拖拉机动力换挡变速箱换挡特性研究

田 颖,马云飞,王承强

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)

0 引言

在拖拉机等工程机械的设计过程中,采用AMESim仿真软件进行辅助建模分析,既可以作为设计方案提前验证的手段又可以作为设计方案后期改进的参考。例如,Wang F等人使用AMEsim建模分析了采埃孚动力换挡变速箱的液压缓冲阀[1];廖湘平等人使用AMESim研究了新型液粘调速离合器对减少工程车辆起步冲击的作用[2];张振华等人使用AMEsim对拖拉机负载敏感液压提升系统进行了研究[3];Tian J Y等使用AMESim建立了液力机械变速箱的模型并利用模型验证了设计效果[4]。

针对国产新型变速箱TCU(Transmission Control Unit 变速箱控制单元)控制策略改进以及变速箱结构优化对模型的需求,本文建立了动力换挡变速箱的模型。按照负载档数与总档位数是否相等划分,动力换挡变速箱可分全负载换挡变速箱和部分负载换挡变速箱;按照齿轮组运动学划分,动力换挡变速箱可分为定轴式和行星齿轮式,本文所研究的属于定轴式部分动力换挡变速箱。

1 变速箱结构与动力换挡原理分析

1.1 变速箱的工作原理

该型动力换挡变速箱由液压控制及机械润滑系统、机械系统和电控单元组成。其中,液压控制及机械润滑系统由液压泵、四级溢流阀总成及高速比例电磁阀等组成;机械系统由动力换挡区、动力换向区、区域手动换挡区和动力输出组成;电控单元则包含有控制器和相应的速度、压力及温度信号传感器。

动力换挡时,电控单元接收到来自动力换挡手柄的信号,根据采集到的各区段转速信号及发动机发送的转矩信息按照离合器动作表选取待动作的湿式离合器,通过高速比例电磁阀控制待分离离合器的分离与待结合离合器的结合,完成动力换挡过程。手动换挡时,电控单元通过变速杆位置传感器获知手动换挡区域变速杆位置的变化,控制动力换向区充当主离合器的前进挡或者后退挡离合器完成换挡过程

1.2 变速箱传动方案

如图1所示:该型变速箱共有4根轴,分别为一轴(S1)、二轴(S2)、三轴(S3)、动力输出轴(S4)[5-30]。在不选用爬行档的情况下,动力换挡区有4个档位,动力换向区有2个档位,区域手动换挡区共有6个档位,拖拉机共有24F+24R个档位。

图1 传动系简图

动力换挡区各档位离合器动作状态如表1所示。

表1 离合器状态表

1.3 液压控制系统

液压控制系统包含有双联齿轮泵、四级溢流阀、高速比例电磁阀、蓄能器和湿式离合器[5-42],如图2所示。双联齿轮泵包含两个液压泵:小流量的液压泵(排量10cc/rev)主要用于四级溢流阀中的第一级:先导式溢流阀(离合器压力控制阀)。从先导式溢流阀溢流口流出的20bar恒定压力的液压油流向高速比例电磁阀用于换挡,大流量的齿轮液压泵(排量32cc/rev)用于给余下的三级溢流阀供油,二级溢流阀输出2.5bar压力液压油用于湿式离合器和轴承等的润滑,三级溢流阀输出的1.5bar压力的液压油未使用,四级溢流阀输出的1bar压力的液压油用于制动、手动换挡齿面等的润滑。润滑系统需要的流量大(设计参数为98.4L/min),为减少系统的功耗和发热,设计中将先导式溢流阀出油口溢流而出的液压油和大流量液压泵输出的液压油一起送入余下的三级溢流阀用于润滑系统。

图2 变速箱液压控制系统原理图

图3为离合器油压调节系统原理图。该新型动力换挡变速箱采用高速比例电磁阀和电子PI调节组成离合器调压系统,具有结构简单及油压上升速率可控的优势。在电液换挡方式下,驾驶员摁下操作杆上的档位加减按钮后,相应档位的高速比例电磁阀开始接收到来自电控单元的占空比随控制策略变化的PWM驱动电流,同时电控单元通过高精度采样电阻对高速比例电磁阀的线圈电流进行采样,形成PI闭环控制。

图3 离合器油压调节原理图

2 变速箱液压系统建模

2.1 四级溢流阀建模

建模过程中,按照四级溢流阀工作原理对其结构进行简化,然后选取AMESim HCD库元件进行建模。其中,润滑部分简化为节流孔[6],最终建立的四级溢流阀总成的模型如图4所示。

1.一级溢流阀主阀 2.一级溢流阀导阀 3.二级溢流阀

图4中各元件的主要参数所述如下:一级溢流阀主阀和导阀模型的阀芯最低位移限制为0mm,最高限制为5mm,阻尼孔直径为2mm;主阀阀芯直径为25mm,孔直径为15mm,粘滞摩擦因数为400N/m·s-1,弹簧刚度为10N/mm,预设弹簧力为13N。导阀的阀座直径为25mm,球直径为15mm,粘滞摩擦因数为100N/m·s-1,弹簧刚度为1 000N/mm,预设弹簧力为60N;二三四级溢流阀的阀芯最低位移限制为0mm,最高限制为3mm,阀座直径为25mm,球直径为15mm,粘滞摩擦因数为100N/m·s-1,弹簧刚度为5N/mm,弹簧预设力分别为7、0、17N。元件6的等效孔直径为6.6mm,元件7的等效孔直径为9.9mm。双联齿轮泵和蓄能器的参数在图2中已经给出。润滑油属性的主要参数包括:温度40°,密度900kg/m3,体积模量1 700MPa。

2.2 比例电磁阀与湿式离合器建模

按照离合器油压调压原理图的分析建立的比例电磁阀与湿式离合器的模型,如图5所示。建模时,不考虑离心油压对活塞的作用力及离合器的泄漏流量。

该变速箱的动力换挡部分共有6个主要的湿式离合器。图5中各离合器建模的主要参数所述如下:离合器摩擦片的摩擦因数均为0.12。离合器A、B、C、D的油缸活塞直径为142mm,杆直径为70mm,活塞工作行程为4mm,复位弹簧刚度为50kN/m,预设弹簧力为2 800N,摩擦片外径为296mm,摩擦片内径为230mm;离合器A、B的摩擦片片数为6,离合器C、D的摩擦片片数为5;离合器F、R的油缸活塞直径为157mm,杆直径为88mm,活塞工作行程为4.8mm,复位弹簧刚度为208.3kN/m,预设弹簧力为4 980N,离合器摩擦片外径为456mm,摩擦片内径为370mm,离合器F、R的摩擦片片数为8。

2.3 传动系建模

按照图1所示齿数和各离合器建模参数建立的动力换挡传动系模型,如图6所示。

图6 动力换挡传动系AMEsim模型

2.4 发动机和拖拉机动力学建模

发动机建模参考数据由发动机台架数据拟合而来,如图7所示。拖拉机动力学建模使用TR1DVEH0

1A子模型,质量为10 000kg,前轮半径为0.671m,后轮半径为0.86m。

图7 发动机输出转矩模型

3 结果分析

工况为:负载为40kN,拖拉机起步后,保持手动挡Ⅰ挡和前进挡F挡不变,动力换挡区在15、20、25s分别接入L挡、M挡、H挡,所建变速箱模型在TCU模型的控制下完成换挡过程。AMESim仿真总时长为30s,使用标准求解器,print interval设置为1ms。

图8为动力换挡过程中四级溢流阀的压力流量变化。由图8(a)、(b)可以看出:换挡过程中,四级溢流阀压力输出较稳定。其中,先导式溢流阀的输出压力随发动机转速变化在期望压力值20bar的附近波动,误差为±0.7bar,未超出±1bar的误差范围,压力降低的时刻均为换挡时刻。原因:一是发动机转速下降造成的供油流量减少;二是给离合器液压缸供油造成的流量损失,相比于先导式溢流阀,面向润滑系统的剩余三级溢流阀输出的压力较为稳定。由图8(c)、(d)中可以看出:总润滑流量由大流量泵输出和先导式溢流阀溢流流量组成,总润滑流量在98.4L/min(实际参数)附近波动,误差为-4～2L/min。

图8 四级溢流阀输出变化

在非动力换挡的过程中,由于主离合器动作期间造成的动力缺失及未对待动作离合器的分离和结合过程的压力变化进行闭环控制造成的寄生功率、过度摩擦等原因,从而使得中发动机转速和扭矩呈现“W”形变化,变速箱扭矩输出远低于所需扭矩,造成换挡冲击[7]。图9所示的动力换挡的各时间段内中发动机转速和扭矩的变化均为理想的“V”形,变速箱输出扭矩稍稍降低后迅速攀升以保证拖拉机完成加速过程的扭矩需求。随着拖拉机速度逐渐接近档位设定值,在负载不变的情况下变速箱扭矩也恢复到原始值,体现出了动力换挡过程。

从表1可以看出:L挡向M挡切换时,共涉及4个离合器的动作,离合器A和C待分离,离合器B和D待结合,这个过程各离合器液压缸压力和流量的变化如图10所示。由图10可以看出:在快速充油阶段,离合器B和D的液压缸流量达到最大,液压油快速充满油缸,压力达到kisspoint点(指摩擦片间隙消除,但不传递扭矩的压力点,大小由最大回位弹簧力决定,图中为2.48bar);充油阶段结束后,离合器B和D的液压缸流量突降,进入调压阶段,离合器A和C油压从20bar快速下降到18bar,离合器B和C油压跃迁至结合油压(该油压由TCU计算得出,随负载变化,图中为4.8bar),此时离合器A、B、C、D液压缸的流量各有一个大的突变;调压过程结束后,离合器B和D迅速跃迁至20bar进入压力保持阶段,液压缸流量也变为0L/min。

图9 变速箱与发动机输出变化

图10 离合器液压缸流量和压力变化

以离合器B为例分析结合过程中离合器活塞位移与受力变化,如图11所示。快速冲油阶段,活塞快速接近最大行程(离合器A、B、C、D实际参数均为4mm),同时摩擦片承受压力保持为0N,进入调压阶段离合器摩擦片开始受力,该值大小始终等于活塞受力减去回位弹簧力,最终达到21 300N(离合器A、B、C、D实际参数均为21 000N)。

图11 离合器B结合过程变化

4 结论

1)通过对国产新型动力换挡变速箱工作原理的分析,使用AMESim建立了变速箱的模型,对动力换挡过程进行了模拟,得到了液压控制系统压力、流量动态变化曲线,以及变速箱输出转速、扭矩的变化,对比显示模型各项参数的变化符合实际要求。

2)对换挡的比例电磁阀采用闭环PI控制的方式,可以精确地控制离合器油缸油压上升与下降的速率,从而精确地控制离合器间的接合油压,改善换挡品质。

3)换挡过程中,先导式溢流阀输出油压波动主要来源于离合器快速充油阶段的影响,采用双液压泵和多级溢流阀级联分别向换挡和润滑的供油方案能良好地兼顾换挡离合器压力稳定和润滑所需流量大的要求。研究为后期变速箱的改进和提高换挡品质研究提供了参考。