曹付義,馮琦,楊超杰,徐立友,3

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

雙模式液壓機械傳動裝置(DHMT)可實現(xiàn)分速匯矩和分矩匯速兩種模式下的無級變速傳動,低速段和高速段均有較高的傳動效率[1-2],在大功率車輛上有優(yōu)越的應(yīng)用前景。DHMT模式切換需要通過控制多個離合器或制動器來實現(xiàn),在切換過程中會出現(xiàn)動力中斷、沖擊度大等問題[3]。進行DHMT離合器切換時序優(yōu)化研究,對于制定模式切換控制策略、實現(xiàn)平穩(wěn)切換具有重要意義。

國內(nèi)外針對液壓機械傳動裝置的設(shè)計[4-7]、特性分析[8-10]、離合器控制[11-14]等方面的研究較多,但針對DHMT模式切換過程的離合器切換時序研究較少。曹付義等設(shè)計了基于拖拉機的多模式液壓機械傳動裝置,并對其調(diào)速特性和功率分流特性等進行了分析[15]。朱鎮(zhèn)等對液壓機械無級變速器換擋品質(zhì)影響因素進行分析,提出了基于物理參數(shù)和換擋時序的換擋策略[16]。鄭嘯洲等分析了發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和離合器交錯程度等因素對液壓機械無級變速器換段過程的影響,并提出升段過程離合器控制方法[17]。陳昊聞等為提高雙離合變速器的換擋平順性,提出內(nèi)?？刂品椒▉硖岣唠x合器轉(zhuǎn)速差的跟蹤精度[18]。李曉祥等為解決隨機循環(huán)載荷等因素引起的離合器接合過程平穩(wěn)性問題,提出了離合器接合過程控制的不確定性估計方法[19]。以上研究多是針對單個或一組離合器進行的,對于多組離合器參與的換擋過程研究較少。

本文針對一種新型雙模式液壓機械傳動裝置,在分析其傳動原理的基礎(chǔ)上建立其模式切換過程數(shù)學(xué)模型,提出一種基于正交試驗及極差分析的DHMT離合器切換時序優(yōu)化方法,并進行仿真與試驗驗證。

1 DHMT傳動原理

1.1 DHMT構(gòu)型

本文研究的DHMT構(gòu)型如圖1所示,由機械傳動部分、液壓傳動部分和模式切換機構(gòu)組成。機械傳動部分包括動力輸入軸,動力輸出軸,行星排K1、K2以及各定軸齒輪副;液壓傳動部分包括變量泵和定量馬達;模式切換機構(gòu)包括離合器C1～C9。

1—動力輸入軸;2—變量泵;3—定量馬達;4—液壓動力輸入軸;5—動力輸出軸。圖1 DHMT傳動方案簡圖

1.2 模式切換原理

通過控制離合器工作狀態(tài),DHMT可以實現(xiàn)分速匯矩和分矩匯速兩種模式下4個速度段的無級變速傳動。DHMT各模式離合器作用狀態(tài)如表1所示。

表1 各工作模式離合器作用狀態(tài)

在DHMT從分速匯矩HM1模式向分矩匯速HM2模式切換過程中,涉及6個離合器工作狀態(tài)的變化,此過程最為復(fù)雜,對模式切換品質(zhì)影響最大。本文將針對這一切換過程進行研究。

HM1模式下系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

(1)

式中:nin為系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速;ε為液壓元件排量比;k1為行星排K1的特性參數(shù);i為各定軸齒輪的傳動比。

HM2模式下系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

(2)

式中k2為行星排K2的特性參數(shù)。

為保證模式切換前后系統(tǒng)輸出速度連續(xù),結(jié)合式(1)(2),可得理論同步切換條件為

(3)

2 DHMT模式切換過程建模

將DHMT系統(tǒng)劃分為軸系、變量泵-定量馬達、離合器及行星排等部分,建模時僅考慮構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼,并且各構(gòu)件以集中質(zhì)量的形式存在。建立的DHMT動力學(xué)模型如圖2所示。

I、b、T、ω—軸或部件的等效慣量、等效阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)矩和角速度;下標in、out—系統(tǒng)輸入和輸出軸,r1、c1、s1—行星排K1的齒圈、行星架和太陽輪,r2、c2、s2—行星排K2的齒圈、行星架和太陽輪,p、m—變量泵和定量馬達;ph、pl—液壓調(diào)速系統(tǒng)高壓和低壓油路壓力。圖2 DHMT動力學(xué)模型

2.1 軸系數(shù)學(xué)模型

建立各軸系數(shù)學(xué)模型如下

TC3-TC4-(bin+bs1/i12)ωin

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Tout-boutωout

(10)

2.2 液壓調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)液壓元件油液泄漏為層流,不考慮油路壓力損失及流量脈動對系統(tǒng)的影響,流量連續(xù)性模型為

(11)

變量泵軸動力學(xué)模型為

(12)

定量馬達軸動力學(xué)模型為

(13)

式中:Dp、Dm分別為變量泵和定量馬達最大排量;Ctm為液壓調(diào)速系統(tǒng)總泄漏系數(shù);u為油液動力黏度;V為油液工作總體積;βe為油液彈性模量;ζp、ζm分別為變量泵和定量馬達機械摩擦損失系數(shù)。

2.3 離合器數(shù)學(xué)模型

當(dāng)離合器處于滑摩狀態(tài)時,傳遞轉(zhuǎn)矩與油液壓力及主、從動盤轉(zhuǎn)速差相關(guān),關(guān)系式為

(14)

式中:TC為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩;μ為離合器摩擦副的動摩擦因數(shù);Z為離合器摩擦副的數(shù)量;pC為離合器油液壓力;A為離合器活塞作用面積;ri、ro分別為離合器摩擦副的內(nèi)、外半徑;Δω為離合器主、從動盤角速度差;sgn為符號函數(shù),其表達式為

(15)

2.4 行星排數(shù)學(xué)模型

建立行星排的動力學(xué)方程為

ωsx+kxωrx=(1+kx)ωcx

(16)

Tsx∶Trx∶Tcx=1∶kx∶(-1-kx)

(17)

式中:x為行星排數(shù)量,x=1,2;k為行星排特性參數(shù)。

3 DHMT模式切換品質(zhì)仿真分析

3.1 DHMT模式切換品質(zhì)評價指標

本文選用沖擊度、滑摩功、輸出軸動載荷系數(shù)以及切換時間作為模式切換品質(zhì)評價指標。

3.1.1 沖擊度 沖擊度是車輛縱向速度二階微分的最大值,體現(xiàn)人對車輛舒適性的主觀感受,表達式為

(18)

式中:J為沖擊度;v為車輛縱向速度;r為驅(qū)動輪半徑;i0為車輛后橋總傳動比;no為輸出軸轉(zhuǎn)速。國內(nèi)推薦沖擊度最大值為17.64 m/s3。

3.1.2 滑摩功 滑摩功是離合器主、從動盤之間滑動摩擦力矩所做的功,體現(xiàn)離合器接合過程中產(chǎn)生的熱量,表達式為

(19)

式中:W為滑摩功;t0、tf分別為切換過程開始和結(jié)束時刻;TCX為離合器傳遞轉(zhuǎn)矩;ΔωCX為離合器主、從動盤角速度差。

3.1.3 輸出軸動載荷系數(shù) 輸出軸動載荷系數(shù)是DHMT輸出軸最大輸出轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩之比,反映輸出軸轉(zhuǎn)矩的波動程度,表達式為

(20)

3.1.4 切換時間 切換時間是DHMT從前一個模式的穩(wěn)定狀態(tài)切換到新一個模式的穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間,是反映切換品質(zhì)的綜合性能指標。

3.2 正交試驗設(shè)計

正交試驗極差分析法是用正交表設(shè)計試驗方案以及對結(jié)果數(shù)據(jù)進行極差分析,從而得出優(yōu)化方案組合,該方法適用于多因素、多指標優(yōu)化問題[20]。針對多組離合器參與、多個評價指標的DHMT模式切換品質(zhì)優(yōu)化問題,本文選用此方法進行分析研究。

在DHMT由HM1模式向HM2模式切換過程中,將需要進行狀態(tài)切換的6個離合器C2、C5、C9、C1、C3和C7的切換時序分別作為因素A、B、C、D、E和F;考慮到模式切換過程中執(zhí)行機構(gòu)動作滯后、離合器狀態(tài)變化、系統(tǒng)穩(wěn)定等階段所需時間,參考文獻[13]設(shè)定10 s為準時切換點,將各離合器提前0.4 s、準時和延后0.4 s切換分別作為水平1、2和3;沖擊度、滑摩功、輸出軸動載荷系數(shù)及切換時間分別作為評價指標Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,故本文選用L27(36)正交表進行試驗方案設(shè)計。

3.3 切換過程仿真及極差分析

3.3.1 仿真參數(shù) 以某企業(yè)環(huán)衛(wèi)洗掃車為裝機對象,開發(fā)設(shè)計了一種適合環(huán)衛(wèi)洗掃車作業(yè)要求的液壓機械無級變速器,整車及主要部件仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真模型相關(guān)參數(shù)

3.3.2 仿真及極差分析 根據(jù)第2節(jié)中DHMT模式切換過程數(shù)學(xué)模型,基于AMEsim-Matlab軟件平臺建立DHMT模式切換過程仿真模型。為降低液壓系統(tǒng)對切換品質(zhì)的影響,仿真過程中設(shè)置較小的離合器控制油壓3.5 MPa和較大的調(diào)速閥流量5 L/min[16]。

對應(yīng)各指標進行27次仿真后,運用Minitab數(shù)據(jù)分析軟件,調(diào)取L27(36)正交模塊,導(dǎo)入仿真結(jié)果數(shù)據(jù),在各指標下進行極差分析。

(1)沖擊度指標的極差分析結(jié)果如圖3所示,其中R表示各因素的極差值。分析得出:離合器C7的切換時序?qū)_擊度影響最大,離合器C1的切換時序?qū)_擊度影響最小,各因素對沖擊度影響程度由大到小的順序是F、A、C、B、E、D。使沖擊度最小的方案組合為F2A1C2B2E1D1。

圖3 沖擊度極差分析結(jié)果

(2)滑摩功指標的極差分析結(jié)果如圖4所示。分析得出:離合器C1的切換時序?qū)τ绊懽畲?離合器C7的切換時序?qū)τ绊懽钚?各因素對滑摩功影響程度由大到小的順序是D、C、A、B、E、F。使滑摩功最小的方案組合為D3C1A1B1E3F3。

圖4 滑摩功極差分析結(jié)果

(3)輸出軸動載荷系數(shù)指標的極差分析結(jié)果如圖5所示。分析得出:離合器C9的切換時序?qū)敵鲚S動載荷系數(shù)影響最大,離合器C3的切換時序?qū)敵鲚S動載荷系數(shù)影響最小,各因素對輸出軸動載荷系數(shù)影響程度由大到小的順序是C、F、D、A、B、E。使輸出軸動載荷系數(shù)最小的方案組合為C1F3D3A1B3E1。

圖5 輸出軸動載荷系數(shù)極差分析結(jié)果

(4)切換時間指標的極差分析結(jié)果如圖6所示。分析得出:離合器C7的切換時序?qū)η袚Q時間影響最大,離合器C1的切換時序?qū)η袚Q時間影響最小,各因素對切換時間影響程度由大到小的順序是F、E、B、C、A、D。使切換時間最小的方案組合為F1E1B1C1A1D2。

圖6 切換時間極差分析結(jié)果

根據(jù)以上分析,綜合平衡各項指標,在滿足沖擊度、滑摩功、輸出軸動載荷系數(shù)及切換時間都較小的情況下,預(yù)測離合器切換時序的優(yōu)化方案組合為A1B1C1D2E1F2,即DHMT由分速匯矩HM1模式切換至分矩匯速HM2模式時,先切換離合器C2、C5、C9和C3,0.4 s后切換離合器C1和C7。

3.4 離合器切換時序優(yōu)化方案驗證

為驗證離合器切換時序優(yōu)化方案的正確性,進行DHMT模式切換品質(zhì)的對比仿真:方案1仿真條件設(shè)置為切換無間隔,即離合器C2、C5、C9、C1、C3和C7在10 s時同時切換;方案2仿真條件設(shè)置為上文預(yù)測優(yōu)化方案的切換間隔0.4 s,即離合器C2、C5、C9和C3在9.6 s時切換,離合器C1和C7在10 s時切換;方案3仿真條件設(shè)置為切換間隔0.8 s,即離合器C2、C5、C9和C3在9.6 s時切換,離合器C1和C7在10.4 s時切換。對比仿真結(jié)果如圖7所示。

(a)沖擊度

(b)滑摩功

(c)轉(zhuǎn)矩

(d)車速圖7 DHMT模式切換品質(zhì)對比仿真結(jié)果

對仿真結(jié)果進行分析可知,方案1、2和3切換過程沖擊度分別為21.22、5.26和5.26 m/s3;滑摩功分別為7.17、2.8和3.06 kJ;輸出軸最大轉(zhuǎn)矩分別為207、250和250 N·m(對應(yīng)動荷載系數(shù)分別為1.54、1.86和1.86);切換時間分別為0.38、1.08和1.94 s。對比仿真結(jié)果表明:方案1模式切換時間最短,但沖擊度和滑摩功較大;方案3沖擊度和滑摩功較小,但模式切換時間較長,切換過程中動力中斷現(xiàn)象明顯,車速下降幅度大;方案2各指標綜合優(yōu)于其他兩組,驗證了離合器切換時序預(yù)測優(yōu)化方案的正確性。

4 試驗驗證

4.1 試驗臺架總體方案

為進一步驗證所建模型以及所得出的離合器切換時序優(yōu)化方案的正確性,進行了DHMT模式切換試驗,并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比分析。試驗臺架原理與實物如圖8所示。

(a)試驗臺架原理圖

1—驅(qū)動電機;2—轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀;3—DHMT傳動系統(tǒng);4—測功機;5—加載電機;6—試驗臺架測控系統(tǒng)。(b)試驗臺架實物圖圖8 DHMT模式切換試驗臺架

DHMT試驗臺架是由驅(qū)動電機、自主開發(fā)設(shè)計的DHMT傳動系統(tǒng)、加載電機以及計算機測控系統(tǒng)等組成的可測試環(huán)衛(wèi)洗掃車作業(yè)工況的試驗平臺。驅(qū)動電機和加載電機分別為DHMT提供驅(qū)動力矩和阻力矩,選用型號為YVF2-355M-8的三相異步變頻電動機;計算機測控系統(tǒng)由一臺上位機、DSP控制器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號采集卡、各機構(gòu)執(zhí)行器以及儀表組成,基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)計算機測控系統(tǒng)。

4.2 試驗驗證

由3.3及3.4小節(jié)可知,DHMT由分速匯矩HM1模式切換至分矩匯速HM2模式時,先切換離合器C2、C5、C9和C3,0.4 s后切換離合器C1和C7可得到較優(yōu)的切換品質(zhì),故試驗與仿真條件設(shè)置為離合器C2、C5、C9和C3在9.6 s時進行切換,離合器C1和C7在10 s時開始切換,來驗證仿真模型以及優(yōu)化方案的正確性。由于離合器滑摩功在試驗中很難測得,故只對沖擊度、輸出軸動載荷系數(shù)與切換時間進行分析,試驗與仿真結(jié)果的對比如圖9所示。

(a)沖擊度(b)輸出軸轉(zhuǎn)矩(c)車速圖9 DHMT模式切換品質(zhì)試驗與仿真對比圖

圖9a為DHMT模式切換過程沖擊度變化的試驗與仿真結(jié)果對比圖,由圖可知,試驗測得沖擊度最大值6.15 m/s3與仿真結(jié)果5.26 m/s3相比略有增加,相對誤差為16.92%,這種現(xiàn)象是由于試驗過程受多種因素影響所致,包括試驗參數(shù)設(shè)置誤差以及數(shù)據(jù)測量誤差等;圖9b為DHMT輸出軸轉(zhuǎn)矩變化的試驗與仿真結(jié)果對比圖,由圖可知,DHMT輸出軸轉(zhuǎn)矩的試驗與仿真結(jié)果變化趨勢基本一致,動載荷系數(shù)為1.75,與仿真結(jié)果1.86相比有所降低,相對誤差為5.91%,這種現(xiàn)象是由于液壓損失和機械損失所引起的;圖9c為車速變化的試驗與仿真結(jié)果對比圖,試驗與仿真結(jié)果都表明模式切換過程中車速有減小,并且試驗測得模式切換時間為1.1 s,與仿真結(jié)果1.05 s相比略有增加,相對誤差為4.76%,這種現(xiàn)象是由于離合器油壓控制閥動作滯后所引起的。

通過以上分析可得:由于試驗受許多因素影響,導(dǎo)致與軟件仿真結(jié)果存在一定的誤差,但誤差較小,在合理范圍之內(nèi),并且試驗與仿真曲線變化趨勢一致。試驗驗證了所建模型及所提出的基于正交試驗及極差分析的DHMT離合器切換時序優(yōu)化方法的有效性和正確性。

5 結(jié) 論

(1)針對一種新型雙模式液壓機械傳動裝置,在分析其傳動原理的基礎(chǔ)上,建立了模式切換過程數(shù)學(xué)模型,并基于多組離合器切換時序設(shè)計了正交試驗表,通過對仿真結(jié)果的極差分析得出了離合器切換時序的優(yōu)化方案。

(2)通過試驗驗證了所建模型及所提出的基于正交試驗及極差分析的DHMT離合器切換時序優(yōu)化方法的有效性和正確性。通過優(yōu)化離合器切換時序提高了DHMT模式切換品質(zhì),沖擊度為6.15 m/s3,低于17.64 m/s3的國內(nèi)標準,滑摩功與切換時間均在合理范圍之內(nèi)。研究結(jié)果可為制定DHMT模式切換過程控制策略提供理論參考。