農用拖拉機HST 與動力系統特性研究

任軍華，尹叢勃，杜妍辰，張振東

（1.200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院；2.200093 上海市 上海理工大學 醫療器械與食品學院）

0 引言

隨著農用機械越來越重要，對機械運行、制動性、動力性、高效性有了更高要求。農用機械作業環境惡劣，機械負載情況多變，常出現發動機功率損失、工作不穩定等情況，為使農用機械工作平穩，多采用液壓傳動[1-3]。靜液壓傳動（Hydrostatic Static Transmission，HST）具有傳動效率高、體積小、質量輕、無級變速、布局靈活等優點，在農用機械上有很廣泛的應用[4]。靜液壓傳動根據負載變化，通過調節變量泵的排量，使發動機與變量泵功率匹配，穩定發動機轉速，降低燃油消耗，克服整機工作效率低的缺點[5-7]。現有研究多是仿真HST 與發動機匹配，計算發動機與HST 效率，在試驗測試方面很少。國內主要是對動力系統匹配優化和控制，車輛液壓傳動參數優化，液壓無級變速器功率分流時動力傳等方面研究[8-11]。研究目的集中在液壓傳動系統的理論分析和控制方面，而且整體研究多是在理論方面。

為了研究農用拖拉機HST 系統及柴油機系統的聯合工作特性，本文通過仿真與試驗相結合的方式進行研究，搭建了HST 系統及柴油機系統的聯合測試臺架，基于發動機實際運行工況，研究了全工況下HST 的傳動特性。建立HST 與動力系統聯合仿真平臺[12]，對發動機與HST 聯合工作特性進行分析。得到不同分流比例下動力系統與HST 聯合工作動力及經濟特性。研究成果可用于農用拖拉機動力及傳動系統的高效匹配及部件協同優化。

1 試驗設備及方法

1.1 農用拖拉機靜液壓傳動系統

農用拖拉機HST 液壓系統主要組成部件為柴油發動機、離合器、HST、變速器、負載等。柴油發動機主要參數如表1 所示。在試驗中，以測功機代替負載，測量HST 的輸出扭矩及轉速。試驗中采用的HST 中是變量泵與定量馬達，主要參數如表2 所示。

表1 發動機主要參數Tab.1 Main parameters of engine

表2 HST 主要參數Tab.2 Main parameters of HST

試驗所使用HST 采用斜盤式軸向柱塞泵和馬達。斜盤式軸向柱塞泵和馬達作為液壓泵使用時，泵軸在發動機的帶動下轉動。當柱塞腔容積變大時，完成吸油功能；當柱塞腔容積變小時，完成排油功能。當其作為馬達使用時，能量傳遞路線相反。通過馬達進油口輸入高壓油，驅動缸體轉動，最終實現傳動軸連續回轉。

1.2 HST 液壓試驗方法及模型

為對液壓系統總成進行測試，設計并搭建一種新型測試平臺，完成液壓系統測試，該平臺為靜液壓動力系統試驗臺。所搭建的試驗臺包括發動機、離合器總成、減速器總成、液壓傳動機構、測功機，其架構如圖1 所示。系統具備可視化在線數據系統，可以實時顯示發動機轉速、液壓系統轉速、液壓系統動力輸入值、動力輸出值、液壓系統效率等信息。通過控制發動機油門開度得到不同工況下的發動機動力輸出，通過測功機得到液壓系統輸出動力，計算得到液壓測試系統的工作效率以及動力損失。

圖1 靜液壓動力系統試驗臺Fig.1 Hydrostatic power system test bench

1.2.1 發動機單機臺架試驗及方法

液壓動力系統中，發動機的性能會影響整車性能，包括動力性和經濟性。先對發動機部分進行試驗，不同油門下，對發動機不同工況下的動力及經濟特性進行測試，試驗中獲得不同油門開度下的發動機特性。在測試平臺上，測功機轉速即是發動機輸出轉速，測功機測得扭矩即是發動機扭矩。完成對發動機動力性及燃油經濟性的試驗測量，為液壓系統仿真分析及優化提供邊界輸入參數。試驗時，控制發動機油門開度，調節發動機轉速、扭矩，得到發動機輸出功率。發動機的輸出功率乘以減速箱傳動效率就是HST 的輸入功率。

1.2.2 HST 試驗及方法

在發動機單機試驗的基礎上，在發動機和測功機之間添加HST 總成，采用發動機提供動力，對HST 的性能進行測試，通過控制發動機油門開度得到不同工況下的發動機動力輸出，通過測功機得到液壓系統輸出，計算得到液壓測試系統的工作效率以及動力損失。如圖1 所示。利用實時測試系統監測發動機輸出轉速及扭矩，以及HST的輸出轉矩及扭矩，在進行試驗時，逐級調節5%、10%、15%、……、100%油門開度，記錄發動機輸出轉矩及扭矩，HST 的輸出轉矩及扭矩。發動機單機臺架試驗獲得不同油門開度下的發動機特性。通過減速器的增速比，減速箱的傳動效率計算為0.9409；GW160 測功機給動力總成加載，測得HST 輸出轉速和輸出扭矩。通過試驗測出HST 總成的輸出轉速和輸出扭矩的乘積，比上發動機的輸出、輸出扭矩和減速箱效率的乘積，得到HST 效率。計算如下：

式中：P0——輸入功率，W；P1——HST 輸出功率，W；n0——發動機輸出轉速，r/min；T0——扭矩，N·m；n1——HST 輸出轉速，r/min；T1——扭矩，N·m；η0——減速箱效率，%。

2 HST 及發動機聯合試驗結果分析

2.1 發動機特性

通過發動機單機臺架試驗，逐級調節發動機油門開度，發動機輸出發生改變。根據測得的發動機轉速和扭矩、油耗等，計算得到發動機的油耗及調速特性曲線。圖2 所示為發動機調速特性曲線。可見，油門開度在30%以下時，每個油門開度下發動機最大功率數值較小，在2～12 kW之間，最大為13 kW；油門開度在40%以上時，發動機最大輸出功率在14～20 kW 之間，最大是19 kW，表明發動機高油門開度時，發動機輸出功率較大；油門開度較小時，隨著轉速增大，發動機輸出功率的降低速度較為緩慢，而油門開度較大時，特別是油門開度在80%以上，發動機輸出功率降低速度較快，表現出急速下降的趨勢。

圖2 發動機調速特性圖Fig.2 Engine speed regulation characteristics

可以看出，發動機轉速在1 600 r/min 以上，發動機動力性得到體現。隨著發動機轉速及扭矩的增加，發動機的功率在不斷上升，并隨轉速增加而迅速增長，但轉速增加到1 800 r/min 后，功率增長速度變緩。這表明，發動機在同一油門開度下，發動機扭矩隨發動機轉速的升高而降低，發動機輸出功率隨之升高。不同油門開度下，隨著油門開度增大，發動機轉速增大，發動機輸出功率增大。同一發動機轉速下，油門開度越大，發動機提供的動力越大。

圖3 所示為發動機等比油耗曲線。可以看出在不同的發動機轉速和扭矩情況下的油耗率，數值越小表示油耗率越低，經濟性越好。圖中最低等油耗率曲線是封閉的，油耗率值很小，發動機在中等轉速的條件下燃油消耗率最低。等油耗率曲線在橫坐標方向較大，表明發動機在轉速變化較大而負荷變化較小的情況下工作時經濟性較好；在縱坐標方向較長，表明發動機在負荷變化較大而轉速變化較小的情況下運行，燃油消耗率較小。根據圖3 的變化曲線看出，發動機轉速在1 000～1 700 r/min 范圍內轉矩在40～70 N·m 時燃油消耗率在220 g/(kW·h)以下，得到發動機油耗較低區間，是發動機經濟區間。

圖3 發動機等比油耗曲線Fig.3 Fuel consumption curve of engine

根據圖2、圖3 可得，發動機最佳動力性和最佳燃油經濟性的曲線是每一個油門開度下發動機最小燃油消耗率和最大功率所對應的發動機轉速[9-10]，如圖4 所示。綜上所述，合理設置發動機油門開度與發動機轉速，可以實現發動機的動力性與燃油經濟性運行。

圖4 發動機最佳工作曲線Fig.4 Optimal performance curve of engine

2.2 HST 及發動機綜合性能

根據HST 臺架試驗，在發動機不同油門開度下改變發動機轉速，測得HST 的輸出功率。不同油門開度下，HST 的輸出功率相比發動機的均有所削弱，在傳動過程中受到損失，在同一油門開度下隨發動機轉速的增大而下降。由式（1）可知，靜液壓傳動效率是HST 輸入功率比上HST 輸出功率，通過扭矩轉速傳感器采集發動機轉速和扭矩參數及HST 輸出轉速和扭矩參數，得到HST 的傳動效率。

圖5 所示為HST 效率隨發動機轉速變化的趨勢圖。不同油門開度，發動機轉速不同，HST的效率不同。每一個油門開度下HST 效率的變化趨勢大致相似。同一油門開度，隨著發動機轉速的增加，HST 的效率是先增加后降低的趨勢。HST 效率先期是隨著發動機轉速的增長不斷提高，達到最大值后HST 的效率急劇下降，表明無論油門開度大小，隨著發動機轉速的增加，HST 效率最終會下降，這是由于發動機轉速的增加，HST 內液壓油壓力急劇增加，出現液壓油泄漏造成效率急劇降低。但HST 的效率最高達到95%，表明有非常優良的傳動效率。

圖5 不同油門開度下的HST 效率Fig.5 Efficiency of HST at different throttle opening

為達到HST 傳動的高效率，發動機工作時換段工作，隨發動機轉速的增加，改變油門開度，使HST 傳動始終保持在高效率區域。發動機高油門開度變化規律與低油門開度的規律相似，HST 效率達到最大值后呈現下降的趨勢，但低開度油門時下降得較為緩慢，說明發動機低轉速和高轉速均不能使HST 效率達到最高。發動機轉速過大或過小的工況，HST 效率較低，說明在此種工況，功率損失較大，不符合經濟性。

圖6 所示為HST 的等效率曲線圖。發動機轉速在1 000～1 900 r/min 及扭矩在30～45 N·m范圍內HST 的效率達到80%以上，說明此時HST 損失功率最少。合理控制發動機油門開度和轉速，調整變量泵的流量，可以控制HST 的輸出扭矩和傳動效率，實現傳動系統靜液壓傳動和無極調速，保證傳動的動力性和效率性。根據發動機的燃油消耗率可以計算出發動機的效率，如圖7 所示。

圖6 HST 效率圖Fig.6 Efficiency diagram of HST

圖7 發動機效率圖Fig.7 Efficiency diagram of engine

發動機經濟性要得到體現，需保證發動機轉速及扭矩的合理。不同工況下發動機有最佳效率，通過功率匹配與控制，可使發動機的效率處在最高點，表明想要得到發動機高效率，則發動機需要特定轉速和扭矩。

3 動力系統效率優化方法

經過試驗，發動機效率與HST 效率因發動機的工況與外負載的變化不能達到最優。動力系統總效率與發動機效率和HST 傳動效率相關，提高發動機效率和HST 傳動效率就可以提高動力系統總效率。發動機效率與發動機匹配有關，HST 傳動效率與外負載有關。

農用拖拉機的工作負載的不斷變化導致發動機與HST 出現功率不匹配的現象，造成發動機功率損失。只有發動機輸出功率與拖拉機負載相匹配，發動機的效率才會提高。發動機與HST實現功率匹配，負載變化導致變量泵的出口壓力、輸入扭矩和發動機的轉速變化，為了使發動機工作在最佳經濟性曲線或最佳動力性曲線上，依據匹配方程[9]確定變量泵的排量，調節變量泵斜盤傾斜角調節變量泵排量，使變量泵轉矩保持不變，使發動機、變量泵和負載匹配，保證發動機的經濟性或動力性[13-15]。動力系統的匹配，使發動機在最佳動力曲線上工作，使發動機保持最大功率輸出，可使發動機效率最佳。圖8 表明,功率匹配對于提高發動機整機運行效率有明顯的作用，發動機在最佳動力曲線上工作使發動機功率最大。

圖8 不同轉速下發動機效率曲線Fig.8 Engine efficiency curve at different speed

外負載占總功率的比例的大小也會影響HST的傳動效率，外負載越大，液壓泵的輸出壓力增大，液壓泵的內泄加劇，容積效率降低，HST 傳動效率降低。圖9 所示為不同外負載分流比例的HST 傳動效率與不同發動機轉速下HST 傳動效率的變化。外負載分流比例增大，HST 傳動效率有所下降。分流比例增大，HST 傳動效率達到最大時發動機的轉速向低轉速移動，發動機分流功率降低，HST 輸出功率不變，HST 傳動效率提高。要使HST 的輸出功率不變，保證發動機效率與HST 傳動效率，通過控制系統調節變量泵斜盤傾斜角調節變量泵的排量，保證HST 輸出功率。使發動機工作在最佳狀態，保障了發動機的燃油經濟性及動力性，為系統的穩定運轉提供了保障。

圖9 不同分流比例下HST 傳動效率Fig.9 Efficiency of HST under different shunt ratios

4 結論

通過對發動機的試驗數據進行分析，建立發動機功率曲線、發動機調速特性曲線，研究發動機與HST 匹配，使發動機的實際工作曲線在最佳動力性曲線或者在最佳燃油經濟性曲線上。采用靜液壓傳動系統，實現區間段無級變速，實現發動機最佳動力輸出。

（1）通過使用 Simulink 建立不同分流比例下的效率仿真模型，表明不同的分流比例對HST的傳動效率的影響不同，外負載分流比例增大，HST 傳動效率下降。

（2）試驗表明，在發動機1 000 r/min 以上、發動機扭矩在25～60 N·m 以上能使HST 效率達到80%以上，為達到HST 傳動的高效率，發動機工作時需換段工作，隨發動機轉速的增加，改變油門開度，使HST 傳動始終保持在高效率區域。確定最大傳動效率時發動機轉速，調整液壓泵的排量，使發動機轉速提高到目標轉速，使HST傳動效率最高。

（3）通過調節變量泵的排量，使發動機與HST 功率相匹配，使發動機能夠在最佳動力性曲線上工作，達到高效率的工作目的，不同分流比例使HST 傳動效率不同，亦可通過調節HST 排量提高HST 傳動效率，使發動機效率與HST 傳動效率最大，動力系統總效率最高。HST 中變量液壓泵可通過調節流量調整總成輸出，使液壓傳動在各個工況下能夠實現平穩的動力輸出。