硕士论文：拖拉机液压机械无级变速器控制系统研究.pdf

河南科技大学 硕士学位论文 拖拉机液压机械无级变速器控制系统研究 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 摘要 ii 论文题目：论文题目： 拖拉机液压机械无级变速器控制系统研究拖拉机液压机械无级变速器控制系统研究 专专 业：业： 机械电子工程机械电子工程 研研 究究 生：生： 指导教师：指导教师： 摘 要摘 要 液压机械无级变速器由于具有无级变速，大功率高效率传动的优越性能，在 工程车辆与大中型拖拉机上应用日益广泛，而变速器自动控制系统是决定其性能 的关键技术。本论文以东方红 1302r 型拖拉机的液压机械无级变速器为控制对 象，展开了对其自动控制系统的研究、设计开发工作。 采用电液控制技术实现变速器无级变速。通过对液压机械无级变速器传动变 速原理与不同操作模式的研究，确定了变速器控制功能。在此基础上结合控制对 象的特点，确定了变速器控制系统组成原理，设计了控制系统的电子控制单元与 液压控制单元。开发了变速器控制系统。 控制系统包括硬件电路与控制软件两部分，其中硬件电路包括：中央处理模 块、信号输入模块、信号输出模块与通讯功能模块。该电路以数字信号处理器 tms320f2812 为控制核心，由于其丰富的外设资源使硬件电路使用了较少的外 围芯片，简化了电路设计，提高了硬件的可靠性。控制软件包括：顺序变速程 序、编程变速程序、换段驱动程序、速度检测程序、速度 pid 调节程序、采样 程序以及基于串口通讯的上位 pc 机监控程序。这些控制软件采用基于 c 语言的 模块化编程方法，提高了软件的开发效率，可移植型与可维护性。最终通过仿真 验证，证明控制系统的可行性。 关关 键键 词：词：液压机械无级变速器，控制系统，计算机控制单元，控制程序，监 控程序 论文类型：应用研究论文类型：应用研究 河南科技大学硕士学位论文 iii subject: automatic control system development for hydro- mechanical continuously variable transmission in tractors specialty: mechatronics engineering name: zhang songyan supervisor: zhang mingzhu abstract hydro-mechanical continuously variable transmission (hmcvt) is used more and more in engineering vehicle and heavy-duty tractor, because it can achieve continuously variable transmission with high efficiency and powerful performance. but the automatic control system of hmcvt is the key technology that can let the transmission have such a good performance. the control object is the hmcvt of dongfanghou-1302r tractor in the subject, some researches of the transmission control system were developed. the electric-hydraulic integration control technology was used to achieve the continuously variable transmission of hmcvt. the functions, the principle of control system were determined and also the electronic control unit and the hydraulic control unit which were components of the control system were designed by researching the principle, the character and the different operation modes of hmcvt. finally, the control system was made. the control system includes two parts, the hardware circuit and the software program. the hardware circuit includes the central processing module, the input signal module, the output signal module, and the communication module. the digital signal processor (dsp) tms320f2812 is the core of the hardware unit, the peripheral chips were used less, the design of electric circuit was predigested, the reliability of the control unit was improved, because of abundant peripheral of f2812. the software program includes, the manual gear shifting program, the program gear shifting, the gear shifting driver program, the velocity measurement program, the speed control pid program, sampling program and a monitor program on pc. because the software was programmed in modularization used c language, the development, the maintenance and the transplantation of software were improved. at the end, some proof tests were did to prove the feasibility of the control system. 摘要 iv key words: hydro-mechanical continuously variable transmission, control system, ecu, monitor program dissertation type: application research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 1.1 拖拉机变速器的功能、类型及其特点 第1章 绪论 1.1 拖拉机变速器的功能、类型及其特点 拖拉机在农田建设、农田作业、农业运输等农业生产领域用途十分广泛。拖 拉机技术的发展对全面实现农业机械化起着至关重要的作用。目前，随着拖拉机 功率的提高，农机具工作幅宽和机组的田间作业速度的大幅度提高，加上联合作 业农机具的大量采用都对拖拉机的操纵性能提出了更高的要求。而变速器是提高 拖拉机操纵性能的关键部件，它不仅决定拖拉机的动力性和燃油经济性，同时也 决定了作业效率，所以变速器技术的发展成为拖拉机技术发展的重点领域。 变速器可分为有级变速器和无级变速器两大类。 有级变速器主要包括手动机械换挡变速器和电控机械换挡变速器。工程车辆 上运用最广泛的变速器是手动机械换挡变速器(mechanical transmission，简称 mt)。它传动效率高、成本低、易于制造，但配备这种变速器的车辆需要频繁换 挡变速以满足整机动力性要求，因此劳动强度大，生产效率低。容易造成驾驶员 疲劳，降低行驶安全性，并且更难以保证车辆始终工作在最佳动力性工作段或最 佳经济性工作段，另外还存在着换挡时的动力中断问题，这些严重制约了车辆性 能的提高1。电控机械换挡变速器(automatic mechanical transmission，简称amt)挡 位多，级差小，由计算机控制可实现动力换挡，传动效率高，因此是有级变速的 主要发展方向2-6。但电控机械换挡变速器的换挡机构由同步器、杠杆拨叉与电 液操纵机构组成，结构较为复杂，生产加工成本较高，制约了它的推广应用。 无级变速器主要包括液力自动变速器、金属带无级变速器、液压无级变速 器、电动无级传动和液压机械无级变速器。 液力自动变速器(automatic transmission，简称at)是依靠液力变矩器实现无级 变速，其技术成熟，控制方便，整机性能好，但传动效率低，造价高7,8。 金属带无级变速器(continuously variable transmission，简称cvt) 通过连续改变 传动带的工作半径，实现无级变速传动。它可以最大限度的利用发动机特性，提 高车辆的动力性和经济性，同时换挡平稳，行驶性能较好9,10。但也有如下不 足： 1.cvt 传递的转矩容量不大，目前主要应用于小排量车辆； 2.技术还不够成熟； 3.制造和使用成本高。 河南科技大学硕士学位论文 2 依靠液压变量泵马达实现无级变速的纯液压无级变速器效率较液力变矩器 高，但较齿轮变速器低，传动功率小，主要在国外部分小型拖拉机上使用11。 依靠电动机机组实现的电动无级传动控制方便，功率大，但单位功率重量 大，体积大，应用受到一定限制12。 液压机械无级变速器(hydro-mechanical transmission，简称 hmt)由机械变速装 置、液压调速装置、与行星齿轮机构三部分构成。其中液压调速装置由液压泵与 液压马达组成，行星齿轮机构将机械和液压动力进行汇流合成。液压机械传动是 一种液压功率流与机械功率流并联的新型传动形式，通过机械传动实现传动高效 率，利用小功率的液压元件使整个系统获得了无级变速的特性，液压传动与机械 传动相结合实现机械传动无级变速，使整个传动系统的传动效率大大提高13。 液压机械无级变速器有以下特点14,15： 1.能自动适应负荷和行驶阻力的变化，实现无级调速。保证发动机工作在最 佳工作点，有利于提高其动力性、燃油经济性和工作效率； 2.以液体为传力介质，能吸收衰减振动、冲击和噪声，并使传动系动载大为 减轻，可提高零部件的寿命，这对工作条件恶劣的农业机械和工程机械尤为重 要； 3.能以很低的车速稳定行驶，可提高通用性和低速作业质量； 4.体积小，重量轻，结构紧凑，易于布置。 液压机械无级变速器以其转矩容量大，驾驶平稳，阻隔振动等优点可以较好 的满足大马力机动车的需要。 1.2 液压机械无级变速器国内外的研究应用现状 1.2 液压机械无级变速器国内外的研究应用现状 液压机械无级变速器于20世纪60年代开始在军用坦克和装甲车上应用。美国 通用电气公司60年代研制的hmpt-500液压机械传动综合变速箱，它具有无级变 速兼转向功能，成功地应用于m2步兵战车以及m3侦察车和多管火箭发射车上， 取得了较大的成功16。70年代初，美国sundstrand公司也研制了适用于轮式车辆 的dmt-25全自动液压机械双流传动变速器，变速操纵为液压自动操纵17。另 外，allison公司、zf公司、renk公司等也研究了多种多段液压机械双流无级传 动装置。日本的小松公司开发了世界上首个用于装载机、推土机等工程机械的液 压机械变速器。它充分发挥了液压机械传动的优点，传动效率高，具有自动变速 换挡功能。其中，d155ax-3变速器应用于推土机，wa380-3变速器应用于装载 机。根据小松报告，液压机械传动与液力机械传动相比，推土作业量最大可增加 29%，燃料经济性最大可增24%18。但由于制造成本较高，液压机械无级变速器 第 1 章 绪论 3 在拖拉机上的实际开发应用主要从20世纪90年代开始。发达国家主要的拖拉机和 工程机械制造公司普遍在大型、中型拖拉机上开发安装液压机械无级变速器。德 国芬德公司favorit700拖拉机因为装备了vario无级变速器而在1999年法国sima 国际博览会上成为头条新闻并获得金奖。此外，德国专业生产变速器的zf公司 的s-matic系列、zf-eccom系列，已在道依兹法尔和斯特尔等公司的拖拉机上应 用，英国工程机械制造公司、日本小松公司等在其产品中应用了hmt13。国内 引进技术生产的部分工程机械也开始安装hmt，如上海小松公司生产的wa380- 3型装载机。而我国对无级变速器的研究主要以跟踪研究为主。 1.3 变速器自动控制技术的研究现状和发展趋势 1.3 变速器自动控制技术的研究现状和发展趋势 变速器自动控制技术的发展主要可分为三个阶段：液压控制自动变速阶段、 电子液压控制自动变速阶段、智能控制自动变速阶段。 在液压控制自动变速阶段，变速器的操纵机构和控制系统都是由液压系统构 成的。其控制信号由液压阀产生，控制系统由若干复杂的液压阀和油路构成，是 一种逻辑控制系统。该系统按照设定的换挡规律，控制换挡执行机构的动作，最 后由液压油缸驱动各换挡制动器和离合器的脱开与结合，实现自动换挡。具有代 表性的这类变速器有：丰田a40型系列自动变速器、通用4t60e, ef, chpe9等多 种系列产品。在国内，国产红旗ca770也采用了这种控制系统。液压控制系统的 缺点是控制精度低，难以适应行驶状况的变化，无法按照使用者的愿望实现多种 换挡规律，无法实现精确的换挡品质控制。控制系统由许多精密的液压阀组成， 一些控制功能和特性决定于液压阀的结构参数，所以不仅制造难、成本高，而且 对动力传动系及整车参数的适应性也差。 80年代随着微电子技术的迅猛发展，机电液一体化技术进入车辆领域，推动 了车辆变速装置的重大变革。采用电子液压控制技术的自动变速器的控制系统包 括微机、各种传感器、电磁阀及控制电路等。它将控制换挡的参数通过传感器变 为电信号，经过微机的处理，将控制信号驱动换挡电磁阀，从而驱动液压换挡执 行机构实现自动换挡。 电子液压控制具有以下几个方面的特点： 1.微机控制可以实现原先由液压控制难以实现的更复杂多样的控制功能，使 变速器的性能得到提高。由于微机能够存储和处理多种换挡规律，所以驾驶员可 根据车辆行驶、作业要求选用适当的换挡模式。在换挡品质控制方面，电子液压 控制具有明显的优越性，可根据不同的行驶工况精确地实现换挡过程的定时控 制，利用电液比例调压阀精确地调节接合元件油压以减轻换挡冲击。 河南科技大学硕士学位论文 4 2.电子控制装置替代机械零件和液压零件，使液压控制机构大大简化，质量 减小，减少生产投资，降低生产和使用的成本。 3.电子液压控制功能需要软硬结合才能实现，由于软件易于修改，所以产品 具有适应结构参数变化的特性。 普遍认为这种机电一体化的变速器，集经济、方便、安全、舒适于一体，是 目前各国开发的热点。德国的zf公司、大众公司、美国的伊顿公司、福特公 司、意大利的菲亚特公司、日本的丰田公司等都在开发基于电子控制的自动换档 系统。这种系统不仅大幅度改善了汽车使用性能，而且还取得了节油10%-30%的 效果19。进入九十年代以来，我国的自动变速技术有了较大的发展，上海通用 汽车公司生产的“ 别克”轿车上装备了先进的电子控制自动变速箱4t65-e，上 海大众汽车公司生产的“ 帕萨特”轿车以及一汽大众公司生产的“ 捷达王”己 将自动变速箱列为选装件，神龙汽车公司也在其“ 富康”1.6l 的车型上推出了 自动变速箱20。但目前国产轿车所用的自动变速箱几乎全部都依靠进口，因 此，如何消化和吸收国外先进的自动变速技术并使之国产化，发展适合中国国情 的自动变速箱，成为当前的一个重要课题。 变速器自动控制技术目前已经进入智能控制阶段，控制策略的不断改进成为 车辆自动变速技术发展的特点21-23。pid控制、最优控制、模糊控制和神经网络 控制等经典与现代控制理论都被应用于变速器自动控制技术。智能控制要求变速 器自动控制系统能准确实现车辆驾驶员的操作意图，能够适应不同操作习惯和风 格的驾驶员，能够适应环境和车辆使用状态和使用参数的变化，保持最佳换档 点，能自适应修正固有的换档规律，依据车况、路况改变其换档规律。德国宝马 公司从1992年起推出的自动变速器自适应控制系统，能自动识别驾驶员类型、环 境条件和具体行驶状况，并因此对换档规律做出适当调整。尼桑e4n71b自动变 速器控制系统采用模糊推理对高速公路坡道进行识别，并采取禁止升档的措施消 除换档循环。三菱新型四档自动变速器控制系统将各种输入信息和驾驶员的选档 通过神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得许多情况下可以按照驾 驶员的愿望自动换档。就自动变速技术而言，其发展是随着车辆技术和其他相关 技术的发展而发展的。 变速器自动控制技术主要有以下发展趋势： 1.控制软件逐渐向智能化发展。随着现代计算机技术、人工智能、微电子、 人机工程学等学科的高速发展，控制的技术工具发生了革命性的变化。一个智能 化的时代已经到来，其明显的标志就是智能自动化。在车辆变速控制系统中，经 典控制理论和现代控制理论都己经得到了比较成功的应用。随着科学技术的不断 第 1 章 绪论 5 发展，自动变速器智能控制还有许多待开发和研究的课题，如混合控制技术、神 经网络专家系统、专家模糊控制、模糊pid调节器、自适应模糊控制和模糊神经 网络控制等等25,26。 2.变速器的电子控制系统成为整车综合电子系统的一部分。随着数据总线技 术和车辆电子学的发展，在军用车辆领域开展较早的综合电子系统的研究成果被 运用于民用车辆领域。综合电子系统采用数据总线技术传输信息，减少导线数 量，有利于系统的电磁兼容性，可以充分利用各部件对车辆的观测参数，使用尽 可能少的传感器，并将车辆电子控制系统的设计问题从整车角度出发，综合考虑 车辆的控制要求，实现各子系统的综合控制。对于车辆自动变速系统而言，实现 传动系联合控制可以使系统获得更多的换档品质，并可以实现变油门的换档规 律。比自动变速系统独立控制具有更优越的性能，使自动变速技术更具生命力。 对于拖拉机行业来说，在拖拉机的控制领域目前获得广泛应用的是电子液压 控制技术。电子液压控制已经成为拖拉机特别是大型拖拉机的最主要控制方式。 大功率、多用途和智能化是现代高品质拖拉机的性能特征，为了确保现代拖拉机 的这些卓越性能，世界上许多著名拖拉机制造公司(如麦塞福格森、雷诺、萨 姆、约翰迪尔、菲亚特、福特纽荷兰、道依兹法尔)的产品均广泛应用了电液 控制技术。完全可以用机电液一体化技术应用程度的高低来表征其产品的先进性 和实用性。电子液压控制技术在经济性，简化驾驶员的操纵程序，减轻其劳动强 度等方面显示出强大的优越性。尽管传动型式是多样的，但随着电子液压一体化 技术的高速发展，采用电液控制的自动换挡系统在现代大功率拖拉机上应用越来 越普遍并己形成了现代科学设计潮流。自动换挡控制系统技术已在欧美等发达国 家和地区的大功率拖拉机上得到广泛的应用，并取得了非常好的效果。因此目前 在国外先进的大功率拖拉机上都普遍采用了电子自动换挡技术，如卡特彼勒公司 的challengere系列、迪尔公司的8000系列、凯斯公司的quadtrac系列、芬特公司 的900系列等。而在我国，自动换挡控制技术真正用于拖拉机控制的还较少27。 1.4 论文研究的主要内容、目的及意义 1.4 论文研究的主要内容、目的及意义 变速器的自动化控制是无级变速器的重要技术，是实现其性能的重要保障。 变速器的自动控制过程具有的不确定性、非线性、时变性以及控制目标的多样性 等特征，对控制方案以及控制器的性能提出了苛刻的要求。电子技术的发展为开 发新一代控制器提供了有力的途径。在国内己有关于无级变速器控制系统的研 究，但将这种变速器运用在大马力拖拉机上的还较少，并且拖拉机与汽车及工程 车辆相比，其作业条件和工况相对复杂，操作模式多样，通常难以保证其良好的 河南科技大学硕士学位论文 6 动力性和经济性。虽然控制理论有相通、相似之处，但在工程应用和实现上还有 较大区别。目前大多数研究针对的是车用汽油发动机与自动变速器相匹配控制系 统的研究。东方红1302r型拖拉机的发动机为柴油机，而柴油机与汽油机的负荷 调节方法、速度特性的不同，在与之匹配的变速器的自动控制系统的设计上也有 较大差异， 即控制参数、规律、算法、控制系统元器件选型都有相应改变，所 以对液压机械无级变速器控制系统的研究和开发，在理论、创新和实践方面都具 有重要意义。 本论文针对东方红1302r型拖拉机的多段液压机械无级变速器的控制系统进 行研究开发。在控制系统的研发中，主要工作内容为： 1.研究多段液压机械无级变速器结构与变速原理； 2.研究多段液压机械无级变速器控制系统控制原理、组成、控制过程； 3.设计制作液压机械无级变速器控制系统的硬件控制电路； 4.设计开发液压机械无级变速器控制系统的软件控制程序。 第 2 章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 7 第2章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 第2章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 2.1 拖拉机多段液压机械无级变速器的传动原理 2.1 拖拉机多段液压机械无级变速器的传动原理 液压机械无级变速器采用液压机械双流传动结构，由液压调速机构、机械变 速机构及分流、汇流机构组成，是一种液压功率流与机械功率流并联的传动形 式，通过机械传动实现传动高效率，通过液压传动与机械传动相结合实现无级变 速。其原理如图2-1所示，输入功率经分流机构分流为两路，一路经液压调速机 构流至汇流机构，另一路经机械变速机构至汇流机构，两路功率在汇流机构处汇 流后输出。通过控制系统控制改变泵或马达的排量使液压调速机构具有无级调速 特性，并与机械变速机构经汇流机构结合，实现无级变速传动28-32。 图 2-1 液压机械传动原理 fig.2-1 theory of hydro-mechanical transmission 如图2-1所示液压调速机构即为液压路功率流部分。它由一组变排量液压元 件组成，既可以是“ 变量泵定量马达”，也可以是“ 定量泵变量马达”， 还可以由“ 变量泵变量马达”组合而成。机械路功率流一般由定轴齿轮系传 递。液压部分传递的功率是随变排量液压元件和定排量液压元件的排量比变化连 续可调的，机械部分在不同变速段传递的功率是阶跃式变化的。在液压机械分流 传动系中，液压功率流是变速的，机械功率流是定速的，两路功率由一个两自由 度差速机构进行汇流，这个差速机构常使用行星排。按行星排处于变速机构的输 入端还是输出端可分为“ 分矩汇速式”和“ 分速汇矩式”两类。 东方红1302r拖拉机多段液压机械无级变速器中液压功率流部分的液压调速 机构采用的是“ 变量泵定量马达”组合，机械功率流中的分汇功率部分采用 分流 机构 机械变 速机构 液压调速机构 汇流 机构 河南科技大学硕士学位论文 8 的是前置行星排的“分矩汇速式”结构。如图2-2所示。 发动机 ne e nb l1l4 l3l2 l8 l7l6 l5 r s c k=4.1 ab 1 i 2 i 3 i 4 i 7 i 6 i 5 i 8 i 9 i 图 2-2 东方红 1302r 拖拉机多段液压机械无级变速器结构图 fig.2-2 transmission scheme of the dfh-1302r tractor hmcvt 在图2-2中，i轴为变速器输入轴，通过联轴器与发动机相联；ii轴为变速器 输出轴；iii轴为动力输出轴，主要作用是在发动机起动后输出一部分发动机动力 驱动液压泵建立工作油压； e n为变速器输入轴转速； b n为变速器输出轴转速；k 为行星排特性常数，对于普通行星排，k=齿圈齿数/太阳轮齿数；e为变量泵液 压马达的转速相对变化率，其变化范围为-1+1； 1 i为变速器输入轴到变量泵前 传动比； 2 i为定量马达到行星排太阳轮间传动比； 4 i、 5 i、 6 i 、7 i 、8 i和 9 i为行星 排汇流输出构件与变速器输出轴间传动比； 3 i为变速器输入轴与动力输出轴间的 传动比13 ，16，17。 2.2 拖拉机多段液压机械无级变速器变速原理 2.2 拖拉机多段液压机械无级变速器变速原理 东方红1302r拖拉机多段液压机械无级变速器，主要由多对齿轮副、一套行 星排、一组变量泵定量马达无级变速系统和8个摩擦离合器构成。液压马达与行 星排太阳轮联接，输入轴通过离合器l1或l2驱动齿圈或行星架，离合器l3、l4 接行星排汇流输出构件。当机械功率流的转速通过齿圈，液压功率流的转速通过 太阳轮在行星排中汇流输出，这样的传动形式被称为正向行星排传动。如图2-3 所示。 第 2 章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 9 1 i 2 i e n b n k 图 2-3 正向行星排传动原理 fig.2-3 transmission theory of the positive gear planet 传动速度如(2-1)式所示： eb n i iki i e kn 2121 )1 ( 1 + += (2-1) 当机械功率流的转速通过行星架，液压功率流的转速通过太阳轮在行星排中 汇流输出，这样的传动形式被称为负向行星排传动。如图2-4所示。 1 i 2 i e n b n k 图 2-4 负向行星排传动原理 fig.2-4 transmission theory of the negative gear planet 传动速度如(2-2)式所示： eb n ikii i e kn 2121 1 1 += (2-2) 离合器l5、l6、l7分别在低速、中速、高速前进区段接合，l8在倒车时接 合。根据离合器的接合状态不同，随着液压变量泵排量相对变化率e的变化，变 速器前进方向由6段连续变速段构成，倒车方向由2段连续变速段构成。不同段位 工作时离合器接合状态如表2-1所示： 河南科技大学硕士学位论文 10 表 2-1 不同段工作时离合器接合状态 tab.2-1 engagement status of clutches 方向 段号 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 f1 + + + f2 + + + f3 + + + f4 + + + f5 + + + 前进 f6 + + + f7 + + + 倒车 f8 + + + 液压机械无级变速器在不同工作段时输出轴转速为： 1.前进低速f1段，齿圈为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入，行 星架为输出。传动系统为正向行星排传动结构，e由-1+1变化时，输出转速增 大。变速器输出轴转速为： 0 13121021 1 )1 ( 1 n iiiki i e knb + += (2-3) 2.前进低速f2段，行星架为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入， 齿圈为输出。传动系统为负向行星排传动结构，e由+1-1变化时，输出转速增 大。变速器输出轴转速为： 0 13121021 2 1 1n iikii i e knb += (2-4) 3.前进中速f3段，齿圈为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入，行 星架为输出。传动系统为正向行星排传动结构，e由-1+1变化时，输出转速增 大。变速器输出轴转速为： 0 1021 1 )1 ( 1 n iki i e knb + += (2-5) 4.前进中速f4段，行星架为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入， 齿圈为输出。传动系统为负向行星排传动结构，e由+1-1变化时，输出转速增 第2章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 11 大。变速器输出轴转速为： 0 1021 2 1 1n kii i e knb += (2-6) 5.前进高速f5段，齿圈为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入，行 星架为输出。传动系统为正向行星排传动结构，e由-1+1变化时，输出转速增 大。变速器输出轴转速为： 0 1121 1 )1 ( 1 n iki i e knb + += (2-7) 6.前进高速f6段，行星架为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入， 齿圈为输出。传动系统为负向行星排传动结构，e由+1-1变化时，输出转速增 大。变速器输出轴转速为： 0 1221 2 1 1n kii i e knb += (2-8) 7.倒车f7段，齿圈为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入，行星架 为输出。传动系统为正向行星排传动结构，e由-1+1变化时，输出转速增大。 变速器输出轴转速为： 0 151421 1 )1 ( 1 n iiki i e knbd + += (2-9) 8.倒车f8段，行星架为机械功率流输入，太阳轮为液压功率流输入，齿圈 为输出。传动系统为负向行星排传动结构，e由+1-1变化时，输出转速增大。 变速器输出轴转速为： 0 151421 2 1 1n ikii i e knbd += (2-10) 通过换段变速可以实现变速器较大范围的无级变速14 ，15，但是在段与段切 换时，要求速度平滑变化，变速器不能受到较大的机械冲击，就需要确定合适的 换段时机，称之为换段点。本变速器的最佳换段时机是在行星排齿圈速度与行星 架速度相同时，它们相对静止换段不会产生冲击，速度可以平滑变化。经过计算 确定当马达转速度相对变化率e为-0.38与+0.38时，两者速度相等。变速器换段 实现的拖拉机的速度变化范围与马达转速相对变化率e的关系，以及换段点的位 置如图2-5所示。 河南科技大学硕士学位论文 12 -1-0.500.51 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 拖拉机速度v（km/h） 液压马达转速相对变化率e f1 f2 f3 f4 f5 f6 拖拉机速度与液压马达转速相对变化率e 关系特性 -0.380.38 图2-5 液压机械无级变速器无级变速图 fig.2-5 continuously variable transmission chart of hmcvt 2.3 拖拉机变速器的操作模式 2.3 拖拉机变速器的操作模式 根据拖拉机的作业特点，拖拉机的主要操作由以下模式组成： 1.拖拉机发动模式； 2.拖拉机起步模式； 3.手动顺序变速模式； 4.自动无级变速模式； 5.手动穿梭变速模式； 6.手动编程变速模式； 7.准停模式； 8.制动模式； 9.应急模式； 10.停止行车模式； 11.控制器设定模式。 不同的拖拉机操作模式对应不同的变速器操作模式。针对几种常用的操作模 式分析变速器部件的工作状态。 第2章 多段液压机械无级变速器传动原理及操作模式 13 当拖拉机处于发动模式时，变速器的所有离合器都处于脱开状态，只有液压 系统的油泵转动，建立变速器的控制油压。 无论是采用自动控制还是手动控制进入拖拉机起步模式，前进时，变速器的 变量泵处于负极限排量位置，离合器l1、l3、l5结合。其中l3、l5先结合，滑 摩离合器l1随控制油路压力的增大慢慢结合，这样保证换段时没有冲击。倒车 时，离合器的结合状态与前进时相似，只是离合器l5不结合，l8结合。 拖拉机处于手动顺序变速模式时，以实现前进f1段到f6段变速为例，说明 变速器的工作状态，拖拉机正常前进起步后，变速器处于f1段，离合器l1、 l3、l5结合，变量泵的排量由负排量向正排量变化。按下手动升速开关，变速 器由f1段升f2段，离合器l5保持结合，当马达的转速变化率e达到0.38时，滑摩 离合器l1脱开，离合器l4结合，滑摩离合器l2慢慢结合，变速器进入前进f2 段，变量泵排量由正向向负向变化。f2段升f3段时，当马达的转速变化率e达 到-0.38时，l2、l4、l5脱开，l3、l6结合，l1慢慢结合，变速器进入前进f3 段，变量泵排量由负向向正向变化。f3段升f4段离合器的变换规律与f1段升f2 段相似，只是将离合器l5变为l6；f4段升f5段与f2段升f3段相似；f5段升f6段 与f1段升f2段相似，但进入f6段后变量泵的排量可以变化到最大负排量。自动 无级变速模式、手动穿梭变速模式与手动编程变速模式下变速器的状态可以参考 手动顺序变速模式中变速器状态。 准停模式时，变速器处于f1段，离合器l1、l3、l5结合，变量泵的排量可 调。 制动模式断开发动机，变速器中离合器自动全部脱开，是因为油泵没有动力 输入无法保证控制油路压力。 应急模式下离合器要保证前进f1段的l1、l3、l5能够结合或是倒车f7段的 l1、l3、l8能够结合。 停止行车模式变速器离合器全部脱开。控制器设定模式是在拖拉机行驶前， 离合器也是全部脱开的。 经过以上分析，对变速器在不同操作模式中离合器的结合状态与变量泵排量 的变化方式有了清晰的认识。 2.4 本章小结 2.4 本章小结 液压机械无级变速器作为车辆传动系统的核心部件之一，它对整车性能有着 巨大的影响。本章对多段液压机械无级变速器传动变速原理，及拖拉机不同操作 模式下变速器操作模式的论述，明确了控制系统所要实现的功能。 第3章 多段液压机械无级变速器控制系统 14 第3章 多段液压机械无级变速器控制系统 第3章 多段液压机械无级变速器控制系统 3.1 多段液压机械无级变速器控制原理3.1 多段液压机械无级变速器控制原理 对于液压机械无级变速器的控制，按照加速踏板与发动机的结构关系，控制 系统可分为柔性控制结构和刚性控制结构两种类型。 柔性结构无级传动控制是指加速踏板与发动机油门没有机械连接的结构。加 速踏板是一个反映驾驶员意图的传感器，它的不同位置对应不同的车速要求，控 制系统根据车速要求结合负载情况，计算出发动机所需的功率，然后根据的发动 机工作路线确定发动机的目标转速、最佳油门开度。直接通过控制变速器传动比 的变化来改变车速。为使发动机达到目标转速，控制系统根据发动机的实际转速 和根据最佳燃油经济性曲线或最佳动力曲线来控制油门开度，直至达到所需的最 佳油门开度。这样的控制系统实现发动机的最佳燃油经济性或最佳动力性。 刚性结构无级传动控制系统是加速踏板与油门之间有固定的机械连接。控制 系统不直接控制油门，系统结构简化，动作可靠。在这种无级传动控制系统中， 驾驶员直接操纵发动机，加速踏板位置反应油门的开度。处理器根据加速踏板位 置得到油门开度，以最佳燃油经济性曲线或最佳动力曲线计算在此油门开度下的 发动机目标转速，控制发动机的实现目标转速，调节变速器的传动比，实现整车 变速。 刚性结构的无级传动控制系统并不是严格意义上的“完全自动控制”，但可 以通过优化控制参数，变换工作模式的方法来兼顾整体的动力性和经济性；而采 用柔性结构理论上讲是一种最优化的控制方案，但工程实现存在现实的困难。实 际应用的控制系统以刚性结构为主。 对于东方红1302r拖拉机多段液压机械无级变速器，驾驶员通过油门调节手 柄来调节调速齿条位置，控制器不直接控制油门开度。这与刚性结构无级传动控 制系统是相同的。但由于液压机械无级变速器在不同传动比下，效率波动较大， 又因不同驱动力下滑转效率的影响，导致拖拉机整车效率在不同工况下的显著差 别，因此以稳定发动机最佳工作点为目标控制变速器，难以使整车性能最佳。 为改变此状况，东方红1302r拖拉机液压机械无级变速器控制系统采用以拖 拉机整车效率最佳为控制目标，其具体控制原理是：变速器电子控制单元 （ecu）采集发动机油门位置、输出转速信号、变速器液压泵的斜盘倾角、变速 器的变速段位，根据发动机输出特性，确定发动机的输出功率、输出转矩，计算 河南科技大学硕士学位论文 15 出变速箱的传动比、驱动力。依据驾驶员的设定和控制器内置的调速和换段策 略，得到整车效率最高时的理想传动比，把此传动比转换为与之相对应的变速器 的段位和液压泵的斜盘倾角，通过调节系统调节变速器的段位和液压泵的斜盘倾 角自动连续改变变速器的传动比，从而改变行车速度和发动机工作点，使发动机 工作在动力性比较理想的工作区域，并使拖拉机整车效率最高17-22。 3.2 多段液压机械无级变速器控制系统组成 3.2 多段液压机械无级变速器控制系统组成 采用电液控制技术开发多段液压机械无级变速器的控制系统，该系统由电气 控制单元、液压控制单元两部分组成。如图3-1所示： 图3-1液压机械无级变速器控制系统基本组成 fig.3-1 basic construction of the control system of hmcvt 1.电气控制单元 (1)信号输入单元 信号输入单元主要包括各种传感器、控制开关。信号输入单元的任务是向电 子控制单元（ecu）输入驾驶员的意图和反映整个系统状态的信息，以便于电控 单元分析、判断，发出相应的指令。主要输入信号有： 油门位置，反映发动机功率大小和驾驶员行驶速度意图； 发动机转速，反映发动机工作状态和输出转矩； 变速器输入轴转速，反映变速器输入速度； 变速器输出轴转速，反映车辆行驶速度； 多段液压机械无级变速器 比例阀 驱动 普通电磁阀 驱动 液压源 液压调速 机构 机械变 速机构 控制台 电子控制单元（ecu） 发动机 联轴器 油门 油门大小 发动机转速 变速箱输入转速 pwm 驱动信号 驱动信号 转速信号 转速信号 转速信号 模拟信号 速度输出 动力输出 第3章 多段液压机械无级变速器控制系统 16 液压马达转速，反映变量泵马达系统变速特性； 变速规律开关和变速模式开关，反映驾驶员的意图。 滑摩离合器油压，反映离合器接合状态。 (2)信号输出单元 信号输出单元驱动液压控制系统实现变速器变速，主要包括： 液压比例阀控制信号，实现变量泵马达调速，与滑摩离合器的结合； 换段电磁阀控制信号，实现离合器结合或脱开； 人机交换信号，显示速度，泵排量等信号。 (3)电子控制单元（ecu） 电子控制单元（ecu）是控制系统的心脏，由输入输出信号处理电路，中央 处理器组成。该控制单元采集发动机油门位置和输出转速大小信号，根据发动机 输出特性，确定发动机的输出功率、输出转矩和工作点，依据驾驶员的设定和车 辆的行驶状态，根据控制器内置的变速和换档策略，自动连续改变变速器的传动 比，从而改变车速和发动机工作点，使拖拉机整车效率最高。 2.液压控制单元 液压控制单元完成电子控制单元发出的控制信号驱动变速器泵马达与离合器 动作，实现液压机械无级变速器变速。主要由变量泵定量马达控制油路和换段控 制油路组成。 3.3 多段液压机械无级变速器控制器的传感器选择 3.3 多段液压机械无级变速器控制器的传感器选择 多段液压机械无级变速器信号输入系统的传感器包括输入、输出轴转速传感 器，液压马达转速传感器，液压马达油压传感器，滑摩离合器油压传感器，油温 传感器，油门位置传感器，离合器位置传感器。对于这些传感器的选择，要求检 测精度高，响应速度快，抗干扰能力强，具有良好的环境适应性和稳定性，并且 应结构紧凑、便于安装23。 温度传感器检测液压油温。目前测温器件比较多，如热电偶、热敏电阻、 pn结和石英晶体温度传感器等。ad590集成温度传感器具有标准化输出，测量 精度高，测温范围宽（-55150）并且ad590是两端式恒流器件，不会因线 路压降或感应噪声电压产生大的温差，适合远距离传送，所以系统采用ad590集 成温度传感器进行温度测量24。 压力传感器主要用于检测液压系统油压。当前在液压系统中广为使用的压力 传感器主要有电阻式、压阻式和压电式等型式。压阻式压力传感器是利用金属导 体或半导体材料受到压力作用而产生的压阻效应，将压力变化变换成电阻的变 河南科技大学硕士学位论文 17 化，进而通过对电阻变化的测试而实现对压力的测试，具有灵敏度高、准确度 高、频率响应快、结构简单、体积小、安全可靠、寿命长等特点。mpm280系列 压阻式压力传感器采用了温度补偿技术，体积小、性能好、响应时间小于1ms、 便于安装，具有很好的可靠性和重复性，能用来在环境恶劣、有腐蚀性和导电性 的流体中测量压力。并能远距离输出压力信号，便于模数转换及数字化处理，所 以根据压力测量范围选用mpm280-14型压力传感器25。 转速测量传感器用于检测自动变速器输入、输出轴转速和液压马达转速。霍 尔效应电磁传感器属于非接触式传感器，能对磁场的微小变化做出响应，不受灰 尘的影响，可靠性高，并且对较低的转速也能可靠地测量。系统的转速测量传感 器中选用北京波谱公司s12型传感器。 位移传感器用于测量油门位置、微动开关位置和转向盘位置。在车辆电控系 统中常采用电位器式传感器，这种传感器位移变化与电位变化成正比，线性度 好，结构简单。选择高精度旋转电位器wdd35d-4作为位置信号传感器。 3.4 多段液压机械无级变速器液压控制单元 3.4 多段液压机械无级变速器液压控制单元 多段液压机械无级变速器液压控制单元是整个控制系统的执行机构，完成电 子控制单元（ecu）发出的指令。整个单元主要分为变量泵定量马达变速控制油 路和换段控制油路。为了避免控制油路相互干扰而造成压力波动，采用两个控制 油路独立设计的方法以保证控制效果27 ，28。 3.4.1 变量泵定量马达变速控制油路 3.4.1 变量泵定量马达变速控制油路 变量泵定量马达变速控制油路的作用是控制液压马达转速，实现变速器的无 级变速，保证变速器准确的工作在换挡规律确定的速度点上。该控制油路的液压 原理图如图3-2所示。图中prv1- prv5是溢流阀，dv1-dv7是单向阀，dv8是单 向节流阀，sl9是电液比例阀，c1是冷却器，l1是滤油器，pump是补油液压 泵，vpump是变量泵，motor是定