基于參數化設計的拖拉機液壓馬達齒輪優化

陳華信,李 帥

(廣西科技師范學院 ,廣西 來賓 546199)

0 引言

拖拉機在農業方面的應用非常廣,特點是低速、大功率,且適于作業條件惡劣環境作業。隨著農業經濟的發展,對拖拉機的經濟性、動力性等方面提出了更高的要求。拖拉機的動力傳遞一般是通過變速器實現,傳統的變速器采用手動有級的齒輪變速器,壽命無法保證,容易出現熄火,且頻繁的換擋導致駕駛員勞動強度過大;另一方面,傳統拖拉機的技術含量較低,整機的性能和可靠性方面較差,無法滿足市場對于拖拉機日益嚴格的動力性和經濟性要求。

液壓機械無級傳動(HMCVT)是近年來研發的、采用液壓功率和機械功率匯流的新型傳動裝置,其采用液壓傳動獲得無級變速,采用機械傳動提高傳動效率[1-3]。將HMCVT應用于拖拉機可以有效降低作業過程中的振動和沖擊,降低駕駛員勞動強度,滿足拖拉機大功率作業的要求,使拖拉機作業時處于最佳的動力性和經濟性狀態[4-5]。

HMCVT的重要組成部分是液壓馬達,在作業時通過齒輪機構實現功率的分流和匯流,齒輪機構的尺寸決定了HMCVT的傳動效率。參數化設計是借助算法生成大量設計,并借助計算機進行模型的構建,從而得到產品的最佳尺寸。這種設計方式可以有效提升設計效率,降低設計的成本。雖然參數化設計應用較多,但HMCVT產品主要應用于軍用和重型車輛,其在拖拉機上的應用還未得到系統的研究。為此,筆者將基于參數化設計對拖拉機液壓馬達齒輪進行優化。

1 硬件設計

1.1 總體設計

在此,主要對拖拉機的液壓機械無級變速器的控制系統進行設計,控制系統主要包括液壓機械無級變速器控制器、發動機、液壓機械無級變速器和通信系統,如圖1所示。

圖1 液壓機械無級變速器控制系統結構簡圖Fig.1 The structure diagram of HMCVT control system

1.2 液壓機械無級變速器控制器

液壓機械無級變速器控制器是整個控制系統的核心,控制器的組成包括微處理器和電控單元。其中,微處理器采用MC9S12XS28主控芯片,用于對獲取的輸入信號進行處理,通過解析駕駛員意圖和拖拉機的行駛狀態,確定拖拉機的控制策略。

電控單元采用模塊化設計對拖拉機變速器的電路進行設計,主要包括信號輸入和輸出電路、驅動電路,通過這些電路對電磁換向閥、電磁比例閥等進行控制。電控單元的控制原理圖如圖2所示。

圖2 電控單元的控制原理圖Fig.2 The control schematic diagram of ECU

1.3 發動機

發動機是拖拉機的重要組成部分,在進行拖拉機的速度調控時,還需要對發動機進行調節。一般拖拉機的發動機均為柴油機,作業時,需要根據實際的轉速、轉矩和燃油數據,確定發動機模型[6],使發動機處于最佳的經濟性和動力性狀態,從而保證拖拉機的動力性和燃油經濟性。以大功率拖拉機為例,采用多變量多項式的方式進行發動機燃油消耗率的計算,計算方法為

其中,g為發動機燃油的消耗率;m為發動機燃油消耗模型的階數,一般取m=3;a為系數;T為轉矩;ne為發動機轉速。最終,確定發動機的作業效率η的計算公式為

η=1/(g·q)

其中,q為發動機所用柴油的熱值。

1.4 液壓機械無級變速器

液壓機械無級變速器是將機械傳動的高效率和液壓傳動的無級變速結合的器械[7],主要包括分流機構、匯流機構、液壓傳動裝置和機械變速器。其中,分流機構采用齒輪副,用于將發動機的功率進行分流,一路傳入機械變速器,另一路傳入液壓傳動裝置。匯流機構采用行星齒輪機構,用于將液壓和機械部分的功率進行匯流并輸出至輸出軸。液壓機械無級變速器的原理圖[8]如圖3所示。圖3中,齒輪副g1～g3為分流機構,g4為定軸齒輪副,g6～g9為齒輪副,p1～p2行星齒輪機構為匯流機構。

液壓傳動裝置主要作用是實現無級連續變速,主要包括變量泵、定量馬達和行星齒輪機構。泵馬達的閉式回路原理圖如圖4所示。

圖3 液壓機械無級變速器的原理圖Fig.3 The schematic diagram of HMCVT

圖4 泵馬達的閉式回路原理圖Fig.4 The schematic diagram of closed circuit of pump motor

圖4中,p1和p2分別為為變量泵和補油泵;value1、value2和value3分別為系統安全閥、補油溢流閥和沖洗閥。泵馬達的核心部分是變量泵,通過改變泵內斜盤的傾角,實現無級調速。變量泵的控制原理圖如圖5所示。

機械變速器主要由齒輪副組成,其傳動比為定值。

1.5 通信系統

通信系統一方面用于采集拖拉機作業過程中的行駛狀態,一方面將采集到的速度等信息傳遞至微處理器,對拖拉機進行綜合的分析并控制。拖拉機的傳感器一般包括速度傳感器和加速度傳感器,采用CAN總線的方式進行信息的傳遞。

2 液壓馬達齒輪參數優化設計

拖拉機的HMCVT為三段式液壓機械無級變速器,分別是純液壓段HM0和液壓機械段HM1、HM2。在該變速器中,機械變速器的傳動比為定值,變速器的傳動功率和傳動效率則主要取決于液壓傳動裝置,而液壓馬達是液壓傳動裝置的主要組成部分,故需要對液壓馬達的齒輪進行參數優化設計。

2.1 系統傳動比計算

系統的傳動比一般由拖拉機的行駛速度和發動機的額定轉速共同決定,拖拉機在i段的總傳動比可通過下式計算,即

其中,n1為拖拉機柴油發動機的標定轉速;rq為驅動輪半徑;vi為拖拉機在i段的理論行駛速度。對于本設計大功率的、三段液壓機械無級變速器,其公比φ為

其中,vmin和vmax分別為拖拉機作業過程中的最小和最大行駛速度。

2.2 齒輪參數優化設計

合理的選擇泵馬達齒輪的參數可以有效提高傳動效率,在進行齒輪參數優化時,以HM1段為例進行設計和分析。在泵馬達的各行星排各機構之間的轉矩呈正比例關系,且一般不可隨意更改,各機構的轉矩關系為

Mt∶Mc∶Mx=1∶k∶(1+k)

其中,Mt、Mc和Mx分別為太陽輪、齒圈和行星架的轉矩;k為行星排的特性參數,其值為齒圈和太陽輪的齒數比。在液壓機械段HM1中,當K1行星排作業時,液壓和匯流動力分別通過行星架和齒圈輸出,此時有如下關系

其中,Mc1和Mx1分別為K1行星排的齒圈和行星架的轉矩;k1為K1行星排特性參數,值為K1齒圈與太陽輪的齒數比。根據行星架和液壓馬達之間的關系,可以得到K1行星架轉矩Mx1為

其中,Mm為定量馬達轉矩;i2為K1行星架的傳動比。發動機功率經K1行星排齒圈和定軸齒輪繼續輸出,此時的HM1段的輸出轉矩MHM1為

其中,i1為定軸齒輪的傳動比。通過對以上各式進行分析,可以得到HM1段的輸出功率模型為

PHM1=MHM1·nHM1=

其中,i3、i4和ip分別為泵前、匯流前液壓路及變量泵的傳動比。液壓裝置的功率模型Py為

Py=Mm·nmax

其中,nmax為液壓馬達的最大轉速。

其后,確定液壓馬達齒輪的轉矩,一般計算兩部分:第一部分是發動機的標定轉矩,第二部分是地面附著力對變速器最大輸出轉矩;然后,選擇較小的值作為齒輪的轉矩。其中,發動機的標定轉矩Tf計算方式為

Tf=Tiη

其中,T為發動機轉矩;i為發動機至齒輪的傳動比;η為傳動效率。地面附著力對變速器的最大輸出轉矩Td為

Td=mg(φ-f)

其中,m為拖拉機的總質量;φ和f分別為拖拉機附著地面和摩擦因數。

然后,確定齒輪的中心距,即變速器兩軸之間孔中心的距離,可通過下式進行估算,即

其中,T0為變速器的總輸出轉矩;k為中心距系數。

最后,確定齒輪的模數和傳動比。其中,主動齒輪和大齒輪的齒數Z0和Z1可分別通過下式估算,即

Z1=μZ0

其中,β為螺旋角,計算方式為

通過以上計算,即可對液壓馬達齒輪參數進行優化。

3 試驗結果

通過對拖拉機液壓馬達齒輪進行優化,使該拖拉機的變速器應具有無級調速及較高的傳動效率的特性。但是,該變速器是否具有以上特性,還需要通過試驗驗證,故將對拖拉機變速器進行無級調速特性試驗和效率特性試驗。

3.1 無級調速特性試驗

變速器的載荷范圍,經過計算應小于等于1210N·m。在試驗時,選定最小負載為200N·m,每20N·m作為一個測點,直到最大負載1200N·m。調節液壓傳動裝置的變量泵,使發動機在最佳動力性標定點工作,待變速器穩定作業后,記錄變速器的輸入和輸出轉速、輸入和輸出轉矩。最終,確定輸出轉矩和轉速的關系曲線如圖6所示。

圖6 輸出轉矩和轉速的關系曲線圖Fig.6 The curve of output torque and speed

由圖6可知:當拖拉機負載變化時,可以通過調節速比得到穩定的輸出轉速;變速器的輸出轉速和負載呈雙曲線的關系,說明該液壓機械無級變速器具有無級調速的特性。

3.2 效率特性試驗

在進行效率特性試驗時,為了便于試驗,在不同的工況條件測試拖拉機前進方向1～4段在純液壓狀態和液壓機械段的輸入、輸出轉速和輸入、輸出轉矩。工況條件分別為:發動機轉速2000r/min、負載650N·m,轉速2000r/min、負載450N·m,轉速1800r/min、負載650N·m,轉速1800r/min、負載450N·m,速比為0.1,最終得到轉速2000r/min的效率特性曲線如圖7所示,轉速1800r/min的效率特性曲線如圖8所示。

圖7 轉速為2000r/min效率特性曲線Fig.7 The efficiency characteristic curve of 2000r/min speed

圖8 轉速為1800r/min效率特性曲線Fig.8 The efficiency characteristic curve of 1800r/min speed

由圖7可知:變速器液壓機械段的效率明顯高于純液壓段的效率;當變速器的輸入轉速一定時,隨負載的增加效率增加;當負載一定時,隨轉速的升高,效率降低。由此說明液壓機械變速器可有效提高變速器的作業效率。

4 結論

1)針對目前拖拉機性能和可靠性方面較差,無法滿足市場對于拖拉機日益嚴格的動力性和經濟性要求等問題,基于參數化設計對拖拉機液壓馬達齒輪進行了優化。拖拉機的液壓機械無級變速器的控制系統主要包括液壓機械無級變速器控制器、發動機、液壓機械無級變速器和通信系統。

2)液壓馬達是液壓傳動裝置的主要組成部分,為了提升變速器的傳動功率和傳動效率,對液壓馬達的齒輪參數進行優化設計,包括對系統傳動比進行計算及對齒輪參數優化設計。

3)為了驗證該拖拉機變速器的性能,對其進行無級調速特性試驗和效率特性試驗,結果表明:該變速器具有良好的無級調速特性以及較高的傳動效率。