液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)耦合仿真及運(yùn)行特性研究*

郝馳宇，岳文明，劉 奇，馮廣斌，孫華剛

（1.武警警官學(xué)院訓(xùn)練基地，廣州 510080；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100071，3.解放軍32181 部隊(duì)，石家莊 050003）

0 引言

變速機(jī)構(gòu)是履帶車輛底盤的重要組成部分，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力的有效傳遞?，F(xiàn)今傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐漸被新型的液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)所替代［1］，而液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)中也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、狀態(tài)多變、耦合嚴(yán)重、難以拆卸的問題，其理論及仿真模型難以精確建立，使得其內(nèi)部工作特性難以有效獲?。?-5］。

當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力學(xué)特性、故障機(jī)理診斷方法等已經(jīng)進(jìn)行了大量深入的研究［6-10］，但針對(duì)液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行多領(lǐng)域耦合建模及系統(tǒng)性分析研究還相對(duì)較少。

因此，本文針對(duì)某型履帶車輛中液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，探究耦合建模方法，構(gòu)建機(jī)械-液壓-控制耦合的聯(lián)合仿真模型，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)不同工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

1 液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)

1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)主要包括可閉鎖液力變矩器、傳動(dòng)軸、多對(duì)嚙合齒輪副及換擋離合器等組成。動(dòng)力通過液力變矩器及輸入，從三軸兩端輸出，通過傳動(dòng)軸上離合器的兩兩結(jié)合可以形成多個(gè)前進(jìn)擋位和倒擋。

圖2 液壓控制換擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

而換擋功能主要由換擋離合器及其液壓緩沖回路實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示：液壓緩沖回路的主要功能是控制結(jié)合過程中的壓力，油壓特性由緩沖閥芯和調(diào)壓閥芯的雙邊節(jié)流作用來控制，通過內(nèi)外摩擦片滑摩完成換擋離合器的結(jié)合過程。

綜上，與傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)械變速機(jī)構(gòu)相比，液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別在液力傳動(dòng)和液壓換擋兩種功能，且其傳動(dòng)及換擋過程為機(jī)械-液壓-控制耦合的動(dòng)力傳遞過程。

1.2 理論模型

可閉鎖液力變矩器是由泵輪、渦輪、中間導(dǎo)輪和閉鎖機(jī)構(gòu)等組成，器閉鎖機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)控制，液力變矩器的理論模型為［11］：

而根據(jù)液壓控制換擋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，建立緩沖閥芯、調(diào)壓閥芯及活塞的運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：m 為質(zhì)量，p 為壓力，x 為位移，A 為受力面積，B 為粘性阻尼系數(shù)，x0為彈簧初始?jí)嚎s量，K 為彈簧剛度（其中，1 代表緩沖閥芯，2 代表調(diào)壓閥芯，C 代表離合器活塞）。

2 聯(lián)合仿真建模

2.1 參數(shù)間耦合關(guān)系

圖3 仿真參數(shù)耦合關(guān)系

如圖3 所示為液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)中參數(shù)間的耦合關(guān)系，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)中間動(dòng)力的傳遞，而液壓控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)各工況下不同擋位的切換及液力變矩器的閉鎖，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)作為液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，同時(shí)也將所受的負(fù)載信息反饋給液壓系統(tǒng)，可見其動(dòng)力傳遞過程中，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。

2.2 聯(lián)合仿真建模

建立零部件的三維模型后，進(jìn)行裝配并利用干涉檢查確保其位置關(guān)系的正確。經(jīng)過簡化后導(dǎo)入到RecurDyn 中，按照實(shí)際工況及運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加材料屬性、約束關(guān)系及接觸副參數(shù)后［12-13］，建立完整的機(jī)械傳動(dòng)模型如圖4 所示。

如圖5 所示，基于參數(shù)間耦合關(guān)系，在AMEsim建立協(xié)同仿真接口，將各個(gè)子系統(tǒng)模型進(jìn)行連接［14］，建立完整的聯(lián)合仿真虛擬試驗(yàn)平臺(tái)。其中控制模塊負(fù)責(zé)輸出控制信號(hào)至可閉鎖液力變矩器及液壓換擋系統(tǒng)中，而液壓系統(tǒng)的輸出參數(shù)則通過協(xié)同仿真接口與機(jī)械傳動(dòng)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)耦合仿真。

圖4 RecurDyn 中機(jī)械傳動(dòng)模型

圖5 液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真模型

3 臺(tái)架試驗(yàn)及運(yùn)行特性分析

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)及模型驗(yàn)證

圖6 傳感器及安裝位置

利用液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)的臺(tái)架試驗(yàn)中輸出信號(hào)來驗(yàn)證所建聯(lián)合仿真模型的正確性，其中傳感器的類型、作用及在布置的位置如表1 和圖6 所示。

表1 傳感器組成

圖7 CL 離合器結(jié)合壓力比較

利用圖7 所示的CL 離合器壓力和下頁表2 所示輸出端的轉(zhuǎn)速來驗(yàn)證模型可信度，可見仿真值和試驗(yàn)值可以較好地吻合。但在CL 離合器的仿真壓力特性曲線中，其結(jié)合時(shí)間及穩(wěn)定壓力值，較試驗(yàn)值相對(duì)小一些，這是由于仿真中忽略了管道阻力、滑摩生熱等損耗因素。通過對(duì)比說明建立的聯(lián)合仿真模型有較高的可信度，可以利用模型分析液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)的工作特性。

3.2 聯(lián)合仿真及特性分析

本文針對(duì)液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，選取兩種不同工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析：

表2 輸出轉(zhuǎn)速比較

1）啟動(dòng)工況：0～5 s 為空擋，5 s 加載轉(zhuǎn)速信號(hào)1 000 r/min，模擬系統(tǒng)起步時(shí)的工作狀態(tài)；

2）換擋工況：在啟動(dòng)工況的基礎(chǔ)上，5 s 輸入換擋信號(hào)換至1 擋（CL、C1 離合器結(jié)合），模擬系統(tǒng)換擋時(shí)工作狀態(tài)。

3.2.1 啟動(dòng)特性

圖8 泵輪及渦輪轉(zhuǎn)速

圖9 渦輪轉(zhuǎn)矩

如圖8 所示，輸入初始轉(zhuǎn)速信號(hào)后，泵輪經(jīng)過短暫振蕩穩(wěn)定在約1 150 r/min，而渦輪的加速則有約1 s 的延遲，之后穩(wěn)定到約990 r/min，穩(wěn)定后泵輪渦輪轉(zhuǎn)速比約為0.86。

如圖9 所示，在起步初始階段，渦輪瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩可達(dá)1 200 N·m，而在1 s 之后，穩(wěn)定在約180 N·m，可見液力機(jī)械傳動(dòng)可以增加起步的力矩，增強(qiáng)車輛在復(fù)雜路況的適應(yīng)性。

與液力變矩器閉鎖時(shí)機(jī)械工況進(jìn)行對(duì)比，如圖10 中所示，車輛啟動(dòng)時(shí)液力工況的瞬間接觸力要遠(yuǎn)小于機(jī)械傳動(dòng)，說明液力傳動(dòng)有緩沖起步時(shí)動(dòng)載，減小齒輪副間受力的作用。

圖10 輸入齒輪與泵輪輪轂間接觸力

3.2.2 換擋特性

圖11 C1 離合器結(jié)合壓力

圖12 各傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速

圖11 所示為C1 離合器壓力特性曲線，結(jié)合圖7 中CL 離合器壓力特性曲線可以看出：

1）CL 離合器壓力特性曲線中存在明顯的緩沖升壓特性，大約從0.4 MPa 左右開始，到約0.7 Mpa結(jié)束，之后壓力躍升并穩(wěn)定至1.5 Mpa 左右，其緩沖初期有明顯振蕩，而由于C1 離合器中無換擋緩沖回路。因此，其油壓在0.2 s 左右的時(shí)間就躍升至穩(wěn)定值，而且整個(gè)工作過程中的振蕩非常明顯；

2）圖12 中可知換擋后三軸上C1 離合器已迅速結(jié)合，但至5 s 換擋信號(hào)輸入后，三軸才開始逐漸加速，在6.2 s 左右在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)，說明緩沖回路的存在使得二三軸的轉(zhuǎn)速上升也有著明顯的緩沖特性，這樣有利于變速機(jī)構(gòu)動(dòng)力的平穩(wěn)傳遞。

4 結(jié)論

分別建立了液力機(jī)械變速機(jī)構(gòu)中機(jī)械傳動(dòng)和液壓控制系統(tǒng)模型，建立了基于協(xié)同仿真接口的聯(lián)合仿真模型。搭建臺(tái)架試驗(yàn)并布置傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明建立的聯(lián)合仿真模型可以較好地模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

利用聯(lián)合仿真模型模擬系統(tǒng)的啟動(dòng)、換擋特性，仿真結(jié)果說明采用液力傳動(dòng)技術(shù)可以增強(qiáng)系統(tǒng)起步動(dòng)力性能，減小動(dòng)載沖擊，減小齒輪磨損，但在提速過程會(huì)有一定的延遲；而液壓換擋系統(tǒng)中的換擋緩沖回路可控制離合器結(jié)合過程中的緩沖壓力，實(shí)現(xiàn)換擋過程動(dòng)力的平穩(wěn)過渡，這樣有利于系統(tǒng)動(dòng)力的平穩(wěn)傳遞，可減小其動(dòng)載及磨損。