王越航，曹付義，2，席志強(qiáng)，徐立友，3

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471003;3.拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

0 引言

液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置(HMT)將機(jī)械傳動(dòng)的高效率和液壓傳動(dòng)的良好調(diào)速特性相結(jié)合，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)排量可使HMT 輸出轉(zhuǎn)速大范圍連續(xù)變化，對(duì)農(nóng)用車輛，軍用車輛等特種車輛具有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前，針對(duì)液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1-2］、參數(shù)匹配［3-4］、工作特性［5-7］等方面取得了豐富的科研成果。

液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化是由2個(gè)或多個(gè)無級(jí)調(diào)速模式組合得到，相鄰模式之間的切換過程影響到HMT 整體工作性能。國內(nèi)外研究人員對(duì)模式切換過程動(dòng)態(tài)特性［8-9］、切換品質(zhì)影響因素［10-11］以及切換規(guī)律［12-13］等方面已有相應(yīng)研究，但少有對(duì)HMT 模式切換過程的控制研究。因此，為更好地改善切換品質(zhì)，提升HMT 工作性能，需要對(duì)模式切換控制方法做進(jìn)一步的研究。

以某液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種液壓調(diào)速系統(tǒng)排量調(diào)節(jié)控制和模式切換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的模式切換方法，通過仿真驗(yàn)證該切換方法對(duì)改善HMT 模式切換品質(zhì)的有效性。

1 HMT 模式切換過程分析

1.1 HMT 工作原理

液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由液壓調(diào)速系統(tǒng)(變量液壓泵、定量液壓馬達(dá))、功率耦合機(jī)構(gòu)(行星排1、行星排2)和模式切換機(jī)構(gòu)(離合器C1、離合器C2)組成。通過改變模式切換機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)，可使HMT 分別在液壓模式(H 模式)、液壓機(jī)械模式(HM 模式)下工作;調(diào)節(jié)變量液壓泵排量，可使HMT 輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化。2 種模式下HMT 部分構(gòu)件工作狀態(tài)如表1 所示。

圖1 液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

表1 不同模式下部分構(gòu)件工作狀態(tài)

由于2 種模式之間相互切換具有相似過程，本文主要對(duì)液壓模式向液壓機(jī)械模式切換過程進(jìn)行研究。

1.2 模式切換過程分析

在理想情況下，存在HMT 模式切換理論排量(變量液壓泵排量)，在此理論排量下進(jìn)行模式切換時(shí)，離合器C1 能夠同步接合，切換過程輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o波動(dòng)，同時(shí)可使切換前后輸出轉(zhuǎn)速保持一致。該模式切換理論排量由HMT 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，表達(dá)式為:

然而，在實(shí)際模式切換過程中，HMT 內(nèi)部功率流向會(huì)在模式切換前后發(fā)生變化，導(dǎo)致變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)的工作角色發(fā)生轉(zhuǎn)變(H 模式:變量液壓泵定量液壓馬達(dá);HM 模式:定量液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變量液壓泵)，再加之變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)存在內(nèi)泄漏以及油液自身特性的影響，液壓調(diào)速系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)流量損失，從而使得切換前后HMT 內(nèi)部相關(guān)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，進(jìn)而影響模式切換品質(zhì)。模式切換前后HMT 各構(gòu)件轉(zhuǎn)速如圖2 所示。

圖2 模式切換前后HMT 各構(gòu)件轉(zhuǎn)速圖

從圖2 可以看出，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速不變時(shí)，變量液壓泵轉(zhuǎn)速不變。在理想狀態(tài)下，定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速在模式切換前后不變，HMT 輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)。在實(shí)際工作過程中，由于液壓調(diào)速系統(tǒng)流量的損失，隨著排量調(diào)節(jié)，定量液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速和HMT 實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速均低于其理論值;在H 模式向HM 模式切換過程中，由于變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)工作角色轉(zhuǎn)變，加之流量泄露的影響，定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)躍升，進(jìn)而造成模式切換前后穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速不一致。此外，由于實(shí)際轉(zhuǎn)速的降低，使得離合器C1 的主、從動(dòng)盤存在速差，接合過程出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響模式切換過程的穩(wěn)定。

1.3 模式切換評(píng)價(jià)指標(biāo)

模式切換時(shí)間和沖擊度［14］通常作為HMT 模式切換品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于在模式切換過程，離合器的分離和接合會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)降低，造成動(dòng)力中斷。因此，采用輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)來評(píng)價(jià)切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的降低程度。

輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)表達(dá)式為

2 HMT 模式切換優(yōu)化控制

2.1 模式切換控制方法制定

依據(jù)模式切換過程分析可知，流量損失是影響切換過程穩(wěn)定性的主要因素，因此可通過排量的調(diào)節(jié)來補(bǔ)償流量損失，同時(shí)對(duì)離合器接合和分離過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以此來提高模式切換品質(zhì)。

模式切換策略具體為:在H 模式下，當(dāng)變量液壓泵排量達(dá)到模式切換理論排量時(shí)，開始進(jìn)行模式切換。依據(jù)HMT 所處工況信息(輸入轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩)，以模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速為參考值，通過建立的排量預(yù)測(cè)模型對(duì)HM 模式下相同穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的排量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在切換過程調(diào)節(jié)變量液壓泵排量至預(yù)測(cè)值，從而保證切換前后的穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速相同;與此同時(shí)，基于二次型最優(yōu)控制理論，對(duì)模式切換機(jī)構(gòu)離合器C1、C2 的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，減小切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。其中，模式切換過程排量調(diào)節(jié)采用階躍形式調(diào)節(jié)，階躍調(diào)節(jié)能在不影響切換穩(wěn)定性的同時(shí)，減少模式切換時(shí)間［12］。HMT 模式切換流程如圖3 所示。

圖3 模式切換流程圖

2.2 模式切換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制

建立模型時(shí)，假設(shè)各構(gòu)件以集中質(zhì)量形式存在，忽略行星排的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼影響，消去行星排內(nèi)力以及各構(gòu)件之間相互作用力，依據(jù)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型、離合器模型和行星排模型［14］得模式切換過程數(shù)學(xué)模型為:

式中:Ti為輸入轉(zhuǎn)矩，N·m;TC1為離合器C1 轉(zhuǎn)矩，N·m;TC2為離合器C2 轉(zhuǎn)矩，N·m;Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m;no為輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

以減小模式切換過程輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)和減小沖擊為目標(biāo)，將離合器轉(zhuǎn)矩變化率作為控制變量，輸出轉(zhuǎn)速作為輸出量，且由于模式切換過程短暫，可認(rèn)為切換過程輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，忽略液壓調(diào)速系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，根據(jù)式(3)和式(4)可得切換過程狀態(tài)空間方程為

二次型控制目標(biāo)函數(shù)為

式中:e 為模式切換過程輸出轉(zhuǎn)速與模式切換前平穩(wěn)輸出轉(zhuǎn)速的誤差，e=no_ref-y，no_ref為模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速;q、r 為加權(quán)矩陣。

因?yàn)榫仃嚕跙 AB］以及矩陣［C CA］T的秩均為2，根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性定理可知模式切換過程離合器轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，存在最優(yōu)控制量u*，使得控制目標(biāo)函數(shù)取得最小值。

最優(yōu)控制為

對(duì)稱正定矩陣滿足里卡蒂矩陣微分方程

常值伴隨向量為

通過求解式(8)、式(9)，結(jié)合式(7)可得模式切換過程閉環(huán)控制下離合器轉(zhuǎn)矩最優(yōu)變化率，進(jìn)而積分得到切換過程離合器C1、C2 實(shí)時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩。

2.3 排量預(yù)測(cè)模型

為方便研究，假設(shè)變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)均為內(nèi)泄漏，且泄露為層流;各連接管道為短硬管，連接處密封良好，忽略沿層壓力損失，模式切換前后液壓調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際流量平衡方程為

H 模式(變量液壓泵驅(qū)動(dòng)定量液壓馬達(dá)):

HM 模式(定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變量液壓泵):

根據(jù)行星排轉(zhuǎn)速方程式，HM 模式下定量馬達(dá)理論輸出流量與輸入轉(zhuǎn)速和模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系為

式中:no_ref為模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

HM 模式下實(shí)際驅(qū)動(dòng)變量液壓泵的輸入流量為

HM 模式下定量馬達(dá)、變量液壓泵流量損失量為

式中:Csm為定量馬達(dá)流量損失系數(shù);Csp為變量液壓泵流量損失系數(shù);ΔP 為液壓調(diào)速系統(tǒng)高低壓側(cè)油壓差，MPa;μ 為油液動(dòng)力黏度，N·s/m2;Dpmax為變量液壓泵最大排量，mL/r。

根據(jù)行星排轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，推導(dǎo)得液壓調(diào)速系統(tǒng)高低壓側(cè)油壓差與負(fù)載轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

式中:ηm為定量馬達(dá)機(jī)械效率;Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

結(jié)合式(16)，得H 模式向HM 模式切換過程排量預(yù)測(cè)表達(dá)式為

式中:α=k1ipDm，。

3 仿真分析

3.1 仿真方案

為探究設(shè)計(jì)的排量及轉(zhuǎn)矩控制的模式切換方法對(duì)改善切換過程品質(zhì)的有效性，以東方紅牌某型洗掃車為裝機(jī)對(duì)象，基于AMEsim 軟件，對(duì)洗掃車滿載時(shí)在路面良好的平直公路勻速行駛工況下的模式切換過程進(jìn)行仿真分析。主要仿真參數(shù)如表2 所示，仿真模型如圖4 所示。

圖4 仿真模型圖

表2 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

逐漸調(diào)節(jié)液壓調(diào)速系統(tǒng)排量至模式切換理論排量，待車輛行駛速度穩(wěn)定后，在19 s 處進(jìn)行HMT 模式切換仿真。HMT 模式切換過程輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、沖擊度、轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)以及液壓調(diào)速系統(tǒng)排量變化的仿真結(jié)果如圖5 所示。

由圖5(a)可以看出，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行模式切換時(shí)，切換過程HMT 輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅下降，最大降幅為123.51 N·m，最大轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)為0.67;隨著離合器C1 的接合，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸上升，但上升過程中，輸出轉(zhuǎn)矩在19.2 s 附近出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于此時(shí)HMT 內(nèi)部功率流向發(fā)生變化，液壓調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部油液的高低壓側(cè)因此改變，同時(shí)，油液高低壓側(cè)的轉(zhuǎn)變引起了定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致HMT 輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，影響模式切換品質(zhì)。當(dāng)采用本文設(shè)計(jì)的模式切換方法時(shí)，切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的降幅明顯減小，最大降幅為85.69 N·m，最大輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)為0.47，與傳統(tǒng)模式切換方法相比，最大輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)降低了29.85%;由于對(duì)切換過程離合器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，HMT 輸出轉(zhuǎn)矩在上升的過程中波動(dòng)也得到消除，模式切換過程動(dòng)力性得到改善。從圖5(a)還可以看出，在采用本文模式切換方法時(shí)，由于對(duì)變量液壓泵的排量進(jìn)行了階躍調(diào)節(jié)，使得模式切換初始一段時(shí)間內(nèi)HMT 輸出轉(zhuǎn)矩高于其穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩，但結(jié)合圖5(b)不難得知，排量調(diào)節(jié)導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)矩升高對(duì)切換過程的沖擊度影響甚微，沒有影響模式切換過程的整體穩(wěn)定性。

由圖5(b)可知，使用傳統(tǒng)模式切換方法的模式切換過程沖擊度在(-17.97 m/s3，13.12 m/s3)之間變化，采用本文制定的模式切換方法時(shí)，切換過程沖擊度能夠控制在(-14.35 m/s3，9.92 m/s3)之間，與傳統(tǒng)方法相比，最大沖擊度降低了20.14%。

根據(jù)圖5(c)、(d)可以看出，采用傳統(tǒng)方法，在模式切換理論排量(變量液壓泵排量為36.8 mL/r)進(jìn)行模式切換時(shí)，受HMT 內(nèi)部功率流向改變和液壓調(diào)速系統(tǒng)流量泄露影響，模式切換前后HMT 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速存在5.88 r/min 的誤差，并且模式切換時(shí)間為1.01 s。通過依據(jù)所處工況信息對(duì)排量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并階躍調(diào)節(jié)變量液壓泵排量至預(yù)測(cè)值36.54 mL/r，使得模式切換前后HMT 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速誤差減小至0.37 r/min;同時(shí)，加之對(duì)模式切換機(jī)構(gòu)離合器轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，模式切換時(shí)間縮減至0.83 s，和傳統(tǒng)方法相比，切換時(shí)間減小了17.82%。

圖5 模式切換仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果分析可知，本文設(shè)計(jì)的模式切換控制方法能在減少模式切換時(shí)間的同時(shí)，降低切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的損失，減小切換前后輸出轉(zhuǎn)速的誤差，有效改善模式切換穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)液壓機(jī)械傳動(dòng)裝置工作原理以及模式切換過程各構(gòu)件轉(zhuǎn)速的分析，設(shè)計(jì)了一種能夠改善HMT 模式切換品質(zhì)的液壓調(diào)速系統(tǒng)變量液壓泵排量調(diào)節(jié)和模式切換機(jī)構(gòu)離合器轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的模式切換方法。

2)本文設(shè)計(jì)的模式切換方法能夠通過對(duì)液壓調(diào)速系統(tǒng)排量的預(yù)測(cè)和調(diào)節(jié)減小HMT 模式切換前后穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速誤差;通過對(duì)模式切換機(jī)構(gòu)離合器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，降低輸出轉(zhuǎn)矩在切換過程的損失，最大沖擊度減小20.14%，切換時(shí)間減少17.82%，對(duì)提升HMT 模式切換品質(zhì)、改善HMT 工作性能具有較好的控制效果。仿真結(jié)果驗(yàn)正了所建立模型的準(zhǔn)確性。