多段式液壓機(jī)械無級變速器的方案設(shè)計(jì)和特性分析

液壓機(jī)械無極變速器是由液壓調(diào)速機(jī)構(gòu)和機(jī)械變速機(jī)構(gòu)通過分流和匯流裝置共同傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是現(xiàn)在應(yīng)用于工程車輛和農(nóng)用車輛中比較廣泛的新型傳動(dòng)形通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高的傳動(dòng)效率，同時(shí)通過液壓部分的傳動(dòng)，借由改變變量泵和液壓馬達(dá)的排量比，使得液壓路的轉(zhuǎn)速改變，再通過匯流機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速的特性。這種傳動(dòng)方式的采用可以大幅度提高車輛的動(dòng)力性器的分類、參考設(shè)計(jì)出的傳動(dòng)方案，以及對該方矩特性、液壓功率分流比等各種性能的分析計(jì)算，在工程領(lǐng)域與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，面對著越來越嚴(yán)苛的工作條件，相關(guān)的專業(yè)車輛如何可以在不同的工作條件下可靠安全地完成工作，是現(xiàn)在研究的一個(gè)趨勢，而在傳動(dòng)方式及傳動(dòng)方案上的改進(jìn)則是目前解決這一問題的主要突破口之一，傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)由于存在擋位的限制難以與復(fù)雜的工況相匹配。由于拖拉機(jī)工況復(fù)雜，載荷變化劇烈，往往不能充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。從現(xiàn)在該領(lǐng)域的發(fā)展水平來看，在工程車輛中，最為廣泛運(yùn)用的傳動(dòng)形式現(xiàn)在有兩種，一種是純液壓方式，另一種則是液力機(jī)械傳動(dòng)的方式1]。然而對于純液壓可以輸出較高的扭矩，并且這種方式在控制上更為穩(wěn)定和可靠，可以連續(xù)且平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)變速的要求，但是液壓傳動(dòng)也有著一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，在工程車輛的工作過程中，經(jīng)常會(huì)面臨負(fù)載的頻繁改變，機(jī)械振動(dòng)持續(xù)影響，當(dāng)所承受的載荷過大，這樣一來液壓系統(tǒng)的嚴(yán)重泄露往往會(huì)使得整體的傳動(dòng)效率降低，影響工作狀態(tài)。以前的傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，比如齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等方式，在工作過程中由于受到本身結(jié)構(gòu)上不可避免的限制，雖然可以保證較高的效率，但是面對復(fù)雜的工作情況，比如需要經(jīng)常調(diào)整工作狀態(tài)或檔位，就會(huì)存在換段不平穩(wěn)的現(xiàn)象，這樣既不利于乘車人或操作人員的舒適性，同時(shí)這種不連續(xù)不平穩(wěn)的工作狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的剛性沖擊，這樣對于材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)帶來相當(dāng)大的麻煩，相應(yīng)的就會(huì)導(dǎo)致研發(fā)、制造成本的上升；而這種新型的液壓機(jī)械組合的傳動(dòng)方式，是人們在為了解決這種不平穩(wěn)而突破性的設(shè)計(jì)，借助了液壓傳動(dòng)中可以無經(jīng)濟(jì)的方式工作在最為高效的工作階段。同時(shí)液壓系統(tǒng)也可以提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域有著十分廣闊的運(yùn)用環(huán)境，學(xué)技術(shù)的提高，不斷完善不斷發(fā)展，前景十分光科技的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，對于一個(gè)國家而言，則體現(xiàn)在各個(gè)方面，在工程領(lǐng)域則表現(xiàn)的十分突出和明顯。在工程建設(shè)中，許多專業(yè)型的工程車輛則不可或缺，他們是完1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀液壓機(jī)械無極傳動(dòng)這一概念的提出最早是在20世紀(jì)初，雖然概念已經(jīng)存在，但是通的農(nóng)用車輛則并沒有運(yùn)用此類技術(shù)。在20世紀(jì)的70年代，在普遍都是在探索這一理美國Allison公司為MBT-20坦克研制的XHM-1500-2全液壓綜合傳動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)。這到了20世紀(jì)90年代，隨著這一概念的不斷發(fā)展和相關(guān)研究的不斷深入，以拖拉機(jī)k2無級變速器圖1無級變速器的分類分為幾種無級變速器，如圖1所示。損失的能量會(huì)因?yàn)槟Σ炼D(zhuǎn)化為熱，這樣對于散熱的要求也會(huì)比較高，對零件的壽命也有影響。第二種是牽引傳動(dòng)式。這一類的無圓環(huán)面之間傳遞動(dòng)力，但是在目前研究的水平上來看，它的壽命和可靠性均不是太高，這也導(dǎo)致其在目前的市場上沒有廣泛運(yùn)用。電傳動(dòng)式無極變速系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)構(gòu)成上由發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)以及牽引電動(dòng)機(jī)。這種方式的傳遞功率范圍較大，并且可以通過電控降低操作上的難度，同時(shí)這種形式也保留了傳動(dòng)效率動(dòng)發(fā)生巨大變化，探索一種環(huán)境友好和節(jié)約資源的新的方案正在成為主流，從而推動(dòng)了這一領(lǐng)域的繼續(xù)深化和探索。但是局限于目前的技術(shù)水平，無法改變降低研發(fā)成本減輕械上或者礦業(yè)上使用的大型工程車輛上。第三類無級變速器就是圖中所示的流體式無級變速器，在這一大類的基礎(chǔ)上又可以細(xì)分為兩種，一個(gè)是液力無級變速器，同時(shí)也被稱為液力變矩器，液壓油在工作過程中負(fù)責(zé)傳遞動(dòng)力，并且因?yàn)槭鞘褂玫揭簤合到y(tǒng)，所以其無極調(diào)速的性能使得車輛在換擋時(shí)平穩(wěn)且輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都十分連續(xù)，讓乘車人的駕駛體驗(yàn)更為舒適平穩(wěn)，因?yàn)槭且簤簜鲃?dòng)的設(shè)計(jì)，在面對突然的沖擊或者運(yùn)用在載荷較大的情況下，它的表現(xiàn)也十分出色，同時(shí)它在控制方面也十分簡單，這也使得如何讓車輛在不同的工作環(huán)境中工作在效率最佳的工作點(diǎn)更為容易。這樣的優(yōu)點(diǎn)使得在目輛領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛使用這一傳動(dòng)方式和無級變速器。不過雖然廣泛使用，卻并不代表它沒有缺點(diǎn)，正如之前所闡述的那樣，液壓傳動(dòng)的問題—在面對過高的載荷或者沖擊時(shí)，看，最高的傳動(dòng)效率也僅僅為75%~85%,這與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)相比還是有很大的差距，而對于某些情況復(fù)雜的工況而言，有時(shí)候其傳動(dòng)的效率會(huì)再次降低至50%~70%,所以為了解決純液壓傳動(dòng)的效率損失的問題，同時(shí)又保留其輸出轉(zhuǎn)矩大，可運(yùn)用于大負(fù)載場合的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在的無級變速器的研究方向正輸入分流機(jī)構(gòu)圖2液壓機(jī)械傳動(dòng)原理輸入端輸出端機(jī)械路徑輸出端輸出緩b分速-匯矩式液壓機(jī)械無級傳動(dòng)原理圖如圖2所示的流程圖，并且如圖3a、圖3b所示不同的分制變量泵馬達(dá)系統(tǒng)的排量比來實(shí)現(xiàn)在排量比e在-1~1之間變化時(shí)，通過控制相應(yīng)的換度為0~48km/h進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。遞效率問題),在老師的指導(dǎo)下，此次設(shè)計(jì)之初暫時(shí)選用道依茨TCD2013L062V發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率197.7kw,額定轉(zhuǎn)速2100r/min。圖4液壓傳動(dòng)方案而一部分發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速則通過液壓路傳遞到pl行星排的太陽輪s1,之后通過離合器的開表1各個(gè)工作段離合器狀態(tài)工作段離合器狀態(tài)F:前進(jìn)檔前進(jìn)和后退同速B十一-一十十-一十十十-一十-十-4液壓機(jī)械無極變速器的特性分析參考國外目前正在采用的Eccom變速箱方案，考慮到此次設(shè)計(jì)的四段式液壓機(jī)械無極變速器的行星架特性參數(shù):齒圈齒數(shù)，Zs為太陽輪的齒數(shù)),對于四個(gè)行星排組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，其每一個(gè)的特性參數(shù)現(xiàn)取i?=1;i?=1。4.1無極調(diào)速特性無極調(diào)速特性是此次液壓機(jī)械無級變速器的關(guān)鍵特性，傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)或者機(jī)械齒輪變速箱傳動(dòng)，傳遞動(dòng)力的過程中速度的調(diào)節(jié)是離散的，不連續(xù)的，這也是純機(jī)械變速系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)，這樣會(huì)導(dǎo)致在變速過程中出現(xiàn)卡頓、不連貫的狀態(tài)由此產(chǎn)生的沖擊對于系統(tǒng)零部件的使用壽命有不好的影響，也會(huì)是駕駛者的乘坐體驗(yàn)大打折扣，而液壓系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)變量泵與液壓馬達(dá)的排量和轉(zhuǎn)速，使得工作過程比較連續(xù)平穩(wěn)，但是純液壓系統(tǒng)的效率不如機(jī)械傳動(dòng)的效率，所以將兩者結(jié)合，設(shè)計(jì)一款液壓機(jī)械無極變速器，既保留高效率，也可以兼具液壓傳動(dòng)的無級變速的特點(diǎn)。借助液壓系統(tǒng)對液壓機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速。通過查閱資料，可以知道在一個(gè)行星排中，太陽輪、行星齒圈、行星架三者的由于前進(jìn)和后退同速，所以現(xiàn)在已正向前進(jìn)為例，對每一個(gè)工作段的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。所以可以得出F1工作段輸出轉(zhuǎn)速：所以可以得出F2工作段輸出轉(zhuǎn)速：所以可以得出F3工作段輸出轉(zhuǎn)速：0第一段第二段第三段第四段4.2結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系工作段速度12~24km/h;F4/R4工作段速度24~48km/h。由上一節(jié)計(jì)算得出的不同工作段的輸出轉(zhuǎn)速公式可以分析得出以下結(jié)論：由已知發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為2100r/min,考慮到實(shí)際行駛速度不僅和轉(zhuǎn)速有關(guān)，同時(shí)也與驅(qū)動(dòng)輪的半徑有關(guān)、與傳遞過程中的效率有關(guān)，現(xiàn)選取拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪半徑為r=0.9m。現(xiàn)在取主減速比iz=3.8,取輪邊減速比i。=7.07。所以由速度范圍對應(yīng)不同檔位的分配可以得出下列關(guān)系式：(以正向行駛為例)F1工作段：F2工作段：F3工作段：F4工作段：運(yùn)用matlab軟件對上面的方程組進(jìn)行求解，分別求解出i?=1.10、i?=1。所以結(jié)構(gòu)性參數(shù)的值如表2所示。表2結(jié)構(gòu)性參數(shù)值321331r1因?yàn)榕帕勘仁窃?1~1之間連續(xù)變化的，所以對應(yīng)得出的轉(zhuǎn)速和行駛速度都是連續(xù)的，從而實(shí)現(xiàn)題目要求的在0~48km/h范圍內(nèi)的無極變速。利用MATLAB軟件將車輛不同工作段的速度與排量比之間的關(guān)系以圖形的形式表示，如圖6所示，利用MATLAB軟件將車輛不同工作段的傳動(dòng)比與排量比之間的關(guān)系以圖形的形式表示，如圖7所示，在每一個(gè)工作段內(nèi)都是連續(xù)變化的，符合無極調(diào)速的特性。排量比圖6拖拉機(jī)行駛速度與排量比的關(guān)系排量比圖7各段傳動(dòng)比于排量比的關(guān)系4.3平穩(wěn)換段特性多段式液壓機(jī)械無級變速器為了實(shí)現(xiàn)在工作過程中無級變速的要求，不僅要求在同一個(gè)工作段內(nèi)的變化是連續(xù)的，與此同時(shí)，在相鄰兩端工作段的切換必須平穩(wěn)可靠，也就是要滿足平穩(wěn)換段條件，其定義可以概括為以下兩點(diǎn)，1、在換段點(diǎn)前后相鄰兩端具有相同的速比；2、在換段點(diǎn)前后相鄰兩端具有相同的排量比。這也是使得車輛在整個(gè)行駛過程中無論是勻速還是變速行駛時(shí)都十分連貫和平穩(wěn)，避免出現(xiàn)沖擊和卡頓。因此可以得出下列方程：由F1到F2段換段點(diǎn)處輸出轉(zhuǎn)速n0和排量比e相同：顯然i?i2≤1時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)F1到F2段的平穩(wěn)換段；由F2到F3段換段點(diǎn)處輸出轉(zhuǎn)速n0和排量比e相同：顯然≥-1時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)F2到F3段的平穩(wěn)換段；同理，由F3到F4段換段點(diǎn)處輸出轉(zhuǎn)速n0和排量比e相同：4.4轉(zhuǎn)矩特性在液壓機(jī)械無級變速器的傳動(dòng)過程中，由于行星排中的齒輪副的嚙合關(guān)系，所以我們同樣也要考慮到每一段各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)矩以及各段之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系，這樣有利于選擇齒輪材料的類型以及分析方案是否合理，根據(jù)查閱相關(guān)論文得知太陽輪。行星架、行星齒圈的轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如下：針對該方案中四個(gè)不同工作段的各個(gè)太陽輪、行星架、行星齒圈其各自的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出輸出端的轉(zhuǎn)矩大小，計(jì)算及推導(dǎo)過程如下：1、F1工作段2、F2工作段3、F3工作段4、F4工作段轉(zhuǎn)矩比轉(zhuǎn)矩比車速圖8各段轉(zhuǎn)矩比與車速的關(guān)系由于Mm是液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，在不同排量的情況下是一個(gè)變量，在圖形中表示比較復(fù)雜且不清晰，所以定義轉(zhuǎn)矩比為輸出轉(zhuǎn)矩與液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩的比值，利用MATLAB軟件對不同車速情況下轉(zhuǎn)矩比的關(guān)系如圖8所示。4.5液壓功率分流比通過查閱資料，這一特性的定義為液壓路的輸出功率(經(jīng)液壓路傳遞到行星排的輸入功率)與變速器總輸出功率的比值p11]。液壓功率分流比實(shí)際上是表示一個(gè)液壓機(jī)械系統(tǒng)中，液壓路工作過程中的排量比、機(jī)械路中行星排特性參數(shù)、以及傳動(dòng)方案中的齒輪副的傳動(dòng)他們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。液壓功率分流比反映了每一個(gè)工作段中系統(tǒng)的工作狀態(tài)，這也是設(shè)計(jì)方案中需要考慮的一個(gè)參數(shù)，為更好的完善方案和確定選型提供參考。液壓功率分流比定義式如下：F1工作段F2工作段F3工作段F4工作段根據(jù)液壓泵和液壓馬達(dá)的排量應(yīng)該一致，再通過前面計(jì)算出的功率分流比、各個(gè)工作段的輸出轉(zhuǎn)速以及F1段的轉(zhuǎn)矩(F1段對應(yīng)的液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩最大，以此為上限),反推回液壓系統(tǒng)輸出的功率、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩HPV-02,根據(jù)表3確定其額定排量75,在正常工作時(shí)的連續(xù)功率98kw,而液壓馬達(dá)的排量需要與變量泵保持一致，根據(jù)表4暫時(shí)選用HMF-02,其額定排量75,在正常工作時(shí)的持續(xù)功率120kw。表3變量泵型號及參數(shù)r1上Tph1a.L此2LI4·本w24mn下律錫表4液壓馬達(dá)型號及參數(shù)皮市參數(shù)a世需民443師吸員直福1116施hpH)棟力l的意愉中ea59I庫2:章*1m1hr岸上?!h析曾要用礦11s讓1.情14pU5液壓機(jī)械無極變速器的傳動(dòng)效率圖10變量泵與液壓馬達(dá)由于本次設(shè)計(jì)方案中液壓泵和馬達(dá)的額定排量相同，因此排量比e也等于定量馬達(dá)和變量泵的轉(zhuǎn)速之比，這也就意味著當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速取決于e。與此同時(shí)，液壓油路的壓力與變量泵的輸入轉(zhuǎn)矩受到液壓馬達(dá)的負(fù)載大小或變化的影響和排量比這一因素的影響。P為油路壓力，mpa;7p為變量泵效率；5.2閉式行星齒輪傳動(dòng)效率的計(jì)算液壓機(jī)械傳動(dòng)方案中，因?yàn)椴皇羌儥C(jī)械傳動(dòng)也不是純液壓傳動(dòng)，所以需要推導(dǎo)出其特殊的計(jì)算方程，由于此次設(shè)計(jì)的多段式液壓機(jī)械無極變速器里存在如圖11、圖12中方案1和方案2的兩種布局方式。所以現(xiàn)在以分矩-匯速式的液壓機(jī)械傳動(dòng)方案中的兩種典型方案進(jìn)行其對應(yīng)的效率計(jì)算。a:齒圈、b:太陽輪、b-I鏈由兩對齒輪和泵-馬達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成，a-I鏈直接連接?？倐鲃?dòng)比：功率循環(huán)出現(xiàn)在b-I傳動(dòng)鏈。圖12方案2總傳動(dòng)比：當(dāng)e>0時(shí)，存在功率循環(huán)7a為a-I傳動(dòng)鏈效率，n=7n17pm?2。5.3液壓機(jī)械無極阿變速器傳動(dòng)效率的計(jì)算結(jié)合上一節(jié)分析計(jì)算出的傳動(dòng)效率，針對此次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，現(xiàn)對該方案不同工記71、72、73、74、70為傳動(dòng)方案中各齒輪副嚙合的傳動(dòng)效率?，F(xiàn)在取單級外嚙F1工作段：當(dāng)e<0時(shí)，存在功率循環(huán)，總效率F2工作段：當(dāng)e>0時(shí)，存在功率循環(huán)F3工作段：F4工作段：6.1液壓機(jī)械無級變速器的傳動(dòng)方案建模gg2圖14發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)圖15液壓系統(tǒng)排量比變化參數(shù)為15至50秒(參數(shù)表示為：ift>15andt<50then1elseO)。對于離合器k3,其工作時(shí)間為25至35秒(參數(shù)表示為ift>25andt<35then1else0)。對于離合器k4,其工作時(shí)間為35至50秒(參數(shù)表示為ift>35