1液壓機械無級變速器的組成和工作原理

　　等差式和等比式是兩種較常用的多段液壓機械無級傳動系統。若各段的輸出轉速的連續變化范圍逐段增大，末尾速度與起始速度的比為一定值，稱為等比式。等比式的最大輸出功率為恒定值，輸出扭矩逐段下降，符合車輛變速推進的要求。

　　本文介紹的液壓機械無級變速器的結構簡圖。主要由4個部分組成：分流機構，機械流傳動機構，液壓流傳動機構和匯流機構。行星排K1、K2和K3，固定軸齒輪對i 1和i2，制動器Z1和Z2，離合器L0、L1和L2共同組成了機械流傳動機構。其中i 1為分流機構， K1和K2為匯流機構， K3為一個高低檔位切換裝置。液壓流傳遞機構由一個雙向變量泵和一個雙向變量馬達組成的液壓容積調速回路。

　　該液壓機械無級變速器具有純液壓段（H ）、液壓機械低檔段（ HM L）和液壓機械高檔段（HM H）等三個調速工作段組成。各段中離合器和制動器的工作狀態見。

　　P和M分別為變量泵和變量馬達的排量變化率。

　　分離分離結合結合在車輛起步階段，系統在純液壓段工作，此時變量泵的排量從零向正向最大變化（P： 0 1），變量馬達的輸出轉速隨之升高，通過行星排K2的工作，使輸出轉速提高。當變量泵的排量達到正向最大（P = 1）時保持不變，此時變量馬達的排量從最大逐漸減?。∕： 1 0 67），變速器輸出轉速繼續升高。當M = 0 67時變量馬達的排量就不再變化，此時系統達到純液壓段的最大輸出轉速。

　　進入液壓機械低檔工作段后，變量泵的排量從最大逐漸減?。≒： 1 - 1），變量馬達的輸出轉速隨之降低，但通過行星排K1的工作，使得系統輸出轉速繼續升高（行星排K1的齒圈轉速升高）。當變量泵的排量達到負方向最大時（P = - 1），系統便達到液壓機械低檔工作段的最高設計轉速。此時制動器Z2分離，暫時切斷動力，變量泵的排量從負方向最大迅速向正方向變化（P： - 1 0 82）完成高低檔的切換。

　　系統進入液壓機械高檔工作段后，變量泵的排量逐漸減?。≒： 0 82 - 1），變量馬達的輸出轉速也隨之降低，工作狀況與液壓機械低檔工作段類似。

　　當變量泵的排量變為負方向最大時（ = - 1），系統達到液壓機械高檔工作段的最高設計轉速，即傳動系統理論上的最高設計轉速。

　　2液壓機械無級變速器傳動比分析

　　由于液壓機械低檔、液壓機械高檔工作特性基本相同，推導方法相似，因此，這里只對液壓機械低檔進行詳細分析。

　　設ntx、n qx、n jx分別為行星排數x （ x= 1， 2， 3）的太陽輪、齒圈、行星架的轉速。k 1、k2、k 3為各行星排的特性參數。q b、qm分別為液壓泵和液壓馬達的排量。i變為液壓機械無級變速器的傳動比。

　　液壓機械低檔段制動器Z2、離合器L0結合，行星排K1、K3工作。假設液壓傳動效率為1，可得上述各式整理式反映了液壓機械低檔的無級調速特性，當發動機的輸入轉速不變時，調節兩液壓元件的相對排量qb /q m，就可以得到一個無級變速的輸出轉速n o，當q b /q m = 0，系統工作在純機械傳動狀態，此時傳動比i變同理，可以得到其它檔位無級變速關系式。

　　3液壓機械無級傳動系統建模

　　液壓機械無級傳動中包含很多非線性時變單元，如離合器、制動器、閥、液壓單元等。這些單元中包括間隙、遲滯、死區等非線性過程，如果要使仿真模型完整反映液壓機械無級傳動段內調速、換段過程等工況下的動力學性能，必須對這些非線性時變環節進行詳細的數學描述，建模工作量非常繁重。為了減少液壓機械無級傳動系統建模的工作量、避免模型的不合理簡化、提高模型的仿真精度，本文選擇了M SC Easy5軟件建立以液壓機械傳動為傳動系的車輛推進系統的動力學模型。M SC Easy5中包括了動力傳動系仿真模型庫Ricardo Pow ertrain Library和液壓系統仿真模型庫Therm alH ydrau lic Library，在這兩個庫中含有專業的液壓機械無級傳動仿真中所需的基本單元模型。另外， M SC Easy5中基于開關狀態（ Sw itch State）的變步長積分算法（ BCS_Gear），可以對非線性模型進行高效求解。

　　以液壓機械無級變速器為傳動系的車輛推進系統算機仿真模型的組成的計算機仿真模型主要包括發動機模型、液壓機械無級傳動模型、控制器模型和車輛模型，其組成及連接關系。

　　利用MSC Easy5所提供的專業仿真模型庫以及圖形化、模塊化的集成仿真建模環境，可以建立以液壓機械無級傳動及其控制器模型為核心的仿真模型，從而可以在車輛推進系統中研究液壓機械無級變速器的動態特性。所建立的機械流傳動機構和液壓流傳動機構的仿真模型。

　　4液壓機械無級變速器控制策略

　　無級傳動控制策略可歸納為兩種基本形式：一種是轉速調節；另一種是定發動機轉速和定輸出功率調節，亦稱二元調節。在轉速調節控制方案中，駕駛員直接操縱發動機，加速踏板的位置代表發動機的油門開度。微處理器（ ECU）在測知加速踏板的位置，即油門開度后，根據最佳動力性或最佳經濟性曲線計算在該油門開度下發動機的最佳轉速n e，并通過調節無級傳動裝置的傳動比i，使發動機達到此理想轉速ne。這樣，一定的油門開度發出一定的功率，在一定路面條件下，對應一定的車速。

　　轉速調節方法的特點是控制策略簡單，所需傳感器少，執行元件少，在大多數情況下控制效果令人滿意，所以應用較多。本文針對液壓機械無級變速器的特點設計了一個轉速調節控制器?？刂破鞯姆抡婺Ｐ徒Y構。

　　液壓機械無級變速器的調速過程主要包括段內調速和換段過程，其控制策略既應包括段內調速過程的控制算法，也要對換段過程制定相應的控制策略。液壓機械無級變速器的段內調速控制采用非對稱飽和增量式PID控制策略。

　　通常增量式PID算法的增量計算公式為：

　　u k = k P（ e k - e k- 1） + k P T I e k + k P T D T（ e k - 2e k- 1 + e k- 2）

　　式中：u k為控制量的增量； e i為t= t i時刻的誤差值； T是采樣周期； T I為積分時間常數； T D為微分時間常數。液壓機械無級變速器段內調速PID控制的誤差值e k為，e k = n ek - nek其中， n ek、n

　　ek分別為發動機在k時刻的實際轉速和期望的理想轉速。

　　為了適應液壓機械無級變速器的工作特點，對增量式PID控制算法進行了一些改進。將PID控制調整為PD控制并增加了非對稱飽和積分環節，克服了調速過程中發動機轉速的波動。另外，針對不同的調速工作段，采用了不同的控制參數，優化了各段的動態性能。

　　換段邏輯是指液壓機械無級傳動各段之間的控制邏輯。為達到液壓機械無級傳動的傳動比按設計意圖連續變化，除控制變排量液壓元件的排量外，還必須按一定的順序控制離合器、制動器等操縱元件，使液壓機械無級傳動在不同的段工作。換段邏輯控制是控制器一個重要的組成部分，包括換段條件確定、換段邏輯控制等換段策略。其仿真模型是通過用戶自定義的Fortran代碼模塊來完成的。

　　在液壓機械無級變速器工作過程中，換段邏輯控制器根據變速器輸入軸和輸出軸轉速信號得到該時刻的傳動比，通過與各換段點所對應的傳動比相比較來確定是否應當換入下一個調速工作段。如果需要換段，則產生各離合器和控制器的控制油壓信號完成換段。換檔結束后，變速器就在PID控制器的控制之下，通過改變變量泵或變量馬達的排量來實現段內調速，直到下一換段點為止。

　　此外，換段邏輯控制器中還采取了相應的措施來防止變速器在高低段之間反復的切換。并且可以設定各段合適的PID控制參數。

　　5仿真結果分析

　　利用所建立的液壓機械無級變速器的計算機仿真模型和相應的控制策略，在按照實際情況修改了發動機、車輛和變速器的模型的參數后，在EASY5中進行了計算機仿真研究。結果如 11所示。

　　仿真的目的是為了研究采用該變速器的某重型車輛（ 20t）的加速性能，在仿真過程中，發動機油門全開，工作在最大功率點，對應轉速為2200r/m in.

　　加速過程中液壓機械無級變速器段位的變化情況， 1、2分別表示H段內泵變排量和馬達變排量的兩個工作階段。3表示HM L段， 4表示HMH段。

　　可看出，車輛0 32km /h加速時間約為5 6s，完全滿足車輛加速性技術指標（ < 10s）的要求，加速性能非常好?？芍?，發動機在段內調速過程中轉速始終穩定在理想轉速2200r/m in左右，說明了本文所建立的段內調速規律的正確性。圖10為加速過程中變速器傳動比無級變化的規律。圖11為控制器輸出的泵和馬達的排量控制信號。

　　在換段過程中，車速與發動機轉速都出現了一些波動，特別是高低檔切換過程中更加明顯。說明了換檔過程對車輛的性能有較大的不利影響。如何通過改善換段控制策略來提高液壓機械無級變速器的換段品質，是下一階段將要研究的課題。

　　6結論

　　本文設計了一種大功率輪式車輛上所應用的新型等比式液壓機械無級變速器，對其無級調速特性進行了分析，并在M SC Easy5中建立了液壓機械無級傳動系統及其控制器的計算機仿真模型。仿真研究結果表明，該設計方案能夠滿足車輛動力性能所要求的技術指標。雖然高低檔切換過程中存在品質惡化的問題，但是考慮到設置高低檔可以簡化行星傳動部分的結構，所以還是可取的。目前，該變速器已經完成了結構設計，進入了樣機加工和試驗階段，本文的研究成果和結論為其應用提供了重要的理論依據。