混合式液壓-機械無級傳動及特性仿真分析

1、混合式液壓-機械無級傳動及特性仿真分析張民杰（江蘇省丹陽中等專業(yè)學校，江蘇丹陽 212300）摘 要：為了改善液壓-機械傳動性能，本文提出混合式液壓-機械無級傳動研究。根據傳動結構，分析聯接特點，推理出兩種特性計算公式。按照特性系數取值方法，依據25傳動形式結構，確定特性求解關鍵變量，通過MATLAB仿真加深研究。仿真結果顯示，無級傳動結構調速范圍較寬，適合應用于多領域車輛傳動控制。關鍵詞：傳動特性；仿真；液壓-機械無級傳動結構中圖分類號：TH132 文獻標志碼：A液壓機械傳動應用于工程車輛、農用車輛和軍用車輛等領域，很大程度上決定了車輛傳動控制技術水平。傳統(tǒng)的傳動控制結構為單行星排結構，該傳

2、動結構的調速、效率、液壓功率分流等3項特性存在較大提升空間。考慮到單行星排結構輸出與輸入端布設位置存在差異，可以將無級傳動劃分為分矩匯速和分速匯速等兩種形式。結合兩種形式，布設兩行星排，即可打造無級傳動系統(tǒng)。本文嘗試探究不同混合式無級傳動結構。1 混合式液壓機械無級傳動結構混合式液壓機械無級傳動結構在車輛傳動系統(tǒng)中的應用，起到了很好的驅動作用。作業(yè)期間，操控信號從輸入軸輸入傳動系統(tǒng)，經過2行星排分流。兩排信號分別是機械路信號和液壓路信號，以并聯方式傳送，在交點匯聚，然后從輸出端排出，在該信號的控制下，驅動車輛行駛。按照輸入方式和輸出方式的不同，可以將單行星排劃分為6種聯接方式。其中，輸出方式包

3、括太陽輪、齒圈和行星架等3種。輸入方式同樣按照這種方法進行劃分，得到3種輸入方式。6種聯接方式自由組合，可以生成36種聯接方案，對應36種傳動形式。由于種類較多，本文展示其中兩種傳動形式，如圖1所示。（a） CCHMT-25傳動形式（b） CCHMT-26傳動形式圖1 不同輸入與輸出傳動形式圖1中的兩種傳動形式在n4、n2、n6處的布設方式存在一定差異。其他34種傳動形式結構與這兩種傳動形式相似，通過調整輸入和輸出布設方式，生成多種傳動形結構。2 混合式液壓機械無級傳動特性研究2.1 調速特性無級傳動調速特性設定為iHN，定義變量泵與定量馬達排量比e變化條件下，n0ni數值發(fā)生變化的特性。其中

4、，ni代表輸入軸轉速，n0代表輸出軸轉速。本文以25傳動形式為例，對輸入端行星排進行定義，結構如圖2所示。輸入與輸出軸分別為n1、n2，對應的連接軸為n3。關于輸出端行星排的定義，輸入與輸出軸分別為n5、n6，對應的連接軸為n4。根據定義可知，n6=n2=n0，n1=ni。圖2 混合式液壓機械無級傳動25傳動形式（1）輸入端行星排速度計算公式：n1+A1n3-1+A1n2=0 （1）（2）輸出端行星排速度計算公式：n5+A2n4-1+A2n6=0 （2）（3）根據輸出端與輸入端的聯接關系可以得到以下關系：n4=n3ei0i1i2 （3）n5=n3i0i3 （4）（4）將公式（3）代入公式（1）

5、，公式（4）和公式（2），可以得到并聯結果，計算公式如下：iHM=n2n1=i1i2+A2ei31+A1i1i2+A2ei3-A11+A2i0i1i2 （5）上述公式中，參數i0，i1，i2，i3為外嚙合齒輪傳動比，數值為負數。參數A1和參數A2為聯接特性系數，前者對應的是輸入端行星排，后者對應的是輸出端行星排。當聯接方案改變時，特性系數取值隨之發(fā)生改變，不同聯接方式下特性系數取值情況見表1。其中，k代表行星排特性參數，該參數計算方法為齒圈齒數量與太陽輪齒數量的比值。通常情況下，依據行星排理論，k的取值范圍控制在1.54。36種聯接方案用下角標來標記不同行星輪系參數：13為前組行星輪系參數，其

6、中，1為輸入軸，2為輸出軸，3為連接軸；后組行星輪系參數為46，其中，4為連接軸，5為輸入軸，6為輸出軸。因此，公式（5）具有典型性，可以用于每一種聯接方案的參數計算。需要強調的是，在輸出與輸入不同情況下，特性系數的求解方法存在差異。表1 不同聯接方式下特性系數取值情況特性系數輸出軸輸入軸-1+kk太陽輪齒圈-1+k齒圈太陽輪k行星架太陽輪-k1+k太陽輪行星架1k行星架齒圈-11+k齒圈行星架2 液壓功率分流比特性（1）液壓功率分流比特性可以用兩項輸出功率的比值來定義，分子為液壓路輸出功率，分母為變速器總輸出功率，求解公式如下：H=PMP0=-n4M4n0M0=-n4M4n2M2+n6M6=

7、-n4M4n2M2+M6 （6）（2）輸入端行星排轉矩計算公式：M1:M3:M2=1:A1:-1+A1 （7）（3）輸出端行星排轉矩計算公式：M5:M4:M6=1:A2:-1+A2 （8）（4）依據無級傳動結構可以得到以下關系式：M4=-M3i0-M5/i3i1i2e （9）通過整理上述公式，結合前文提出的調速特異性，能夠得到以下關系式：n4n2=1+A2i3A2ei3+i1i2e （10）由公式（10），結合公式（6）（9）參數關系，可以得到液壓功率分流比，計算公式如下：H=PMP0=-n4M4n2M2+M6=-A1A21+A2i0i1i2i3i3eAei3+i1i21+A1Aei3+i1i

8、2-A11+A2i0i1i2i3 （11）公式（11）適用于任何一種傳動形式。3 仿真實驗本研究選取MATLAB作為仿真工具，以25傳動形式為例，對其調速、液壓功率分流比等2項特性進行仿真測試。3.1 調速特性仿真測試根據表1中的聯接系數關系可知，A1和A2取值分別為-k11+k1、k2。將兩項參數代入公式（5），觀察各項參數關系?？梢源_定調速特性主要取決于i0i3和k取值，即各個傳動齒輪對應的傳動比。為了檢驗此結論可靠性，本研究組織仿真實驗，結果如圖3所示。其中，縱坐標為齒桿行程，單位：m。從曲線變化情況來看，隨著排量比e數值的增加，調速特性曲線斜率逐漸減小，并且k取值越大，斜率越小。由此可

9、以判斷，調速可控性與k數值呈正相關關系。圖3 調速特性仿真結果3.2 液壓功率分流比仿真測試A1和A2取值分別為-k11+k1、k2，將兩項參數代入公式（11），觀察各項參數關系，可以確定調速特性主要取決于i0i3和k取值，仿真測試結果如圖4所示。其中，縱坐標單位：W。根據曲線變化特點可知，當k取值為3.5時，曲線中調速特性范圍寬度最大，范圍0.22.1。該范圍比大約10倍，與普通車輛傳動變速器調速范圍相比，優(yōu)勢更大一些。故k應該取3.5。圖4液壓功率分流比特性仿真結果4 結語本文通過分析混合式液壓機械無級變速傳動結構，掌握不同輸入與輸出傳動形式，以25傳動形式為例，研究調速、液壓功率分流比等2項特性。根據傳動形式結構，探究特性計算公式。仿真結果顯示，25傳動形式變速系統(tǒng)調速可控性與k數值呈正相關關系，調速范圍比較寬，該范圍約為普通調速范圍的10倍。本文提出的無級變速傳動結構可以在多個領域車輛控制中應用。參考文獻1 于今，陳華，劉駿豪.液壓機械無級變速器的變論域模糊PID速比跟蹤控制J.中國機械工程，2019，30（10）：1226-1232.2 郝用興，劉倩，郭文娟，等.基于AMESim-MATLAB聯合