拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱换段品质分析

拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱具有多个工作区段,带载换段时容易产生冲击甚至引起动力中断,是该类变速箱研发过程中迫切需要解决的问题。目前该领域研究较少,为了揭示各因素对链式金属带功率分流无级变速拖拉机换段品质的影响规律及作用机理,本研究对其换段过程进行了仿真研究。首先,阐述了所研究拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱的传动原理,分别从无级调速特性、牵引特性、PTO功率和燃油经济性等方面对其可行性进行了计算分析;其次,构建了链式金属带功率分流无级变速箱换段液压系统的动力学模型并进行了试验验证,以此为基础,进一步构建了变速箱及拖拉机整机换段动力学模型;最后,给出了换段品质的3项评价指标,并对各因素对换段品质的影响规律及机理进行了仿真研究。仿真结果表明:该变速箱的传动特性与传统机械换挡变速箱相当,但燃油经济性优于传统机械换挡变速箱(低速重载工况下小时油耗降低约0.3 kg/h)和传统金属带无级变速箱(系统比油耗降低约20 g/(kW·h))。此外,较低的发动机转速(1 200 r/min)、适中的充油压力(5 MPa)、较高的充油流量(10 L/min)、理想换段点前换段(提前约0.2 s)与重叠时序换段(重叠约0.2 s)均可改善换段品质,而变速箱输出轴转动惯量、拖拉机质量以及负载等因素对换段品质的影响较为复杂,各项指标对其换段品质的评价并不统一,在拖拉机设计阶段需要综合考虑。链式金属带功率分流无级变速箱非常适合中小功率拖拉机传动,不仅经济,而且换段品质具有可控性,具有继续研究的价值,该研究结果可为中小功率无级变速拖拉机传动系统的设计提供理论支撑。     

拖拉机液压机械无级变速器加速换段过程动力学仿真

拖拉机加速行驶时,破坏了严格意义上的液压机械无级变速器等速换段条件,加之惯性负载的影响,需要对拖拉机加速过程中液压机械无级变速器的换段过程及其影响因素进行研究。首先,在Simulation X下构建了现有试验台架的传动系统模型,包括发动机、变速器、负载以及离合器控制油路,并对其进行了试验验证。考虑到拖拉机加速过程中惯性质量对换段过程的影响,在前述模型的基础上,进一步构建了包括后桥在内的完整拖拉机模型。而后,基于换段期间拖拉机的峰值加速度与离合器摩擦损耗2项指标,对5组可能对换段过程构成影响的拖拉机或变速器工作参数进行了仿真分析。结果表明,在变速器理论换段点之前开始换段（该研究取?0.65 s）,延迟待分离离合器的卸油时间（该研究取0.2 s）,提升待接合离合器的流量水平（该研究取6 L/min）,使用一体式泵控液压马达以及限制换段时的发动机最高转速,均可提升拖拉机在加速换段过程中的换段品质。此外,拖拉机的设计质量应当综合考虑速度冲击与动载冲击的影响。该研究可为拖拉机无级变速器及其控制系统的研究提供参考。     

拖拉机液压机械无级变速器加速换段过程动力学仿真（英文）

拖拉机加速行驶时,破坏了严格意义上的液压机械无级变速器等速换段条件,加之惯性负载的影响,需要对拖拉机加速过程中液压机械无级变速器的换段过程及其影响因素进行研究。首先,在Simulation X下构建了现有试验台架的传动系统模型,包括发动机、变速器、负载以及离合器控制油路,并对其进行了试验验证。考虑到拖拉机加速过程中惯性质量对换段过程的影响,在前述模型的基础上,进一步构建了包括后桥在内的完整拖拉机模型。而后,基于换段期间拖拉机的峰值加速度与离合器摩擦损耗2项指标,对5组可能对换段过程构成影响的拖拉机或变速器工作参数进行了仿真分析。结果表明,在变速器理论换段点之前开始换段(该研究取-0.65 s),延迟待分离离合器的卸油时间(该研究取0.2 s),提升待接合离合器的流量水平(该研究取6 L/min),使用一体式泵控液压马达以及限制换段时的发动机最高转速,均可提升拖拉机在加速换段过程中的换段品质。此外,拖拉机的设计质量应当综合考虑速度冲击与动载冲击的影响。该研究可为拖拉机无级变速器及其控制系统的研究提供参考。     

理论换段点下HMCVT换段离合器转矩交接及控制

针对液压机械无级变速器在换段过程中的动力中断和换段冲击问题,该研究以三段式液压机械无级变速器第二段切换第三段为例,通过建立动力学模型分析理论换段点下两段位的液压路功率方向变化规律,提出基于液压路功率方向的两阶段换段离合器转矩交接方法,并使用分段函数对两阶段离合器转矩交接轨迹进行优化,通过仿真对转矩交接方法正确性进行了验证。为了实现转矩的跟踪控制,基于终端滑模控制的方法设计了离合器控制器,通过对油压的跟踪控制实现转矩的跟踪控制,通过试验验证了控制器有效性。仿真和试验结果表明：在负载换段过程中,所提换段离合器转矩交接方法能够实现动力的平稳过渡,终端滑模控制器能够实现离合器油压的跟踪控制,从而实现转矩控制。在输入轴转速1 000 r/min,负载700 N·m工况下,使用终端滑模控制器控制两换段离合器进行换段,输出轴转速的波动范围为-20.6～7.4 r/min,输出轴转矩波动范围为-117.4～107.9 N·m,换段过程中最大冲击度为-6.16 m/s3,换段离合器的最大滑摩功为508.45 J,换段过程中无动力中断。该研究可为液压机械段变速器的换段控制提供参考。     

液压机械无级传动全功率换段过程排量比调节模型

为了解决液压机械换段过程中存在的转速波动和瞬时动力中断等问题,该文以两离合器结合重叠的五阶段全功率动力换段方法为基础,分析了液压机械全功率换段过程变排量液压元件排量比调节规律。以某等差两段式液压机械为研究对象,建立了液压机械全功率换段过程变排量液压元件排量比调节模型,通过仿真分析和全功率换段过程试验,获得了换段过程液压回路压力从当前段到目标段随排量比变化的动态响应过程。结果表明,排量比变化量的仿真与试验结果基本一致,最大偏差为8.93%,验证了模型的正确性;排量比调节模型能够根据当前段状态参量和目标段压力预测出目标段排量值;阶跃排量比调节规律能有效缩短液压回路建压时间,建压时间为0.93 s,压力波动量较小,为0.64 MPa;按阶跃调节排量比至目标值,能在换段过程完成液压回路高低压侧压力平稳互换,换段前后输出转速几乎无波动、转矩连续传递。经增速机后的输出转矩为100和150N·m时,换段时间分别为1.00和1.10s,该转矩的最大波动量分别为6.80和6.84N·m,换段过程中功率连续且平稳传递。研究结果可为实现液压机械无级传动全功率换段控制及后续研究提供参考。     

拖拉机液压机械无级变速箱换段过程液压故障诊断

为了提高拖拉机液压机械无级变速箱换段品质的稳定性和换段系统的工作可靠性,提出一种针对其离合器液压系统的故障诊断方法。该文基于南京农业大学自主研发的液压机械无级变速箱,通过试验获得正常及4种典型故障模式下换段过程的60组压力、流量数据。基于Fisher准则与核方法,对处理后的样本进行学习,并基于粗糙集理论与特征向量法,分别对样本的属性集及训练样本集进行精简。通过随机选取训练样本集与测试样本集并进行多次分类取平均的方法对算法的鲁棒性进行了测试。结果表明,针对全部60组试验样本,所使用算法可实现正常及4种故障模式的正确分类,且在随机样本测试中,正常及4种典型故障模式下的算法平均识别率分别为99.67%、100%、99%、98%、99%,具有较高的鲁棒性。该研究对提高液压机械无级变速箱的自动化水平及推动其在国产拖拉机中的应用提供了参考。     

液压机械全功率换段方法及功率过渡特性

为了解决液压机械无级传动换段过程中存在的动力中断和换段冲击等问题,基于当前段与目标段双制动器结合重叠,提出全新的液压机械全功率换段方法,并深入探究全功率换段过程功率过渡机理及控制方法。该文以两段等差式液压机械为研究对象,在双制动器结合重叠的动力换段方式的基础上,提出了五阶段液压机械全功率换段方法,通过理论分析与试验相结合的方法,研究了换段过程中液压机械转矩特性和功率特性随液压回路压差的变化规律,液压回路压差随变排量液压元件排量的变化规律。结果表明,在双制动器结合重叠的动力换段中,通过调节变排量液压元件的排量比,能够控制液压回路的高低压侧压差改变、互换,进而控制当前段制动器转矩向目标制动器有序转移,在双制动器结合重叠中完成换段,实现换段过程传递全功率。输入转速保持1 000 r/min不变,进出换段时定排量液压元件转速无波动,输出扭矩波动量约为5 N·m(负载扭矩为60 N·m和150 N·m)。该研究揭示了液压机械全功率换段的功率过渡机理,可为全功率换段的后续研究及液压机械应用提供了参考。     

拖拉机液压机械无级变速箱效率特性的仿真与试验

为了对一种新型拖拉机液压机械无级变速箱的效率水平进行评估,该文对其满负荷及部分负荷下的效率特性进行了研究。基于SimulationX平台,该文构建了完整的变速箱传动模型,并通过台架试验对其进行了校准,从而确保了模型的可靠性。通过仿真分析,得出了传动效率与发动机转速、负载扭矩和速比的关系,并绘制了较为全面的效率图谱;指出了泵前齿轮副对变速箱效率的影响,从而使得基于效率进行变速箱的结构优化具备了理论上的可操作性。结果表明,该变速箱在HM2、HM4段负排量和HM1、HM3段正排量时存在功率循环,且变速箱的传动效率受到发动机转速和扭矩的双重影响,其在额定工况下的满负荷传动效率为81.5%。因此,该类变速箱的传动效率随工况波动较大,为了使拖拉机在给定的车速、负载水平下高效作业,必须合理匹配其速比与发动机转速的关系。该研究可为变速箱的结构优化及动力匹配提供理论依据。     

湿式双离合器自动变速器的升档控制

为了解决湿式双离合器自动变速箱的换档冲击和离合器磨损问题,在对换档品质评价指标分析的基础上,研究了温度对湿式离合器压力传递特性的影响,提出了湿式双离合器的压力控制方法。并以一档升二档为例,制定了具体的升档控制策略,讨论了发动机参与控制对双离合器自动变速箱换挡品质的影响。最后应用于实车试验中,在中、小两种节气门开度的状态下均得到了理想的换挡效果,车速变化柔和,无明显冲击,油温变化小。验证了湿式双离合器的压力控制方法正确,换档控制策略合理。     

基于同步信号的液压机械无级传动控制器硬件在环仿真

液压机械无级传动仿真模型含有非线性换段过程,模型实时求解困难,致使传统控制器硬件在环仿真难以实现。该文提出基于同步信号的控制器硬件在环仿真方法,定义了基于同步信号的硬件在环仿真时钟、同步信号周期,分析了基于同步信号的控制器硬件在环仿真时序误差,建立了基于同步信号的液压机械无级传动控制器硬件在环仿真系统,两段液压机械无级传动控制器硬件在环仿真试验表明,发动机节气门变化时,采用相同控制策略的在环控制器与控制器模型的控制效果基本一致。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

拖拉机双离合器自动变速器换挡品质评价指标

针对双离合器自动变速器拖拉机在田间高负载作业工况下进行换挡时,原换挡品质评价指标不能充分考察对性能的影响,提出了变速器输出转矩传递系数和变速器输出转矩2个评价指标。归纳了奇数挡和偶数挡离合器接合与分离时序对换挡品质影响规律,建立了拖拉机DCT换挡动力学模型和换挡品质仿真模型。以东方红1804拖拉机为研究对象,对其犁耕工况进行了仿真分析,结果表明:当离合器油压上升滞后时间分别为0、0.1及0.2 s时,对应的变速器最小输出转矩传递系数分别为0.42、0.36及0.12,变速器最小输出转矩分别为2 257、1 932及725 N·m,产生的动载荷逐渐增大,拖拉机动力性变差;提出的2个换挡品质评价指标可较好地对换挡过程中产生的动载荷和拖拉机动力性进行评价,对原换挡品质评价指标进行了补充,完善了拖拉机DCT换挡品质评价体系。该研究为拖拉机双离合器自动变速器换挡控制策略制定提供了理论依据。     

自动变速器换挡控制参数自整定策略应用

为了满足量产车辆的自动变速器控制单元(transmission control unit,TCU)软件需求,研究了离合器换挡控制参数自整定控制方法,对自整定控制软件的结构和控制框图进行了介绍。针对换挡过程中,速度阶段和转矩阶段的特点,区别于传统方法对压力传感器、纵向加速度传感器和发动机转矩精度的依赖,分别提出了基于换挡时间的有动力升挡和基于涡轮失速问题的有动力降挡自整定策略。在实车测试过程中,通过软件的自整定参数调整,学习后的换挡时间能够逐步逼近设定的目标值,同时发动机飞车、涡轮失速现象能够逐步消减,换挡品质得到明显提升,保证了不同整车、不同发动机、不同变速器集成之后的换挡品质一致性,以及整车在产品生命周期内的驾驶性能一致性。实车采用该控制方法,在若干次相同工况的重复驾驶后,冲击点能明显弱化直至消除,冲击度逐步消减到低于5 m/s3,达到量产车辆水平,满足了某自主品牌车型投放上市要求。该研究对自动变速器换挡控制参数自整定策略研究和软件开发提供了参考。     

液力自动变速器换挡过程的反演优化控制

为了将换挡品质优化问题转化为单一目标轨迹跟踪问题,运用Back-stepping控制进行液力自动变速器换挡过程控制的优化,该文通过分析换挡过程中各阶段变速器分离离合器与结合离合器运动状态,建立了离合器输出扭矩数学模型,利用变速器输入、输出转速变化,观测结合离合器转速情况,设定目标轨迹。结合输入状态稳定理论(ISS,input-to-state stable)设计了滑摩控制器,改变离合器控制电磁阀结合电流,实现了结合离合器转速对目标转速轨迹的跟踪。联合仿真结果表明,滑摩控制器输出结果对目标轨迹跟踪紧密,有效提高了液力机械自动变速器换挡品质。     

基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律

为了实现对拖拉机多段液压机械无级变速传动(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)在任意稳定行驶速度和许可牵引负载下经济性最佳的控制,该文对拖拉机经济性最佳的无级变速规律进行了研究。根据拖拉机能量传递的特点,考虑HMCVT在不同传动比下存在效率差异的特征,把研究拖拉机的经济性最佳转化为对整车效率最大的研究。在分析整机传动系统效率特性的基础上,针对效率最大的目标函数和约束条件,求解了整车效率数值,结果表明在任意目标车速和牵引负载下,优化后拖拉机整车效率在35%~40%之间,并得出了效率最大时HMCVT最佳传动比、发动机转速和转矩,确定了基于整车效率最大的拖拉机HMCVT传动变速原理。研究表明:基于整车效率最大化原则能够实现拖拉机在任意车速和牵引负载下的整车经济性最佳,根据整车效率最大化确定的拖拉机多段HMCVT经济性最佳无级变速规律,为下一步制定装备多段HMCVT的拖拉机的经济性最佳控制策略提供参考。