發(fā)布時(shí)間：2020-02-25所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了降低無級(jí)變速拖拉機(jī)的燃油消耗，對(duì)金屬帶功率分流無級(jí)變速箱的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。首先，闡述了Kress變速箱的原理并確定了其整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo);而后，構(gòu)建了柴油機(jī)與變速箱的系統(tǒng)油耗計(jì)算模型;最后，通過計(jì)算分析，得到了無級(jí)變速拖拉機(jī)在等傳
摘要:為了降低無級(jí)變速拖拉機(jī)的燃油消耗，對(duì)金屬帶功率分流無級(jí)變速箱的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。首先，闡述了Kress變速箱的原理并確定了其整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo);而后，構(gòu)建了柴油機(jī)與變速箱的系統(tǒng)油耗計(jì)算模型;最后，通過計(jì)算分析，得到了無級(jí)變速拖拉機(jī)在等傳動(dòng)比工況和等速度工況下的系統(tǒng)油耗分布。結(jié)果顯示:Kress變速箱中存在功率分流的RL段經(jīng)濟(jì)性要高于無功率分流的RH段;系統(tǒng)油耗的分布受到發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性與變速箱傳動(dòng)效率的雙重影響;拖拉機(jī)在重、中負(fù)荷作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)使變速箱盡量工作于RL段并盡量降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;拖拉機(jī)在中、輕負(fù)荷作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量使變速箱工作于RH段和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1700r/min附近。結(jié)果表明:Kress變速箱不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且總體上具有較高的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)油耗隨拖拉機(jī)工況的變化規(guī)律亦容易掌握，非常適合于中、小拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。該研究可為金屬帶功率分流無級(jí)變速拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)與進(jìn)一步理論研究提供參考。
關(guān)鍵詞:拖拉機(jī);功率分流;無級(jí)變速箱;油耗;仿真
0引言
拖拉機(jī)是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)動(dòng)力機(jī)械，工作環(huán)境惡劣，作業(yè)工況復(fù)雜，既要從事犁耕、土豆收獲等重負(fù)荷及播種、植保等輕負(fù)荷作業(yè)，還要從事道路運(yùn)輸作業(yè)[1-3]。為了提高拖拉機(jī)對(duì)外部工況的適應(yīng)能力，降低其燃油消耗，拖拉機(jī)的檔位設(shè)置有逐步增加的趨勢(shì)，不僅給換擋操作帶來不便，而且給變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難，因而無級(jí)變速成為成為理想的拖拉機(jī)傳動(dòng)形式。
1996年，裝備Fendt“Vario”無級(jí)變速箱的“Favorit926”拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[4-5]，液壓功率分流無級(jí)傳動(dòng)逐步成為世界范圍內(nèi)最為成功的拖拉機(jī)無級(jí)傳動(dòng)技術(shù)。但這種變速箱主要應(yīng)用于大、中功率拖拉機(jī)傳動(dòng)，在小功率應(yīng)用時(shí)傳動(dòng)效率低下，如Yanmar公司為其13kW水稻插秧機(jī)設(shè)計(jì)的液壓功率分流無級(jí)變速箱，其傳動(dòng)效率在Renius教授看來“不可接受”[6]。相比之下，1988年引起德國(guó)工業(yè)界關(guān)注的拖拉機(jī)樣機(jī)“MunichResearchTractor”[7]取得了成功，該拖拉機(jī)配套柴油機(jī)功率30kW，使用金屬帶無級(jí)變速箱[8-10]實(shí)現(xiàn)調(diào)速。1990年左右，德國(guó)Schlüter公司聯(lián)合Hurth與P.I.V.-Reimers研制成功了60kW的金屬帶無級(jí)變速拖拉機(jī)，但因Schlüter在當(dāng)時(shí)深陷經(jīng)濟(jì)困境無力將其批量投入市場(chǎng)。直到近年，以Kress變速箱[11]為代表的拖拉機(jī)金屬帶功率分流無級(jí)傳動(dòng)技術(shù)又重新引起學(xué)術(shù)界關(guān)注[12]，與已經(jīng)推向市場(chǎng)的液壓功率分流無級(jí)變速箱相比，金屬帶功率分流無級(jí)變速箱是對(duì)金屬帶無級(jí)傳動(dòng)的重要改進(jìn)，在理論上具有驅(qū)動(dòng)能力大、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)[13-15]，且主要適合于中、小功率拖拉機(jī)傳動(dòng)，在應(yīng)用功率段上與液壓功率分流無級(jí)變速箱形成互補(bǔ)。
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本研究解決的核心問題是對(duì)Kress變速箱的效率特性，尤其對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討，一方面明確金屬帶功率分流無級(jí)變速箱在拖拉機(jī)中的應(yīng)用潛力;另一方面探討該類變速箱與柴油機(jī)的協(xié)同控制策略，即如何根據(jù)外部工況匹配柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與變速箱傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
1Kress無級(jí)變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)分析
Kress變速箱有3個(gè)段位，包括低速段RL、高速段RH和倒退行駛段RR，分別由3個(gè)濕式離合器L、H和
當(dāng)僅有離合器L接合時(shí):柴油機(jī)功率一部分經(jīng)由動(dòng)力輸出軸傳遞至行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架，另一部分經(jīng)由金屬帶CVT傳遞至行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪。兩路柴油機(jī)功率在行星齒輪機(jī)構(gòu)處實(shí)現(xiàn)匯流并通過齒圈差動(dòng)輸出。其輸出軸轉(zhuǎn)速取決于金屬帶CVT的傳動(dòng)比i
其中，no、ni分別為變速箱輸出軸(即行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈軸)和輸入軸轉(zhuǎn)速(r/min);k為行星齒輪特性參數(shù)，即齒圈與太陽輪齒數(shù)之比;iB、i1、i2分別為金屬帶CVT、齒輪副g1及齒輪副g2傳動(dòng)比。
當(dāng)僅有離合器H接合時(shí):行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架與齒圈接合，太陽輪、行星架、齒圈三者作為整體運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速相同)，此時(shí)柴油機(jī)功率不分流，全部流經(jīng)金屬帶CVT，則
當(dāng)僅有離合器R接合時(shí)，行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架被制動(dòng)，使行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為普通的定軸行星齒輪減速器，此時(shí)柴油機(jī)功率不分流，全部流經(jīng)金屬帶CVT
基于前述公式在SimulationX下搭建計(jì)算模型，計(jì)算得到該變速箱輸出轉(zhuǎn)速(已通過后橋傳動(dòng)比換算為拖拉機(jī)行駛速度)、輸入轉(zhuǎn)速(即柴油機(jī)轉(zhuǎn)速)與金屬帶CVT傳動(dòng)比之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。圖2中:拖拉機(jī)從第5s開始加速，金屬帶CVT初始傳動(dòng)比為0.67;15s時(shí)金屬帶CVT傳動(dòng)比勻速調(diào)節(jié)至2，拖拉機(jī)完成RL段調(diào)速，并切換至RH段;25s時(shí)金屬帶CVT傳動(dòng)比勻速調(diào)回至0.67，拖拉機(jī)完成RH段調(diào)速，并可達(dá)到額定最高速度。由圖2可知:通過調(diào)節(jié)金屬帶CVT的傳動(dòng)比和各段離合器結(jié)合/分離狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在0～26km/h范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，且RL段與RH段在切換前后傳動(dòng)比不變，可實(shí)現(xiàn)等速換段，有利于減小換段沖擊。
2計(jì)算模型搭建
2.1柴油機(jī)模型
本研究重點(diǎn)是柴油機(jī)與變速箱的燃油經(jīng)濟(jì)性，故不考慮柴油機(jī)的調(diào)速模型，只需將柴油機(jī)(型號(hào):SD2105)[16]的穩(wěn)態(tài)油耗數(shù)據(jù)(即柴油機(jī)萬有特性)作為計(jì)算依據(jù)，如圖3所示。計(jì)算模型根據(jù)當(dāng)前的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩通過查表和插值得到燃油消耗。
2.2變速箱模型
變速箱模型主要由匯流行星齒輪、金屬帶CVT等子模型組成。
2.2.1匯流行星齒輪模型
行星齒輪各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足如下關(guān)系其中，nr、nc、ns分別為齒圈、行星架和太陽輪轉(zhuǎn)速(r/min);Tr、Tc和Ts分別為齒圈、行星架和太陽輪轉(zhuǎn)矩(N·m);ηp為行星齒輪傳動(dòng)效率。其值確定為
其中，np為行星輪繞自身軸線的相對(duì)轉(zhuǎn)速(r/min)，ηrp、ηps分別為齒圈與行星輪之間的傳動(dòng)效率及行星輪與太陽輪之間的傳動(dòng)效率。
2.2.2金屬帶CVT模型
本研究不涉及拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并不關(guān)心金屬帶CVT的動(dòng)態(tài)調(diào)速過程，但需考慮金屬帶打滑和轉(zhuǎn)矩?fù)p失對(duì)其傳動(dòng)效率的影響。金屬帶的滑差速率與其傳遞轉(zhuǎn)矩有關(guān)
其中，TB、Tmax分別為金屬帶實(shí)際傳遞轉(zhuǎn)矩與最大傳遞轉(zhuǎn)矩(N·m)，δ與δmax分別為金屬帶實(shí)際滑差速率與最大傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)的滑差速率。
金屬帶的轉(zhuǎn)矩?fù)p失與金屬帶CVT的輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)，分別如圖4和圖5所示[17-20]。
1)傳動(dòng)比一定時(shí)，CVT的轉(zhuǎn)矩?fù)p失隨著輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的增加而增大;
2)輸入轉(zhuǎn)速一定時(shí)，CVT與輸入轉(zhuǎn)速相關(guān)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失隨傳動(dòng)比變化不單調(diào)且不顯著;
3)輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，CVT與輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失(絕對(duì)值)隨傳動(dòng)比增大而降低。
其中，Tloss、Tnloss、Ttloss分別為CVT總轉(zhuǎn)矩?fù)p失、輸入轉(zhuǎn)速相關(guān)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失、輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失(N·m)，nB1為輸入端轉(zhuǎn)速(r/min)，TB1為輸入端轉(zhuǎn)矩(N·m)。顯然，當(dāng)功率由柴油機(jī)向CVT傳遞時(shí)(柴油機(jī)為驅(qū)動(dòng)端)，金屬帶的總轉(zhuǎn)矩?fù)p失為輸入轉(zhuǎn)速相關(guān)轉(zhuǎn)矩?fù)p失與輸出轉(zhuǎn)矩相關(guān)轉(zhuǎn)矩?fù)p失之和，否則
2.2.3整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算
在以往的研究中多使用柴油機(jī)比油耗作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)無法反映變速箱對(duì)燃油的利用效率。例如，當(dāng)拖拉機(jī)從事某種作業(yè)時(shí)，如果此時(shí)柴油機(jī)比油耗很低，但傳動(dòng)效率也很低，就不能認(rèn)為此種工況具有經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)椴裼蜋C(jī)節(jié)省下的燃油未必能抵償因變速箱做無用功而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性支出，故本研究使用系統(tǒng)油耗作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)[21
其中，be*為系統(tǒng)油耗(g/kW·h);be為柴油機(jī)比油耗(g/kW·h);η為變速箱傳動(dòng)效率，可通過變速箱輸出軸功率與輸入軸功率之比計(jì)算得到，這里不再贅述。
2.2.4變速箱整體模型
除前述匯流行星齒輪和金屬帶CVT模型外，變速箱模型還包括濕式離合器及一般齒輪傳動(dòng)等組成部分。由于本研究不考慮段位切換時(shí)的動(dòng)力學(xué)問題，濕
式離合器模型僅需表征離合器的通斷狀態(tài)，這里不再贅述;而一般齒輪傳動(dòng)也只需根據(jù)其功率流方向和指定的傳動(dòng)效率對(duì)其轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正即可，此處也不討論
3整機(jī)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析
3.1速度區(qū)間設(shè)定
3.2等傳動(dòng)比工況下的變速箱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析
1)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分別取值1200～2400r/min，間隔100r/min。
2)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩分別取值20～140N·m，間隔20N·m，并通過PID控制器(PID輸入分別為當(dāng)前迭代計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)矩，PID輸出為變速箱負(fù)載轉(zhuǎn)矩)自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，直至PID將柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩收斂于設(shè)定值。
3)分別記錄不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩下的系統(tǒng)油耗。
4)在RL段和RH段分別進(jìn)行前述計(jì)算，得到變速箱在不同段位下的等傳動(dòng)比經(jīng)濟(jì)特性場(chǎng)如圖8所
3.3等速度工況下的變速箱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析
1)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分別取值1200～2400r/min，間隔100r/min，并根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)行駛速度計(jì)算相應(yīng)的金屬帶CVT傳動(dòng)比。
2)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩分別取值20～140N·m，間隔20N·m，并通過前述PID控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，直至PID將柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩收斂于設(shè)定值。
3)分別記錄不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)油耗。
4)在行駛速度4～20km/h(間隔2km/h)下分別進(jìn)行前述計(jì)算，得到變速箱在不同拖拉機(jī)行駛速度下的經(jīng)濟(jì)特性場(chǎng)分別如圖9所示。
1)第1經(jīng)濟(jì)區(qū)存在于4～6km/h拖拉機(jī)行駛速度工況。隨著拖拉機(jī)行駛速度的提高，該經(jīng)濟(jì)區(qū)向柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)遷移，這種遷移與段位分布有關(guān):拖拉機(jī)行駛速度4km/h時(shí)，變速箱僅工作于RL段;而當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度6km/h時(shí)，變速箱在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1200～1600km/h范圍內(nèi)工作于RH段;在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1700～2400km/h范圍內(nèi)工作于RL段，致使第1經(jīng)濟(jì)區(qū)在·642·2020年1月農(nóng)機(jī)化研究第1期6km/h時(shí)遷移并停留在高于1600r/min柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的RL區(qū)。因此，第1經(jīng)濟(jì)區(qū)僅存在于變速箱RL段工況中。
2)第2經(jīng)濟(jì)區(qū)存在于4～14km/h拖拉機(jī)行駛速度工況。隨著拖拉機(jī)行駛速度的提高，該經(jīng)濟(jì)區(qū)歷經(jīng)遷移、分裂、縮小直至消亡的過程。如前所述，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度6km/h時(shí)，同一拖拉機(jī)行駛速度可通過RL和RH兩個(gè)段位實(shí)現(xiàn)，由于第2經(jīng)濟(jì)區(qū)不僅存在于RL段，在RH段中也有分布，故拖拉機(jī)行駛速度從4km/h提升至6km/h的過程中，第2經(jīng)濟(jì)區(qū)與第1經(jīng)濟(jì)區(qū)一同向柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)遷移，但并未在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)消失;當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度提升至8km/h時(shí)，變速箱RL段與RH段的分界點(diǎn)位于2200～2300r/min之間，此時(shí)第2經(jīng)濟(jì)區(qū)出現(xiàn)分裂，分出的兩部分分別位于RL段和RH段，且邊界范圍顯著縮小;當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度進(jìn)一步提升至10km/h及以上時(shí)，變速箱僅工作于RH段，第2經(jīng)濟(jì)區(qū)隨著拖拉機(jī)行駛速度提高而不斷縮小其邊界范圍，直至拖拉機(jī)行駛速度達(dá)到14km/h時(shí)，第2經(jīng)濟(jì)區(qū)趨于消失。
3)第3經(jīng)濟(jì)區(qū)存在于4～20km/h拖拉機(jī)行駛速度工況，覆蓋范圍較大，貫穿于柴油機(jī)大部分功率區(qū)域，并隨著拖拉機(jī)行駛速度提高而縮小其邊界。當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度高于(含)14km/h時(shí)，第3經(jīng)濟(jì)區(qū)在柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)缺口;當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度高于(含)16km/h時(shí)，隨著第1、第2經(jīng)濟(jì)區(qū)的消失，第3經(jīng)濟(jì)區(qū)開始成為最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)。
綜上所述，得到金屬帶功率分流無級(jí)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同控制策略如下:
機(jī)的協(xié)同控制策略如下:1)當(dāng)拖拉機(jī)在重、中負(fù)荷作業(yè)時(shí)，其工作于低速重載模式，需優(yōu)先保證足夠的輸出功率，此時(shí)變速箱主要工作于RL段，并應(yīng)在滿足輸出功率要求的前提下，盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
2)當(dāng)拖拉機(jī)在中、輕負(fù)荷作業(yè)工況時(shí)，其工作于高速輕載模式，需優(yōu)先滿足經(jīng)濟(jì)性需求，此時(shí)變速箱主要工作于RH段，并應(yīng)盡量將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限定在1700r/min附近，從而使拖拉機(jī)工作于前述第1工作區(qū)附近，提高其經(jīng)濟(jì)性。
4結(jié)論與展望
1)當(dāng)Kress變速箱工作于金屬帶CVT功率分流工況，即工作于RL段時(shí)具有更低的系統(tǒng)油耗，從而使得Kress變速箱在拖拉機(jī)低速重載作業(yè)時(shí)仍能兼顧其經(jīng)濟(jì)性。
2)Kress變速箱的經(jīng)濟(jì)性隨工況變化而變化，故裝備Kress變速箱的無級(jí)變速拖拉機(jī)有兩種主要作業(yè)模式，即低速重載作業(yè)與高速輕載作業(yè)。前者的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱控制任務(wù)是優(yōu)先保證發(fā)動(dòng)機(jī)的大功率輸出，后者則是確保拖拉機(jī)的整機(jī)經(jīng)濟(jì)性，本研究雖給出了兩種作業(yè)模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱控制策略，但工作模式的自動(dòng)識(shí)別與切換將是接下來需要重點(diǎn)研究的問題。
基于本研究可知:Kress變速箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、總體經(jīng)濟(jì)性較高，且系統(tǒng)油耗隨工況變化的遷移規(guī)律較易掌握，故非常適合于中、小功率拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
