率分流比為液壓機械無級變速器中液壓路的輸出功率(經(jīng)液壓路傳遞到行星排的輸入功率)與變速器總輸出功率的比值［8］(不計功率損失)，即

式中，ρ為液壓功率分流比;Ps為太陽輪輸入功率;Pb為變速器輸出功率;Pd、Md分別為多擋有級變速箱輸入功率(行星機構(gòu)輸出功率)和輸入轉(zhuǎn)矩。

通過對圖1和表1的分析可知，HM2、HM4和HM6段具有相同的液壓功率分流比表達(dá)式，HM3和HM5段具有相同的液壓功率分流比表達(dá)式。各段液壓功率分流比計算如下。

(1)H1段:此段行星排三元件聯(lián)為一體，故

(2)HM2、HM4、HM6 段:由式(2)、式(8)及式(16)得HM2、HM4、HM6段液壓功率分流比

(3)HM3、HM5段:由式(3)、式(8)及式(16)得HM3、HM5段液壓功率分流比

式(1)～式(4)、式(17)～式(19)說明了液壓機械無級變速器的液壓功率分流比、行星排特性參數(shù)、齒輪副傳動比、變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)排量比及系統(tǒng)速比之間存在一定關(guān)系，液壓功率分流比與拖拉機速度的關(guān)系見圖4。圖4中的星點表示3個純機械擋的液壓功率分流比，其值為零，功率全部經(jīng)機械路傳遞。除純液壓段外，各段均有一個ρ=0的工況點，相當(dāng)于純機械擋工況。液壓功率分流比反映了傳動系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，通過正確設(shè)計機械傳動參數(shù)和合理地選擇變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)，可避免出現(xiàn)循環(huán)功率，從而提高傳動系統(tǒng)效率。

圖4 各段液壓功率分流比

3.3 傳動效率

液壓機械無級變速器傳動屬于閉式行星齒輪傳動，存在循環(huán)功率，其整體傳動效率隨不同速比和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化在較大范圍內(nèi)變化。

(1)H1段:

其中，ηi1、ηi2、ηi3為圖1 中各嚙合齒輪副的傳動效率，單級外嚙合齒輪傳動取0.98，以下類同;ηpm為變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)所組成液壓系統(tǒng)的效率，該效率隨壓力、轉(zhuǎn)速和排量變化而變化，而壓力、轉(zhuǎn)速、排量又由變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)的排量比e、傳動形式及變速器輸入功率P0決定。對于選定的變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)，可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出效率計算函數(shù) ηpm(P0，e)［9］。

(2)HM2段:根據(jù)閉式行星齒輪傳動效率計算原理，取 a、b、C、I分別表示太陽輪、行星架、齒圈(閉式傳動輸出)和輸入軸，則變速器傳動效率為

式中，ψ為行星架固定時，a－b－C傳動的損失系數(shù)，其大小由行星排參數(shù)決定，經(jīng)計算ψ=0.019。

(3)HM3段:取 u、v、W、Y 分別表示齒圈、太陽輪、行星架(閉式傳動輸出)和輸入軸，變速器傳動效率為

式中，φ為行星架固定時，u－v－W傳動的損失系數(shù)，其大小由行星排參數(shù)決定，經(jīng)計算φ=0.019。

(4)其他各段效率計算:由前述分析可知，HM4、HM6段與HM2段傳動形式相同，計算其效率時將式(21)中的ηi3用ηi4和ηi5代換即可。同理將式(22)中的ηi4用ηi5代換可得到HM5段的效率。

液壓機械無級變速器各段(擋)效率特性見圖5。除純液壓段外，每段效率曲線有一極點，該極點為變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)排量比e=0時對應(yīng)的效率，相當(dāng)于每段有一個高效率的純機械擋工況。由圖5可知，液壓機械段效率明顯高于純液壓段效率，說明液壓機械無級變速傳動具有高效率特性。

圖5 液壓機械無級變速器效率特性

3.4 牽引特性

拖拉機牽引特性是研究和評價發(fā)動機、傳動系、行走機構(gòu)和工作裝置各參數(shù)間匹配合理程度的重要指標(biāo)。參照文獻(xiàn)［10］中拖拉機牽引特性的繪制方法，繪制出東方紅1302R拖拉機的理論牽引特性曲線，如圖6～圖11所示。圖6～圖11中，粗實線為原拖拉機的參數(shù)特性曲線，虛線及點劃線為裝備液壓無級變速器拖拉機的參數(shù)特性曲線，牽引力 Ft=Fq－ Ff，F(xiàn)q(kN)、Ff(kN)分別為拖拉機的驅(qū)動力和滾動阻力。圖6～圖11給出的是拖拉機主要作業(yè)擋(段)的牽引特性曲線，包括原拖拉機的2～6擋及裝備液壓機械無級變速器的3～6段。圖6、圖9、圖10、圖11中，從左至右依次為拖拉機由高擋(段)到低擋(段)的參數(shù)特性曲線;圖7中，從上至下為拖拉機由高擋(段)到低擋(段)的速度特性曲線。由圖6～圖11可知，裝備液壓機械無級變速器后的拖拉機獲得了連續(xù)無級變化的速度，它的牽引特性基本上是有級傳動各相應(yīng)曲線的包絡(luò)線，在任何牽引力時，發(fā)動機都在接近于滿負(fù)荷點工作，拖拉機生產(chǎn)率和燃油經(jīng)濟性較原拖拉機有所提高。

圖6 拖拉機發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線

圖7 拖拉機行駛速度特性曲線

圖8 拖拉機滑轉(zhuǎn)率特性曲線

圖9 拖拉機發(fā)動機比油耗特性曲線

圖10 拖拉機發(fā)動機功率特性曲線

圖11 拖拉機牽引功率特性曲線

4 結(jié)論

(1)本文給出了液壓機械無級變速器速比與變量泵和定量馬達(dá)排量比、液壓功率分流比、傳動效率的關(guān)系式。

(2)行星排特性參數(shù)、變量泵和定量馬達(dá)排量比是影響變速機構(gòu)速比、液壓功率分流比、功率流及效率等特性的最終設(shè)計參數(shù)，如何確定這兩者是設(shè)計液壓機械無級變速傳動裝置的關(guān)鍵。

［1］Hiroyuki M，Keiji O，Tsutomu I，et al.Development of Hydro－mechanical Transmission(HMT)for Bulldozers［C］//International Off－Highway＆ Powerplant Congress ＆ Exposition.Milwaukee，WI，USA，1994:941722.

［2］Xu Liyou，Zhou Zhili，Zhang Mingzhu，et al.Application of Hydro－mechanical Continuously Variable Transmission in Tractors［C］//Proceedings of 7th Asia－Pacific Conference for Terramechanics of the ISTVS.Changchun，2004:84-91.

［3］田全忠.液壓機械傳動在大功率履帶拖拉機上的應(yīng)用分析［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2001(2):31-33.

［4］夏海南，葛建人，陳明宏.液壓機械傳動在工程機械上的應(yīng)用［J］.工程機械，2000(3):17-19.

［5］郭京波，賴滌泉，高國生.液壓機械復(fù)合傳動的分流比與傳動特性分析［J］.建筑機械，1997(10):38-41.

［6］賀林，吳光強，孟憲皆，等.金屬帶式無級變速器速比變化機理［J］.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，37(10):1383-1387.

［7］劉修驥.車輛傳動系統(tǒng)分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1998.

［8］徐立友.拖拉機液壓機械無級變速器特性研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.

［9］Zhang Mingzhu，Zhou Zhili，Xu Liyou，et al.Algorithm of the Efficiency of Continuously Variable Hydro－mechanical Transmissions［C］//Proceedings of 7th Asia－Pacific Conference for Terramechanics of the ISTVS.Changchun，2004:493-501.

［10］周志立，方在華，張文春.拖拉機理論牽引特性的計算機輔助分析［J］.洛陽工學(xué)院學(xué)報，1993，14(1):1-6.