王全勝,張明柱，白東洋，尹玉鑫，郝曉陽

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

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拖拉機(jī)多段液壓機(jī)械CVT犁耕作業(yè)動(dòng)態(tài)仿真

王全勝,張明柱，白東洋，尹玉鑫，郝曉陽

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

針對(duì)裝備多段液壓機(jī)械式CVT(HMCVT)拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)下的動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)基本原理建立拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、多段液壓機(jī)械式CVT變速器、中央傳動(dòng)和行走負(fù)載機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門和轉(zhuǎn)速信號(hào)，仿真出拖拉機(jī)犁耕時(shí)車速、驅(qū)動(dòng)力和加速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明：在調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門時(shí)車速平穩(wěn)變化，而驅(qū)動(dòng)力和加速度在開始調(diào)整時(shí)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，而后平滑過渡直至穩(wěn)定,并且牽引負(fù)載對(duì)拖拉機(jī)加速度存在明顯的影響。仿真結(jié)論：裝備多段HMCVT拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，為制定裝備多段HMCVT拖拉機(jī)經(jīng)濟(jì)性最佳的動(dòng)態(tài)控制策略奠定了基礎(chǔ)。

多段液壓機(jī)械式HMCVT;動(dòng)態(tài)特性;動(dòng)力學(xué)仿真;犁耕

0 引言

多段HMCVT是一種運(yùn)用功率分流原理實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的傳動(dòng)裝置，具有傳遞功率大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛[1-2]。在車輛動(dòng)態(tài)特性研究方面，國(guó)外從20世紀(jì)60年代 已經(jīng)開始在軍用車輛上應(yīng)用，并且對(duì)裝備多段HMCVT拖拉機(jī)的動(dòng)態(tài)特性理論研究比較成熟[3]。國(guó)內(nèi)的研究主要是針對(duì)HMCVT動(dòng)態(tài)特性的影響因素、動(dòng)力學(xué)仿真和換段品質(zhì)的研究[4-6]，但對(duì)裝備多段HMCVT拖拉機(jī)在犁耕條件下動(dòng)態(tài)特性的研究較少。因此，本文建立拖拉機(jī)整車動(dòng)力學(xué)模型，研究裝備多段HMCVT拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。

拖拉機(jī)功率從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，依次經(jīng)過多段HMCVT、中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)，最后到牽引負(fù)載。因此，依次建立發(fā)動(dòng)機(jī)、多段HMCVT、中央傳動(dòng)和行走負(fù)載機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型,仿真分析拖拉機(jī)在犁耕時(shí)動(dòng)態(tài)特性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際工作時(shí)，必須克服運(yùn)動(dòng)組件的慣性負(fù)載和阻尼負(fù)載,可根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型。

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型可表示為

(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)調(diào)速特性表示為

(2)

其中，Te表示為發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩(N·m)；ne表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；Ted表示發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩(N·m)；α表示發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度；Je表示發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣，取1.2kg·m2；Ce表示發(fā)動(dòng)機(jī)等效粘性阻尼，取0.1Nm·s。

2 HMCVT動(dòng)力學(xué)模型

多段HMCVT動(dòng)力傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 HMCVT傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

從圖1中可以看出：該變速器為雙功率流封閉行星齒輪傳動(dòng)，功率由I輸入并分為液壓路和機(jī)械路功率流，由行星輪系完成匯流，最后由Ⅳ軸輸出；通過控制離合器結(jié)合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同段位的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)變化。

由于建立HMCVT動(dòng)力學(xué)模型主要研究變速器的動(dòng)態(tài)特性，并且變速器組件變形小，因此可以忽略變速器組件的彈性變形[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可以把HMCVT動(dòng)力學(xué)模型分為離合器模塊、泵-馬達(dá)系統(tǒng)和軸系模塊。各個(gè)模塊建模均以離合器C1和C5閉合的液壓機(jī)械段為例。

2.1 離合器模型

多片濕式離合器的動(dòng)力學(xué)模型由主、從動(dòng)盤和摩擦片等構(gòu)成，具體如參考文獻(xiàn)[9]中所示。其中，ωmc(ωsc)、Jmc(Jsc)、Cmc(Csc)、Tmc(Tsc)分別為主、從動(dòng)盤角速度，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，阻尼和轉(zhuǎn)矩。由文獻(xiàn)[10]可知：離合器有3種工作狀態(tài)，分別為完全分離、滑摩和完全結(jié)合狀態(tài)，從完全分離到完全結(jié)合經(jīng)過4個(gè)階段:

1)空行程階段。主、動(dòng)盤未接觸，此時(shí)有

Tsc=0;ωsc=0

(3)

2)靜阻力階段。主、從動(dòng)盤的摩擦轉(zhuǎn)矩小于從動(dòng)盤的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf，此時(shí)有

(4)

3)滑摩階段。主、從動(dòng)盤摩擦轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)有

(6)

4)同步階段。主、從動(dòng)盤結(jié)合在一起,角速度和轉(zhuǎn)矩均相同，此時(shí)有

(7)

其中，在靜阻力和滑摩階段，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)矩與主、從動(dòng)盤摩擦轉(zhuǎn)矩相同[11]，即

(8)

其中，n0表示摩擦片數(shù)；F表示主、從離合器壓力(N)；R0表示摩擦片外半徑(m)；Rp表示摩擦片內(nèi)半徑(m)；k表示摩擦片系數(shù)的斜率；μs表示無滑轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦因數(shù)。

2.2 泵-馬達(dá)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

HMCVT液壓路使用的是變量泵-定量馬達(dá)系統(tǒng)，通過改變變量泵的排量比實(shí)現(xiàn)液壓路速比的連續(xù)變化。由于泵-馬達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型比較復(fù)雜，影響因素很多，如系統(tǒng)泄漏、補(bǔ)油、油液密度和粘度變法也很多,因此建模方法很多，側(cè)重面也不同。本文根據(jù)文獻(xiàn)[11]建立泵-馬達(dá)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模。動(dòng)力學(xué)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

(10)

(11)

其中，Tp(Tm)為泵或馬達(dá)軸轉(zhuǎn)矩(N·m)；e為泵排量比；Jp(Jm)為泵或馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；Cp(Cm)為為泵或馬達(dá)的阻尼系數(shù)；V為壓力油腔總?cè)莘e(m3)；β為油液體積彈性模量(Pa)；Ph、Pl為高、低壓側(cè)的壓力(Pa)；Ct為泵和馬達(dá)總泄漏系數(shù)；Cit為內(nèi)泄漏系數(shù)；ωp(ωm)為泵或馬達(dá)角速度(rad/s)；qm為馬達(dá)的排量(mL/r)；Dm為馬達(dá)的額定排量(m3/rad)。

2.3 軸系模型

HMCVT結(jié)構(gòu)緊湊，組件變形小，因此忽略HMCVT彈性變形對(duì)動(dòng)力學(xué)模型造成的影響[12]。HMCVT各軸之間通過齒輪副或離合器傳遞動(dòng)力，因此把軸以及固定在軸上的組件作為一個(gè)軸建立動(dòng)力學(xué)模型。以離合器C1、C5結(jié)合的液壓機(jī)械段為例建立軸系模型如圖2所示。圖2中數(shù)字代表齒輪編號(hào)，Z開頭的代表軸，C開頭的代表離合器(主動(dòng)側(cè)加m前綴，從動(dòng)側(cè)加s前綴)，J、C、T、ω代表軸或齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼、轉(zhuǎn)矩和角速度,i開頭的表示齒輪副的傳動(dòng)比。

根據(jù)軸系模型列動(dòng)力學(xué)模型為

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(CZ10+Csk2+Csk1)ωZ15=T15-Tsk1

(21)

Tck1-T25/iC1-T19/iC3

(22)

(CZ13+Cck2+Crk1)ωZ13=TZ13-Trk1

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

圖2 液壓機(jī)械無級(jí)變速器軸系模型

3 中央傳動(dòng)動(dòng)態(tài)模型

不考慮車輛的轉(zhuǎn)向問題，簡(jiǎn)化中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立中央傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為

(33)

其中，JZY、CZY為中央傳動(dòng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼；Tw為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩(kN)。

4 行走負(fù)載機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型

為簡(jiǎn)化模型，把拖拉機(jī)看作剛性結(jié)構(gòu)，在受到牽引力FT、驅(qū)動(dòng)力Fq、滾動(dòng)阻力Ff、風(fēng)阻Fw和坡道阻力Fα的條件下處于動(dòng)態(tài)平衡中，拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)，由于車速較低，風(fēng)阻忽略不計(jì)，受力分析如圖3所示。

圖3 行走負(fù)載機(jī)構(gòu)受力分析

其平衡方程為

(34)

Fq=Twrd

(35)

Ff=μmgcosα

(36)

Fα=mgsinα

(37)

(38)

(39)

犁耕時(shí)動(dòng)力學(xué)模型表示為

FT=nkbh

(40)

其中，F(xiàn)T為拖拉機(jī)牽引力(kN)；Ff為滾動(dòng)阻力(kN)；Fα為坡道阻力(kN)；n為犁鏵數(shù)；μ為耕地阻力因數(shù)；k為土壤阻力系數(shù)；b為犁鏵寬度(cm)；h為耕深(cm)；α為坡度角；m為拖拉機(jī)質(zhì)量(kg)；v為車輛行駛車速(km/h)；rd為驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)；ic為中央傳動(dòng)比；δ為驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率。

5 仿真結(jié)果及分析

在MatLab/Sumlink環(huán)境中依次建立發(fā)動(dòng)機(jī)、HMCVT、中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走負(fù)載機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型, 并串聯(lián)4部分構(gòu)成構(gòu)成整車動(dòng)態(tài)模型，仿真參數(shù)如下：驅(qū)動(dòng)輪半徑0.704 6m、拖拉機(jī)質(zhì)量(包含耕犁)7 760kg、坡度角0°、耕地阻力因數(shù)0.15、犁鏵數(shù)5、土壤阻力系數(shù)5.0N/cm2、犁鏵寬度20cm、耕深20cm。圖4和圖5分別為輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制信號(hào)和耕深變化信號(hào)。仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度

圖5 耕深變化

圖6 拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力

圖7 拖拉機(jī)加速度

圖8 拖拉機(jī)車速

結(jié)果分析：

1)圖4信號(hào)主要通過油門開度的變化仿真拖拉機(jī)的加速性能，圖5信號(hào)主要根據(jù)耕深的變化模擬負(fù)載的變化。從圖6可以看出：拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力在油門開始變化時(shí)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，說明拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)存在動(dòng)力沖擊，動(dòng)力沖擊主要來自泵-馬達(dá)系統(tǒng)和離合器結(jié)合。減小沖擊的策略：①對(duì)于泵-馬達(dá)系統(tǒng),可以優(yōu)化泵馬達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及變內(nèi)外泄露、改變油腔的體積等等；②對(duì)于離合器的沖擊，可以制定離合器控制策略。

2)從圖7可以看出：在前4s內(nèi)車輛的加速度在驅(qū)動(dòng)力不變時(shí)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，而在前4s主要是負(fù)載變化，說明拖拉機(jī)的加速度受牽引負(fù)載的影響,依此為依據(jù)可以提出發(fā)動(dòng)機(jī)油門、傳動(dòng)比和耕深的三元調(diào)節(jié)的理論，通過三元調(diào)節(jié)使拖拉機(jī)經(jīng)濟(jì)性最佳或動(dòng)力性最佳。

3)從圖8可以看出：除了4s時(shí)刻車速出現(xiàn)微量的波動(dòng)，其它時(shí)間速度曲線比較平滑，說明拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力的沖擊對(duì)對(duì)速度的影響比較小。綜合圖6～圖8可以看出：裝備多段HMCVT的拖拉機(jī)在犁耕時(shí)整體動(dòng)態(tài)性能較好。

6 結(jié)論

本文主要研究裝備多段HMCVT傳動(dòng)拖拉機(jī)犁耕作業(yè)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明：裝備多段HMCVT傳動(dòng)拖拉機(jī)在犁耕作業(yè)下動(dòng)態(tài)特性較好，為制定裝備多段HMCVT拖拉機(jī)經(jīng)濟(jì)性最佳的動(dòng)態(tài)控制策略奠定基礎(chǔ)。

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Dynamic Simulation of Tractor Equipped with Multi-range Hydro-mechanical CVT during Ploughing

Wang Quansheng, Zhang Mingzhu,Bai Dongyang, Yin Yuxin, Hao Xiaoyang

(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China)

Research on dynamic characteristics of tractor equipped with multi-range hydro-mechanical CVT during ploughing, The dynamic model of tractor including dynamic model of the engine, multi-range hydro-mechanical CVT transmission, central driving and walking mechanism is set up by using the basic principle of dynamics.By controlling engine throttle and speed signal, the dynamic response of vehicle speed, driving force and acceleration of the tractor is simulated during ploughing. The simulation results show that the speed of the engine is stable when the engine is adjusted, And the driving force and acceleration at the beginning of the adjustment appear sharp fluctuations, then smooth transition until stable,and The traction load has obvious effect on the acceleration of the tractor.Simulation results: tractor equipped with multi-range hydro-mechanical CVT during ploughing has good dynamic characteristics, laying the foundation for formulating control strategy of tractor 's best economy equipped with multi-range hydro-mechanical CVT.

multi-range hydro-mechanical CVT; dynamic characteristics; dynamic simulation; plough

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375145)

王全勝(1988-)，男，河南商水人，碩士研究生，(E-mail)646719293@qq.com。

張明柱(1964-),男，河南伊川人，教授，博士，(E-mail)ming2000@126.com。

S219.032.1

A

1003-188X(2017)01-0232-05