摘要：為滿足重型車輛換擋動(dòng)力不中斷、換擋平順的需求，本文設(shè)計(jì)了重型車輛動(dòng)力換擋變速器換擋控制系統(tǒng)，利用AMESim軟件，從換擋液壓系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)變速器換擋模塊進(jìn)行搭建分析，考察了換擋過程中液壓系統(tǒng)油壓特性、整車車速、沖擊度以及離合器C1/制動(dòng)器C2滑摩功動(dòng)態(tài)特性。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足動(dòng)力換擋的要求；此外，針對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓換擋系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)仿真和試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果表明：目標(biāo)車速響應(yīng)時(shí)間提前了2.67 s，C2油壓響應(yīng)時(shí)間提前0.09 s且切換時(shí)間減少了13%，C1油壓響應(yīng)滯后0.07 s且出現(xiàn)壓力超調(diào)量；試驗(yàn)結(jié)果顯示：油壓穩(wěn)定性較差且轉(zhuǎn)矩曲線響應(yīng)時(shí)間提前0.06 s，并且沖擊度變化曲線振幅較大。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力換擋；換擋平順性；仿真；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S224.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Powershift transmission hydraulic shifting process simulation and experimental study

WANG "Jian，PAN "Wenlong，CHEN "Huajun，MENG "Xiangchao，ZHAO "Yongqiang，NI "Xiangdong*

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract：To meet the requirements of uninterrupted power shifting and smooth gear changes for heavy-duty vehicles，this paper designs a power-shift transmission control system.Utilizing AMESim software，the hydraulic shifting module of the transmission is analyzed，focusing on hydraulic system pressure characteristics，vehicle speed，impact force，and dynamic properties of clutch/brake friction.Simulation results demonstrate that the system meets the demands for power shifting.Additionally，a bench test was conducted to validate the designed hydraulic shifting system.In the comparison between simulation and experimentation，the target vehicle speed response time of the simulation result was advanced by 2.67 s，the C2 oil pressure response time was advanced by 0.09 s with 13% reduction in shift time，while the C1 oil pressure response was delayed by 0.07 s，exhibiting pressure overshoot.The test results indicated poor oil pressure stability，0.06 s advancement in torque curve response time，and a significant amplitude increase in the impact force curve.Despite these differences，the test results were generally consistent with the simulation results，confirming the accuracy of the simulation.

Key words： power shifting;smooth shifting;simulation;test.

動(dòng)力換擋變速器是一種重要的傳動(dòng)裝置，廣泛用于汽車、工程機(jī)械和航空航天。相較于傳統(tǒng)變速器，它提供更快、更平順的換擋體驗(yàn)；與液力自動(dòng)變速器相比，效率更高，響應(yīng)更快［1］。液壓換擋系統(tǒng)作為動(dòng)力換擋變速器的核心組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響著整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能［2-7］。隨著對(duì)變速器換擋平順性要求的不斷提高，液壓換擋控制過程的研究變得至關(guān)重要［8-10］。

本文針對(duì)動(dòng)力換擋變速器液壓換擋系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，旨在探究系統(tǒng)在不同工況下的工作性能，為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，搭建變速器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，研究動(dòng)力換擋液壓控制系統(tǒng)響應(yīng)特性。

1換擋控制系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，動(dòng)力換擋控制系統(tǒng)包括電子控制、電液比例先導(dǎo)閥、濕式離合器和制動(dòng)器3個(gè)模塊。通過手柄調(diào)節(jié)泵和馬達(dá)排量來實(shí)現(xiàn)車速變化。電液比例先導(dǎo)控制閥接到信號(hào)后調(diào)節(jié)壓力，完成換擋。

圖2為行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)物外觀，太陽輪與輸入軸為一體，變量馬達(dá)由輸入軸輸入動(dòng)力，傳動(dòng)力通過太陽輪傳遞到行星齒輪。行星齒輪通過中間軸固定在行星架上。行星架與高速離合器總成相連。行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還由濕式摩擦片控制的C1離合器C1和制動(dòng)器C2組成。通過使用電液比例先導(dǎo)閥等控制元件，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)4種不同的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)工況為一擋時(shí)，C2活塞充油至結(jié)合，C1活塞回油；當(dāng)一擋升至二擋時(shí)利用變量馬達(dá)調(diào)速，控制閥未動(dòng)作，如圖3a所示。一擋工況與二擋工況傳動(dòng)特性如下：

ωef=ωcdide=ωabiacide=ωiisb·iacide=ωiisb·iac·ide，（1）

Tef=-ide·Tcd=ide·iac·Tab=-isb·ide·iac·Ti，（2）

nef=nabide=niide=niisb·iac·ide，（3）

式（1）～（3）中，ωef為低速角速度，rad·s-1；ωcd為三聯(lián)齒輪低速角速度，rad·s-1；ωab為行星齒輪低速角速度，rad·s-1；ωi為太陽輪低速角速度，rad·s-1；Tef為低速輸出扭矩，Nm；Tcd為從行星齒輪小齒輪到三聯(lián)齒輪間的低速等效扭矩，Nm；Tab為從太陽輪到行星齒輪大齒輪間的低速等效扭矩，Nm；Ti為從輸入端到太陽輪間低速等效扭矩，Nm；nef為變速器輸出齒輪低速轉(zhuǎn)速，Nm；ncd為三聯(lián)齒輪低速轉(zhuǎn)速，r·min-1；nab為行星齒輪低速轉(zhuǎn)速，r·min-1；ni為太陽輪低速轉(zhuǎn)速，r·min-1；isb為太陽輪與齒輪b之間低速傳動(dòng)比；iac為三聯(lián)齒輪c與齒輪a之間低速傳動(dòng)比；ide為三聯(lián)齒輪d與輸出軸齒輪e之間低速傳動(dòng)比。

當(dāng)處于三擋區(qū)段時(shí)，C1活塞充油至結(jié)合，傳動(dòng)特性如下：

ω′ef=ω′iide，（4）

T′ef=-ide·T′i，（5）

n′ef=n′ide，（6）

式（4）～（6）中，ω′ef為變速器高速角速度，rad·s-1；ω′i為太陽輪高速角速度rad·s-1；T′ef為變速器高速輸出轉(zhuǎn)矩，Nm；T′i為從變速器輸入端到太陽輪間高速等效扭矩，Nm；n′ef為變速器高速輸出轉(zhuǎn)速，r·min-1；n′i為太陽輪高速轉(zhuǎn)速，r·min-1。

變速器液壓換檔控制系統(tǒng)如圖4所示，其主要部件有油PC泵、濾清器、調(diào)壓閥（減壓閥）、向被潤滑零件供油的調(diào)節(jié)閥和限制系統(tǒng)最大壓力的限壓閥等。該系統(tǒng)除按一定次序向換擋離合器元件的活塞供油用于切換擋位外，還提供變速器零件的潤滑、液壓油濾清和冷卻。

當(dāng)變速器液壓控制系統(tǒng)換擋時(shí)，離合器電磁閥和制動(dòng)器電磁閥同時(shí)動(dòng)作，在向2個(gè)電磁閥之一給其相關(guān)元件的活塞供油時(shí)，另外1個(gè)電磁閥將其活塞的壓力油釋放。變速器液壓控制系統(tǒng)電磁閥磁鐵動(dòng)作表如表1所示。

2換擋平順性評(píng)價(jià)因素

換擋平順性主要是由C1/C2控制其操縱系統(tǒng)中的充油特性實(shí)現(xiàn)的。本文選用C1/C2的摩擦片滑摩功、整車沖擊度作為換擋平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)，因?yàn)檫@些因素都決定了離合器與制動(dòng)器的使用壽命與換擋平穩(wěn)性［10-12］。

滑摩功的含義為離合器/制動(dòng)器中的摩擦片與鋼片在單個(gè)結(jié)合過程中所做的功［13-14］，即摩擦力矩做功的大小，在學(xué)者們研究［13-15］的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文摩擦片換擋時(shí)間，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

W=∫t1tpsTc（ω1-ω2）dt，（7）

式（7）中，t1為換擋結(jié)束時(shí)刻；tps為換擋初始時(shí)刻；Tc為C1/C2摩擦轉(zhuǎn)矩，Nm；ω1，ω2為C1/C2其主、被動(dòng)摩擦片角速度，rad·s-1。

沖擊度是車輛縱向加速度變化率的指標(biāo)，與接合元件轉(zhuǎn)矩變化率密切相關(guān)。它反映換擋時(shí)變速器輸出軸的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，是換擋過程平順性的一個(gè)重要指標(biāo)；德國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中最大沖擊度為g=10m·s-3。本文采用的沖擊度計(jì)算式為：

g=dadt=dv2dt2（8）

式（8）中，g為換擋沖擊度，m·s-3；a為整機(jī)縱向加速度，m·s-2；v為采棉機(jī)行駛速度，km·h-1。

3AMESim建模仿真

采用AMESim仿真軟件，按整車仿真參數(shù)（表2）建立整車模型（圖5）?；谡噦鲃?dòng)系統(tǒng)再

建立動(dòng)力換擋模型，對(duì)其中的一些子系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并采用Powertrain庫對(duì)變速器機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，該模型包含了齒輪、軸、離合器和差速器模塊等部分，如圖6所示。

根據(jù)實(shí)際車輛的工作情況，整車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 100 r·min-1。設(shè)仿真時(shí)間為40 s，時(shí)間間隔為0.01 s，對(duì)重型車輛4個(gè)工況（空擋、一擋、二擋、三擋）進(jìn)行了仿真，圖7為重型車輛在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的行駛速度曲線，觀察及分析發(fā)現(xiàn)：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，換擋加速度也隨之增加，從而導(dǎo)致行駛速度的增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 100 r·min-1時(shí)，車輛的行駛速度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在0～10 s間，車輛處于一擋加速行駛狀態(tài)，在0～10 s時(shí)車速達(dá)到了7.5 km·h-1；在20 s時(shí)進(jìn)行了一次換擋，速度增至14.5 km·h-1，隨后進(jìn)行了二擋至三擋的換擋，將速度從14.5 km·h-1提升至27.5 km·h-1，之后保持勻速。

由圖7中局部放大圖可以觀察到，在20 s時(shí)刻發(fā)生了動(dòng)力換擋，傳動(dòng)比發(fā)生變化，導(dǎo)致了換擋沖擊引起的波動(dòng)。盡管如此，液壓系統(tǒng)能夠滿足換擋動(dòng)力不中斷的要求。

4試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，對(duì)變速器進(jìn)行了基礎(chǔ)試驗(yàn)。動(dòng)力換擋變速器試驗(yàn)臺(tái)布局如圖8a所示，主要由動(dòng)力源、動(dòng)力換擋變速器、上位機(jī)、控制器、數(shù)據(jù)采集卡、電控柜等裝置構(gòu)成，為降低試驗(yàn)臺(tái)同軸度要求，變速器與磁粉制動(dòng)器之間用聯(lián)軸器聯(lián)接并傳遞動(dòng)力。

試驗(yàn)臺(tái)的安裝如圖8b所示，連接件主要包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器和壓力、流量傳感器。

由于本試驗(yàn)集中研究動(dòng)力換擋液壓系統(tǒng)，采用電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，取代了重型車輛傳動(dòng)系統(tǒng)采用的泵控馬達(dá)?？紤]到重型車輛采用的是泵控馬達(dá)提供動(dòng)力，參考馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩參數(shù)，代入電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)選型，選型結(jié)果如表3所示。

在仿真過程中換擋閥的控制信號(hào)在同一時(shí)間點(diǎn)開啟或關(guān)閉，整車行車速度仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線見圖9。由圖9可知：與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，仿真結(jié)果的目標(biāo)車速的響應(yīng)時(shí)間提前了2.67s；C1和C2的壓力響應(yīng)方面，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，仿真中C2油壓響應(yīng)時(shí)間提前了0.09 s，切換過程持續(xù)時(shí)間為0.63 s，相對(duì)于仿真時(shí)間減少了13%。

最終C1油壓降至0.18 MPa。這是因?yàn)镃2液壓控制閥的油口未完全關(guān)閉，與仿真結(jié)果存在差異。相比之下，C1油壓響應(yīng)滯后了0.07 s，切換過程持續(xù)時(shí)間為0.52 s，相對(duì)于仿真時(shí)間減少了5%。此外，壓力超調(diào)量也超過了仿真結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示油壓穩(wěn)定性較差。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果偏低是由于未考慮氣門間隙泄漏的影響，仿真模型未考慮氣門間隙泄漏。此外，液壓油路泄漏情況也被考慮在內(nèi)，試驗(yàn)油壓低于仿真油壓。

通過對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線的分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩曲線的響應(yīng)時(shí)間比仿真時(shí)間提前了0.06 s。盡管如此，試驗(yàn)曲線與仿真曲線的結(jié)果基本吻合；而沖擊度變化曲線的振幅較大，最高值達(dá)到 5.6 m·s-3，較仿真結(jié)果高出了7.1%。然而，試驗(yàn)和仿真結(jié)果在一致性方面存在差異，且振蕩幅度較大。造成這種現(xiàn)象的原因是試驗(yàn)系統(tǒng)中液壓油的溫度較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，液壓油的粘度減小，導(dǎo)致?lián)Q擋沖擊度振蕩增大。

5結(jié)論

（1）本文通過對(duì)動(dòng)力換擋變速器液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，利用AMESim軟件對(duì)重型車輛換擋液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到了較為理想的行駛速度。仿真結(jié)果顯示，行駛速度達(dá)到了27.5 km·h-1，與設(shè)計(jì)要求相符，且滿足了換擋動(dòng)力不中斷的需求。

（2）根據(jù)變速器實(shí)際工況，通過試驗(yàn)的結(jié)果及分析發(fā)現(xiàn)：在換擋閥控制信號(hào)的開啟或關(guān)閉情況下，仿真結(jié)果顯示目標(biāo)車速的響應(yīng)時(shí)間提前了2.67 s。在C1和C2的壓力響應(yīng)方面，仿真結(jié)果顯示C2油壓響應(yīng)時(shí)間提前了0.09 s，但C2液壓控制閥的油口未完全關(guān)閉，導(dǎo)致最終油壓降至0.18 MPa。與試驗(yàn)結(jié)果相比，C1油壓響應(yīng)滯后了0.07 s，仿真與試驗(yàn)油壓響應(yīng)差異率較小。

（3）在轉(zhuǎn)矩變化曲線分析中，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩曲線的響應(yīng)時(shí)間比仿真提前了0.06 s，但試驗(yàn)曲線與仿真曲線的結(jié)果吻合度較好。然而沖擊度變化曲線的振幅較大，最高值達(dá)到了5.6 m·s-3，較仿真結(jié)果高出了7.1%。盡管存在一些差異，但試驗(yàn)結(jié)果為液壓系統(tǒng)控制策略的制定提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并揭示了仿真模型的一些局限性。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］席志強(qiáng)，周志立，張明柱，等.拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速器換擋特性與控制策略研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（11）：350-357.

XI Z Q，ZHOU Z L，ZHANG M Z，et al.Shift characteristics and control strategy of powershift transmission on tractor［J］.Journal of Agricultural Machinery，2016，47（11）：350-357.

［2］YE J，HUANG X，ZHAO K，et al.Optimal coordinating control for the overlapping shift of a seamless 2-speed transmission equipped in an electric vehicle［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part I：Journal of Systems and Control Engineering，2017，231（10）：797-811.

［3］XU G，XU K，ZHENG C，et al.Fully electrified regenerative braking control for deep energy recovery and maintaining safety of electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2015，65（3）：1186-1198.

［4］LINARES P，MNDEZ V，CATALN H.Design parameters for continuously variable power-split transmissions using planetaries with 3 active shafts［J］.Journal of Terramechanics，2010，47（5）：323-335.

［5］GUPTA A K，RAMANARAYANAN C P.Analysis of circulating power within hybrid electric vehicle transmissions［J］.Mechanism and Machine Theory，2013，64：131-143.

［6］RAMDAN M I.Optimal design of a hydro-mechanical transmission power split hybrid hydraulic bus［J］.2013.

［7］MACOR A，ROSSETTI A.Optimization of hydro-mechanical power split transmissions［J］.Mechanism and machine theory，2011，46（12）：1901-1919.

［8］PAN W L，WANG L，NI， X D，et al.Optimisation of Control Strategies for Power Shift Gearboxes［J］.Agriculture，2023，13（6）：1266.

［9］XU X Y，SUN W B，CAI T Y，et al.Design of a hydraulic control unit for a two-speed dedicated electric vehicle transmission［J］.Automotive Innovation，2018，1（4）：300-310.

［10］傅新月.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工程車輛智能換擋策略研究［D］.太原：中北大學(xué)，2023.

［11］周冉，沈嶸楓，陳鑫，等.基于AMESim的采伐機(jī)液壓行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］.森林工程，2022，38（2）：87-94.

ZHOU R，SHEN R F，CHEN X，et al.Design and simu-lation of the hydraulic walking system of the harvester based on AMESim［J］.Forest Engineering，2022，38（2）：87-94.

［12］鐘春發(fā)，倪向東，韓雙蔓，等.采棉機(jī)動(dòng)力換擋行駛傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.機(jī)床與液壓，2022，50（10）：101-106.

ZHONG C F，NI X D，et al.Design and test of power shift traveling transmission system of cotton picker［J］. Machine Tools and Hydraulics，2022，50（10）：101-106.

［13］XIA G，CHEN J， TANG X，et al.Shift quality optimization control of power shift transmission based on particle swarm optimization-genetic algorithm：［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering，2022，236（5）：872-892.

［14］程新龍，高琳，陳希.基于AMESim離合器參數(shù)對(duì)自動(dòng)變速箱液壓系統(tǒng)影響分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2022（12）：250-254.

CHENG X L，GAO L，CHEN X.Influence analysis of clutch parameters on hydraulic system of automatic transmission based on AMESim［J］.Machinery Design and Manufacture，2022（12）：250-254.

［15］CHEN Z，GE S，JIANG Y，et al.Mathematical modeling of pressure characteristics of the deflector-jet pilot stage considering boundary layer flow［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2023，90.

（責(zé)任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2024-01-10

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目（2022AA001）

作者簡(jiǎn)介：王劍（1975—），實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造，e-mail：15037404808@163.com。

*通信作者：倪向東（1977—），教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v，e-mail：nini0526@126.com。

DOI：10.13880/j.cnki.65-1174/n.2024.21.007

文章編號(hào)：1007-7383（2024）03-0275-06