拖拉機(jī)液壓機(jī)械分級(jí)變速器換段試驗(yàn)研究

拖拉機(jī)液壓機(jī)械分級(jí)變速器換段試驗(yàn)研究

液壓機(jī)械多級(jí)控制策略在撒車中，電機(jī)傳輸?shù)墓β屎艽?，?fù)載波動(dòng)頻繁，并且刀片通常在特定的速度范圍內(nèi)滿載運(yùn)行。因此，有必要不時(shí)改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)，以適應(yīng)負(fù)載的變化。液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器(Hydro-mechanicalcontinuouslyvariabletransmission,HMCVT)通過(guò)運(yùn)用行星輪系實(shí)現(xiàn)液壓功率流與機(jī)械功率流的耦合,實(shí)現(xiàn)變速器速比在若干有級(jí)機(jī)械區(qū)段相銜接的全程調(diào)速范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化。HMCVT各有級(jí)機(jī)械區(qū)段的切換是一個(gè)較為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。近年來(lái),國(guó)內(nèi)高校和科研院所圍繞液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器關(guān)鍵技術(shù),開展了多方面的研究。相關(guān)研究表明,變速箱轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩在換段過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷及摩擦熱,影響到變速器換段平穩(wěn)性及品質(zhì)。由于變速箱離合器的動(dòng)態(tài)控制參數(shù)是換段過(guò)程中的重要因素,因此本文對(duì)離合器控制參數(shù)進(jìn)行合理匹配,以期提高換段品質(zhì)。1hvmt轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制1.1匯流機(jī)構(gòu)的類型拖拉機(jī)HMCVT傳動(dòng)方案如圖1所示,匯流方式采用分矩匯速雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)。匯流機(jī)構(gòu)中K1、K2分別為反向位與正向位行星齒輪排。兩中間軸上分別裝配有各機(jī)械區(qū)段的被動(dòng)齒輪和濕式離合器,動(dòng)力的傳遞是通過(guò)各區(qū)段離合器的結(jié)合與分離來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1.2濕式分離器HMCVT各區(qū)段離合器及行星排作用情況如表1所示,拖拉機(jī)前進(jìn)方向有1個(gè)純液壓H段及4個(gè)HM液壓機(jī)械段,對(duì)應(yīng)各區(qū)段分別由C0、C1、C2、C3、C4濕式離合器控制。離合器控制油液采用軸端進(jìn)油方式,在中間軸端部軸向有壓力油道和冷卻油道,軸端采用回轉(zhuǎn)接頭連接各離合器的控制油道。1.3c0c3電磁閥離合器液壓控制回路如圖2所示,用液壓缸代表離合器活塞缸,離合器C0~C4用來(lái)控制變速器各區(qū)段的切換,每個(gè)離合器各由相應(yīng)的一個(gè)電磁閥來(lái)控制;液壓系統(tǒng)總壓力由溢流閥來(lái)調(diào)節(jié);調(diào)速閥調(diào)節(jié)進(jìn)入離合器油缸內(nèi)的油液的流速,起到控制離合器活塞缸充油時(shí)間的作用。2換擋性能的評(píng)價(jià)換段品質(zhì)是指在保證拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性和可靠性的前提下迅速、平穩(wěn)換擋的程度,一般非道路車輛換擋品質(zhì)最直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)為沖擊度及動(dòng)載荷。沖擊度反映了人對(duì)換擋沖擊感受程度的影響,換段品質(zhì)的影響因素與濕式離合器構(gòu)造、油路控制、換段策略等相關(guān)。2.1更換質(zhì)量分析指標(biāo)(1)換擋沖擊度計(jì)算方法沖擊度是拖拉機(jī)縱向加速度的變化率,由拖拉機(jī)縱向加速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)所得。由于拖拉機(jī)的慣性較大,換段中接合部件前、后的傳動(dòng)部件必然產(chǎn)生換擋沖擊,沖擊度表示為J=dadt=rdd2ωi0dt2=rdi0ΙdΜcdt=rdi0Ιd(Μeig)dt(1)J=dadt=rdd2ωi0dt2=rdi0IdMcdt=rdi0Id(Meig)dt(1)式中J——車輛沖擊度,m/s3ω——角速度,rad/sa——縱向加速度,m/s2ig、i0——變速器及驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比Mc、Me——變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·mI——輸出軸相聯(lián)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2)最佳試驗(yàn)功的確定在變速器換檔過(guò)程中,離合器主、從動(dòng)部分從相對(duì)滑轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈人俳雍蠒r(shí),要經(jīng)歷滑摩階段。該過(guò)程消耗的功為滑摩功,一般情況下離合器摩擦功很難在試驗(yàn)中測(cè)得。離合器滑摩功為Wf=∫ttt0ttt0Pcdt=∫ttt0ttt0Tc|Δω|dt(2)式中Pc——離合器滑摩功率Tc——離合器摩擦轉(zhuǎn)矩,N·mΔω——離合器主、從動(dòng)片角速度差t0、tt——滑摩開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間,s(3)傳動(dòng)部件加速度HMCVT換段時(shí)離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩由動(dòng)滑摩轉(zhuǎn)矩向靜滑摩轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變,并在慣性作用下,接合部件前后的傳動(dòng)部件要在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到轉(zhuǎn)速相等,必然會(huì)產(chǎn)生加速度,產(chǎn)生動(dòng)載荷。動(dòng)載荷為λ=ΤmaxΤ0(3)λ=TmaxT0(3)式中Tmax——變速器輸出轉(zhuǎn)矩最大值,N·mT0——變速器輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定值,N·m(4)段后所需時(shí)間液壓機(jī)械無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器換段時(shí)間是指前一個(gè)液壓機(jī)械區(qū)段穩(wěn)定狀態(tài)切換到下一個(gè)區(qū)段后所需的時(shí)間,非道路車輛通?？刂圃?.0~1.6s之間。換段總時(shí)間為t=t1+t2+t3+t4+t5(4)式中t1——離合器分離時(shí)間,st2——空段時(shí)間,st3——選段時(shí)間,st4——換段時(shí)間,st5——離合器接合時(shí)間,s2.2影響兩段質(zhì)量的因素(1)最佳工藝參數(shù)的確定TS=μSA1zrep(5)式中TS——離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩,N·mμS——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)A1——作用面積,m2z——摩擦片片數(shù)re——摩擦片半徑,mp——離合器油壓,Pa由式(5)可知,在離合器滑摩材料、尺寸以及潤(rùn)滑油粘度不變的條件下,離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的變化與離合器油缸油壓有關(guān)。(2)+kx0+1離合器充油過(guò)程中,離合器活塞腔內(nèi)油壓變化規(guī)律呈非線性關(guān)系,離合器充油過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程為m1??x1+k(x0+x1)=ptAt(6)式中m1——活塞及其隨動(dòng)部分的質(zhì)量,kgx1——活塞位移,mpt——油缸內(nèi)油壓,Pak——回位彈簧剛度,N/mx0——回位彈簧初始?jí)嚎s量,mAt——活塞油壓作用面積,m2由式(6)可知,離合器接合的快慢,與離合器作用油壓有關(guān),壓力大則接合速度快。(3)耦合速度的影響離合器油缸的油道流量方程為QC=πd4128νLΔp(7)式中QC——進(jìn)入離合器油缸內(nèi)的流量,m3/sd——控制油道孔徑,mν——油液動(dòng)力粘度,Pa·sL——控制油道長(zhǎng)度,mΔp——油道前后壓力差,Pa由式(7)可知,當(dāng)離合器作用油壓不變、總流量不變的情況下,離合器接合速度與控制油道的孔徑有關(guān)。因此離合器接合速度可由單向節(jié)流調(diào)速閥來(lái)控制。(4)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的特性由發(fā)動(dòng)機(jī)外動(dòng)力特性曲線可知,拖拉機(jī)負(fù)載變化后,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩和輸出功率都會(huì)發(fā)生變化,即發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性及調(diào)速特性。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為Tt=9550Pe/n(8)式中Tt——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,N·mPe——有效功率,kWn——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min(5)響相機(jī)動(dòng)力性引起換擋工藝失效換段過(guò)程中,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起動(dòng)力中斷,使拖拉機(jī)作業(yè)速度下降,影響拖拉機(jī)的動(dòng)力性,并引起換擋離合器摩擦片過(guò)熱而導(dǎo)致離合器損壞。綜上所述,影響換段過(guò)程的品質(zhì)因素有:離合器換段時(shí)間、離合器控制油壓、調(diào)速閥流量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出(轉(zhuǎn)速、扭矩)以及變速箱負(fù)載。3正交試驗(yàn)，換段質(zhì)量試驗(yàn)試驗(yàn)選擇L16(45)的四水平五因素正交試驗(yàn)(表2)。3.1上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)HMCVT配套動(dòng)力為濰柴132.5kW增壓、中冷、共軌柴油機(jī)。變速器、試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)控系統(tǒng)及變速箱控制單元(Transmissioncontrolunit,TCU)自主開發(fā);上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)基于MatlabGUI編寫設(shè)計(jì),其中控制系統(tǒng)中離合器油壓、流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等數(shù)據(jù)采用LabView圖形化程序編譯系統(tǒng)進(jìn)行采樣,采樣頻率為60Hz。如圖3所示,各區(qū)段離合器接合/分離由電磁閥控制,每個(gè)電磁閥后各串接一個(gè)單向節(jié)流調(diào)速閥(型號(hào)2FRM5/10QB)、調(diào)速閥后各并聯(lián)一個(gè)壓力傳感器(型號(hào)NS-F10),流量傳感器(型號(hào)LWGB-4)安裝在離合器控制油路前端。3.2換段過(guò)程控制本次試驗(yàn)順序,采用隨機(jī)方式?？紤]到拖拉機(jī)低速重載作業(yè)模式的需要,試驗(yàn)選擇在HM1向HM2區(qū)段的換段。試驗(yàn)中,利用溢流閥調(diào)節(jié)主油路油壓;調(diào)速閥控制離合器進(jìn)油流量;運(yùn)用上位機(jī)控制離合器切換區(qū)段;并利用磁粉制動(dòng)器進(jìn)行加載。當(dāng)處于換段臨界點(diǎn)時(shí),進(jìn)行換段過(guò)程控制。由于換段瞬間輸出軸速比變化范圍較大,信噪比較高,對(duì)辨識(shí)非常有利,運(yùn)用Matlab軟件對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)、濾波進(jìn)行二次求導(dǎo),得出沖擊度;輸出軸動(dòng)載荷可直接讀取。3.3試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。3.4試驗(yàn)結(jié)果的分析運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),調(diào)取系統(tǒng)L16(45)正交模塊,導(dǎo)入試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析與方差分析。(1)影響因素的選取沖擊度為指標(biāo)的正交試驗(yàn)極差與方差分析如表4、5所示。極差分析結(jié)果表明:沖擊度影響主次因素順序?yàn)殡x合器油壓A、負(fù)載D、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速C、換段時(shí)間E、調(diào)速閥流量B。沖擊度最小的組合因素及水平為A1B2C3D2E4。方差分析表明,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同的轉(zhuǎn)速時(shí),對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)沖擊度影響最顯著的因素也是離合器油壓A,次要因素是負(fù)載D,換段時(shí)間E影響較小,調(diào)速閥流量B影響最小。極差與方差分析表明,換段沖擊度的主要影響因素是離合器油壓,油壓越大沖擊度越大;換段時(shí)間對(duì)沖擊度的影響次之,時(shí)間長(zhǎng)沖擊度大;發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載大沖擊度也越大;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)沖擊度的影響較小;調(diào)速閥流量對(duì)沖擊度的影響較低。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)載荷為指標(biāo)的正交試驗(yàn)極差與方差分析如表6、7所示。試驗(yàn)極差分析結(jié)果表明,拖拉機(jī)動(dòng)載荷影響主次因素順序?yàn)樨?fù)載D、離合器油壓A、換段時(shí)間E、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速C、調(diào)速閥流量B。動(dòng)載荷最小的組合因素及水平為A1B4C1D3E1。方差分析表明,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同的轉(zhuǎn)速及負(fù)載時(shí),對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)動(dòng)載荷影響最顯著的因素是換段時(shí)間E,次要因素是離合器油壓A,調(diào)速閥流量B對(duì)動(dòng)載荷影響也最小。動(dòng)載荷極差與方差分析表明,換段動(dòng)載荷的主要影響因素是拖拉機(jī)的負(fù)載和離合器油壓,負(fù)載越大、油壓越高動(dòng)載荷就越大;換段時(shí)間長(zhǎng)動(dòng)載荷就小;發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)載荷的影響較小,調(diào)速閥的流量對(duì)動(dòng)載荷的影響較低。3.5重負(fù)荷耕作業(yè)模式根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析,在滿足沖擊度和動(dòng)載荷都較低的因素及水平條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證選取拖拉機(jī)重負(fù)荷犁耕作業(yè)模式,作業(yè)速度8.5km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為1550r/min,變速器輸出扭矩最大,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷且油耗最低;離合器控制油壓為3.8MPa;調(diào)速閥流量為4.0L/min;換段時(shí)間為1.6s。試驗(yàn)測(cè)得沖擊度為6.2m/s3、動(dòng)載荷為1.016,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。4緩沖閥設(shè)置的影響(1)在滿足離合器正常傳動(dòng)的條件下,適當(dāng)減小離合器控制油壓,可以有效地降低拖拉機(jī)沖擊度及動(dòng)載荷。本試驗(yàn)用變速箱離合器設(shè)計(jì)油壓最小值為3.8MPa。(2)調(diào)速閥控制進(jìn)入離合器油缸的進(jìn)油速度,油缸進(jìn)油前、后壓力差不變,該因素對(duì)拖拉機(jī)沖擊度及動(dòng)載荷影響很小。本試驗(yàn)中調(diào)速閥流量最佳值為4.0L/min。(3)基于液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速的換段特性,在離合器切換瞬間是等速換段,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)沖擊度及動(dòng)載荷影響也較小。(4)負(fù)載對(duì)拖拉機(jī)的沖擊度和