HMCVT速率調(diào)整特性在拖拉機(jī)上的應(yīng)用

文/李苑瑋 武迎迎 秦濤 李國朋

1 引言

HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission 液壓機(jī)械無極變速傳動(dòng)）指可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)獲得傳動(dòng)比的變速系統(tǒng)。車輛使用無機(jī)變速器后，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的最佳匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工況下，從而提高整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于換擋過程沒有動(dòng)力中斷，整車駕駛舒適性被大大提高?？梢哉fHMCVT是現(xiàn)代中大功率智能拖拉機(jī)的絕佳搭配，它可以與電控發(fā)動(dòng)機(jī)充分配合，輕松而精確地實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)所要求的自動(dòng)駕駛、恒傳動(dòng)比、恒發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、定速巡航、經(jīng)濟(jì)模式、自動(dòng)全功率控制等現(xiàn)代智能拖拉機(jī)功能，有著其他傳動(dòng)系無法比擬的優(yōu)勢。

HMCVT發(fā)展至今，日本和歐美國家在大、中型功率拖拉機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等車輛上裝備了液壓機(jī)械無極變速器，比較典型的是德國道依茨法爾、德國采埃夫公司、美國卡特彼勒、日本小松等公司產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)部分高校和拖拉機(jī)廠也在液壓機(jī)械無極變速器方面進(jìn)行了研究，取得了一定的技術(shù)突破。

利用液壓機(jī)械無級(jí)變速器的連續(xù)變化傳動(dòng)比，配合電子控制器的精確控制，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比加速度的調(diào)整。傳動(dòng)比加速度是指到達(dá)設(shè)定傳動(dòng)比的快慢速度。傳動(dòng)比加速度影響整車的速度特性。傳動(dòng)比加速度越快，到達(dá)設(shè)定傳動(dòng)比的時(shí)間越短，從而整車到達(dá)設(shè)定整車速度的時(shí)間越短。反之亦然。

2 速率調(diào)整功能在拖拉機(jī)上的應(yīng)用

拖拉機(jī)的工況比較復(fù)雜，負(fù)載經(jīng)常變化，具有道路空載、半載、滿載等行駛工況，以及在田間進(jìn)行耕地、除草等作業(yè)工況。2014年Case IH公司向市場推出的Farmall U系列還可以選裝各類裝備,包括前置裝載機(jī)、前置提升器和前置動(dòng)力輸出軸,這樣,Farmall U系列拖拉機(jī)不僅可以在牧場和農(nóng)場使用,也可以作為城市環(huán)保和市政工程方面施工作業(yè)裝備。由于這些多樣的使用場景，變速器中僅有一種傳動(dòng)比的變化速率是不能很好的滿足整車運(yùn)行要求的，比如在道路運(yùn)輸中，尤其是空載或者沒有拖掛車時(shí)，司機(jī)希望整車盡快加速；而在路滑地面，司機(jī)希望整車速度減慢，降低車輪打滑的概率；在田間作業(yè)時(shí)，司機(jī)根據(jù)整車工作情況加快或者降低車輛變化速度，適應(yīng)作業(yè)要求。

為增加拖拉機(jī)駕駛的靈活性，在整車駕駛面板上安裝一個(gè)線性變化的加速度調(diào)整旋鈕，順時(shí)針調(diào)整旋鈕到加速度最大，逆時(shí)針調(diào)整旋鈕到加速度最小。調(diào)整加速度旋鈕到較大值，變速器傳動(dòng)比加速度變大，較快的到達(dá)整車設(shè)定速度；調(diào)整加速度旋鈕到較小值，變速器傳動(dòng)比加速度變小，較慢的到達(dá)整車設(shè)定速度。

3 速率調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)方法

HMCVT變速器液壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般使用變量泵，變量泵上裝配可以調(diào)整泵排量的液壓比例閥，比例閥的開度受變速器控制系統(tǒng)（簡稱TCU）輸出電流值大小控制。每段內(nèi)液壓系統(tǒng)的排量比從正向最大到負(fù)向最大之間變換。通過設(shè)置兩條線性曲線，來描述每段內(nèi)變速器控制系統(tǒng)輸出電流與變速器傳動(dòng)比的關(guān)系。

將圖1橫坐標(biāo)設(shè)置為TCU輸出電流值，縱坐標(biāo)設(shè)置為液壓系統(tǒng)排量比。TCU輸出電流與泵上液壓閥的開度成正向比例關(guān)系，液壓閥的開度與排量比成正向比例關(guān)系。

將圖2橫坐標(biāo)設(shè)置為液壓系統(tǒng)排量比，縱坐標(biāo)設(shè)置為變速器傳動(dòng)比值；在常用路況下通過試驗(yàn)標(biāo)定出液壓系統(tǒng)的排量比與變速器傳動(dòng)比之間的邏輯關(guān)系。

分析圖1、圖2，每段內(nèi)TCU輸出電流值越大，液壓系統(tǒng)排量比越大，變速器傳動(dòng)比值也越大；每段內(nèi)TCU輸出電流值越小，液壓系統(tǒng)排量比越小，變速器傳動(dòng)比值越小。所以，通過控制輸出電流值的大小，可以控制變速器的傳動(dòng)比值。

進(jìn)一步，通過控制到達(dá)設(shè)定電流值的速度，可以控制到達(dá)變速器傳動(dòng)比的速度。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中，傳動(dòng)比變化時(shí)間太慢或者太快，會(huì)影響到變速器的換檔性能及整車性能。所以有必要對輸出電流值變化速度增加一個(gè)調(diào)整值，使電流值變化速度在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

圖1：TCU輸出電流值與液壓系統(tǒng)排量比的關(guān)系曲線

圖2：液壓排量比與變速器傳動(dòng)比值的關(guān)系曲線

圖3：旋鈕位置與調(diào)整值的關(guān)系

調(diào)整值通過加速度調(diào)整旋鈕設(shè)置。將加速度調(diào)整旋鈕的位置與到達(dá)設(shè)定電流值的調(diào)整值Limit按照圖3設(shè)置，Limit實(shí)際上是電流值隨旋鈕位置變化的加速度曲線，將范圍區(qū)間設(shè)置為[Limit_Min，Limit_Max]。設(shè)定TCU控制器默認(rèn)的加速度為Limit=A，此時(shí)旋鈕位置在中位；順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)加速度調(diào)整旋鈕，Limit變化區(qū)間為[A，Limit_Max]，到達(dá)設(shè)定電流的時(shí)間越快，到達(dá)設(shè)定變速器傳動(dòng)比的時(shí)間越快；逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)加速度調(diào)整旋鈕，Limit變化區(qū)間為[Limit_Min，A]，到達(dá)設(shè)定電流值的時(shí)間越慢，到達(dá)設(shè)定變速器傳動(dòng)比的時(shí)間越慢。

4 物理模型仿真

在模型搭建工具M(jìn)ATLAB 上搭建控制模型和物理模型，對模型進(jìn)行聯(lián)合仿真測試。設(shè)置橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位S；設(shè)置縱坐標(biāo)為車速，單位Km/h。形成仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4設(shè)置速比為K，圖5設(shè)置速比為1.4K。可以明顯見到1.4K的速比明顯比K速比更快的到達(dá)目標(biāo)車速。

5 結(jié)束語

圖4：速比為K

圖5：速比為1.4K

本文體現(xiàn)的方法，具備實(shí)際的可操作性，適合普遍推廣應(yīng)用。未來在應(yīng)用過程中，通過收集不同工況下的技術(shù)參數(shù)，能夠?qū)⑾拗浦翟O(shè)置的更加合理。從國外技術(shù)發(fā)展看，HMCVT拖拉機(jī)大多都配置GPS定位系統(tǒng)或預(yù)留安裝位置,利用GPS定位系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)作業(yè)機(jī)組中的自動(dòng)駕駛。裝有自動(dòng)智能駕駛設(shè)備的車輛通過對工況的判斷，實(shí)現(xiàn)變速器速率調(diào)整性能的自適應(yīng)，省略駕駛員對速率的手動(dòng)調(diào)整，并通過大數(shù)據(jù)分析，提高傳動(dòng)比速度變化的精準(zhǔn)程度?？梢灶A(yù)見HMCVT變速器未來將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用。