拖拉機多段液壓機械CVT犁耕作業動態仿真

王全勝,張明柱，白東洋，尹玉鑫，郝曉陽

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

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拖拉機多段液壓機械CVT犁耕作業動態仿真

王全勝,張明柱，白東洋，尹玉鑫，郝曉陽

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

針對裝備多段液壓機械式CVT(HMCVT)拖拉機在犁耕作業下的動態特性，運用動力學基本原理建立拖拉機動力學模型，包括發動機、多段液壓機械式CVT變速器、中央傳動和行走負載機構動力學模型。通過控制發動機油門和轉速信號，仿真出拖拉機犁耕時車速、驅動力和加速度的動態響應。仿真結果表明：在調節發動機油門時車速平穩變化，而驅動力和加速度在開始調整時出現劇烈波動，而后平滑過渡直至穩定,并且牽引負載對拖拉機加速度存在明顯的影響。仿真結論：裝備多段HMCVT拖拉機在犁耕作業時具有良好的動態特性，為制定裝備多段HMCVT拖拉機經濟性最佳的動態控制策略奠定了基礎。

多段液壓機械式HMCVT;動態特性;動力學仿真;犁耕

0 引言

多段HMCVT是一種運用功率分流原理實現無級變速的傳動裝置，具有傳遞功率大、效率高的優點，應用廣泛[1-2]。在車輛動態特性研究方面，國外從20世紀60年代 已經開始在軍用車輛上應用，并且對裝備多段HMCVT拖拉機的動態特性理論研究比較成熟[3]。國內的研究主要是針對HMCVT動態特性的影響因素、動力學仿真和換段品質的研究[4-6]，但對裝備多段HMCVT拖拉機在犁耕條件下動態特性的研究較少。因此，本文建立拖拉機整車動力學模型，研究裝備多段HMCVT拖拉機在犁耕作業時的動態特性。

拖拉機功率從發動機輸出，依次經過多段HMCVT、中央傳動機構和行走機構，最后到牽引負載。因此，依次建立發動機、多段HMCVT、中央傳動和行走負載機構動態模型,仿真分析拖拉機在犁耕時動態特性。

1 發動機動態模型

發動機結構復雜，在實際工作時，必須克服運動組件的慣性負載和阻尼負載,可根據參考文獻[7]建立發動機動態模型。

發動機動態模型可表示為

(1)

發動機靜態調速特性表示為

(2)

其中，Te表示為發動機靜態轉矩(N·m)；ne表示發動機轉速(r/min)；Ted表示發動機動態轉矩(N·m)；α表示發動機油門開度；Je表示發動機等效轉動慣，取1.2kg·m2；Ce表示發動機等效粘性阻尼，取0.1Nm·s。

2 HMCVT動力學模型

多段HMCVT動力傳動簡圖如圖1所示。

圖1 HMCVT傳動簡圖

從圖1中可以看出：該變速器為雙功率流封閉行星齒輪傳動，功率由I輸入并分為液壓路和機械路功率流，由行星輪系完成匯流，最后由Ⅳ軸輸出；通過控制離合器結合狀態，實現不同段位的切換，進而實現速比的連續變化。

由于建立HMCVT動力學模型主要研究變速器的動態特性，并且變速器組件變形小，因此可以忽略變速器組件的彈性變形[8]。根據文獻[6]可以把HMCVT動力學模型分為離合器模塊、泵-馬達系統和軸系模塊。各個模塊建模均以離合器C1和C5閉合的液壓機械段為例。

2.1 離合器模型

多片濕式離合器的動力學模型由主、從動盤和摩擦片等構成，具體如參考文獻[9]中所示。其中，ωmc(ωsc)、Jmc(Jsc)、Cmc(Csc)、Tmc(Tsc)分別為主、從動盤角速度，等效轉動慣量，阻尼和轉矩。由文獻[10]可知：離合器有3種工作狀態，分別為完全分離、滑摩和完全結合狀態，從完全分離到完全結合經過4個階段:

1)空行程階段。主、動盤未接觸，此時有

Tsc=0;ωsc=0

(3)

2)靜阻力階段。主、從動盤的摩擦轉矩小于從動盤的負載轉矩Tf，此時有

(4)

3)滑摩階段。主、從動盤摩擦轉矩帶動從動盤轉動，此時有

(6)

4)同步階段。主、從動盤結合在一起,角速度和轉矩均相同，此時有

(7)

其中，在靜阻力和滑摩階段，從動盤轉矩與主、從動盤摩擦轉矩相同[11]，即

(8)

其中，n0表示摩擦片數；F表示主、從離合器壓力(N)；R0表示摩擦片外半徑(m)；Rp表示摩擦片內半徑(m)；k表示摩擦片系數的斜率；μs表示無滑轉時的摩擦因數。

2.2 泵-馬達系統動態模型

HMCVT液壓路使用的是變量泵-定量馬達系統，通過改變變量泵的排量比實現液壓路速比的連續變化。由于泵-馬達系統的動力學模型比較復雜，影響因素很多，如系統泄漏、補油、油液密度和粘度變法也很多,因此建模方法很多，側重面也不同。本文根據文獻[11]建立泵-馬達系統動力學建模。動力學模型數學表達式為

(9)

(10)

(11)

其中，Tp(Tm)為泵或馬達軸轉矩(N·m)；e為泵排量比；Jp(Jm)為泵或馬達轉動部分轉動等效轉動慣量(kg·m2)；Cp(Cm)為為泵或馬達的阻尼系數；V為壓力油腔總容積(m3)；β為油液體積彈性模量(Pa)；Ph、Pl為高、低壓側的壓力(Pa)；Ct為泵和馬達總泄漏系數；Cit為內泄漏系數；ωp(ωm)為泵或馬達角速度(rad/s)；qm為馬達的排量(mL/r)；Dm為馬達的額定排量(m3/rad)。

2.3 軸系模型

HMCVT結構緊湊，組件變形小，因此忽略HMCVT彈性變形對動力學模型造成的影響[12]。HMCVT各軸之間通過齒輪副或離合器傳遞動力，因此把軸以及固定在軸上的組件作為一個軸建立動力學模型。以離合器C1、C5結合的液壓機械段為例建立軸系模型如圖2所示。圖2中數字代表齒輪編號，Z開頭的代表軸，C開頭的代表離合器(主動側加m前綴，從動側加s前綴)，J、C、T、ω代表軸或齒輪的轉動慣量、阻尼、轉矩和角速度,i開頭的表示齒輪副的傳動比。

根據軸系模型列動力學模型為

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(CZ10+Csk2+Csk1)ωZ15=T15-Tsk1

(21)

Tck1-T25/iC1-T19/iC3

(22)

(CZ13+Cck2+Crk1)ωZ13=TZ13-Trk1

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

圖2 液壓機械無級變速器軸系模型

3 中央傳動動態模型

不考慮車輛的轉向問題，簡化中央傳動機構，建立中央傳動系統動力學模型為

(33)

其中，JZY、CZY為中央傳動的等效轉動慣量和阻尼；Tw為驅動輪轉矩(kN)。

4 行走負載機構動態模型

為簡化模型，把拖拉機看作剛性結構，在受到牽引力FT、驅動力Fq、滾動阻力Ff、風阻Fw和坡道阻力Fα的條件下處于動態平衡中，拖拉機在作業時，由于車速較低，風阻忽略不計，受力分析如圖3所示。

圖3 行走負載機構受力分析

其平衡方程為

(34)

Fq=Twrd

(35)

Ff=μmgcosα

(36)

Fα=mgsinα

(37)

(38)

(39)

犁耕時動力學模型表示為

FT=nkbh

(40)

其中，FT為拖拉機牽引力(kN)；Ff為滾動阻力(kN)；Fα為坡道阻力(kN)；n為犁鏵數；μ為耕地阻力因數；k為土壤阻力系數；b為犁鏵寬度(cm)；h為耕深(cm)；α為坡度角；m為拖拉機質量(kg)；v為車輛行駛車速(km/h)；rd為驅動輪半徑(m)；ic為中央傳動比；δ為驅動輪滑轉率。

5 仿真結果及分析

在MatLab/Sumlink環境中依次建立發動機、HMCVT、中央傳動機構和行走負載機構動力學模型, 并串聯4部分構成構成整車動態模型，仿真參數如下：驅動輪半徑0.704 6m、拖拉機質量(包含耕犁)7 760kg、坡度角0°、耕地阻力因數0.15、犁鏵數5、土壤阻力系數5.0N/cm2、犁鏵寬度20cm、耕深20cm。圖4和圖5分別為輸入的發動機油門控制信號和耕深變化信號。仿真結果如圖6～圖8所示。

圖4 發動機油門開度

圖5 耕深變化

圖6 拖拉機驅動力

圖7 拖拉機加速度

圖8 拖拉機車速

結果分析：

1)圖4信號主要通過油門開度的變化仿真拖拉機的加速性能，圖5信號主要根據耕深的變化模擬負載的變化。從圖6可以看出：拖拉機驅動力在油門開始變化時出現劇烈的波動，說明拖拉機傳動系統存在動力沖擊，動力沖擊主要來自泵-馬達系統和離合器結合。減小沖擊的策略：①對于泵-馬達系統,可以優化泵馬達系統的結構參數及變內外泄露、改變油腔的體積等等；②對于離合器的沖擊，可以制定離合器控制策略。

2)從圖7可以看出：在前4s內車輛的加速度在驅動力不變時出現明顯的波動，而在前4s主要是負載變化，說明拖拉機的加速度受牽引負載的影響,依此為依據可以提出發動機油門、傳動比和耕深的三元調節的理論，通過三元調節使拖拉機經濟性最佳或動力性最佳。

3)從圖8可以看出：除了4s時刻車速出現微量的波動，其它時間速度曲線比較平滑，說明拖拉機驅動力的沖擊對對速度的影響比較小。綜合圖6～圖8可以看出：裝備多段HMCVT的拖拉機在犁耕時整體動態性能較好。

6 結論

本文主要研究裝備多段HMCVT傳動拖拉機犁耕作業的動態特性，結果表明：裝備多段HMCVT傳動拖拉機在犁耕作業下動態特性較好，為制定裝備多段HMCVT拖拉機經濟性最佳的動態控制策略奠定基礎。

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Dynamic Simulation of Tractor Equipped with Multi-range Hydro-mechanical CVT during Ploughing

Wang Quansheng, Zhang Mingzhu,Bai Dongyang, Yin Yuxin, Hao Xiaoyang

(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China)

Research on dynamic characteristics of tractor equipped with multi-range hydro-mechanical CVT during ploughing, The dynamic model of tractor including dynamic model of the engine, multi-range hydro-mechanical CVT transmission, central driving and walking mechanism is set up by using the basic principle of dynamics.By controlling engine throttle and speed signal, the dynamic response of vehicle speed, driving force and acceleration of the tractor is simulated during ploughing. The simulation results show that the speed of the engine is stable when the engine is adjusted, And the driving force and acceleration at the beginning of the adjustment appear sharp fluctuations, then smooth transition until stable,and The traction load has obvious effect on the acceleration of the tractor.Simulation results: tractor equipped with multi-range hydro-mechanical CVT during ploughing has good dynamic characteristics, laying the foundation for formulating control strategy of tractor 's best economy equipped with multi-range hydro-mechanical CVT.

multi-range hydro-mechanical CVT; dynamic characteristics; dynamic simulation; plough

2015-12-10

國家自然科學基金項目(51375145)

王全勝(1988-)，男，河南商水人，碩士研究生，(E-mail)646719293@qq.com。

張明柱(1964-),男，河南伊川人，教授，博士，(E-mail)ming2000@126.com。

S219.032.1

A

1003-188X(2017)01-0232-05