1液压机械无级变速器的组成和工作原理

　　等差式和等比式是两种较常用的多段液压机械无级传动系统。若各段的输出转速的连续变化范围逐段增大，末尾速度与起始速度的比为一定值，称为等比式。等比式的最大输出功率为恒定值，输出扭矩逐段下降，符合车辆变速推进的要求。

　　本文介绍的液压机械无级变速器的结构简图。主要由4个部分组成：分流机构，机械流传动机构，液压流传动机构和汇流机构。行星排K1、K2和K3，固定轴齿轮对i 1和i2，制动器Z1和Z2，离合器L0、L1和L2共同组成了机械流传动机构。其中i 1为分流机构， K1和K2为汇流机构， K3为一个高低档位切换装置。液压流传递机构由一个双向变量泵和一个双向变量马达组成的液压容积调速回路。

　　该液压机械无级变速器具有纯液压段（H ）、液压机械低档段（ HM L）和液压机械高档段（HM H）等三个调速工作段组成。各段中离合器和制动器的工作状态见。

　　P和M分别为变量泵和变量马达的排量变化率。

　　分离分离结合结合在车辆起步阶段，系统在纯液压段工作，此时变量泵的排量从零向正向最大变化（P： 0 1），变量马达的输出转速随之升高，通过行星排K2的工作，使输出转速提高。当变量泵的排量达到正向最大（P = 1）时保持不变，此时变量马达的排量从最大逐渐减小（M： 1 0 67），变速器输出转速继续升高。当M = 0 67时变量马达的排量就不再变化，此时系统达到纯液压段的最大输出转速。

　　进入液压机械低档工作段后，变量泵的排量从最大逐渐减小（P： 1 - 1），变量马达的输出转速随之降低，但通过行星排K1的工作，使得系统输出转速继续升高（行星排K1的齿圈转速升高）。当变量泵的排量达到负方向最大时（P = - 1），系统便达到液压机械低档工作段的最高设计转速。此时制动器Z2分离，暂时切断动力，变量泵的排量从负方向最大迅速向正方向变化（P： - 1 0 82）完成高低档的切换。

　　系统进入液压机械高档工作段后，变量泵的排量逐渐减小（P： 0 82 - 1），变量马达的输出转速也随之降低，工作状况与液压机械低档工作段类似。

　　当变量泵的排量变为负方向最大时（ = - 1），系统达到液压机械高档工作段的最高设计转速，即传动系统理论上的最高设计转速。

　　2液压机械无级变速器传动比分析

　　由于液压机械低档、液压机械高档工作特性基本相同，推导方法相似，因此，这里只对液压机械低档进行详细分析。

　　设ntx、n qx、n jx分别为行星排数x （ x= 1， 2， 3）的太阳轮、齿圈、行星架的转速。k 1、k2、k 3为各行星排的特性参数。q b、qm分别为液压泵和液压马达的排量。i变为液压机械无级变速器的传动比。

　　液压机械低档段制动器Z2、离合器L0结合，行星排K1、K3工作。假设液压传动效率为1，可得上述各式整理式反映了液压机械低档的无级调速特性，当发动机的输入转速不变时，调节两液压元件的相对排量qb /q m，就可以得到一个无级变速的输出转速n o，当q b /q m = 0，系统工作在纯机械传动状态，此时传动比i变同理，可以得到其它档位无级变速关系式。

　　3液压机械无级传动系统建模

　　液压机械无级传动中包含很多非线性时变单元，如离合器、制动器、阀、液压单元等。这些单元中包括间隙、迟滞、死区等非线性过程，如果要使仿真模型完整反映液压机械无级传动段内调速、换段过程等工况下的动力学性能，必须对这些非线性时变环节进行详细的数学描述，建模工作量非常繁重。为了减少液压机械无级传动系统建模的工作量、避免模型的不合理简化、提高模型的仿真精度，本文选择了M SC Easy5软件建立以液压机械传动为传动系的车辆推进系统的动力学模型。M SC Easy5中包括了动力传动系仿真模型库Ricardo Pow ertrain Library和液压系统仿真模型库Therm alH ydrau lic Library，在这两个库中含有专业的液压机械无级传动仿真中所需的基本单元模型。另外， M SC Easy5中基于开关状态（ Sw itch State）的变步长积分算法（ BCS_Gear），可以对非线性模型进行高效求解。

　　以液压机械无级变速器为传动系的车辆推进系统算机仿真模型的组成的计算机仿真模型主要包括发动机模型、液压机械无级传动模型、控制器模型和车辆模型，其组成及连接关系。

　　利用MSC Easy5所提供的专业仿真模型库以及图形化、模块化的集成仿真建模环境，可以建立以液压机械无级传动及其控制器模型为核心的仿真模型，从而可以在车辆推进系统中研究液压机械无级变速器的动态特性。所建立的机械流传动机构和液压流传动机构的仿真模型。

　　4液压机械无级变速器控制策略

　　无级传动控制策略可归纳为两种基本形式：一种是转速调节；另一种是定发动机转速和定输出功率调节，亦称二元调节。在转速调节控制方案中，驾驶员直接操纵发动机，加速踏板的位置代表发动机的油门开度。微处理器（ ECU）在测知加速踏板的位置，即油门开度后，根据最佳动力性或最佳经济性曲线计算在该油门开度下发动机的最佳转速n e，并通过调节无级传动装置的传动比i，使发动机达到此理想转速ne。这样，一定的油门开度发出一定的功率，在一定路面条件下，对应一定的车速。

　　转速调节方法的特点是控制策略简单，所需传感器少，执行元件少，在大多数情况下控制效果令人满意，所以应用较多。本文针对液压机械无级变速器的特点设计了一个转速调节控制器。控制器的仿真模型结构。

　　液压机械无级变速器的调速过程主要包括段内调速和换段过程，其控制策略既应包括段内调速过程的控制算法，也要对换段过程制定相应的控制策略。液压机械无级变速器的段内调速控制采用非对称饱和增量式PID控制策略。

　　通常增量式PID算法的增量计算公式为：

　　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为控制量的增量； e i为t= t i时刻的误差值； T是采样周期； T I为积分时间常数； T D为微分时间常数。液压机械无级变速器段内调速PID控制的误差值e k为，e k = n ek - nek其中， n ek、n

　　ek分别为发动机在k时刻的实际转速和期望的理想转速。

　　为了适应液压机械无级变速器的工作特点，对增量式PID控制算法进行了一些改进。将PID控制调整为PD控制并增加了非对称饱和积分环节，克服了调速过程中发动机转速的波动。另外，针对不同的调速工作段，采用了不同的控制参数，优化了各段的动态性能。

　　换段逻辑是指液压机械无级传动各段之间的控制逻辑。为达到液压机械无级传动的传动比按设计意图连续变化，除控制变排量液压元件的排量外，还必须按一定的顺序控制离合器、制动器等操纵元件，使液压机械无级传动在不同的段工作。换段逻辑控制是控制器一个重要的组成部分，包括换段条件确定、换段逻辑控制等换段策略。其仿真模型是通过用户自定义的Fortran代码模块来完成的。

　　在液压机械无级变速器工作过程中，换段逻辑控制器根据变速器输入轴和输出轴转速信号得到该时刻的传动比，通过与各换段点所对应的传动比相比较来确定是否应当换入下一个调速工作段。如果需要换段，则产生各离合器和控制器的控制油压信号完成换段。换档结束后，变速器就在PID控制器的控制之下，通过改变变量泵或变量马达的排量来实现段内调速，直到下一换段点为止。

　　此外，换段逻辑控制器中还采取了相应的措施来防止变速器在高低段之间反复的切换。并且可以设定各段合适的PID控制参数。

　　5仿真结果分析

　　利用所建立的液压机械无级变速器的计算机仿真模型和相应的控制策略，在按照实际情况修改了发动机、车辆和变速器的模型的参数后，在EASY5中进行了计算机仿真研究。结果如 11所示。

　　仿真的目的是为了研究采用该变速器的某重型车辆（ 20t）的加速性能，在仿真过程中，发动机油门全开，工作在最大功率点，对应转速为2200r/m in.

　　加速过程中液压机械无级变速器段位的变化情况， 1、2分别表示H段内泵变排量和马达变排量的两个工作阶段。3表示HM L段， 4表示HMH段。

　　可看出，车辆0 32km /h加速时间约为5 6s，完全满足车辆加速性技术指标（ < 10s）的要求，加速性能非常好。可知，发动机在段内调速过程中转速始终稳定在理想转速2200r/m in左右，说明了本文所建立的段内调速规律的正确性。图10为加速过程中变速器传动比无级变化的规律。图11为控制器输出的泵和马达的排量控制信号。

　　在换段过程中，车速与发动机转速都出现了一些波动，特别是高低档切换过程中更加明显。说明了换档过程对车辆的性能有较大的不利影响。如何通过改善换段控制策略来提高液压机械无级变速器的换段品质，是下一阶段将要研究的课题。

　　6结论

　　本文设计了一种大功率轮式车辆上所应用的新型等比式液压机械无级变速器，对其无级调速特性进行了分析，并在M SC Easy5中建立了液压机械无级传动系统及其控制器的计算机仿真模型。仿真研究结果表明，该设计方案能够满足车辆动力性能所要求的技术指标。虽然高低档切换过程中存在品质恶化的问题，但是考虑到设置高低档可以简化行星传动部分的结构，所以还是可取的。目前，该变速器已经完成了结构设计，进入了样机加工和试验阶段，本文的研究成果和结论为其应用提供了重要的理论依据。