液压机械无级变速箱在大功率拖拉机中的应用研究

张伟超，郑小雯，赵 振，肖茂华（南京农业大学工学院，南京 210031）



液压机械无级变速箱在大功率拖拉机中的应用研究

张伟超，郑小雯，赵 振，肖茂华
（南京农业大学工学院，南京 210031）

摘 要：阐述了液压机械无级传动的原理，并根据分、汇流形式进行了分类；指出了液压机械无级传动的特点及发展优势；详细分析了液压机械无级传动的国内外研究现状以及应用情况，为液压机械无级传动的深入研究提供了借鉴资料。

关键词：液压机械；无级变速；应用

1　液压机械无级传动原理及分类

液压机械无级变速器（HMCVT）是基于17世纪中叶帕斯卡提出静压传递原理，与机械传动相结合的新型传动装置。变速箱系统可分为两部分，液压系统和机械系统。液压系统主要由泵和马达组成，机械系统主要由机械传动部分组成。功率流由发动机输出后经分流机构分成两路，一路经液压系统传递，另一路经机械系统传递，最终通过汇流机构实现功率汇流，并向后传动部分输出。HMCVT结合了液压传动功率大、可实现无级变速和机械传动效率高的优点实现了发动机功率的有效利用。

由于液压机械传动采用分流和汇流机构，因此可根据功率分流与汇流的形式入手，将液压机械传动方式进行分类。分、汇流形式有定轴齿轮副和行星齿轮机构两种［1］。从加工工艺及成本来讲，分流机构以定轴式居多，汇流式以行星式居多。根据液压传动系统的变量元件的不同可分为变量泵与定量马达、定量泵与变量马达、变量泵与变量马达三种调速回路系统。

2　液压机械无级传动的特点

2.1传动功率大、效率高

液压机械无级传动系统采用了机械传动部分传动效率高的优点和液压传动部分传动功率大的特点，结合了机械传动和液压传动的优点，同时规避了两者的缺点，使得液压机械无级传动传动功率大，传动效率高，相比于传统的机械传动方式传动功率增大了2倍，效率提高30%左右。

2.2可实现自动无级变速

液压装置与机械装置的结合实现了机械有级变速基础上的无级变速，使车辆运行更加平稳。液压机械无级传动系统可采用改变变量泵排量的方式实现车辆的自动变速，提高了工作效率，降低了驾驶员的驾驶强度。

3　应用现状分析

3.1国内应用现状

国内对于液压机械无级传动的研究起于上世纪70年代，北京理工大学的研究最为深入，主要集中在坦克和履带装甲车辆等重型车辆的传动方向。魏超教授对HMCVT在换段过程中的冲击因素进行了研究，指出了汇流行星排三构件的转速在换段时刻有突变是形成冲击的根本原因［2］。倪向东副教授对HMCVT的速比匹配进行了研究，从而实现了拖拉机在不同的工况模式下发动机转速转矩的匹配。河南科技大学周志立教授研究了充油压力和充油时间对变速器的换段品质的影响。重庆大学孙冬野教授着重对变速箱的起步控制进行了研究，制定了起步控制策略，并进行了仿真验证。国内很多高校都对液压机械无级变速器的设计、控制、优化进行了深入的研究如：吉林大学、燕山大学、西安理工大学等。中国农业大学毛恩荣教授等则对机械式自动变速器进行了实验研究；南京农业大学朱思洪教授研制了200马力负载的HMCVT，并进行了各类加载与自动控制的基础性实验。这些研究促进了我国HMCVT的研发和应用。

3.2国外研究现状

液压机械无级变速传动原理提出于上世纪初，但由于液压元件制造精度和控制技术水平的限制，直到上世纪六、七十年代才达到商品化，并开始在军车和重型汽车上应用。GE公司继研制了HMPT-100和HMPT-250液压机械分流传动后，上世纪70年代又研制了集变速转向于一体的新式三段式液压机械无级传动系列产品HMPT-400和HMPT-500等。德国RENK公司研制了用于汽车Andi100的HMCVT，Komatsu公司研制的HMST也为液压机械无级传动装置，于1982年由日本防卫厅第四研究所试验成功。德国变速箱专业生产公司ZF也推出了先进的S-Matic和Eccom系列HMCVT产品［3］。如图1所示。

HMCVT在拖拉机上的实际应用始于上世纪90年代末，目前在国外已成功地应用于多种大、中型拖拉机上。Deutz-Fahr公司的Agrotron系列拖拉机装备了前进和倒车各四段的HMCVT，可实现传动比连续变化；Fendt公司的Vario和Favorit系列拖拉机装备了由一个行星排、两档有级齿轮组和变量泵-变量马达组成的HMCVT［4］；John-Deere公司、Caterpillar公司和Komatsu公司等也在其产品中应用了HMCVT。

4　结论

本文介绍了液压机械无级传动的工作原理以及分类，依据其传动功率大、传递效率高以及可实现一定范围内的自动无级变速的特点，现在已经开始广泛应用于工程车辆上。但是由于国内对其研究的起步较晚，目前的研究还停留在结构设计以及自动控制领域。而国外已经着手于液压机械无级变速车辆的起步以及换段品质的优化设计上。因此，国家应该重视在相关领域的研究，提高工程车辆作业的效率。

参考文献：

［1］史俊龙.非道路车辆液压机械无级变速器设计及变量泵控制性能研究［J］.南京农业大学，2012（04）：6-7.

［2］刘修骥.车辆传动系统分析［M］.北京：国防工业出版社，1998.

项目来源：南京农业大学SRT计划项目资助（1530A20）

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.232

作者简介：张伟超（1993-），男，河北邯郸人，本科在读，研究方向：材料成型及控制工程。