液压机械无级变速器设计与试验分析
摘要：液压机械无级变速器（HMCVT）兼具机械传动高效和液压传动无级调速的特点，适应了大功率拖拉机的传动要求。
功率经分流机构分流，液压调速机构中的变量泵驱动定量马达，在正、反向最大速度间无级调速，液压调速机构与机械变速机构相配合，经汇流机构汇合，实现档位内微调，通过换挡机构实现档位间粗调，最终实现车辆的无级变速。
关键词：单行星齿轮；液压机械无级变速器；设计
对大马力拖拉机进行动力学和运动学分析，根据性能参数，设计一种单行星排汇流液压机械无级变速器（HMCVT），包括发动机、液压调速机构和离合器的选择，单行星齿轮、换挡机构齿轮传动比的设计。
一、变速器总体设计方案
1.变速器用途和选材。
设计一种用于时速－10～30 km/h大马力拖拉机的单行星排汇流液压机械无级变速器。
变速器由纯液压起步、后退档，液压机械4个前进档位和2个后退档位构成。
液压调速机构选择SAUEＲ90系列055型变量泵、定量马达及附件，采用电气排量控制（EDC）构成闭环回路。
选择潍柴WP4．165柴油机作为变速器配套发动机，最大输出功率Pemax=120 kW，全负荷最低燃油消耗率gemin=190 g/kW·h，额定转速nemax=2 300 r/min，最大转矩Temax=600 N·m。
汇流机构选用2K－H行星排，行星排特性参数k定义为行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比，取k=3．7。
太阳轮、行星架材料选用20crmnti，齿圈材料选用40cr。
模数为3，实际中心距为57 mm，太阳轮与行星架采用角度变位，行星架与齿圈采用高度变位。
太阳轮轴连接液压调速机构可使系统增速减矩，并充分利用液压元件特性，以提高使用寿命。
2.变速器设计方案。
液压机械无级变速器设计方案如图1。
变速器输入轴、输出轴和液压动力输入轴成“品”字型布局，行星排通过离合器与机械动力输入轴和液压机械输出轴相连。
1．机械动力输入轴2．输入轴3．前进后退档接合套4．变量泵5．定量马达6．液压机械输出轴7．液压动力输入轴8．输出轴
图1 液压机械无级变速器结构图
离合器L1、L2由比例压力阀控制，结合平稳，起主离合器作用，其它离合器采用电磁换向阀控制，以降低成本；变速器起步和制动为纯液压传动，此时，离合器L8接合；L1～L4是行星排同步离合器，L5～L7是换挡机构离合器。
所有离合器由补油泵供油，采用蓄能器减小离合器动作时的油压波动，采用大排量低压齿轮泵供油冷却润滑油路。
二、HMCVT试验台设计
HMCVT试验台用于HMCVT性能试验，试验内容包括空载损耗特性试验、无级调速特性试验、传动效率特性试验和自动调速特性试验。
空载损耗试验用于考查HMCVT输出轴不加载状态下变速器功率消耗随变速器速比变化情况；无级调速特性试验用于考查发动机工作在最佳工作点下HMCVT的无级调速范围；传动效率特性试验用于考查HMCVT在不同速比下的传动效率，验证HMVCT传动的高效率特性；自动调速特性试验用于考查负载连续变化时HMCVT速比对发动机最
佳工作点的跟随情况。
1.试验台方案。
HMCVT试验台主要由动力装置、被试HMCVT、加载装置、联
轴器、分动箱、多挡升速箱、数据采集与控制系统、软件系统及辅助系统等组成。
试验台动力装置为被试HMCVT提供动力输入，满足被试传动装置对输入转矩转
速的要求。
常用的动力装置包括发动机、液压马达、直流电动机、交流电动机。
鉴于发动机作为动力装置可使被试HMCVT的试验工况与实车工况接近，而且相
比于液压马达、直流电动机和交流电动机，具有较好的价格优势，因此试验台采
用东方红1302Ｒ拖拉机配置的6ＲAZT10型发动机。
试验台加载装置用于模拟车
辆的实际使用工况，对被试HMCVT进行加载。
交流电力测功机由交流电机将发
动机的机械能转化为电能，由变频－逆变单元将电能回馈到电网，实现能源的再
生利用，具有低速恒扭矩加载、高速恒功率加载特性，能够实现双向加载。
试验
台选用CAC－160型交流电力测功机作为加载装置，额定功率160kW，额定扭矩
为1 000N·m，额定转速1 500r/min，最高转速为3 000r/min。
发动机输出动力经
主离合器、转矩转速传感器后传送至分动箱，由分动箱将动力分为两路，一路用
于驱动HMCVT的机械系统，另一路用于驱动HMCVT的液压系统；两路动力经HMCVT的行星排汇流由输出轴输出，输出动力经转矩转速传感器、多挡升速箱后传送至交流电力测功机。
多挡升速箱用于不同试验工况下变换HMCVT输出轴的
转速和转矩，使得被试HMCVT输出端的转速转矩与交流电力测功机的转速转矩
特性相匹配。
2.试验台数据采集与控制系统。
HMCVT试验台数据采集与控制系统，其主要
由工控机、转矩转速传感器、流量传感器、压力传感器、信号调理模块、各控制
器与执行器及数据采集卡等组成。
工控机的功能是根据试验任务执行相应的程序，向各控制器发出控制指令，对系统进行实时的数据采集、记录及分析，以及对系
统进行安全监控和保护、故障诊断等功能。
工控机通过两种方式对数据进行采集：一是将传感器采集的信号经信号调理模块处理后送给数据采集卡进行运算处理，
然后由各通信端口获取数据；二是信号传送给相应的控制器，经控制器运算处理
转变为数字信号，然后发送给工控机，工控机对试验数据进行分析和处理，并最
终显示和输出。
工控机的控制指令通过串口卡或者CAN总线卡发送给各控制器，通过各控制器完成对相应执行器的控制。
试验台选用研华IPC－610工控机，数据采集卡选用研华PCL－818HD数据采集卡，转矩转速传感器选用湘仪测控JC型转
矩转速传感器。
HMCVT试验台控制系统对发动机、被试HMCVT、多挡升速箱和交流电力测
功机进行控制。
控制系统对发动机的控制主要通过油门控制器接收来自工控机的
油门控制指令，控制油门执行器完成对发动机油门大小的调节。
油门执行器是一
个具有位置反馈的力矩电机，可以实现闭环控制。
HMCVT控制器与工控机之间通过CAN总线进行通信，工控机从HMCVT控制器获得所需显示与处理的信号，HMCVT的换挡过程由HMCVT控制器独立完成。
多挡升速箱控制器根据工控机控
制指令自动转换多挡升速箱的传动比，使HMCVT输出轴的转矩转速与交流电力
测功机的理想工作范围相匹配。
交流电力测功机控制器根据工控机的控制指令，
通过变频器对交流电力测功机进行直接转矩控制，实现被试HMCVT的加载。
3.HMCVT试验台控制软件系统。
HMCVT试验台控制软件系统用来实现对被测
物理量的采集、转换、分析、处理、存储、显示等功能，要求控制软件通用性强、易于维护、可提供友好的人机界面、具有数据的实时处理功能和数据后处理功能，且可自动生成试验报告。
本试验台选用LabVIEW软件作为控制软件开发平台，采
用模块化编程思想进行控制软件开发。
参数设置模块用于对数据采集卡进行设置，以及对工控机与各控制器之间的通信进行设置；系统标定模块用于完成对系统误
差的补偿和零点的调整；性能试验模块用于完成对HMCVT各项试验过程的控制；试验结果处理模块实现对试验数据的采集、处理、存储和显示。
对拖拉机HMCVT自动调速特性进行了试验。
结果表明，HMCVT可实现连续
无级变速功能，所设计试验台自动化程度高，可实现能源的再利用。
参考文献：
［1］徐明柱，拖拉机液压机械无级变速器设计．2016.
［2］李小海，浅谈液压机械无级变速器设计与试验分析.2017.。