液壓機械無級變速箱動態特性研究

鄭惠清

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007）

液壓機械無級變速箱動態特性研究

鄭惠清

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007）

液壓機械無級變速箱與傳統的變速箱相比，液壓機械無級變速箱具有明顯的優勢。文章分析了液壓機械無級變速箱在需要作業于復雜工況的水旱兩用拖拉機的應用進行了設計，并利用MATLAB對其動態特性進行了分析，發現液壓機械無級變速箱的傳動能夠實現連讀無級變速，做到邊行駛邊工作，并具有平穩起步的優勢。總體來說，液壓機械無級變速箱在水旱田中兩用的拖拉機上應用具有可行性，能適應復雜的工況，并提高拖拉機的工作效率。

液壓機械；動態特性；無級變速箱

1 液壓機械無級變速箱的概念及特點

液壓機械無級變速箱簡稱HMT是由機械變速機構、液壓調速機構和分匯流機構共同組成的一種具有機械功率流與液壓功率流并聯的一種新型傳動形式，它是通過機械傳動與液壓傳動相結合來實現無級變速，主要體現以下4個方面：①由于傳力介質是液體，因此傳動系動載得到了大大的減輕，這樣不僅提高了零配件的使用壽命，還沒有防止發動機因超載而熄火，大大提高了工程機械和農業機械的使用性能；②使用液壓機械無級變速箱的車輛無論是工作效率還是動力性都得到了提高，且更省油，這主要由于其對行駛阻力和負荷的變化都有更強的適應性，具有無級限速的特點，隨時能保證發動機在最佳工作點上開展工作；③操作輕便，行駛更加平穩，可以有效降低勞動強度，提高操作人員的舒適性；④可以實現低速穩定行駛，可以提高車輛的低速作業質量。

2 液壓機械無級變速箱的設計及工作原理

（1）設計液壓機械無級變速箱傳動方案。液壓機械無級變速箱面向的工作環境可能存在工況不明，多種負荷的復雜情況，因此為了更方便研究其工作原理，文章考慮在旱地和水田兩種作業環境中工作的拖拉機上進行應用。根據水田和旱田的作業工況不同，分析其工作中的各個速度段情況，設計出液壓機械無級變速箱的方案圖（如圖1所示），其中K1、K2為行星排；i1～i9是齒輪副；C1～C4是同步器；Cy和 Cj是濕式離合器。

圖1 液壓機械無級變速箱傳動方案

（2）液壓機械無級變速箱傳動方案的工作原理。在這個方案中，發動機發出功率的分流功能由i3來實現，分流后通過機械路和液壓路系統來分別傳遞，再經過K1和K2來實現匯流，最終通過機械傳動輸出。其具體的傳動工作原理為如表1所示。

表1 液壓機械無級變速箱傳動方案工作原理

（3）根據方案確定傳動比。根據上述方案及工況，確定拖拉機的工作速度和發動機標定轉速，從而設計出液壓機械無級變速箱傳動系統的傳動比。i1～i9分別為：0.686、1.676、1.974、1.513、1.211、2.217、0.414、1.694、4.389、3.56 和 2.56。

3 液壓機械無級變速箱的動態特性分析

根據設計方案構建模型后利用MATLAB仿真液壓機械無級變速箱的動態特性，分析了無級調速、轉矩和效率特性。

（1）液壓機械無級變速箱無級調速特性分析。通過分析可以發現，當變速箱處于純液壓區段H、液壓機械HM1、HM2、HM3和倒檔區段時，均可實現連續傳動比；在排量比區間內，液壓機械HM2和HM3，HM1和HM2區段能夠實現傳動比的重疊，這樣有利于控制離合器，實現平穩換段；純液壓段的傳動比范圍較大，拖拉機能夠有效適應水田工作狀況，同時能夠做到零速起步。

圖2 無級調速特性曲線圖

水旱兩用拖拉機的發動機的額定轉速應適應拖拉機的驅動輪直徑和后橋傳動比的要求，可以設定為2300r/min，根據MATLAB運行的結果（如圖2所示）來看，在液壓機械段的行駛速度為6km/h到50km/h，倒檔的最高速度為15km/h，同時各個檔位區段的速度均有重合，這可以確保拖拉機在行駛過程中能夠平穩換段。

（2）液壓機械無級變速箱轉矩特性分析。根據轉矩的計算公式，當區段 H 時，輸出轉矩比為 Mb純液/Mm=i1·i3·i9；區段 HM1的輸出轉矩比為 MbHM1/Mm=（1+k1）·i3·i8；區段 HM2的輸出轉矩比為MbHM2/Mm=k2i3i4；區段HM3的輸出轉矩比為MbHM3/Mm=（1+k1）i3i7；倒檔的輸出轉矩比為 Mb倒擋/Mm=k2i3i5i6。計算結果顯示H、HM1、HM2、HM3和倒檔的輸出轉矩與定馬達的轉矩比分別為 5.94、15.25、7.65、3.73 和 13.56。從計算結果可知，馬達與輸出軸的扭矩比與變量泵排量無關，不會隨著它的變化而變化；此外，等比連續式無級變速箱的輸出轉矩在HM1、HM2、HM3成比例降低，變速效果則越加明顯，輸出轉矩在每一個區間內保持恒定，這有利于拖拉機的快速提速。

（3）液壓機械無級變速箱的效率特性分析。根據MATLAB的模擬結果顯示，液壓機械無級變速箱在任意區段下液排量比接近0時，其效率變化的較大，液壓機械無級變速箱的最低的傳動效率為0.863，最高為0.925；倒檔和HM2區段的總體效率較高，而當排量比小于0時，HM1和HM3的效率變化范圍比較大，排列大于0時，HM1和HM3的效率較好，性能比較穩定。

4 結語

液壓機械無級變速箱相比傳統機械有級變速箱而言具有較強的優勢，對其動態特性的分析可以明確其的可應用性。文章通過分析其在農業水旱田中兩用的拖拉機中應用的液壓機械無級變速箱的動態分析可知，在水旱兩用拖拉機中，液壓機械無級變速箱的傳動能夠實現連讀無級變速，做到邊行駛邊工作，并具有平穩起步的優勢。此外，液壓機械無級變速箱結合了連續變換的液壓傳動和高效的機械傳動的優勢，使得液壓機械無級變速箱保持在86～92%的高效工作。

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