液壓機(jī)械傳動裝置模式切換優(yōu)化控制

王越航，曹付義，2，席志強(qiáng)，徐立友，3

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003;2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471003;3.拖拉機(jī)動力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，河南 洛陽 471039)

0 引言

液壓機(jī)械傳動裝置(HMT)將機(jī)械傳動的高效率和液壓傳動的良好調(diào)速特性相結(jié)合，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)排量可使HMT 輸出轉(zhuǎn)速大范圍連續(xù)變化，對農(nóng)用車輛，軍用車輛等特種車輛具有很好的應(yīng)用價值。目前，針對液壓機(jī)械傳動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計［1-2］、參數(shù)匹配［3-4］、工作特性［5-7］等方面取得了豐富的科研成果。

液壓機(jī)械傳動裝置輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化是由2個或多個無級調(diào)速模式組合得到，相鄰模式之間的切換過程影響到HMT 整體工作性能。國內(nèi)外研究人員對模式切換過程動態(tài)特性［8-9］、切換品質(zhì)影響因素［10-11］以及切換規(guī)律［12-13］等方面已有相應(yīng)研究，但少有對HMT 模式切換過程的控制研究。因此，為更好地改善切換品質(zhì)，提升HMT 工作性能，需要對模式切換控制方法做進(jìn)一步的研究。

以某液壓機(jī)械傳動裝置為對象，設(shè)計了一種液壓調(diào)速系統(tǒng)排量調(diào)節(jié)控制和模式切換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的模式切換方法，通過仿真驗證該切換方法對改善HMT 模式切換品質(zhì)的有效性。

1 HMT 模式切換過程分析

1.1 HMT 工作原理

液壓機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由液壓調(diào)速系統(tǒng)(變量液壓泵、定量液壓馬達(dá))、功率耦合機(jī)構(gòu)(行星排1、行星排2)和模式切換機(jī)構(gòu)(離合器C1、離合器C2)組成。通過改變模式切換機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)，可使HMT 分別在液壓模式(H 模式)、液壓機(jī)械模式(HM 模式)下工作;調(diào)節(jié)變量液壓泵排量，可使HMT 輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)變化。2 種模式下HMT 部分構(gòu)件工作狀態(tài)如表1 所示。

圖1 液壓機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)圖

表1 不同模式下部分構(gòu)件工作狀態(tài)

由于2 種模式之間相互切換具有相似過程，本文主要對液壓模式向液壓機(jī)械模式切換過程進(jìn)行研究。

1.2 模式切換過程分析

在理想情況下，存在HMT 模式切換理論排量(變量液壓泵排量)，在此理論排量下進(jìn)行模式切換時，離合器C1 能夠同步接合，切換過程輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o波動，同時可使切換前后輸出轉(zhuǎn)速保持一致。該模式切換理論排量由HMT 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，表達(dá)式為:

然而，在實際模式切換過程中，HMT 內(nèi)部功率流向會在模式切換前后發(fā)生變化，導(dǎo)致變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)的工作角色發(fā)生轉(zhuǎn)變(H 模式:變量液壓泵定量液壓馬達(dá);HM 模式:定量液壓馬達(dá)驅(qū)動變量液壓泵)，再加之變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)存在內(nèi)泄漏以及油液自身特性的影響，液壓調(diào)速系統(tǒng)會出現(xiàn)流量損失，從而使得切換前后HMT 內(nèi)部相關(guān)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，進(jìn)而影響模式切換品質(zhì)。模式切換前后HMT 各構(gòu)件轉(zhuǎn)速如圖2 所示。

圖2 模式切換前后HMT 各構(gòu)件轉(zhuǎn)速圖

從圖2 可以看出，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速不變時，變量液壓泵轉(zhuǎn)速不變。在理想狀態(tài)下，定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速在模式切換前后不變，HMT 輸出轉(zhuǎn)速連續(xù)。在實際工作過程中，由于液壓調(diào)速系統(tǒng)流量的損失，隨著排量調(diào)節(jié)，定量液壓馬達(dá)實際轉(zhuǎn)速和HMT 實際輸出轉(zhuǎn)速均低于其理論值;在H 模式向HM 模式切換過程中，由于變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)工作角色轉(zhuǎn)變，加之流量泄露的影響，定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)躍升，進(jìn)而造成模式切換前后穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速不一致。此外，由于實際轉(zhuǎn)速的降低，使得離合器C1 的主、從動盤存在速差，接合過程出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)矩波動，影響模式切換過程的穩(wěn)定。

1.3 模式切換評價指標(biāo)

模式切換時間和沖擊度［14］通常作為HMT 模式切換品質(zhì)評價指標(biāo)。由于在模式切換過程，離合器的分離和接合會使輸出轉(zhuǎn)矩在短時間內(nèi)降低，造成動力中斷。因此，采用輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)來評價切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的降低程度。

輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)表達(dá)式為

2 HMT 模式切換優(yōu)化控制

2.1 模式切換控制方法制定

依據(jù)模式切換過程分析可知，流量損失是影響切換過程穩(wěn)定性的主要因素，因此可通過排量的調(diào)節(jié)來補(bǔ)償流量損失，同時對離合器接合和分離過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以此來提高模式切換品質(zhì)。

模式切換策略具體為:在H 模式下，當(dāng)變量液壓泵排量達(dá)到模式切換理論排量時，開始進(jìn)行模式切換。依據(jù)HMT 所處工況信息(輸入轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩)，以模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速為參考值，通過建立的排量預(yù)測模型對HM 模式下相同穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)的排量進(jìn)行預(yù)測，并在切換過程調(diào)節(jié)變量液壓泵排量至預(yù)測值，從而保證切換前后的穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速相同;與此同時，基于二次型最優(yōu)控制理論，對模式切換機(jī)構(gòu)離合器C1、C2 的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，減小切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的波動。其中，模式切換過程排量調(diào)節(jié)采用階躍形式調(diào)節(jié)，階躍調(diào)節(jié)能在不影響切換穩(wěn)定性的同時，減少模式切換時間［12］。HMT 模式切換流程如圖3 所示。

圖3 模式切換流程圖

2.2 模式切換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制

建立模型時，假設(shè)各構(gòu)件以集中質(zhì)量形式存在，忽略行星排的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼影響，消去行星排內(nèi)力以及各構(gòu)件之間相互作用力，依據(jù)液壓調(diào)速系統(tǒng)模型、離合器模型和行星排模型［14］得模式切換過程數(shù)學(xué)模型為:

式中:Ti為輸入轉(zhuǎn)矩，N·m;TC1為離合器C1 轉(zhuǎn)矩，N·m;TC2為離合器C2 轉(zhuǎn)矩，N·m;Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m;no為輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

以減小模式切換過程輸出轉(zhuǎn)速波動和減小沖擊為目標(biāo)，將離合器轉(zhuǎn)矩變化率作為控制變量，輸出轉(zhuǎn)速作為輸出量，且由于模式切換過程短暫，可認(rèn)為切換過程輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，忽略液壓調(diào)速系統(tǒng)壓力波動的影響，根據(jù)式(3)和式(4)可得切換過程狀態(tài)空間方程為

二次型控制目標(biāo)函數(shù)為

式中:e 為模式切換過程輸出轉(zhuǎn)速與模式切換前平穩(wěn)輸出轉(zhuǎn)速的誤差，e=no_ref-y，no_ref為模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速;q、r 為加權(quán)矩陣。

因為矩陣［B AB］以及矩陣［C CA］T的秩均為2，根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性定理可知模式切換過程離合器轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，存在最優(yōu)控制量u*，使得控制目標(biāo)函數(shù)取得最小值。

最優(yōu)控制為

對稱正定矩陣滿足里卡蒂矩陣微分方程

常值伴隨向量為

通過求解式(8)、式(9)，結(jié)合式(7)可得模式切換過程閉環(huán)控制下離合器轉(zhuǎn)矩最優(yōu)變化率，進(jìn)而積分得到切換過程離合器C1、C2 實時傳遞轉(zhuǎn)矩。

2.3 排量預(yù)測模型

為方便研究，假設(shè)變量液壓泵和定量液壓馬達(dá)均為內(nèi)泄漏，且泄露為層流;各連接管道為短硬管，連接處密封良好，忽略沿層壓力損失，模式切換前后液壓調(diào)速系統(tǒng)的實際流量平衡方程為

H 模式(變量液壓泵驅(qū)動定量液壓馬達(dá)):

HM 模式(定量馬達(dá)驅(qū)動變量液壓泵):

根據(jù)行星排轉(zhuǎn)速方程式，HM 模式下定量馬達(dá)理論輸出流量與輸入轉(zhuǎn)速和模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系為

式中:no_ref為模式切換前穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

HM 模式下實際驅(qū)動變量液壓泵的輸入流量為

HM 模式下定量馬達(dá)、變量液壓泵流量損失量為

式中:Csm為定量馬達(dá)流量損失系數(shù);Csp為變量液壓泵流量損失系數(shù);ΔP 為液壓調(diào)速系統(tǒng)高低壓側(cè)油壓差，MPa;μ 為油液動力黏度，N·s/m2;Dpmax為變量液壓泵最大排量，mL/r。

根據(jù)行星排轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，推導(dǎo)得液壓調(diào)速系統(tǒng)高低壓側(cè)油壓差與負(fù)載轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

式中:ηm為定量馬達(dá)機(jī)械效率;Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

結(jié)合式(16)，得H 模式向HM 模式切換過程排量預(yù)測表達(dá)式為

式中:α=k1ipDm，。

3 仿真分析

3.1 仿真方案

為探究設(shè)計的排量及轉(zhuǎn)矩控制的模式切換方法對改善切換過程品質(zhì)的有效性，以東方紅牌某型洗掃車為裝機(jī)對象，基于AMEsim 軟件，對洗掃車滿載時在路面良好的平直公路勻速行駛工況下的模式切換過程進(jìn)行仿真分析。主要仿真參數(shù)如表2 所示，仿真模型如圖4 所示。

圖4 仿真模型圖

表2 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

逐漸調(diào)節(jié)液壓調(diào)速系統(tǒng)排量至模式切換理論排量，待車輛行駛速度穩(wěn)定后，在19 s 處進(jìn)行HMT 模式切換仿真。HMT 模式切換過程輸出轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、沖擊度、轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)以及液壓調(diào)速系統(tǒng)排量變化的仿真結(jié)果如圖5 所示。

由圖5(a)可以看出，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行模式切換時，切換過程HMT 輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅下降，最大降幅為123.51 N·m，最大轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)為0.67;隨著離合器C1 的接合，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸上升，但上升過程中，輸出轉(zhuǎn)矩在19.2 s 附近出現(xiàn)波動，這是由于此時HMT 內(nèi)部功率流向發(fā)生變化，液壓調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部油液的高低壓側(cè)因此改變，同時，油液高低壓側(cè)的轉(zhuǎn)變引起了定量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的波動，進(jìn)而導(dǎo)致HMT 輸出轉(zhuǎn)矩的波動，影響模式切換品質(zhì)。當(dāng)采用本文設(shè)計的模式切換方法時，切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的降幅明顯減小，最大降幅為85.69 N·m，最大輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)為0.47，與傳統(tǒng)模式切換方法相比，最大輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失系數(shù)降低了29.85%;由于對切換過程離合器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，HMT 輸出轉(zhuǎn)矩在上升的過程中波動也得到消除，模式切換過程動力性得到改善。從圖5(a)還可以看出，在采用本文模式切換方法時，由于對變量液壓泵的排量進(jìn)行了階躍調(diào)節(jié)，使得模式切換初始一段時間內(nèi)HMT 輸出轉(zhuǎn)矩高于其穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩，但結(jié)合圖5(b)不難得知，排量調(diào)節(jié)導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)矩升高對切換過程的沖擊度影響甚微，沒有影響模式切換過程的整體穩(wěn)定性。

由圖5(b)可知，使用傳統(tǒng)模式切換方法的模式切換過程沖擊度在(-17.97 m/s3，13.12 m/s3)之間變化，采用本文制定的模式切換方法時，切換過程沖擊度能夠控制在(-14.35 m/s3，9.92 m/s3)之間，與傳統(tǒng)方法相比，最大沖擊度降低了20.14%。

根據(jù)圖5(c)、(d)可以看出，采用傳統(tǒng)方法，在模式切換理論排量(變量液壓泵排量為36.8 mL/r)進(jìn)行模式切換時，受HMT 內(nèi)部功率流向改變和液壓調(diào)速系統(tǒng)流量泄露影響，模式切換前后HMT 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速存在5.88 r/min 的誤差，并且模式切換時間為1.01 s。通過依據(jù)所處工況信息對排量進(jìn)行預(yù)測，并階躍調(diào)節(jié)變量液壓泵排量至預(yù)測值36.54 mL/r，使得模式切換前后HMT 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速誤差減小至0.37 r/min;同時，加之對模式切換機(jī)構(gòu)離合器轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，模式切換時間縮減至0.83 s，和傳統(tǒng)方法相比，切換時間減小了17.82%。

圖5 模式切換仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果分析可知，本文設(shè)計的模式切換控制方法能在減少模式切換時間的同時，降低切換過程輸出轉(zhuǎn)矩的損失，減小切換前后輸出轉(zhuǎn)速的誤差，有效改善模式切換穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)通過對液壓機(jī)械傳動裝置工作原理以及模式切換過程各構(gòu)件轉(zhuǎn)速的分析，設(shè)計了一種能夠改善HMT 模式切換品質(zhì)的液壓調(diào)速系統(tǒng)變量液壓泵排量調(diào)節(jié)和模式切換機(jī)構(gòu)離合器轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制的模式切換方法。

2)本文設(shè)計的模式切換方法能夠通過對液壓調(diào)速系統(tǒng)排量的預(yù)測和調(diào)節(jié)減小HMT 模式切換前后穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速誤差;通過對模式切換機(jī)構(gòu)離合器的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，降低輸出轉(zhuǎn)矩在切換過程的損失，最大沖擊度減小20.14%，切換時間減少17.82%，對提升HMT 模式切換品質(zhì)、改善HMT 工作性能具有較好的控制效果。仿真結(jié)果驗正了所建立模型的準(zhǔn)確性。