曹付義，鄧瑞濤，郭廣林，劉 洋

（河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

雙流傳動(dòng)的拖拉機(jī)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(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

以拖拉機(jī)液壓機(jī)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(jī)的工作特性，搭建了由發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、由電渦流測功機(jī)和盤式制動(dòng)器作為負(fù)載模擬系統(tǒng)、由工控機(jī)作為主要測控系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)及雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載模型，給出了雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載在試驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)方法。以F4段換入F5段為例，對基于雙流傳動(dòng)的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況換段過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：所給出的雙流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成方案和試驗(yàn)方法，可為拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況速比控制研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

拖拉機(jī)；液壓機(jī)械傳動(dòng)；轉(zhuǎn)向工況；換段過程

0 引言

液壓機(jī)械傳動(dòng)是一類由液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)復(fù)合的車輛動(dòng)力傳動(dòng)形式，通過液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級變速，通過機(jī)械傳動(dòng)完成高效率大功率動(dòng)力輸出，在大功率拖拉機(jī)［1－2］、工程車輛［3－4］及軍用裝甲車輛［5－6］上有良好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外對液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)械無級變速原理的拖拉機(jī)液壓機(jī)械無級變速器的速比調(diào)節(jié)過程是一個(gè)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(jì)算及轉(zhuǎn)向操縱等因素的復(fù)雜性，現(xiàn)有拖拉機(jī)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(jī)液壓機(jī)械無級變速器為研究對象，通過分析液壓機(jī)械無級變速器構(gòu)成及工作原理，結(jié)合拖拉機(jī)的工作特性，提出拖拉機(jī)雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成方案，建立發(fā)動(dòng)機(jī)及雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載模型，給出發(fā)動(dòng)機(jī)控制、負(fù)載模擬及試驗(yàn)臺(tái)測控的實(shí)現(xiàn)方法。對拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)換段過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，為拖拉機(jī)全工況雙功率流傳動(dòng)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(jī)械無級變速器示意圖，液壓機(jī)械無級變速器主要由分流機(jī)構(gòu)、泵 －馬達(dá)系統(tǒng)、匯流行星排和有級變速機(jī)構(gòu)等組成。圖1中，L1～L8為離合器。

發(fā)動(dòng)機(jī)功率經(jīng)分流機(jī)構(gòu)分液壓路功率和機(jī)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(jī)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(jìn)方向低、中、高3擋，通過離合器L8實(shí)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(dá)系統(tǒng)排量比的變化，變速器在前進(jìn)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(dāng)L1和L3接合（或L2和L4接合）時(shí)，組成變速器傳動(dòng)比不隨泵－馬達(dá)系統(tǒng)排量比變化的前進(jìn)方向3個(gè)純機(jī)械擋，倒車方向1個(gè)純機(jī)械擋。當(dāng)L3和L4接合時(shí)，構(gòu)成雙向連續(xù)變速的純液壓段。

圖1 液壓機(jī)械無級變速器

2 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成及控制方法

2.1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成

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

圖2 試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)接方案

2.2 試驗(yàn)臺(tái)控制方法

雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)控制主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)控制、負(fù)載計(jì)算及其在負(fù)載模擬系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)參數(shù)的高精度實(shí)時(shí)設(shè)定及測量等。

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型及控制

試驗(yàn)臺(tái)采用與裝機(jī)對象相同的LR6105ZT10型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其調(diào)速特性模型為［12］：

式中，Me為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r／m in；nemax為發(fā)動(dòng)機(jī)最高空載轉(zhuǎn)速，r／min；χ為發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度。

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型為：

式中，Je為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω·e為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出角加速度，rad／s2；Ml為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用恒轉(zhuǎn)速控制，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的調(diào)節(jié)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型可計(jì)算出期望轉(zhuǎn)速控制信號。采用HN200-3426步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器IM483對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

2.2.2 負(fù)載計(jì)算及試驗(yàn)?zāi)M

拖拉機(jī)直駛工況變速器換段試驗(yàn)負(fù)載計(jì)算及實(shí)現(xiàn)方法已有文獻(xiàn)論述［13］。本文研究拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況的換段過程，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)兩側(cè)負(fù)載變化對換段過程的影響。

拖拉機(jī)工況不同，其左、右側(cè)負(fù)載變化關(guān)系不同。拖拉機(jī)直駛時(shí)，其左、右側(cè)負(fù)載大小相等、方向相同；中心轉(zhuǎn)向工況時(shí)，其左、右側(cè)負(fù)載大小相等、方向相反；在拖拉機(jī)直駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí)，其左、右側(cè)負(fù)載存在著一定差值，其差值大小與拖拉機(jī)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(jī)左、右側(cè)負(fù)載模型為：

式中，MkL、MkR為拖拉機(jī)雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)左、右側(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；Md為拖拉機(jī)直駛工況系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m，根據(jù)拖拉機(jī)質(zhì)量及使用條件給定；w為轉(zhuǎn)向負(fù)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(fù)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(fù)載模擬由電渦流測功機(jī)和盤式制動(dòng)器完成，電渦流測功機(jī)實(shí)現(xiàn)高速下負(fù)載模擬，盤式制動(dòng)器完成低速下負(fù)載模擬。電渦流測功機(jī)對負(fù)載的模擬由外控輸入電壓調(diào)節(jié)，通過對電渦流測功機(jī)提供合適的外控輸入電壓，使其產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速反饋用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定載荷。盤式制動(dòng)器由制動(dòng)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(fù)載由制動(dòng)盤慣性阻力矩和制動(dòng)蹄與制動(dòng)盤間摩擦阻力矩構(gòu)成。

2.2.3 試驗(yàn)測控系統(tǒng)

試驗(yàn)測控系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、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(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成試驗(yàn)條件設(shè)定、子系統(tǒng)管理、信號采集及數(shù)據(jù)處理等。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，工控機(jī)同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制器與起動(dòng)機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，由油門控制器根據(jù)工控機(jī)的指令控制發(fā)動(dòng)機(jī)。離合器油壓及流量等經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機(jī)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器信號由測速計(jì)數(shù)單元通過通用串行總線（USB）通訊輸入工控機(jī)。負(fù)載模擬系統(tǒng)控制器根據(jù)工控機(jī)設(shè)定的負(fù)載，模擬拖拉機(jī)行駛阻力，同時(shí)將負(fù)載模擬系統(tǒng)的信息通過串口與工控機(jī)通信。試驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)信號通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的信息交互。

試驗(yàn)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(tái)進(jìn)行程序開發(fā)，主要包括輸入輸出（I／O）接口軟件、人機(jī)交互面板、儀器驅(qū)動(dòng)程序、功能算法程序等。

3 試驗(yàn)研究

3.1 換段過程評價(jià)指標(biāo)

拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)換擋過程評價(jià)指標(biāo)有換擋沖擊、滑磨功和換擋時(shí)間等。換擋沖擊的直觀評價(jià)指標(biāo)為沖擊度和動(dòng)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(jī)，換擋過程對其縱向沖擊度的影響可以忽略不計(jì)，采用變速器輸出軸動(dòng)載因數(shù)來評價(jià)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(dòng)載因數(shù)作為換段沖擊的評價(jià)指標(biāo)，還可避免對變速器輸出動(dòng)載荷的微分計(jì)算，有利于試驗(yàn)測定值的穩(wěn)定。

離合器的滑磨功雖然可以通過理論計(jì)算得出，但在試驗(yàn)時(shí)較難測得。另外，本研究的雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)中采用濕式離合器，滑磨功導(dǎo)致的離合器溫升可通過油液冷卻，試驗(yàn)時(shí)滑磨功不作為換段品質(zhì)的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測定。

3.2 換段過程試驗(yàn)

拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)換段過程的影響因素較多，如轉(zhuǎn)向負(fù)載、轉(zhuǎn)向半徑、發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)載變化對其換段過程的影響為例進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)向負(fù)載的大小由轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)w表示，轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)越大，表明拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)所受的轉(zhuǎn)向阻力越大，拖拉機(jī)雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)兩側(cè)的負(fù)載差值越大。

以F4段換入F5段為例進(jìn)行換段過程試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)定為1 kN，轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)對雙功率流傳動(dòng)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(fù)載因數(shù)越大，動(dòng)載因數(shù)越大，換段沖擊越大。原因在于：當(dāng)轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)增大時(shí)，拖拉機(jī)雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)兩側(cè)負(fù)載差值增大，對液壓機(jī)械無級變速器負(fù)載的擾動(dòng)增大，增大了換段沖擊。

由圖1可知：F4段換入F5段時(shí)涉及3組離合器（L1和L2、L3和L4、L6和L7），換段時(shí)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(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3b可以看出：F4段換入F5段的狀態(tài)改變順序?yàn)?－2－3－6－9－11－13－16。由圖3b還可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)為0.15時(shí)，換段過程約在10.9 s完成；當(dāng)轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)為0.10時(shí)，換段過程約在11.1 s完成，說明轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)越大，換段時(shí)間越短。

圖3 轉(zhuǎn)向負(fù)載對換段過程的影響

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)雙流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，通過對其構(gòu)成及控制方法的理論分析，表明該試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)雙流傳動(dòng)拖拉機(jī)多工況參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，能完成雙流傳動(dòng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況換段過程的試驗(yàn)研究。

（2）提出了采用動(dòng)載因數(shù)作為拖拉機(jī)雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)換段過程的評價(jià)指標(biāo)。以F4段換入F5段為例，對拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向工況雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)換段過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向負(fù)載因數(shù)越大，換段沖擊越大，換段時(shí)間越短。

［1］ 曹付義，周志立，徐立友.雙流傳動(dòng)履帶車輛方向盤操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32（3）：16－19.

［2］ 王光明，朱思洪，史立新，等.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無級變速箱換段控制優(yōu)化與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（18）：51－59.

［3］ 楊樹軍，夏懷成，韓宗奇，等.基于同步信號的液壓機(jī)械無級傳動(dòng)控制器硬件在環(huán)仿真［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（4）：33－38.

［4］ Alarico M，Antonio R.Optimization of Hydro-mechanical Power Split Transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2011，46：1901－1919.

［5］ Simionescu P A，Smith M R，Tempea I.Synthesis and Analysis of the Two Loop Translational Input Steering Mechanism［J］.Mechanism and Machine Theory，2009，35（6）：927－943.

［6］ 魏超，苑士華，胡紀(jì)濱，等.等差式液壓機(jī)械無級變速器的速比控制理論與試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（16）：101－105.

［7］ 徐立友，周志立，彭巧勵(lì)，等.多段式液壓機(jī)械無級變速器方案設(shè)計(jì)與特性分析［J］.中國機(jī)械工程，2012，23（21）：2641－2644.

［8］ 伍迪，姚進(jìn)，李華，等.履帶車輛液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（8）：78－83.

［9］ 劉志君，郭志強(qiáng)，張英軍，等.液壓機(jī)械無級變速器換擋品質(zhì)研究［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29（1）：35－38.

［10］ 張迎軍，周志立，張明柱.多組離合器參與的換擋過程混合建模與仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（3）：1－6.

［11］ 曹付義，劉洋，周志立.履帶車輛軟地面穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，35（2）：29－32.

［12］ 張明柱，周志立，徐立友，等.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性時(shí)連續(xù)性數(shù)學(xué)模型研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（3）：74－77.

［13］ 倪向東，朱思洪，張海軍，等.液壓機(jī)械無級變速器換段品質(zhì)影響因素試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（6）：29－34.

［14］ 曹付義.履帶車輛液壓機(jī)械差速轉(zhuǎn)向性能分析與參數(shù)匹配［D］.西安：西安理工大學(xué)，2009.

S219.032.3

A

1672－6871（2014）06－0075－05

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

曹付義（1969－），男，河南蘭考人，副教授，博士，研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).

2014－01－26