混合式液压-机械无级传动及特性仿真分析

1、混合式液压-机械无级传动及特性仿真分析张民杰（江苏省丹阳中等专业学校，江苏丹阳 212300）摘 要：为了改善液压-机械传动性能，本文提出混合式液压-机械无级传动研究。根据传动结构，分析联接特点，推理出两种特性计算公式。按照特性系数取值方法，依据25传动形式结构，确定特性求解关键变量，通过MATLAB仿真加深研究。仿真结果显示，无级传动结构调速范围较宽，适合应用于多领域车辆传动控制。关键词：传动特性；仿真；液压-机械无级传动结构中图分类号：TH132 文献标志码：A液压机械传动应用于工程车辆、农用车辆和军用车辆等领域，很大程度上决定了车辆传动控制技术水平。传统的传动控制结构为单行星排结构，该传

2、动结构的调速、效率、液压功率分流等3项特性存在较大提升空间。考虑到单行星排结构输出与输入端布设位置存在差异，可以将无级传动划分为分矩汇速和分速汇速等两种形式。结合两种形式，布设两行星排，即可打造无级传动系统。本文尝试探究不同混合式无级传动结构。1 混合式液压机械无级传动结构混合式液压机械无级传动结构在车辆传动系统中的应用，起到了很好的驱动作用。作业期间，操控信号从输入轴输入传动系统，经过2行星排分流。两排信号分别是机械路信号和液压路信号，以并联方式传送，在交点汇聚，然后从输出端排出，在该信号的控制下，驱动车辆行驶。按照输入方式和输出方式的不同，可以将单行星排划分为6种联接方式。其中，输出方式包

3、括太阳轮、齿圈和行星架等3种。输入方式同样按照这种方法进行划分，得到3种输入方式。6种联接方式自由组合，可以生成36种联接方案，对应36种传动形式。由于种类较多，本文展示其中两种传动形式，如图1所示。（a） CCHMT-25传动形式（b） CCHMT-26传动形式图1 不同输入与输出传动形式图1中的两种传动形式在n4、n2、n6处的布设方式存在一定差异。其他34种传动形式结构与这两种传动形式相似，通过调整输入和输出布设方式，生成多种传动形结构。2 混合式液压机械无级传动特性研究2.1 调速特性无级传动调速特性设定为iHN，定义变量泵与定量马达排量比e变化条件下，n0ni数值发生变化的特性。其中

4、，ni代表输入轴转速，n0代表输出轴转速。本文以25传动形式为例，对输入端行星排进行定义，结构如图2所示。输入与输出轴分别为n1、n2，对应的连接轴为n3。关于输出端行星排的定义，输入与输出轴分别为n5、n6，对应的连接轴为n4。根据定义可知，n6=n2=n0，n1=ni。图2 混合式液压机械无级传动25传动形式（1）输入端行星排速度计算公式：n1+A1n3-1+A1n2=0 （1）（2）输出端行星排速度计算公式：n5+A2n4-1+A2n6=0 （2）（3）根据输出端与输入端的联接关系可以得到以下关系：n4=n3ei0i1i2 （3）n5=n3i0i3 （4）（4）将公式（3）代入公式（1）

5、，公式（4）和公式（2），可以得到并联结果，计算公式如下：iHM=n2n1=i1i2+A2ei31+A1i1i2+A2ei3-A11+A2i0i1i2 （5）上述公式中，参数i0，i1，i2，i3为外啮合齿轮传动比，数值为负数。参数A1和参数A2为联接特性系数，前者对应的是输入端行星排，后者对应的是输出端行星排。当联接方案改变时，特性系数取值随之发生改变，不同联接方式下特性系数取值情况见表1。其中，k代表行星排特性参数，该参数计算方法为齿圈齿数量与太阳轮齿数量的比值。通常情况下，依据行星排理论，k的取值范围控制在1.54。36种联接方案用下角标来标记不同行星轮系参数：13为前组行星轮系参数，其

6、中，1为输入轴，2为输出轴，3为连接轴；后组行星轮系参数为46，其中，4为连接轴，5为输入轴，6为输出轴。因此，公式（5）具有典型性，可以用于每一种联接方案的参数计算。需要强调的是，在输出与输入不同情况下，特性系数的求解方法存在差异。表1 不同联接方式下特性系数取值情况特性系数输出轴输入轴-1+kk太阳轮齿圈-1+k齿圈太阳轮k行星架太阳轮-k1+k太阳轮行星架1k行星架齿圈-11+k齿圈行星架2 液压功率分流比特性（1）液压功率分流比特性可以用两项输出功率的比值来定义，分子为液压路输出功率，分母为变速器总输出功率，求解公式如下：H=PMP0=-n4M4n0M0=-n4M4n2M2+n6M6=

7、-n4M4n2M2+M6 （6）（2）输入端行星排转矩计算公式：M1:M3:M2=1:A1:-1+A1 （7）（3）输出端行星排转矩计算公式：M5:M4:M6=1:A2:-1+A2 （8）（4）依据无级传动结构可以得到以下关系式：M4=-M3i0-M5/i3i1i2e （9）通过整理上述公式，结合前文提出的调速特异性，能够得到以下关系式：n4n2=1+A2i3A2ei3+i1i2e （10）由公式（10），结合公式（6）（9）参数关系，可以得到液压功率分流比，计算公式如下：H=PMP0=-n4M4n2M2+M6=-A1A21+A2i0i1i2i3i3eAei3+i1i21+A1Aei3+i1i

8、2-A11+A2i0i1i2i3 （11）公式（11）适用于任何一种传动形式。3 仿真实验本研究选取MATLAB作为仿真工具，以25传动形式为例，对其调速、液压功率分流比等2项特性进行仿真测试。3.1 调速特性仿真测试根据表1中的联接系数关系可知，A1和A2取值分别为-k11+k1、k2。将两项参数代入公式（5），观察各项参数关系。可以确定调速特性主要取决于i0i3和k取值，即各个传动齿轮对应的传动比。为了检验此结论可靠性，本研究组织仿真实验，结果如图3所示。其中，纵坐标为齿杆行程，单位：m。从曲线变化情况来看，随着排量比e数值的增加，调速特性曲线斜率逐渐减小，并且k取值越大，斜率越小。由此可

9、以判断，调速可控性与k数值呈正相关关系。图3 调速特性仿真结果3.2 液压功率分流比仿真测试A1和A2取值分别为-k11+k1、k2，将两项参数代入公式（11），观察各项参数关系，可以确定调速特性主要取决于i0i3和k取值，仿真测试结果如图4所示。其中，纵坐标单位：W。根据曲线变化特点可知，当k取值为3.5时，曲线中调速特性范围宽度最大，范围0.22.1。该范围比大约10倍，与普通车辆传动变速器调速范围相比，优势更大一些。故k应该取3.5。图4液压功率分流比特性仿真结果4 结语本文通过分析混合式液压机械无级变速传动结构，掌握不同输入与输出传动形式，以25传动形式为例，研究调速、液压功率分流比等2项特性。根据传动形式结构，探究特性计算公式。仿真结果显示，25传动形式变速系统调速可控性与k数值呈正相关关系，调速范围比较宽，该范围约为普通调速范围的10倍。本文提出的无级变速传动结构可以在多个领域车辆控制中应用。参考文献1 于今，陈华，刘骏豪.液压机械无级变速器的变论域模糊PID速比跟踪控制J.中国机械工程，2019，30（10）：1226-1232.2 郝用兴，刘倩，郭文娟，等.基于AMESim-MATLAB联合