HMCVT速率調(diào)整特性在拖拉機上的應(yīng)用

文/李苑瑋 武迎迎 秦濤 李國朋

1 引言

HMCVT（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission 液壓機械無極變速傳動）指可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)獲得傳動比的變速系統(tǒng)。車輛使用無機變速器后，可以實現(xiàn)發(fā)動機與變速器的最佳匹配，使發(fā)動機始終工作在最佳工況下，從而提高整車動力性和經(jīng)濟性。由于換擋過程沒有動力中斷，整車駕駛舒適性被大大提高。可以說HMCVT是現(xiàn)代中大功率智能拖拉機的絕佳搭配，它可以與電控發(fā)動機充分配合，輕松而精確地實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)所要求的自動駕駛、恒傳動比、恒發(fā)動機轉(zhuǎn)速、定速巡航、經(jīng)濟模式、自動全功率控制等現(xiàn)代智能拖拉機功能，有著其他傳動系無法比擬的優(yōu)勢。

HMCVT發(fā)展至今，日本和歐美國家在大、中型功率拖拉機、裝載機、挖掘機等車輛上裝備了液壓機械無極變速器，比較典型的是德國道依茨法爾、德國采埃夫公司、美國卡特彼勒、日本小松等公司產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)部分高校和拖拉機廠也在液壓機械無極變速器方面進行了研究，取得了一定的技術(shù)突破。

利用液壓機械無級變速器的連續(xù)變化傳動比，配合電子控制器的精確控制，可以實現(xiàn)傳動比加速度的調(diào)整。傳動比加速度是指到達設(shè)定傳動比的快慢速度。傳動比加速度影響整車的速度特性。傳動比加速度越快，到達設(shè)定傳動比的時間越短，從而整車到達設(shè)定整車速度的時間越短。反之亦然。

2 速率調(diào)整功能在拖拉機上的應(yīng)用

拖拉機的工況比較復(fù)雜，負載經(jīng)常變化，具有道路空載、半載、滿載等行駛工況，以及在田間進行耕地、除草等作業(yè)工況。2014年Case IH公司向市場推出的Farmall U系列還可以選裝各類裝備,包括前置裝載機、前置提升器和前置動力輸出軸,這樣,Farmall U系列拖拉機不僅可以在牧場和農(nóng)場使用,也可以作為城市環(huán)保和市政工程方面施工作業(yè)裝備。由于這些多樣的使用場景，變速器中僅有一種傳動比的變化速率是不能很好的滿足整車運行要求的，比如在道路運輸中，尤其是空載或者沒有拖掛車時，司機希望整車盡快加速；而在路滑地面，司機希望整車速度減慢，降低車輪打滑的概率；在田間作業(yè)時，司機根據(jù)整車工作情況加快或者降低車輛變化速度，適應(yīng)作業(yè)要求。

為增加拖拉機駕駛的靈活性，在整車駕駛面板上安裝一個線性變化的加速度調(diào)整旋鈕，順時針調(diào)整旋鈕到加速度最大，逆時針調(diào)整旋鈕到加速度最小。調(diào)整加速度旋鈕到較大值，變速器傳動比加速度變大，較快的到達整車設(shè)定速度；調(diào)整加速度旋鈕到較小值，變速器傳動比加速度變小，較慢的到達整車設(shè)定速度。

3 速率調(diào)整功能的實現(xiàn)方法

HMCVT變速器液壓傳動系統(tǒng)一般使用變量泵，變量泵上裝配可以調(diào)整泵排量的液壓比例閥，比例閥的開度受變速器控制系統(tǒng)（簡稱TCU）輸出電流值大小控制。每段內(nèi)液壓系統(tǒng)的排量比從正向最大到負向最大之間變換。通過設(shè)置兩條線性曲線，來描述每段內(nèi)變速器控制系統(tǒng)輸出電流與變速器傳動比的關(guān)系。

將圖1橫坐標設(shè)置為TCU輸出電流值，縱坐標設(shè)置為液壓系統(tǒng)排量比。TCU輸出電流與泵上液壓閥的開度成正向比例關(guān)系，液壓閥的開度與排量比成正向比例關(guān)系。

將圖2橫坐標設(shè)置為液壓系統(tǒng)排量比，縱坐標設(shè)置為變速器傳動比值；在常用路況下通過試驗標定出液壓系統(tǒng)的排量比與變速器傳動比之間的邏輯關(guān)系。

分析圖1、圖2，每段內(nèi)TCU輸出電流值越大，液壓系統(tǒng)排量比越大，變速器傳動比值也越大；每段內(nèi)TCU輸出電流值越小，液壓系統(tǒng)排量比越小，變速器傳動比值越小。所以，通過控制輸出電流值的大小，可以控制變速器的傳動比值。

進一步，通過控制到達設(shè)定電流值的速度，可以控制到達變速器傳動比的速度。因為實際應(yīng)用中，傳動比變化時間太慢或者太快，會影響到變速器的換檔性能及整車性能。所以有必要對輸出電流值變化速度增加一個調(diào)整值，使電流值變化速度在一個合理范圍內(nèi)。

圖1：TCU輸出電流值與液壓系統(tǒng)排量比的關(guān)系曲線

圖2：液壓排量比與變速器傳動比值的關(guān)系曲線

圖3：旋鈕位置與調(diào)整值的關(guān)系

調(diào)整值通過加速度調(diào)整旋鈕設(shè)置。將加速度調(diào)整旋鈕的位置與到達設(shè)定電流值的調(diào)整值Limit按照圖3設(shè)置，Limit實際上是電流值隨旋鈕位置變化的加速度曲線，將范圍區(qū)間設(shè)置為[Limit_Min，Limit_Max]。設(shè)定TCU控制器默認的加速度為Limit=A，此時旋鈕位置在中位；順時針方向旋轉(zhuǎn)加速度調(diào)整旋鈕，Limit變化區(qū)間為[A，Limit_Max]，到達設(shè)定電流的時間越快，到達設(shè)定變速器傳動比的時間越快；逆時針方向旋轉(zhuǎn)加速度調(diào)整旋鈕，Limit變化區(qū)間為[Limit_Min，A]，到達設(shè)定電流值的時間越慢，到達設(shè)定變速器傳動比的時間越慢。

4 物理模型仿真

在模型搭建工具MATLAB 上搭建控制模型和物理模型，對模型進行聯(lián)合仿真測試。設(shè)置橫坐標為時間，單位S；設(shè)置縱坐標為車速，單位Km/h。形成仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4設(shè)置速比為K，圖5設(shè)置速比為1.4K。可以明顯見到1.4K的速比明顯比K速比更快的到達目標車速。

5 結(jié)束語

圖4：速比為K

圖5：速比為1.4K

本文體現(xiàn)的方法，具備實際的可操作性，適合普遍推廣應(yīng)用。未來在應(yīng)用過程中，通過收集不同工況下的技術(shù)參數(shù)，能夠?qū)⑾拗浦翟O(shè)置的更加合理。從國外技術(shù)發(fā)展看，HMCVT拖拉機大多都配置GPS定位系統(tǒng)或預(yù)留安裝位置,利用GPS定位系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向控制技術(shù),可實現(xiàn)作業(yè)機組中的自動駕駛。裝有自動智能駕駛設(shè)備的車輛通過對工況的判斷，實現(xiàn)變速器速率調(diào)整性能的自適應(yīng)，省略駕駛員對速率的手動調(diào)整，并通過大數(shù)據(jù)分析，提高傳動比速度變化的精準程度。可以預(yù)見HMCVT變速器未來將會有更廣闊的應(yīng)用。