韓雙蔓， 倪向東， 鮑明喜， 趙 新， 李 申， 王光明

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院， 山東 泰安 271000)

引言

液壓功率分流無級(jí)變速箱(Hydro-mechanical Power Split Transmissions)是一種結(jié)合了機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的大功率無級(jí)變速箱。機(jī)械傳動(dòng)使變速箱具有較廣的調(diào)速范圍和較高的傳動(dòng)效率，同時(shí)液壓傳動(dòng)使變速箱具有理想的無級(jí)調(diào)速特性。機(jī)械功率與液壓功率通過行星齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)匯合與分流，通過離合器的通斷實(shí)現(xiàn)多段動(dòng)力與輸出軸的接合與分離，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)變化。為設(shè)計(jì)液壓功率分流無級(jí)變速箱方案，王月文[1]提出一種三段式液壓機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)方案，采用2個(gè)單行星輪排k1,k2，能實(shí)現(xiàn)4～30 km/h范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速；王璠等[2]提出一種四段式液壓機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)方案，采用辛普森式行星齒輪結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)6～53 km/h范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，滿足水旱兩用拖拉機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩要求。液壓功率分流無級(jí)變速箱負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力大，傳動(dòng)平穩(wěn)，能夠適應(yīng)工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)合，因此在工程車輛、軍事車輛、農(nóng)業(yè)車輛上均有應(yīng)用[3-5]。

液壓功率分流無級(jí)變速箱結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)計(jì)和加工試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，因此，簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)、利用軟件對(duì)其進(jìn)行建模和仿真，是進(jìn)行變速箱特性分析、優(yōu)化變速箱控制策略的有效途徑。本研究提出一種基于拉維娜行星齒輪結(jié)構(gòu)的等比式無級(jí)傳動(dòng)方案，利用SimulationX3.5軟件建立起發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及其負(fù)載的模型，重點(diǎn)對(duì)變速器起步特性、調(diào)速特性、加速特性進(jìn)行了分析，獲得變速器各組件重點(diǎn)特性參數(shù)，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的正確性，為變速器進(jìn)一步優(yōu)化和控制策略研究提供了理論依據(jù)。

1 傳動(dòng)方案及理論分析

1.1 變速箱傳動(dòng)方案

所設(shè)計(jì)的變速箱由機(jī)械傳動(dòng)部分和液壓調(diào)速部分共同組成，其傳動(dòng)原理圖如圖1所示，選用John Deere 4045HYC11柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸入，額定功率104 kW，額定轉(zhuǎn)速2400 r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸入軸，分兩路傳遞給變量泵和行星輪系中心齒輪，液壓調(diào)速部分調(diào)速后將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出至行星輪系齒圈，行星輪系將兩路輸入?yún)R合，通過輸出軸將動(dòng)力向后傳遞。

圖1 變速箱傳動(dòng)原理圖

該變速箱機(jī)械部分采用拉維娜式行星齒輪結(jié)構(gòu)，液壓部分采用變量泵變量馬達(dá)組成的閉式調(diào)速回路，具有1個(gè)低速段HM1、1個(gè)高速段HM2，分別由離合器1、離合器2獨(dú)立控制，且兩相鄰液壓功率分流段的傳動(dòng)比滿足等比傳動(dòng)條件。其中，HM1段用于車輛低速作業(yè)，HM2段用于車輛高速運(yùn)輸作業(yè)。HM1和HM2段的段內(nèi)調(diào)節(jié)速度分別為6～18 km/h和18～56 km/h，滿足多種工況需要。

1.2 傳動(dòng)方程與速比特性

拉維娜(Ravigneaux)式行星齒輪結(jié)構(gòu)由1個(gè)單行星輪排與1個(gè)雙行星輪排組合而成，兩行星排共用1個(gè)行星架和1個(gè)齒圈，可在不同換擋執(zhí)行元件設(shè)計(jì)的前提下獲得不同前進(jìn)擋，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)[6]。標(biāo)準(zhǔn)拉維娜行星輪系轉(zhuǎn)速滿足如下關(guān)系：

(1)

式中,ns1—— 大太陽輪轉(zhuǎn)速，r/min

ns2—— 小太陽輪轉(zhuǎn)速，r/min

nR1，nR2—— 齒圈轉(zhuǎn)速，r/min

nC1，nC2—— 行星架轉(zhuǎn)速，r/min

k1，k2—— 行星排的特性參數(shù)

閉式液壓回路中，變量馬達(dá)和變量泵間的關(guān)系如下[7]：

nm=npε

(2)

式中,np—— 變量泵的輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min

nm—— 變量馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min

ε—— 泵控液壓馬達(dá)的排量比

變速箱傳動(dòng)比與車輛行駛速度之間的關(guān)系如下：

(3)

式中，ik—— 變速箱總傳動(dòng)比

ω1—— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s

ω2—— 車輪轉(zhuǎn)速，rad/s

n0—— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

v—— 車輛的行駛速度，km/h

rd—— 驅(qū)動(dòng)輪的當(dāng)量半徑，m

ir—— 后橋主減速傳動(dòng)比

iw—— 車輛輪邊減速傳動(dòng)比

化簡(jiǎn)得：

(4)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，將n0=2400；ir=3.7；iw=5.6；rd=0.858代入式(4)，得到變速箱的各段傳動(dòng)比范圍：

iⅠ∈(6.25,2.08)，iⅡ∈(2.08,0.69)

推得變速箱各段傳動(dòng)比為：

(5)

(6)

式中，iⅠ，iⅡ分別為變速箱在Ⅰ區(qū)段、變速箱Ⅱ區(qū)段的傳動(dòng)比。

為滿足相鄰兩工作段能夠?qū)崿F(xiàn)同步換段，要求[8]:

(1) 換段點(diǎn)前后傳動(dòng)比相等;

(2) 換段點(diǎn)前后變量泵排量比相等。

當(dāng)ε=-1時(shí)，iⅠ和iⅡ分別取極限值6.25和0.69，而ε=1時(shí)，iⅠ和iⅡ取極限值2.08。考慮到行星排特性參數(shù)k的取值范圍為1～4，取k1=2,k2=4，i1i2=4，能夠滿足變速箱的速比變化和同步換段需求。

2 SimulationX建模

SimulationX是德國ITI公司開發(fā)的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)仿真軟件，使用該軟件可以在許多學(xué)科分支中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程建模和仿真。SimulationX基于物理模型的圖形和原始模型數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，可以通過GUI輕松對(duì)仿真模型進(jìn)行擴(kuò)展和修改，無需編譯任何程序代碼[9-10]。SimulationX建?？梢酝ㄟ^以下方式：使用系統(tǒng)主模式進(jìn)行建模仿真；使用Modelica建立模型；將C語言模型以圖形模塊化方式集成到SimulationX中，直接用作模型中的模塊使用。同時(shí)，SimulationX可以與MATLAB,ADAMS等其他軟件進(jìn)行協(xié)同仿真，并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?；诜?hào)分析和計(jì)數(shù)運(yùn)算的智能求解器可以根據(jù)用戶建立的模型的數(shù)學(xué)特征選擇最優(yōu)積分算法，從而節(jié)省仿真時(shí)間，提高仿真精度，提供完整線性化的數(shù)據(jù)結(jié)果[11]。因此，選用SimulationX3.5作為仿真建模平臺(tái)，反映變速箱的工作原理和工作特性。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)為變速箱提供動(dòng)力輸入，是車輛的主要?jiǎng)恿υ碵12]。根據(jù)試驗(yàn)建模的方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

其中，source3表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T，N·m；inertia3表示飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，kg·m2；inputDrive表示飛輪轉(zhuǎn)速v，r/min；function17用于計(jì)算系統(tǒng)所需發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并將信號(hào)傳遞至source3和curve2D2；curve2用于調(diào)節(jié)油門開度，設(shè)定飛輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；sensor1表示傳感器，用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)傳遞至curve2D2；curve2D2用于查詢發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，輸入信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和飛輪轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，g/kWh。

2.2 泵控液壓馬達(dá)模型

泵控液壓馬達(dá)回路使液壓功率分流無級(jí)變速箱具備無級(jí)調(diào)速特性，泵控液壓馬達(dá)回路建模如圖3所示。

圖3 泵控液壓馬達(dá)模型

其中，tank表示油箱，用于為液壓回路供油；volume1表示油管體積，用于考慮封閉空間中可壓縮流體的行為，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；qSource1表示補(bǔ)油泵，其補(bǔ)油壓力由pressureReliefValve3設(shè)定，用于補(bǔ)充內(nèi)泄的油液損失；pumpMotorVar1為變量泵，用于將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為液壓能；pumpMotor為定量馬達(dá)，用于將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的形式向后傳遞；pressureReliefValve為減壓閥，checkValve為單向閥，二者并聯(lián)形成單向減壓閥，用于穩(wěn)定油路壓力，當(dāng)系統(tǒng)油壓過高時(shí)，高壓油通過單向減壓閥溢流回油箱，保護(hù)油路安全；pressureSensor，flowSensor分別為壓力傳感器和流量傳感器，用于實(shí)時(shí)顯示容積調(diào)速回路的油壓、流量曲線。

2.3 濕式離合器模型

離合器接合情況決定液壓功率分流無級(jí)變速箱的輸出情況，采用的離合器模型如圖4所示。

圖4 離合器模型

其中，curve3表示閥控信號(hào)源，用于控制電液比例閥的閥芯動(dòng)作；propDirValve為電液比例閥，當(dāng)電液比例閥閥芯位于1位時(shí)，高壓油經(jīng)P口通過閥芯，液壓缸c3充油，當(dāng)電液比例閥閥芯位于0位時(shí)，高壓油無法通過閥芯，液壓缸c3內(nèi)的液壓油泄壓經(jīng)T口回到油箱；flowControlValve為節(jié)流閥，checkValve為單向閥，二者并聯(lián)形成單向節(jié)流閥，用于控制進(jìn)入液壓缸的液壓油流量，以提高液壓缸充油過程穩(wěn)定性；preset為動(dòng)作預(yù)設(shè)元件，用于模擬離合器座與驅(qū)動(dòng)杯；c3表示液壓油缸，用于推動(dòng)活塞，克服彈簧spring4的彈簧力，壓緊摩擦片與對(duì)偶片組，使離合器座與驅(qū)動(dòng)杯接合；mass為線性質(zhì)量模塊，用于考慮摩擦片與對(duì)偶片組的壓緊過程。

2.4 負(fù)載模型

負(fù)載模型如圖5所示，用于測(cè)試變速箱的動(dòng)力性能。其中，source1表示加載裝置，對(duì)變速箱輸出軸施加力矩，N·m；curve5為加載信號(hào)，定義負(fù)載力矩大小；roTransTrafo1為動(dòng)力換向裝置，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)車輛前進(jìn)，其傳動(dòng)比設(shè)置為車輛后橋減速傳動(dòng)比與輪邊減速傳動(dòng)比的乘積；vehicle1代表車輛，在SimulationX3.5軟件中，可以對(duì)車輛類型進(jìn)行選擇，設(shè)置車輛重量，并考慮氣動(dòng)阻力、滾動(dòng)阻力和坡度阻力的影響。

圖5 負(fù)載模型

2.5 整機(jī)模型

根據(jù)所述的各模塊模型建立整機(jī)模型。機(jī)械傳動(dòng)部分按照液壓功率分流無級(jí)變速箱的構(gòu)造，分別設(shè)置了其各個(gè)齒輪副、行星排、離合器等。為簡(jiǎn)化仿真模型，在建模過程中，系統(tǒng)自動(dòng)獲取濕式離合器模塊的力信號(hào)，包括液壓缸的活塞推力、彈簧力等，使用sum函數(shù)將其輸入到整機(jī)模型的盤式離合器discClutch中，保證模型符合整機(jī)工作實(shí)際，整機(jī)模型如圖6所示。

圖6 整機(jī)模型

3 仿真與分析

3.1 傳動(dòng)連續(xù)性仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓功率分流無級(jí)變速器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)計(jì)的等比式連續(xù)無級(jí)傳動(dòng)，結(jié)合建立的模型進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2400 r/min，仿真時(shí)間設(shè)計(jì)為21 s，泵排量比及各工作段時(shí)間分配如表1所示。

表1 各工作時(shí)間配合方式

圖7為變速器輸出仿真結(jié)果。由圖可知，在連續(xù)性仿真過程中，0～3 s發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，同時(shí)變量泵排量比完成從0到 -1的變化，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起步；3～10 s變量泵排量比從-1到1變化，實(shí)現(xiàn)變速箱在HM1區(qū)段內(nèi)的加速，此時(shí)離合器1接合，離合器2斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸速度達(dá)到1000 r/min；10～20 s變量泵排量比從1到-1變化，實(shí)現(xiàn)變速箱在HM2區(qū)段內(nèi)的加速，此時(shí)離合器2接合，離合器1斷開，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3300 r/min。HM1和HM2區(qū)段換段過程銜接平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)速比連續(xù)變化，且速比變化符合等比式變化規(guī)律，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 傳動(dòng)連續(xù)性仿真結(jié)果

3.1 調(diào)速特性分析

在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，變速器輸出軸能否短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定，是衡量變速器性能的一個(gè)重要指標(biāo)[13-14]。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液壓功率分流無級(jí)變速器的調(diào)速特性，結(jié)合建立的模型進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2400 r/min，仿真時(shí)間設(shè)計(jì)為30 s，泵排量比及各工作段時(shí)間分配如表2所示。

表2 各工作時(shí)間配合方式

圖8為變速器輸出仿真結(jié)果。由圖可知，在連續(xù)性仿真過程中，20～23 s，變速器穩(wěn)定至最高轉(zhuǎn)速，變量泵的排量比為-1；23～26 s，變量泵排量比從-1線性變換為1，變速器在HM2區(qū)段內(nèi)減速，此時(shí)離合器2接合，離合器1斷開；23～26 s，變量泵排量比從1線性變換為-1，變速器在HM1區(qū)段內(nèi)減速，此時(shí)離合器1接合，離合器2斷開，變速器從最高速減速至最低速共計(jì)用時(shí)6 s，具有較好的調(diào)速性能。

圖8 調(diào)速特性仿真結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 提出了一種基于拉維娜行星齒輪結(jié)構(gòu)的新型液壓功率分流無級(jí)變速傳動(dòng)方案，計(jì)算分析了其速比特性，確定了其關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，取k1=2,k2=4，i1i2=4能夠滿足變速箱的速比變化和同步換段需求；

(2) 基于SimulationX建立了所設(shè)計(jì)變速箱方案的物理模型，對(duì)其傳動(dòng)特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的新型液壓功率分流無級(jí)變速箱能實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)6～56 km/h范圍內(nèi)的等比式無級(jí)調(diào)速，符合設(shè)計(jì)要求；

(3) 對(duì)變速箱調(diào)速特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：變速器能在6 s內(nèi)從最高速調(diào)速至最低速，具有較好調(diào)速性能，為控制策略制定提供了理論依據(jù)。