液壓機械無障礙變速器換段過程試驗研究

液壓機械無障礙變速器換段過程試驗研究

0在換段過程中的應(yīng)用無機械圈的特點是不僅可以實現(xiàn)直徑較大的無機速帶，而且可以實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)換段的特點。由于拖拉機經(jīng)常在重負荷下田間作業(yè),換段過程中沖擊較大,因此研究液壓機械無級變速箱的換段質(zhì)量具有重要的意義。為此,國內(nèi)外科研人員等對其進行了大量研究,例如:胡紀濱等比較了機械與電控兩種換段方法對換段過程中速度波動的影響;張迎軍、張新生等提出了離合器油壓控制的綜合換段策略;Kim等研究了拖拉機及液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對換段過程的影響;Kulkarni及Tanelli等則研究了具體的換段邏輯和控制策略?？紤]到以往的研究側(cè)重點各有不同,缺乏系統(tǒng)性,且受到試驗條件的限制,大都還停留在仿真層面上,缺乏試驗論證。為此,本文針對本實驗室研制的一種新型液壓機械無級變速箱,分別進行了離合器充油特性試驗、單因素加載試驗、多因素組合加載試驗和時序優(yōu)化試驗,對換段質(zhì)量的影響因素及其優(yōu)化方法進行了系統(tǒng)研究?？紤]到國內(nèi)對液壓機械無級變速箱及其控制的研究起步較晚,至今沒有成熟產(chǎn)品,該文的研究工作為掌握該類變速箱的動態(tài)特性及其控制方法具有一定的指導(dǎo)意義。1液壓機械無效國統(tǒng)試驗臺架所開發(fā)的液壓機械無級變速箱如圖1所示。該變速箱由1個液壓起步段H和4個液壓機械工作段HM0~HM4組成,分別由c0~c45個濕式離合器獨立控制。發(fā)動機功率流經(jīng)機械、液壓傳動后,于行星排p1、p2處匯流輸出,通過變量泵排量調(diào)節(jié)及段位控制,可實現(xiàn)0~50km/h范圍內(nèi)的無級調(diào)速?；谠撟兯傧?構(gòu)建如圖2所示的液壓機械無級變速箱換段控制試驗臺架。該臺架硬件由柴油發(fā)動機、變速箱、磁粉制動器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀及各類傳感器構(gòu)成。測控系統(tǒng)包括TCU和上位機。TCU為變速箱主控單元,可以對變速箱中的變量泵排量和各離合器的電磁閥通斷實施控制;上位機軟件基于MatlabGUI自主開發(fā),用于遠程操控,數(shù)據(jù)采集卡獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波后由Labview編寫的程序采集,并以63Hz的頻率記錄到表格文件中供后處理使用。臺架中用到的主要設(shè)備的性能參數(shù)如表1所示。2段更換控制和過程評估2.1系統(tǒng)的控制油路發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速時,c0~c4離合器的工作狀態(tài)與行駛速度的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。由于每個工作段位僅有1個離合器處于工作狀態(tài),故換段過程僅涉及到2個離合器的相互切換,控制過程相對簡單。離合器的液壓控制油路如圖3所示。當待接合離合器所屬電磁閥導(dǎo)通時,液壓油壓緊離合器鋼片和摩擦片傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩;而當電磁閥斷開時,離合器泄油,鋼片和摩擦片在回位彈簧作用下分離,斷開轉(zhuǎn)矩傳遞。調(diào)速閥用于調(diào)節(jié)充油流量,溢流閥用于維持所需的主油路壓力,溢流出的油液用于冷卻離合器換段時產(chǎn)生的摩擦熱,由于換段頻度較低,經(jīng)過閥口油液溫度不會升高,故油路中無需再額外布置冷卻裝置。2.2換段過程中各彈簧剛度的變化研究中以速度降、沖擊度與動載荷作為駕乘舒適性的評價指標。1)換段過程的速度波動即速度降,可表達為:式中,δ1為速度降,r/min;ωmin、ω∞分別為換段時的變速箱最低輸出轉(zhuǎn)速和離合器穩(wěn)定接合時的輸出轉(zhuǎn)速,r/min。2)沖擊度即換段過程中行駛速度二階導(dǎo)數(shù)的最大值:式中,δ2為沖擊度,m/s3;rt為驅(qū)動輪半徑,m;ir為后橋總傳動比;ω為變速箱輸出轉(zhuǎn)速,r/min;t為時間,s。3)換段過程中,當離合器進入滑摩狀態(tài)時,摩擦片所承受的軸向作用力FN為:式中,Tc為離合器所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩,N·m;n為摩擦盤數(shù)量;μ為摩擦盤的動摩擦系數(shù),是離合器主從動盤速度差的函數(shù);ro、ri分別為摩擦盤外徑和內(nèi)徑,mm;ps為主油路壓力,MPa;s為活塞有效作用面積,mm2;k為彈簧剛度,N/mm;x為活塞行程,mm;x0為彈簧初始壓縮量,mm。由此得出:顯然,當離合器進入滑摩狀態(tài)時,油壓的劇烈變化會引起傳動軸轉(zhuǎn)矩的波動,用動載荷表示:式中,δ3為動載荷,Tmax和T∞分別為換段時變速箱輸出的最大轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩,N·m。3試驗方法和配置3.1用于10.d充油流量對磁粉機構(gòu)的影響試驗前需明確各試驗參數(shù)的極限取值范圍。由于主油路供油壓力低于2MPa時難以維持壓力恒定,而高于5.5MPa時主油路溢流閥趨于關(guān)閉,離合器冷卻受到影響,故油壓取值2~5.5MPa;離合器充油流量低于1L/min時接合時間過長,而高于5L/min時其對離合器充油特性的影響趨于穩(wěn)定,均無研究意義,故流量取值1~5L/min;在滿足試驗需求的前提下,為防止磁粉制動器過熱損壞,發(fā)動機轉(zhuǎn)速限定在750~1200r/min,負載轉(zhuǎn)矩取值0~550N·m。特別地,在負載換段試驗中,為防止離合器打滑和動力中斷,可適當提高油壓和流量的最低限值。3.2試驗過程試驗1:以HM1切換HM2段為例(下同),試驗在關(guān)閉發(fā)動機的情況下進行,通過調(diào)節(jié)溢流閥和調(diào)速閥開度,得到不同主油路壓力(2、3、4和5MPa)和充油流量(1、2、3、4和5L/min)下的工況組合。對于每1組工況,首先使c1離合器接合,而后由變速箱主控單元(TCU)發(fā)出換段指令,并由Labview記錄c1、c2離合器充油壓力數(shù)據(jù)。試驗中,考慮到油壓在接近穩(wěn)態(tài)時存在緩慢的爬升現(xiàn)象,不便于確定換段終止時間,故取c2離合器油壓達到95%穩(wěn)定值時的時間為換段終止時間。試驗2:試驗在關(guān)閉發(fā)動機的情況下進行,設(shè)定主油路壓力4.5MPa,流量5L/min。試驗中,首先使c1離合器接合,而后由TCU發(fā)出換段指令。換段時,使c2離合器電磁閥分別先于c1離合器電磁閥0~400ms動作,由Labview記錄c1、c2離合器充油壓力數(shù)據(jù)。作為比較,試驗亦考察了2個離合器同時接合時的油壓特性,即c2離合器電磁閥通電接合后,c1離合器始終不泄油,使2個離合器在其后的試驗過程中一直保持接合狀態(tài)。3.3轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)試驗1:設(shè)定離合器主油路壓力5MPa,c2離合器充油流量5L/min,加載500N·m。試驗中,首先使c1離合器接合,而后調(diào)節(jié)發(fā)動機加速踏板,使輸入軸轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在750、950和1150r/min。對于每一組發(fā)動機轉(zhuǎn)速,通過TCU發(fā)出換段指令,并由Labview記錄變速箱輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。試驗2:設(shè)定c2離合器充油流量5L/min,加載500N·m,輸入軸轉(zhuǎn)速750r/min。試驗分別在主油路壓力3.5、4.5和5.5MPa下進行。對于每1組壓力值,首先使c1離合器接合,而后通過TCU發(fā)出換段指令,并由Labview記錄變速箱輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。試驗3:設(shè)定主油路壓力5MPa,加載480N·m,輸入軸轉(zhuǎn)速750r/min。試驗分別在離合器充油流量3、4和5L/min下進行。對于每1組流量值,首先使c1離合器接合,而后通過TCU發(fā)出換段指令,并由Labview記錄變速箱輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。試驗4:設(shè)定離合器主油路壓力5MPa,c2離合器充油流量5L/min,輸入軸轉(zhuǎn)速750r/min。試驗中,首先使c1離合器接合,而后調(diào)節(jié)磁粉制動器勵磁電流,使負載分別達到300、400和500N·m。對于每1組負載工況,通過TCU發(fā)出換段指令,并由Labview記錄變速箱輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。3.4多因素組合加載測試使用正交試驗方法對多因素組合工況進行研究,所設(shè)計的L9(34)三水平四因素正交表及試驗組合方案分別如表3和表4所示。3.5轉(zhuǎn)速試驗記錄基于正交試驗獲得的最佳主油路壓力、離合器充油流量組合,加載500N·m,取輸入軸轉(zhuǎn)速750r/min。試驗中,首先使c1離合器接合,而后由TCU發(fā)出換段指令,由Labview記錄變速箱輸出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。換段時,使c2離合器電磁閥分別先于c1離合器電磁閥0、40、80、120、160和200ms動作。4結(jié)果與分析4.1c2分離器思想試驗1所得結(jié)果如圖4所示(各曲線為c2離合器充油壓力,換段時刻對齊于坐標原點)。試驗結(jié)果表明:1)換段時間隨流量的增大而減少,其顯著程度高于油壓的影響。例如,當主油路壓力4MPa時,c2離合器流量分別設(shè)定為1至5L/min,其相應(yīng)的換段時間分別為1.625、0.844、0.547、0.437和0.407s。2)流量較小時,換段時間隨主油路壓力的增大而延長,而當流量較大時變化規(guī)律與之相反。試驗2所得結(jié)果如圖5所示。為了便于比較,將每次試驗的時間坐標對齊于c2離合器的動作起始點。試驗結(jié)果表明:1)當c1離合器處于接合狀態(tài)時,其油壓會在c2接合的瞬間出現(xiàn)大幅下降,形成油壓陷阱,從而避免2個離合器同時緊密結(jié)合。2)c1離合器的瞬時油壓下降持續(xù)約200ms,其后兩離合器油壓均開始提升,此時若c1離合器仍不泄油,則會造成較大的系統(tǒng)沖擊,并有可能損壞變速箱。3)重疊時序降低了c1離合器的泄油速率,使其在換段時能夠更好的維持扭矩傳遞,從而提升換段質(zhì)量。4.2單位化試驗結(jié)果試驗所得結(jié)果如圖6-圖9所示。為了便于比較,所有試驗數(shù)據(jù)均作了單位化處理,取值0~1(下同)。以圖6為例,已知不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的變速箱輸出轉(zhuǎn)速集合為X=[x750x950x1150],其中,x750、x950、x1150分別表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速為750、950和1150r/min時的變速箱輸出轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù),則單位化后的速度降集合Y為:式中,代入試驗數(shù)據(jù)x750=43.4r/min,x950=41.9r/min,x1150=44.5r/min,由式(6)~(7)得到單位化后的速度降數(shù)據(jù)集合為:Y=[0.580.560.59]。沖擊度與動載荷的計算方法與之相同,為確保可比性,單位化過程僅在同一評價指標范圍內(nèi)進行。試驗結(jié)果表明:1)換段質(zhì)量的所有3項指標受輸入軸轉(zhuǎn)速的影響均不顯著,各轉(zhuǎn)速下的最大相對偏差僅為0.11,這是由等速換段條件決定的。2)隨著離合器主油路壓力增大,變速箱在換段時的速度降呈減小趨勢,且變化顯著,其在不同油壓水平下的最大相對偏差為0.76。這是由于在大流量下,壓力越高,充油速度越快,從而縮短了換段時間,改善了換段質(zhì)量。試驗中,主油路壓力對沖擊度和動載荷影響較小,2項指標在不同油壓水平下的最大相對偏差僅為0.11和0.04。3)離合器充油流量越大,變速箱在換段時的速度降、沖擊度越小,且變化顯著,2項指標在不同流量水平下的最大相對偏差分別為0.81、0.69,這也是由流量對換段時間的影響規(guī)律引起的。同前述試驗一樣,動載荷受離合器充油流量的影響較為有限,其在不同流量水平下的最大相對偏差僅為0.06。4)負載對變速箱換段時的速度降、沖擊度影響較為顯著,即負載越大,換段質(zhì)量隨之降低,兩項指標在不同流量水平下的最大相對偏差分別為0.89、0.50。此外,動載荷受負載的影響依然很小,不同負載水平下的最大相對偏差近乎為0。4.3最佳試驗因素試驗所得速度降方差、極差數(shù)據(jù)分別如表5、表6所示。方差結(jié)果表明,速度降的主次影響因素依次為:離合器充油流量、負載轉(zhuǎn)矩、主油路壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速;極差結(jié)果表明,其最佳因素組合為A1B3C1D1。依據(jù)同樣的方法(限于篇幅,本文不再給出具體數(shù)據(jù)),得到?jīng)_擊度的主次影響因素依次為:離合器充油流量、負載轉(zhuǎn)矩、主油路壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速;最佳因素組合為A1B3C1D1。動載荷的主次影響因素依次為:負載轉(zhuǎn)矩、離合器充油流量/主油路壓力(并列)、發(fā)動機轉(zhuǎn)速;最佳因素組合為A2B2C2D3。如考慮不同工況下的最優(yōu)組合,A1B3下的速度降與沖擊度均是最優(yōu)的,即油壓取4MPa,流量取5L/min,而A2B2下的動載荷是最優(yōu)的,即油壓取5MPa,流量取3L/min。由于試驗中動載荷水平整體偏低,故取最終的優(yōu)化組合為油壓4MPa,流量5L/min。顯然,在多因素綜合作用下,油壓并非越大越好。4.4矯正各換段時序?qū)虞d的影響時序優(yōu)化試驗所得結(jié)果如圖10所示。試驗結(jié)果表明:隨著重疊換段時間的增大,變速箱換段時的速度降、沖擊度隨之減小,兩項指標在不同流量水平下的最大相對偏差分別為0.76、0.59,而動載荷受其影響依然有限,最大相對偏差僅為0.02,表明適當改變換段時序不會造成額外的動載沖擊。根據(jù)4.1節(jié)中的離合器充油試驗結(jié)果,重疊換段時間不能超過200ms,否則2個離合器壓力同時提升,會導(dǎo)致其同時結(jié)合,從而損壞變速箱?？紤]到重疊時序?qū)Q段質(zhì)量的改善作用在重疊換段時間大于120ms時趨于穩(wěn)定,故在HM1切換HM2段的換段過程中,建議重疊換段時間取值120ms,即c2離合器先于c1離合器120ms動作。5試驗結(jié)果分析以HM1切換HM2段為例,對所研制的一種新型液壓機械無級變速箱的換段過程進行了試驗研究,得出如下結(jié)論:1)離合器充油試驗中,充油流量對換段時間的影響高于油壓,提示其對換段質(zhì)量有重要影響。當采用不同時序充油時,待分離離合器會在待接合離合器接合的瞬間出現(xiàn)短時泄