混合式液压-机械无级传动及特性仿真分析
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，定义变量泵与定量马达排量比e变化条件下，数值发生变化的特性。其中，代表输入轴转速，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、，对应的连接轴为。关于输出端行星排的定义，输入与输出轴分别为、，对应的连接轴为。根据定义可知，，。
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：
（1）
（2）输出端行星排速度计算公式：
（2）
（3）根据输出端与输入端的联接关系可以得到以下关系：
（3）
（4）
（4）将公式（3）代入公式（1），公式（4）和公式（2），可以得到并联结果，计算公式如下：
（5）
上述公式中，参数为外啮合齿轮传动比，数值为负数。参数和参数为联接特性系数，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1.5～4。
36种联接方案用下角标来标记不同行星轮系参数：1～3为前组行星轮系参数，其中，1为输入轴，2为输出轴，3为连接轴；后组行星轮系参数为4～6，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
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：
（6）
（2）输入端行星排转矩计算公式：
（7）
（3）输出端行星排转矩计算公式：
（8）
（4）依据无级传动结构可以得到以下关系式：
（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：
（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：
（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，和取值分别为、。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～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
和取值分别为、，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～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0.2～2.1。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联合仿真的液压盾构刀盘控制策略与特性研究[J].液压与气动，2020（1）：85-92.
[3] 彭京，牛慧峰，李振宝，等.阀控非对称缸全液压转向系统建模与动态性能分析[J].机床与液压，2019（20）：145-150198.
作者简介：张民杰（1988—），男，江苏镇江人，本科，讲师，主要研究方向为机械设备设计装配及调试。
混合式液压-机械无级传动及特性仿真分析.docx
