液壓機(jī)械無級(jí)變速箱動(dòng)態(tài)特性研究

鄭惠清

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

液壓機(jī)械無級(jí)變速箱動(dòng)態(tài)特性研究

鄭惠清

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

液壓機(jī)械無級(jí)變速箱與傳統(tǒng)的變速箱相比，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱具有明顯的優(yōu)勢(shì)。文章分析了液壓機(jī)械無級(jí)變速箱在需要作業(yè)于復(fù)雜工況的水旱兩用拖拉機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用MATLAB對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)連讀無級(jí)變速，做到邊行駛邊工作，并具有平穩(wěn)起步的優(yōu)勢(shì)?？傮w來說，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱在水旱田中兩用的拖拉機(jī)上應(yīng)用具有可行性，能適應(yīng)復(fù)雜的工況，并提高拖拉機(jī)的工作效率。

液壓機(jī)械；動(dòng)態(tài)特性；無級(jí)變速箱

1 液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的概念及特點(diǎn)

液壓機(jī)械無級(jí)變速箱簡(jiǎn)稱HMT是由機(jī)械變速機(jī)構(gòu)、液壓調(diào)速機(jī)構(gòu)和分匯流機(jī)構(gòu)共同組成的一種具有機(jī)械功率流與液壓功率流并聯(lián)的一種新型傳動(dòng)形式，它是通過機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，主要體現(xiàn)以下4個(gè)方面：①由于傳力介質(zhì)是液體，因此傳動(dòng)系動(dòng)載得到了大大的減輕，這樣不僅提高了零配件的使用壽命，還沒有防止發(fā)動(dòng)機(jī)因超載而熄火，大大提高了工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用性能；②使用液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的車輛無論是工作效率還是動(dòng)力性都得到了提高，且更省油，這主要由于其對(duì)行駛阻力和負(fù)荷的變化都有更強(qiáng)的適應(yīng)性，具有無級(jí)限速的特點(diǎn)，隨時(shí)能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作點(diǎn)上開展工作；③操作輕便，行駛更加平穩(wěn)，可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高操作人員的舒適性；④可以實(shí)現(xiàn)低速穩(wěn)定行駛，可以提高車輛的低速作業(yè)質(zhì)量。

2 液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的設(shè)計(jì)及工作原理

（1）設(shè)計(jì)液壓機(jī)械無級(jí)變速箱傳動(dòng)方案。液壓機(jī)械無級(jí)變速箱面向的工作環(huán)境可能存在工況不明，多種負(fù)荷的復(fù)雜情況，因此為了更方便研究其工作原理，文章考慮在旱地和水田兩種作業(yè)環(huán)境中工作的拖拉機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)水田和旱田的作業(yè)工況不同，分析其工作中的各個(gè)速度段情況，設(shè)計(jì)出液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的方案圖（如圖1所示），其中K1、K2為行星排；i1～i9是齒輪副；C1～C4是同步器；Cy和 Cj是濕式離合器。

圖1 液壓機(jī)械無級(jí)變速箱傳動(dòng)方案

（2）液壓機(jī)械無級(jí)變速箱傳動(dòng)方案的工作原理。在這個(gè)方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率的分流功能由i3來實(shí)現(xiàn)，分流后通過機(jī)械路和液壓路系統(tǒng)來分別傳遞，再經(jīng)過K1和K2來實(shí)現(xiàn)匯流，最終通過機(jī)械傳動(dòng)輸出。其具體的傳動(dòng)工作原理為如表1所示。

表1 液壓機(jī)械無級(jí)變速箱傳動(dòng)方案工作原理

（3）根據(jù)方案確定傳動(dòng)比。根據(jù)上述方案及工況，確定拖拉機(jī)的工作速度和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，從而設(shè)計(jì)出液壓機(jī)械無級(jí)變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。i1～i9分別為：0.686、1.676、1.974、1.513、1.211、2.217、0.414、1.694、4.389、3.56 和 2.56。

3 液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建模型后利用MATLAB仿真液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的動(dòng)態(tài)特性，分析了無級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)矩和效率特性。

（1）液壓機(jī)械無級(jí)變速箱無級(jí)調(diào)速特性分析。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變速箱處于純液壓區(qū)段H、液壓機(jī)械HM1、HM2、HM3和倒檔區(qū)段時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳動(dòng)比；在排量比區(qū)間內(nèi)，液壓機(jī)械HM2和HM3，HM1和HM2區(qū)段能夠?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)比的重疊，這樣有利于控制離合器，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換段；純液壓段的傳動(dòng)比范圍較大，拖拉機(jī)能夠有效適應(yīng)水田工作狀況，同時(shí)能夠做到零速起步。

圖2 無級(jí)調(diào)速特性曲線圖

水旱兩用拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)適應(yīng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪直徑和后橋傳動(dòng)比的要求，可以設(shè)定為2300r/min，根據(jù)MATLAB運(yùn)行的結(jié)果（如圖2所示）來看，在液壓機(jī)械段的行駛速度為6km/h到50km/h，倒檔的最高速度為15km/h，同時(shí)各個(gè)檔位區(qū)段的速度均有重合，這可以確保拖拉機(jī)在行駛過程中能夠平穩(wěn)換段。

（2）液壓機(jī)械無級(jí)變速箱轉(zhuǎn)矩特性分析。根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式，當(dāng)區(qū)段 H 時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩比為 Mb純液/Mm=i1·i3·i9；區(qū)段 HM1的輸出轉(zhuǎn)矩比為 MbHM1/Mm=（1+k1）·i3·i8；區(qū)段 HM2的輸出轉(zhuǎn)矩比為MbHM2/Mm=k2i3i4；區(qū)段HM3的輸出轉(zhuǎn)矩比為MbHM3/Mm=（1+k1）i3i7；倒檔的輸出轉(zhuǎn)矩比為 Mb倒擋/Mm=k2i3i5i6。計(jì)算結(jié)果顯示H、HM1、HM2、HM3和倒檔的輸出轉(zhuǎn)矩與定馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩比分別為 5.94、15.25、7.65、3.73 和 13.56。從計(jì)算結(jié)果可知，馬達(dá)與輸出軸的扭矩比與變量泵排量無關(guān)，不會(huì)隨著它的變化而變化；此外，等比連續(xù)式無級(jí)變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩在HM1、HM2、HM3成比例降低，變速效果則越加明顯，輸出轉(zhuǎn)矩在每一個(gè)區(qū)間內(nèi)保持恒定，這有利于拖拉機(jī)的快速提速。

（3）液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的效率特性分析。根據(jù)MATLAB的模擬結(jié)果顯示，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱在任意區(qū)段下液排量比接近0時(shí)，其效率變化的較大，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的最低的傳動(dòng)效率為0.863，最高為0.925；倒檔和HM2區(qū)段的總體效率較高，而當(dāng)排量比小于0時(shí)，HM1和HM3的效率變化范圍比較大，排列大于0時(shí)，HM1和HM3的效率較好，性能比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

液壓機(jī)械無級(jí)變速箱相比傳統(tǒng)機(jī)械有級(jí)變速箱而言具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的分析可以明確其的可應(yīng)用性。文章通過分析其在農(nóng)業(yè)水旱田中兩用的拖拉機(jī)中應(yīng)用的液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的動(dòng)態(tài)分析可知，在水旱兩用拖拉機(jī)中，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱的傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)連讀無級(jí)變速，做到邊行駛邊工作，并具有平穩(wěn)起步的優(yōu)勢(shì)。此外，液壓機(jī)械無級(jí)變速箱結(jié)合了連續(xù)變換的液壓傳動(dòng)和高效的機(jī)械傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，使得液壓機(jī)械無級(jí)變速箱保持在86～92%的高效工作。

[1]孫野，殷鳳龍，楊丹，等.復(fù)雜激勵(lì)下變速箱箱體動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J].機(jī)床與液壓，2014，（19）.

[2]劉輝，張喜清，項(xiàng)昌樂.多源動(dòng)態(tài)激勵(lì)下變速箱箱體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2011，32（2）：129-135.

[3]張喜清，劉輝.多源激勵(lì)下變速箱箱體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析與動(dòng)態(tài)測(cè)試研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2014，（5）：699-705.