王華棟,何登輝,劉 澳,張文澤

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

作為工程機械領(lǐng)域中最早發(fā)展起來的土方機械,大馬力推土機在國內(nèi)外市場上具有顯著的競爭優(yōu)勢。其工作流程主要包括切土、運土、卸土和倒退等環(huán)節(jié),主要用于挖掘、運輸和排放巖土,在露天礦山應(yīng)用廣泛[1]。推土機的出現(xiàn)極大地提高了工程效率,改善了工程質(zhì)量以及工作者的勞動條件,同時也降低了工程成本[2]。從其誕生到現(xiàn)在,主要傳動形式包括:機械傳動、電傳動、帶液力變矩器的液力機械傳動和液壓傳動[3]。目前,部分國內(nèi)推土機的變速箱在換檔過程中存在換檔沖擊的問題,其根源在于對離合器的結(jié)合和分離特性研究不足。在理論計算方面,尚未建立正確的數(shù)學(xué)模型和計算方法;在應(yīng)用角度上,缺乏有效的計算分析軟件和手段。因此,無法進行正向設(shè)計、曲線編制以及快速故障處理。為了解決這一問題,我們需要研究在載荷、轉(zhuǎn)速、流量等多變量狀態(tài)下的離合器的結(jié)合和分離特性,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過這些模型,我們可以找到優(yōu)化換擋平順性的理論支撐和相應(yīng)方法,從而提升推土機的性能和操作體驗。

當(dāng)前階段,國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)對變速箱及其換擋品質(zhì)的影響因素進行了大量研究。在國外,CATERPILLAR公司生產(chǎn)的電子變速箱通過采用電子控制策略,顯著提升了換擋的平穩(wěn)性[4]。日本小松公司生產(chǎn)的輪式裝載機,其定軸式變速箱采用動力換擋方式,具有四個前進擋和四個后退檔,通過電氣控制先導(dǎo)油壓來控制主油壓,從而實現(xiàn)精確控制換擋元件的結(jié)合與分離。值得一提的是,該公司還將機械式調(diào)壓閥換成了電子調(diào)壓閥,從而減小了換檔沖擊,大大提高了駕駛員的舒適性[5]。英國ZeroShift公司則通過使用兩個超越離合器,使得換擋時間趨近于零,避免了換擋過程中出現(xiàn)動力中斷,從而提升了換擋品質(zhì)[6]。德國ZF公司生產(chǎn)的變速器已應(yīng)用于各類車輛,其AT變速箱研究成效顯著。其中,Ecomat變速器通過增加一套電子控制單元改善了換擋品質(zhì),優(yōu)化了燃油經(jīng)濟性[7]。Kim等采用模糊控制、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進行研究,提出可以通過改變離合器摩擦性能來補償變速器,并設(shè)計了開環(huán)控制器對離合器油壓進行控制,從而改善換擋性能[8]。

相比于國外,國內(nèi)對變速箱及其換擋性能的研究進度較為緩慢。王爾烈從緩沖控制角度對換擋方式進行研究,以AT變速器為研究對象,采用油壓估計方法和滑摩控制理論構(gòu)建模型,并通過仿真和實驗驗證了自己的方法[9]。雷雨龍等提出了理想換擋概念并建立模型,為評價換擋性能提供了新方法[10]。楊樹軍建立了變速器換擋過程數(shù)學(xué)模型,通過動態(tài)仿真的方法得出了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的波動是影響換擋平順性的重要影響因素[11]。

本文在先前研究的基礎(chǔ)上,建立一個變速箱動力學(xué)模型,該模型充分考慮發(fā)動機、液力變矩器、負(fù)載工況以及電液控制系統(tǒng)對變速箱離合器動態(tài)特性的影響。該模型可用于研究離合器摩擦片對推土機換擋性能的影響,以期為工程機械多片式濕式離合器的壓力曲線正向設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 沖擊形成及換檔性能評價指標(biāo)

在車輛的換擋過程中,前一擋位的離合器需要與后一擋位的離合器同時進行分離與接合[12]。然而,在實際運轉(zhuǎn)過程中,可能會出現(xiàn)一些問題。比如,換擋時元件重疊過多會導(dǎo)致雙鎖止現(xiàn)象,這會造成元件的嚴(yán)重磨損[13];而動力間斷則會導(dǎo)致飛車現(xiàn)象,這會增大換擋的沖擊度[14]。在換擋時,由于車輛的慣性以及與發(fā)動機剛性相連的部件保持不變,車輛會受到巨大的反作用轉(zhuǎn)矩,從而形成換擋沖擊。這種沖擊會降低推土機的壽命,影響工作效率,同時也會影響駕駛員的乘坐舒適度[15]。因此,改善換擋性能成為了非常重要的研究。

考慮到換擋品質(zhì),我們對換擋過程主要有以下兩個要求:首先,換擋過程需要迅速完成,這樣可以減少摩擦元件的磨損和發(fā)熱,同時避免產(chǎn)生動力中斷現(xiàn)象。其次,換擋過程需要平穩(wěn)過渡,不應(yīng)有過高的瞬時加速度和減速度,以減小動力傳動系統(tǒng)的沖擊,延長零件使用壽命。目前,常用的換擋品質(zhì)評價指標(biāo)有兩種:換擋沖擊度和換擋滑摩功。這兩種評價指標(biāo)可以幫助我們評估換擋過程中對車輛性能和元件壽命的影響。

1.1 沖擊度

在作業(yè)過程中,由于車輛行駛方向產(chǎn)生的換擋沖擊最為顯著,因此我們可以用縱向加速度變化率,即換擋沖擊度,作為評價換擋品質(zhì)的指標(biāo)。換擋沖擊度可以通過對車輛行駛加速度對時間的一階導(dǎo)數(shù)進行計算得出,也可以通過車輛縱向行駛速度對時間的二階導(dǎo)數(shù)來表示。

(1)

式中:v和a分別為車輛縱向速度和加速度,可由下式計算:

(2)

式中,ig為變速箱輸出端之后的總傳動比,rw為鏈輪半徑,上式中輸出軸角加速度α為:

(3)

式中:To為變速箱輸出轉(zhuǎn)矩,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,Io為與變速箱輸出軸相連的轉(zhuǎn)動慣量。則有:

(4)

由于鏈輪半徑、與變速器輸出軸相連部件的轉(zhuǎn)動慣量以及變速器到車輪的傳動比都是固定不變的,從公式可以看出,換擋沖擊度的大小只與輸出軸扭矩的變化率相關(guān),而且兩者之間成正比關(guān)系。因此,要減小換擋沖擊度,就必須抑制換擋過程中輸出軸扭矩的劇烈波動。

沖擊度J的許用值在各國會有所差異:我國要求:17.6 m/s3;前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)為:31.36 m/s3;德國標(biāo)準(zhǔn)為:10 m/s3。

1.2 滑摩功

換擋過程涉及到離合器(或制動器)的結(jié)合與分離,在這個過程中,離合器的主、從動片之間必然會產(chǎn)生一定的熱量。當(dāng)熱量達(dá)到一定程度時,會導(dǎo)致離合器主從片的溫升,從而影響換擋性能,降低零件使用壽命。因此,需要限制換擋過程中產(chǎn)生的熱量。離合器在結(jié)合過程中產(chǎn)生的熱量可以用滑摩功來衡量,其表達(dá)式為:

(5)

其中,Wc是滑摩功,t1是離合器開始滑磨時刻,t2是離合器滑磨同步時,ω1為離合器主動片角速度,ω2為離合器從動片角速度。

滑摩功在一定程度上可視為摩擦元件壽命的評價指標(biāo),滑摩功的值越小,則換擋執(zhí)行元件壽命就越長,但其值與沖擊度存在一定矛盾關(guān)系,使前者減小必然會導(dǎo)致后者不同程度的增大,因此,必須通過控制方法調(diào)控,使二者均在合理范圍。

2 大馬力推土機傳動系統(tǒng)AMESim建模與仿真

本節(jié)主要仿真大馬力變速箱換擋沖擊,仿真模型包含柴油發(fā)動機、液力變矩器、離合器、液壓控制、變速箱、車輛阻力模型。整機模型如圖1所示。

圖1 推土機傳動系統(tǒng)整機模型

模型整體思路為通過控制油壓曲線來控制離合器的響應(yīng),而離合器的響應(yīng)直接影響轉(zhuǎn)矩的傳遞和變換,從而影響車輛的沖擊特性。本項目著眼于油壓曲線的合理控制,以減小沖擊度。AMESim邏輯控制功能較差,因此采用MATLAB進行換擋的邏輯控制,并進行AMESim/MATLAB聯(lián)合仿真,以求解整機模型。圖2是模型的MATLAB的控制部分模型。

圖2 MATLAB換擋油壓控制程序

3 大馬力推土機的換擋沖擊分析

由式(4)可知,大馬力推土機傳動系統(tǒng)沖擊度受變速箱輸出扭矩和負(fù)載端轉(zhuǎn)動慣量的影響,通常負(fù)載端的轉(zhuǎn)動慣量為常數(shù),而變速箱輸出扭矩大多與離合器摩擦片接合特性直接相關(guān)。離合器的摩擦特性如摩擦系數(shù)都影響著沖擊度。

本節(jié)內(nèi)容將著力于研究離合器摩擦片的摩擦系數(shù)對沖擊度、滑摩功的影響。

動摩擦系數(shù)μd與離合器鼓轉(zhuǎn)速和單位摩擦片面積承受的壓力有關(guān),且隨轉(zhuǎn)速和壓力的增大而增大;靜摩擦系數(shù)μs是物質(zhì)的固有性質(zhì),常用材料的摩擦系數(shù)如表1。

表1 摩擦材料摩擦系數(shù)取值范圍

在仿真過程中,根據(jù)表1,設(shè)置動、靜摩擦系數(shù)變化范圍為0.03～0.12和0.1～0.25。

為了研究動摩擦系數(shù)μd和靜摩擦系數(shù)μs的影響,在不同動、靜摩擦系數(shù)取值下對傳動系統(tǒng)的沖擊特性進行研究,所采用的油壓曲線如圖3所示。

圖3 換擋油壓曲線

圖4為不同動摩擦系數(shù)下1-2-3-2-1-2擋位沖擊度的變化情況(靜摩擦系數(shù)為0.12)。由圖4可知,1擋起步和降檔2-1時的沖擊度較大,且不同的動摩擦系數(shù)對沖擊度的影響顯著。

圖4 不同動摩擦系數(shù)下?lián)跷?-2-3-2-1-2換擋沖擊曲線

圖5給出了2-1擋沖擊度與動摩擦系數(shù)之間的關(guān)系,由圖可知,摩擦系數(shù)對沖擊度的影響顯著,沖擊度峰值隨摩擦系數(shù)增大而增大,摩擦系數(shù)從0.03到0.12變化時,沖擊度峰值出現(xiàn)位置向左偏移,也即結(jié)合時間變短,初始結(jié)合階段的沖擊度從30 m/s3增大至140 m/s3,結(jié)合完成時的沖擊度從10 m/s3增大至35 m/s3。

圖5 動摩擦系數(shù)對2擋降1擋沖擊度影響

圖6為擋位1-2-3-2-1-2變換工況下離合器的單位滑摩功,由圖可知,3擋離合器的單位滑摩功最小,1擋和2擋離合器的單位滑摩功較大。

圖6 擋位1-2-3-2-1-2離合器單位滑摩功(μd=0.06,μs=0.12)

圖7為降擋2-1時,1擋離合器的單位面積滑摩功,換擋初始開始階段滑摩功隨動摩擦系數(shù)的增大而增大,且受動摩擦系數(shù)的影響顯著。由于滑摩功受滑摩時間、轉(zhuǎn)速差以及扭矩差異的影響,結(jié)合完成后的滑摩功并不隨摩擦系數(shù)單調(diào)變化。

圖7 動摩擦系數(shù)對降檔2-1單位滑摩功的影響

圖8為靜摩擦系數(shù)對沖擊度的影響。

圖8 不同靜摩擦系數(shù)下?lián)跷?-2-3-2-1-2換擋沖擊曲線

由圖8可知,靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)類似,1擋起步和降檔2-1時的沖擊度較大。

圖9是靜摩擦系數(shù)在0.1～0.25范圍內(nèi)變化時,靜摩擦系數(shù)對降擋2-1的最大沖擊度不顯著。

圖9 2擋降1擋沖擊曲線

類似地,靜摩擦系數(shù)對2-1擋離合器的單位滑摩功的影響不大,如圖10所示。

圖10 靜摩擦系數(shù)對降檔2-1單位滑摩功的影響

4 小結(jié)

本文研究了基于AMESim/MATLAB聯(lián)合仿真下離合器摩擦片動靜摩擦系數(shù)對某大馬力推土機換擋性能的研究:

1)提出了三種有關(guān)大馬力推土機換擋沖擊的三個評價指標(biāo),用于評價推土機的換擋質(zhì)量;

2)建立了大馬力推土機的AMESim物理模型和MATLAB換擋油壓控制程序;

3)通過測定某實驗測試材料的動靜摩擦系數(shù)確定仿真中動摩擦系數(shù)μd和靜摩擦系數(shù)μs的具體范圍,分別研究2擋降1擋下,動、靜摩擦系數(shù)對沖擊度、滑摩功的影響。結(jié)果表明:

①隨著動摩擦系數(shù)的增加,沖擊度峰值出現(xiàn)位置向左偏移,結(jié)合時間變短,開始結(jié)合階段的沖擊度從30 m/s3增大至140 m/s3,結(jié)合完成時的沖擊度從10 m/s3增大至35 m/s3;②換擋初始開始階段滑摩功隨動摩擦系數(shù)增大而增大,且受動摩擦系數(shù)的影響顯著,由于滑摩功受滑摩時間、轉(zhuǎn)速差以及扭矩差異的影響,結(jié)合完成后的滑摩功并不隨摩擦系數(shù)單調(diào)變化;③靜摩擦系數(shù)對換擋沖擊度的影響不顯著;④靜摩擦系數(shù)對單位滑摩功的影響不大。