曹付義，鄧瑞濤，郭廣林，劉 洋

（河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003）

雙流傳動的拖拉機轉(zhuǎn)向工況換段過程

曹付義，鄧瑞濤，郭廣林，劉 洋

（河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003）

以拖拉機液壓機械無級變速器為研究對象，通過對變速器構(gòu)成及工作原理的理論分析，結(jié)合拖拉機的工作特性，搭建了由發(fā)動機作為驅(qū)動系統(tǒng)、由電渦流測功機和盤式制動器作為負載模擬系統(tǒng)、由工控機作為主要測控系統(tǒng)的試驗臺，建立了發(fā)動機及雙功率流傳動系統(tǒng)負載模型，給出了雙功率流傳動系統(tǒng)負載在試驗臺上的實現(xiàn)方法。以F4段換入F5段為例，對基于雙流傳動的拖拉機轉(zhuǎn)向工況換段過程進行了試驗研究。研究結(jié)果表明：所給出的雙流傳動試驗臺構(gòu)成方案和試驗方法，可為拖拉機轉(zhuǎn)向工況速比控制研究提供試驗依據(jù)。

拖拉機；液壓機械傳動；轉(zhuǎn)向工況；換段過程

0 引言

液壓機械傳動是一類由液壓傳動和機械傳動復合的車輛動力傳動形式，通過液壓傳動實現(xiàn)無級變速，通過機械傳動完成高效率大功率動力輸出，在大功率拖拉機［1－2］、工程車輛［3－4］及軍用裝甲車輛［5－6］上有良好的應用前景。國內(nèi)外對液壓機械傳動系統(tǒng)的設計及參數(shù)匹配理論、性能分析方法及控制方式等開展了相關(guān)研究［7－11］。采用液壓機械無級變速原理的拖拉機液壓機械無級變速器的速比調(diào)節(jié)過程是一個多離合器參與的、連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)混合的連續(xù)多段變化過程［10］，有關(guān)其換段過程的研究還較少。另外，由于轉(zhuǎn)向阻力計算及轉(zhuǎn)向操縱等因素的復雜性，現(xiàn)有拖拉機換擋過程方面的研究均不考慮其轉(zhuǎn)向工況。

本文以拖拉機液壓機械無級變速器為研究對象，通過分析液壓機械無級變速器構(gòu)成及工作原理，結(jié)合拖拉機的工作特性，提出拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)試驗臺構(gòu)成方案，建立發(fā)動機及雙功率流傳動系統(tǒng)試驗臺負載模型，給出發(fā)動機控制、負載模擬及試驗臺測控的實現(xiàn)方法。對拖拉機轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程進行試驗研究，為拖拉機全工況雙功率流傳動系統(tǒng)速比控制提供理論參考。

1 變速器構(gòu)成及工作原理

圖1為液壓機械無級變速器示意圖，液壓機械無級變速器主要由分流機構(gòu)、泵 －馬達系統(tǒng)、匯流行星排和有級變速機構(gòu)等組成。圖1中，L1～L8為離合器。

發(fā)動機功率經(jīng)分流機構(gòu)分液壓路功率和機械路功率兩路傳遞，液壓路功率傳遞給匯流行星排的太陽輪，機械路功率通過離合器L1（L2）傳遞給匯流行星排的齒圈（行星架），兩路功率經(jīng)行星排匯流后，由行星架（齒圈）、通過離合器L3（L4）傳遞到中間軸，中間軸與輸出軸之間通過離合器L5、L6、L7的不同接合狀態(tài)組成前進方向低、中、高3擋，通過離合器L8實現(xiàn)倒車行駛。

根據(jù)離合器的接合狀態(tài)不同，隨著泵－馬達系統(tǒng)排量比的變化，變速器在前進方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)6段無級變速，倒車方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)2段無級變速。當L1和L3接合（或L2和L4接合）時，組成變速器傳動比不隨泵－馬達系統(tǒng)排量比變化的前進方向3個純機械擋，倒車方向1個純機械擋。當L3和L4接合時，構(gòu)成雙向連續(xù)變速的純液壓段。

圖1 液壓機械無級變速器

2 試驗臺構(gòu)成及控制方法

2.1 試驗臺構(gòu)成

拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)試驗臺聯(lián)接方案如圖2所示。主要由驅(qū)動系統(tǒng)（發(fā)動機）、試驗對象（無級變速器）、加載系統(tǒng)（電渦流測功機、盤式制動器）及試驗測控系統(tǒng)等構(gòu)成。試驗測控系統(tǒng)主要完成對試驗臺上眾多傳感器輸出信號的轉(zhuǎn)換與處理、驅(qū)動系統(tǒng)和加載系統(tǒng)的控制、試驗臺工作狀態(tài)和試驗過程的監(jiān)視與控制等。

圖2 試驗臺聯(lián)接方案

2.2 試驗臺控制方法

雙功率流傳動系統(tǒng)試驗臺控制主要涉及發(fā)動機控制、負載計算及其在負載模擬系統(tǒng)上實現(xiàn)、試驗參數(shù)的高精度實時設定及測量等。

2.2.1 發(fā)動機模型及控制

試驗臺采用與裝機對象相同的LR6105ZT10型柴油發(fā)動機，其調(diào)速特性模型為［12］：

式中，Me為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ne為發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，r／m in；nemax為發(fā)動機最高空載轉(zhuǎn)速，r／min；χ為發(fā)動機油門開度。

發(fā)動機動力學模型為：

式中，Je為發(fā)動機輸出軸上等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω·e為發(fā)動機輸出角加速度，rad／s2；Ml為發(fā)動機負載轉(zhuǎn)矩，N·m。

試驗時，發(fā)動機采用恒轉(zhuǎn)速控制，通過對發(fā)動機油門開度的調(diào)節(jié)，根據(jù)發(fā)動機模型可計算出期望轉(zhuǎn)速控制信號。采用HN200-3426步進電動機及其驅(qū)動器IM483對發(fā)動機進行控制。

2.2.2 負載計算及試驗模擬

拖拉機直駛工況變速器換段試驗負載計算及實現(xiàn)方法已有文獻論述［13］。本文研究拖拉機轉(zhuǎn)向工況的換段過程，拖拉機轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程的影響因素較多，限于篇幅，本文僅研究拖拉機轉(zhuǎn)向時兩側(cè)負載變化對換段過程的影響。

拖拉機工況不同，其左、右側(cè)負載變化關(guān)系不同。拖拉機直駛時，其左、右側(cè)負載大小相等、方向相同；中心轉(zhuǎn)向工況時，其左、右側(cè)負載大小相等、方向相反；在拖拉機直駛過程中轉(zhuǎn)向時，其左、右側(cè)負載存在著一定差值，其差值大小與拖拉機的結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用條件及左、右側(cè)輸出角速度大小有關(guān)，經(jīng)過一定換算可得拖拉機左、右側(cè)負載模型為：

式中，MkL、MkR為拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)左、右側(cè)負載轉(zhuǎn)矩，N·m；Md為拖拉機直駛工況系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩，N·m，根據(jù)拖拉機質(zhì)量及使用條件給定；w為轉(zhuǎn)向負載因數(shù)，根據(jù)本文研究對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用條件，轉(zhuǎn)向負載因數(shù)的變化范圍為w＝0.10～0.25［14］；ωkL、ωkR分別為系統(tǒng)左、右側(cè)輸出角速度，rad／s；β、ψ為常數(shù)。

負載模擬由電渦流測功機和盤式制動器完成，電渦流測功機實現(xiàn)高速下負載模擬，盤式制動器完成低速下負載模擬。電渦流測功機對負載的模擬由外控輸入電壓調(diào)節(jié)，通過對電渦流測功機提供合適的外控輸入電壓，使其產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速反饋用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)設定載荷。盤式制動器由制動盤、電液控制加力裝置構(gòu)成，電液控制加力裝置主要由電磁比例閥、放大器、液壓源、液壓油缸等組成，負載由制動盤慣性阻力矩和制動蹄與制動盤間摩擦阻力矩構(gòu)成。

2.2.3 試驗測控系統(tǒng)

試驗測控系統(tǒng)硬件主要由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、測量儀表及執(zhí)行器等組成。工控機實現(xiàn)人機交互，完成試驗條件設定、子系統(tǒng)管理、信號采集及數(shù)據(jù)處理等。發(fā)動機起動時，工控機同時控制發(fā)動機油門控制器與起動機；發(fā)動機正常工作時，由油門控制器根據(jù)工控機的指令控制發(fā)動機。離合器油壓及流量等經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器信號由測速計數(shù)單元通過通用串行總線（USB）通訊輸入工控機。負載模擬系統(tǒng)控制器根據(jù)工控機設定的負載，模擬拖拉機行駛阻力，同時將負載模擬系統(tǒng)的信息通過串口與工控機通信。試驗臺工作狀態(tài)信號通過控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線實現(xiàn)與工控機的信息交互。

試驗測控系統(tǒng)軟件基于分散控制、集中管理模式，采用LabVIEW開發(fā)軟件平臺進行程序開發(fā)，主要包括輸入輸出（I／O）接口軟件、人機交互面板、儀器驅(qū)動程序、功能算法程序等。

3 試驗研究

3.1 換段過程評價指標

拖拉機動力傳動系統(tǒng)換擋過程評價指標有換擋沖擊、滑磨功和換擋時間等。換擋沖擊的直觀評價指標為沖擊度和動載荷，道路車輛一般用沖擊度表示駕乘人員對換擋沖擊感受程度的影響，對在田間或惡劣地面上工作的拖拉機，換擋過程對其縱向沖擊度的影響可以忽略不計，采用變速器輸出軸動載因數(shù)來評價換段沖擊，定義為：

式中，Mmax為換段過程中變速器最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Ms為換段前變速器穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

另外，采用動載因數(shù)作為換段沖擊的評價指標，還可避免對變速器輸出動載荷的微分計算，有利于試驗測定值的穩(wěn)定。

離合器的滑磨功雖然可以通過理論計算得出，但在試驗時較難測得。另外，本研究的雙功率流傳動系統(tǒng)中采用濕式離合器，滑磨功導致的離合器溫升可通過油液冷卻，試驗時滑磨功不作為換段品質(zhì)的評價指標進行測定。

3.2 換段過程試驗

拖拉機轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程的影響因素較多，如轉(zhuǎn)向負載、轉(zhuǎn)向半徑、發(fā)動機油門開度、離合器調(diào)速閥流量及控制油壓等。限于篇幅，以轉(zhuǎn)向負載變化對其換段過程的影響為例進行研究。轉(zhuǎn)向負載的大小由轉(zhuǎn)向負載因數(shù)w表示，轉(zhuǎn)向負載因數(shù)越大，表明拖拉機轉(zhuǎn)向時所受的轉(zhuǎn)向阻力越大，拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)兩側(cè)的負載差值越大。

以F4段換入F5段為例進行換段過程試驗。試驗時發(fā)動機油門開度保持100%不變，換段離合器主油路壓力為1.5 MPa，直駛阻力設定為1 kN，轉(zhuǎn)向負載因數(shù)對雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程的影響如圖3所示。

由圖3a可以看出：轉(zhuǎn)向負載因數(shù)越大，動載因數(shù)越大，換段沖擊越大。原因在于：當轉(zhuǎn)向負載因數(shù)增大時，拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)兩側(cè)負載差值增大，對液壓機械無級變速器負載的擾動增大，增大了換段沖擊。

由圖1可知：F4段換入F5段時涉及3組離合器（L1和L2、L3和L4、L6和L7），換段時每一組離合器都有切換前、轉(zhuǎn)矩相、慣性相和切換后4種狀態(tài)，F(xiàn)4段換入F5段的過程中離合器存在16種可能狀態(tài)。圖3b是離合器狀態(tài)序號變化及換段時間的試驗結(jié)果。由圖3b可以看出：F4段換入F5段的狀態(tài)改變順序為1－2－3－6－9－11－13－16。由圖3b還可以看出：當轉(zhuǎn)向負載因數(shù)為0.15時，換段過程約在10.9 s完成；當轉(zhuǎn)向負載因數(shù)為0.10時，換段過程約在11.1 s完成，說明轉(zhuǎn)向負載因數(shù)越大，換段時間越短。

圖3 轉(zhuǎn)向負載對換段過程的影響

4 結(jié)論

（1）設計了拖拉機雙流傳動試驗臺，通過對其構(gòu)成及控制方法的理論分析，表明該試驗臺可實現(xiàn)雙流傳動拖拉機多工況參數(shù)的實時調(diào)節(jié)與控制，能完成雙流傳動拖拉機轉(zhuǎn)向工況換段過程的試驗研究。

（2）提出了采用動載因數(shù)作為拖拉機雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程的評價指標。以F4段換入F5段為例，對拖拉機轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動系統(tǒng)換段過程進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向負載因數(shù)越大，換段沖擊越大，換段時間越短。

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S219.032.3

A

1672－6871（2014）06－0075－05

國家自然科學基金項目（51375145）；河南省教育廳科技攻關(guān)基金項目（13A460242）

曹付義（1969－），男，河南蘭考人，副教授，博士，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學.

2014－01－26