徐立友 周志立 彭巧励 王彬彬

1.河南科技大学，洛阳，471003 2.中国一拖集团有限公司，洛阳，471004

0 引言

液压机械无级变速传动是一种液压功率流与机械功率流并联的新型传动装置，通过机械传动实现传动高效率，通过液压传动与机械传动相结合实现无级变速。目前国外先进的拖拉机及工程车辆的传动系已开始采用该变速装置［1-4］。本文以东方红1302R拖拉机为对象，结合拖拉机实际作业工况，设计了一种新型多段式液压机械无级变速器，并对其速度特性、动力性及经济性进行分析。

1 传动方案

液压机械无级变速器传动方案如图1所示，发动机输出功率分成液压功率和机械功率两路，液压功率经由液压传动系传递给行星排的太阳轮s，机械功率通过离合器C1或C2传到行星排的齿圈r或行星架c上，然后两种功率经行星排汇流后，经由行星架或齿圈，通过闭合离合器C3或C4传递到多挡有级变速箱的输入轴上。根据离合器的接合状态不同(表1)，随着变量液压泵和定量液压马达排量比e的变化，变速器前进方向由6个变速段构成，后退方向由3个变速段构成。C1、C2脱开，C3、C4接合时，变速器工作在纯液压段。C1、C4同时结合时，变速器工作在4个纯机械挡。

图1 液压机械无级变速器传动方案

表1 液压机械无级变速器离合器接合状态

2 液压机械无级变速器速度特性

2.1 无级调速特性

液压机械无级变速器通过调节液压元件的相对排量来实现无级变速。无级调速特性是指构件的输出与输入转速比ib随变量液压泵和定量液压马达排量比 e 变化的特性［5］。设 n0、nb、ns、nr、nc、nd分别为变速器输入轴、输出轴、太阳轮、齿圈、行星架和多挡有级变速箱输入轴的转速;k为行星排特性参数，k=zr/zs;zr为齿圈的齿数;zs为太阳轮的齿数。

由图1和表1可知，后退方向与前进方向具有相同的传动形式。本文只对前进方向各段特性进行分析。经推导可得各段的速度特性:

(4)其他各段

由图1及表1可看出，HM4、HM6段与HM2段传动形式相同，计算其速度时将式(2)中的i3用i4和i5代换即可。同理，将式(3)中的i4用i5代换可得到HM5段的速度。由速比定义［6］知

式(1)～式(4)反映了液压机械无级变速器的无级调速特性。当各齿轮副的传动比、行星排特性参数(i1=0.63，i2=0.60，i3=6.00，i4=2.00，i5=0.89，k=4)及拖拉机中央传动和最终传动的总传动比(21.32)、驱动轮的动力半径(0.346m)、发动机的额定转速(2300r/min)给定时，可得到拖拉机行驶速度随变量液压泵和定量液压马达排量比e变化的特性曲线，如图2所示。可见，当排量比e在－1～+1范围内变化时，拖拉机的速度连续无级变化。

图2 各段速比随e变化特性

2.2 平稳换段条件

液压机械无级变速器平稳换段的条件是:前后相互衔接的两段在换段点应具有相同的速比和排量比。由H1段H2段输出转速相等求得H1段到HM2段换段时的e值:

显然，只要使i1i2≤1即可实现平稳换段。

由HM2、HM3两段输出速度相等得HM2段到HM3段换段时的e值:

显然，只要合理选择i3和i4使e≥－1即可实现平稳换段。

同理可求得其他各段换段条件。HM3到HM4、HM5到HM6的换段条件与H1到HM2的换段条件相同。HM4到HM5换段条件为

H1到 HM2、HM3到 HM4、HM5到 HM6换段时，nc=nr=ns=nd=n0，离合器接合完全同步，不存在动力中断。HM2到HM3、HM4到HM5换段时，多挡有级变速箱输入轴不同步，存在瞬时动力中断，但换段前后速比相等，对车辆在换段前后的速度影响不大。

3 动力性和经济性分析

3.1 转矩特性

对于本文所研究的液压机械无级变速器，当其输出轴上的负载转矩Mb增大时，定量液压马达的负载转矩MM也随之增大;当定量液压马达的负载转矩达到其最大输出转矩时，定量液压马达将卸压保护，产生输出打滑现象［7］。因此，液压机械无级变速器各段输出转矩的极限值Mbmax取决于定量液压马达的最大输出转矩MMmax。

对于本文所采用的差动轮系，单从数值上考虑，行星排三构件的转矩关系为

太阳轮的输出转矩为

(1)H1段:此段行星排三元件联为一体，故

将式(9)代入(10)得

(2)HM2段:无级变速器的输出转矩为

式中，Mr为齿圈输出转矩。

联合式(8)、式(9)及式(12)可得

(3)HM3段:无级变速器的输出转矩为

式中，Mc为行星架输出转矩。

联合式(8)、式(9)及式(14)可得

(4)其他各段:由于HM4段、HM6段与HM2段传动形式类似，计算HM4段和HM6段输出转矩时，将式(13)中的i3用i4和i5代换即可。同理，将式(15)中的i4用i5代换可得HM5段的输出转矩。

将式(11)、式(13)、式(15)中的Mb、MM分别用Mbmax和MMmax代换，绘制出转矩比Mbmax/MMmax随拖拉机速度变化的关系曲线，如图3所示。图3中的双曲线l为拖拉机理想的转速转矩特性场曲线，粗实线为无级变速器各段输出转矩曲线，细实线q为受地面附着力限制，拖拉机所能提供的最大转速转矩特性场线，垂直细实线为段间区分辅助线。由图3可知，实际拖拉机所能提供的转速转矩特性场包围了理想的转速转矩特性场，所设计的液压机械无级变速器能满足拖拉机的转矩要求。

图3 液压机械无级变速器转矩特性

3.2 液压功率分流比

液压功率分流比为液压机械无级变速器中液压路的输出功率(经液压路传递到行星排的输入功率)与变速器总输出功率的比值［8］(不计功率损失)，即

式中，ρ为液压功率分流比;Ps为太阳轮输入功率;Pb为变速器输出功率;Pd、Md分别为多挡有级变速箱输入功率(行星机构输出功率)和输入转矩。

通过对图1和表1的分析可知，HM2、HM4和HM6段具有相同的液压功率分流比表达式，HM3和HM5段具有相同的液压功率分流比表达式。各段液压功率分流比计算如下。

(1)H1段:此段行星排三元件联为一体，故

(2)HM2、HM4、HM6 段:由式(2)、式(8)及式(16)得HM2、HM4、HM6段液压功率分流比

(3)HM3、HM5段:由式(3)、式(8)及式(16)得HM3、HM5段液压功率分流比

式(1)～式(4)、式(17)～式(19)说明了液压机械无级变速器的液压功率分流比、行星排特性参数、齿轮副传动比、变量液压泵和定量液压马达排量比及系统速比之间存在一定关系，液压功率分流比与拖拉机速度的关系见图4。图4中的星点表示3个纯机械挡的液压功率分流比，其值为零，功率全部经机械路传递。除纯液压段外，各段均有一个ρ=0的工况点，相当于纯机械挡工况。液压功率分流比反映了传动系统的各种工作状态，通过正确设计机械传动参数和合理地选择变量液压泵和定量液压马达，可避免出现循环功率，从而提高传动系统效率。

图4 各段液压功率分流比

3.3 传动效率

液压机械无级变速器传动属于闭式行星齿轮传动，存在循环功率，其整体传动效率随不同速比和负载转矩的变化在较大范围内变化。

(1)H1段:

其中，ηi1、ηi2、ηi3为图1 中各啮合齿轮副的传动效率，单级外啮合齿轮传动取0.98，以下类同;ηpm为变量液压泵和定量液压马达所组成液压系统的效率，该效率随压力、转速和排量变化而变化，而压力、转速、排量又由变量液压泵和定量液压马达的排量比e、传动形式及变速器输入功率P0决定。对于选定的变量液压泵和定量液压马达，可根据实验数据拟合出效率计算函数 ηpm(P0，e)［9］。

(2)HM2段:根据闭式行星齿轮传动效率计算原理，取 a、b、C、I分别表示太阳轮、行星架、齿圈(闭式传动输出)和输入轴，则变速器传动效率为

式中，ψ为行星架固定时，a－b－C传动的损失系数，其大小由行星排参数决定，经计算ψ=0.019。

(3)HM3段:取 u、v、W、Y 分别表示齿圈、太阳轮、行星架(闭式传动输出)和输入轴，变速器传动效率为

式中，φ为行星架固定时，u－v－W传动的损失系数，其大小由行星排参数决定，经计算φ=0.019。

(4)其他各段效率计算:由前述分析可知，HM4、HM6段与HM2段传动形式相同，计算其效率时将式(21)中的ηi3用ηi4和ηi5代换即可。同理将式(22)中的ηi4用ηi5代换可得到HM5段的效率。

液压机械无级变速器各段(挡)效率特性见图5。除纯液压段外，每段效率曲线有一极点，该极点为变量液压泵和定量液压马达排量比e=0时对应的效率，相当于每段有一个高效率的纯机械挡工况。由图5可知，液压机械段效率明显高于纯液压段效率，说明液压机械无级变速传动具有高效率特性。

图5 液压机械无级变速器效率特性

3.4 牵引特性

拖拉机牵引特性是研究和评价发动机、传动系、行走机构和工作装置各参数间匹配合理程度的重要指标。参照文献［10］中拖拉机牵引特性的绘制方法，绘制出东方红1302R拖拉机的理论牵引特性曲线，如图6～图11所示。图6～图11中，粗实线为原拖拉机的参数特性曲线，虚线及点划线为装备液压无级变速器拖拉机的参数特性曲线，牵引力 Ft=Fq－ Ff，Fq(kN)、Ff(kN)分别为拖拉机的驱动力和滚动阻力。图6～图11给出的是拖拉机主要作业挡(段)的牵引特性曲线，包括原拖拉机的2～6挡及装备液压机械无级变速器的3～6段。图6、图9、图10、图11中，从左至右依次为拖拉机由高挡(段)到低挡(段)的参数特性曲线;图7中，从上至下为拖拉机由高挡(段)到低挡(段)的速度特性曲线。由图6～图11可知，装备液压机械无级变速器后的拖拉机获得了连续无级变化的速度，它的牵引特性基本上是有级传动各相应曲线的包络线，在任何牵引力时，发动机都在接近于满负荷点工作，拖拉机生产率和燃油经济性较原拖拉机有所提高。

图6 拖拉机发动机转速特性曲线

图7 拖拉机行驶速度特性曲线

图8 拖拉机滑转率特性曲线

图9 拖拉机发动机比油耗特性曲线

图10 拖拉机发动机功率特性曲线

图11 拖拉机牵引功率特性曲线

4 结论

(1)本文给出了液压机械无级变速器速比与变量泵和定量马达排量比、液压功率分流比、传动效率的关系式。

(2)行星排特性参数、变量泵和定量马达排量比是影响变速机构速比、液压功率分流比、功率流及效率等特性的最终设计参数，如何确定这两者是设计液压机械无级变速传动装置的关键。

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