郑惠清

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

液压机械无级变速箱动态特性研究

郑惠清

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

液压机械无级变速箱与传统的变速箱相比，液压机械无级变速箱具有明显的优势。文章分析了液压机械无级变速箱在需要作业于复杂工况的水旱两用拖拉机的应用进行了设计，并利用MATLAB对其动态特性进行了分析，发现液压机械无级变速箱的传动能够实现连读无级变速，做到边行驶边工作，并具有平稳起步的优势。总体来说，液压机械无级变速箱在水旱田中两用的拖拉机上应用具有可行性，能适应复杂的工况，并提高拖拉机的工作效率。

液压机械；动态特性；无级变速箱

1 液压机械无级变速箱的概念及特点

液压机械无级变速箱简称HMT是由机械变速机构、液压调速机构和分汇流机构共同组成的一种具有机械功率流与液压功率流并联的一种新型传动形式，它是通过机械传动与液压传动相结合来实现无级变速，主要体现以下4个方面：①由于传力介质是液体，因此传动系动载得到了大大的减轻，这样不仅提高了零配件的使用寿命，还没有防止发动机因超载而熄火，大大提高了工程机械和农业机械的使用性能；②使用液压机械无级变速箱的车辆无论是工作效率还是动力性都得到了提高，且更省油，这主要由于其对行驶阻力和负荷的变化都有更强的适应性，具有无级限速的特点，随时能保证发动机在最佳工作点上开展工作；③操作轻便，行驶更加平稳，可以有效降低劳动强度，提高操作人员的舒适性；④可以实现低速稳定行驶，可以提高车辆的低速作业质量。

2 液压机械无级变速箱的设计及工作原理

（1）设计液压机械无级变速箱传动方案。液压机械无级变速箱面向的工作环境可能存在工况不明，多种负荷的复杂情况，因此为了更方便研究其工作原理，文章考虑在旱地和水田两种作业环境中工作的拖拉机上进行应用。根据水田和旱田的作业工况不同，分析其工作中的各个速度段情况，设计出液压机械无级变速箱的方案图（如图1所示），其中K1、K2为行星排；i1～i9是齿轮副；C1～C4是同步器；Cy和 Cj是湿式离合器。

图1 液压机械无级变速箱传动方案

（2）液压机械无级变速箱传动方案的工作原理。在这个方案中，发动机发出功率的分流功能由i3来实现，分流后通过机械路和液压路系统来分别传递，再经过K1和K2来实现汇流，最终通过机械传动输出。其具体的传动工作原理为如表1所示。

表1 液压机械无级变速箱传动方案工作原理

（3）根据方案确定传动比。根据上述方案及工况，确定拖拉机的工作速度和发动机标定转速，从而设计出液压机械无级变速箱传动系统的传动比。i1～i9分别为：0.686、1.676、1.974、1.513、1.211、2.217、0.414、1.694、4.389、3.56 和 2.56。

3 液压机械无级变速箱的动态特性分析

根据设计方案构建模型后利用MATLAB仿真液压机械无级变速箱的动态特性，分析了无级调速、转矩和效率特性。

（1）液压机械无级变速箱无级调速特性分析。通过分析可以发现，当变速箱处于纯液压区段H、液压机械HM1、HM2、HM3和倒档区段时，均可实现连续传动比；在排量比区间内，液压机械HM2和HM3，HM1和HM2区段能够实现传动比的重叠，这样有利于控制离合器，实现平稳换段；纯液压段的传动比范围较大，拖拉机能够有效适应水田工作状况，同时能够做到零速起步。

图2 无级调速特性曲线图

水旱两用拖拉机的发动机的额定转速应适应拖拉机的驱动轮直径和后桥传动比的要求，可以设定为2300r/min，根据MATLAB运行的结果（如图2所示）来看，在液压机械段的行驶速度为6km/h到50km/h，倒档的最高速度为15km/h，同时各个档位区段的速度均有重合，这可以确保拖拉机在行驶过程中能够平稳换段。

（2）液压机械无级变速箱转矩特性分析。根据转矩的计算公式，当区段 H 时，输出转矩比为 Mb纯液/Mm=i1·i3·i9；区段 HM1的输出转矩比为 MbHM1/Mm=（1+k1）·i3·i8；区段 HM2的输出转矩比为MbHM2/Mm=k2i3i4；区段HM3的输出转矩比为MbHM3/Mm=（1+k1）i3i7；倒档的输出转矩比为 Mb倒挡/Mm=k2i3i5i6。计算结果显示H、HM1、HM2、HM3和倒档的输出转矩与定马达的转矩比分别为 5.94、15.25、7.65、3.73 和 13.56。从计算结果可知，马达与输出轴的扭矩比与变量泵排量无关，不会随着它的变化而变化；此外，等比连续式无级变速箱的输出转矩在HM1、HM2、HM3成比例降低，变速效果则越加明显，输出转矩在每一个区间内保持恒定，这有利于拖拉机的快速提速。

（3）液压机械无级变速箱的效率特性分析。根据MATLAB的模拟结果显示，液压机械无级变速箱在任意区段下液排量比接近0时，其效率变化的较大，液压机械无级变速箱的最低的传动效率为0.863，最高为0.925；倒档和HM2区段的总体效率较高，而当排量比小于0时，HM1和HM3的效率变化范围比较大，排列大于0时，HM1和HM3的效率较好，性能比较稳定。

4 结语

液压机械无级变速箱相比传统机械有级变速箱而言具有较强的优势，对其动态特性的分析可以明确其的可应用性。文章通过分析其在农业水旱田中两用的拖拉机中应用的液压机械无级变速箱的动态分析可知，在水旱两用拖拉机中，液压机械无级变速箱的传动能够实现连读无级变速，做到边行驶边工作，并具有平稳起步的优势。此外，液压机械无级变速箱结合了连续变换的液压传动和高效的机械传动的优势，使得液压机械无级变速箱保持在86～92%的高效工作。

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