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

液压机械无级变速器(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,简称HMCVT)采用液压功率流和机械功率流双流传动,依靠液压传动的可控调速和机械传动相结合实现无级变速。该传动装置应用于非道路大功率车辆上不仅能够提高其动力性、燃油经济性,同时还能大幅降低实际操作的复杂性。本课题分析了机械和液压功率流分流和汇流的方式,提出并优选了液压机械无级变速器的设计方案,建立了所设计方案的理论模型并完成了其关键参数的确定；在此基础上,完成了整套产品图纸的绘制,并最终研制出试验样机,申请了2项专利；建立了该液压机械无级变速器的仿真模型,详细分析了该样机的传动特性；最后搭建了液压泵控制系统试验台,研究了变量泵控制系统的性能。所完成的主要工作归纳如下：1.基于定轴齿轮副和行星齿轮机构分流和汇流的特点,综合出了可作为液压机械传动结构的6种分速汇矩型和6种分矩汇速型组合方案,建立了其总传动比理论模型,并借助MATLAB软件分析了在不同行星排特性参数下总传动比与排量比的关系,分析了6种分矩汇速型组合方案的转速、转矩和功率特性。分析结果表明：分矩汇速型组合方案的总传动比与排量比呈线性关系,且传动比变化范围较大,适合作为液压机械传动分流和汇流的组合形式。2.基于单排行星齿轮机构,提出了3种单排汇流的液压机械无级变速器方案,建立了传动比理论模型并分析了各区段下速度衔接的条件,结果表明仅仅依靠单行星排汇流尚不能实现液压机械传动的无级变速功能。基于双排行星齿轮机构的汇流原理,综合出8种双排汇流方式,对此8种方案的可行性进行了分析,研究得到双排汇流HI方案(液压功率流从公用太阳轮输入,机械功率流通过前圈后架输入,通过前行星排行星架或者后行星排齿圈向后输出)适合作为液压机械无级变速器的双排汇流形式。提出了3种双排汇流型等比式传动的整体设计方案,通过对比其优缺点,确定了本文方案——双排汇流后定轴输出式方案,并针对此方案申请了专利。3.针对所优选的设计方案,建立了其输出转速理论模型,在此基础上推导了等比传动条件下和各段速度相连条件下的传动比参数关系。在确定了等比式传动公比值、汇流行星排特性参数和液压系统元件的基础上,基于最小传动比确定了各区段传动比参数的理论值,并结合变速器受载情况确定了齿轮参数。借助MATLAB软件分析了传动比和整车行驶速度随排量比的变化关系,分析结果表明：理论上设计的传动比参数不仅能实现各段之间的平稳衔接,而且能实现液压机械段的最低和最高行驶速度。4.根据该变速器的使用工况,确定了离合器的转速转矩要求,设计了离合器的联接结构,并研制出离合器。提出并优选了双行星汇流排的结构,并针对此结构申请了专利。设计了轴、汇流后输出结构及箱体结构,提出了一种具有支撑、润滑及冷却差动轮系的结构,利用三维建模软件Solidworks对所设计的液压机械元级变速器进行了干涉分析,完成整套产品图纸的绘制,并最终研制出了该无级变速器的试验样机。5.利用动力学仿真平台SimulationX建立了发动机实验模型、液压泵一马达仿真模型、离合器控制模型、双汇流排传动模型,并验证了各模型的正确性和可行性；在此基础上,对该液压机械无级变速器的传动特性进行了仿真分析,仿真结果表明：实际上设计的变速器能实现无级变速的功能,在发动机不同工况下均能实现连续换段。6.搭建了变量泵控制系统试验台,开发了变量泵控制系统测控程序,研究了变量泵的控制性能。研究得到：所采用的变量泵电控方式能良好实现变量泵的双向排量变化,通过调节比例电磁铁的通电电压,能良好控制液压马达的正反转和转速变化。通过本课题的研究,为后续开展该液压机械无级变速器的特性试验和控制奠定了坚实的基础,为后续研究各区段换段平顺性和液压系统的平稳性提供理论依据和技术支持,对促进液压机械无级变速器在车辆传动系统中的应用、提高车辆动力性和经济性等具有重要的理论意义和实用价值。