采棉机液压机械无级变速器设计与分析

张鹏程，倪向东，梅卫江，彭晓睿

（石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

摘 要：根据液压机械无级变速器能够以小功率的液压元件传递大功率转矩的特性，设计了一种新型的采棉机等差式液压机械无级变速器，该液压机械无级变速器起步采用纯液压段，前进作业段为等差两区段。基于变速器的等差连续性，确定了变速器总体传动方案；采用离合器与制动器相配合的方式实现变速器的控制逻辑，对变速器传动系统参数进行了设计，并分析了液压机各区段传动特性。分析表明：该液压机械无级变速方案能够实现采棉机的作业速度连续均匀变化且在采收作业工况有较高的效率。

关键词：液压机械无级变速器；传动方案；速比分析；传动特性

1 引言

采棉机作业环境恶劣，外界负荷波动频繁、波动范围较大，在作业工况内长时间大负荷工作、传递功率大且速度较低，在运输工况作业时负荷较小、行驶速度快，这要求采棉机变速器能够在恶劣的工作条件下适时地变化转速和转矩以适应实际负荷的不断变化。利用液压机械无级变速器（Hydro-mechanicalContinuouslyVariable Transmission，简称HMCVT）能够以小功率的液压元件实现传动系统无级变速的特性来满足采棉机的变速传动系统的工作要求。德国某大学的AliH.Shaker对液压机械无级传动的结构形式、传动特性和控制方式等进行了较深入的研究，美国的Wenbo Wang运用MATLAB/Simulink/Stateflow工具箱建立HMCVT动力学模型，对其运动学规律以及各段之间的速比关系进行了分析，对功率流向、传动控制方案、控制策略进行了研究。近年来，围绕着液压机械无级变速器关键技术及其在农业动力机械上的应用，河南科技大学、南京农业大学等展开了研究，但其研究主要集中在大马力履带式拖拉机上，适用于采棉机等农业收获机械的应用未见报道。

2 HMCVT总体传动方案的确定

采棉机在田间进行收获作业时，凭设定的初始速度进行恒速作业，随着生产率及作业率的提高，采棉机初采作业工况下速度一般为5.6左右，复采作业工况下速度一般为7.8左右。公路运输时，采棉机的行驶速度一般为25。以市场上销量较大的各种采棉机为例：贵航4MZ-5A行采棉机最大采收速度为7.63、最大运输速度为20，凯斯2155型、2555型采棉机最大采收速度为6.9、最大运输速度为20，约翰迪尔7660型采棉机最大采收速度为8.1、最大运输速度为27.4，约翰迪尔9970型采棉机最大行驶速度为7.2、最大运输速度为25.1。

该液压机械无级变速器适配于中型自走式采棉机，配套发动机的功率为66.19kW、发动机额定转速为2200r/min。采棉机驱动轮轮胎采用（16.9～38）（驱动轮当量半径为78.74mm）规格的农业轮胎。根据采棉机使用工况及作业要求，采棉机的最高行驶速度要求达到25km/h，最低达到5km/h。采棉机的后桥传动比为3.8，采棉机的轮边减速传动比为5.6。采棉机采用存液压段起步，前进段设计为两段等差液压机械段。

由变量泵、定量马达构成液压机械无级变速器的液压机构实现液压容积调速。采用双排行星齿轮对液压流、机械流进行汇流。行星排K1、行星排K2、固定轴齿轮副i1、离合器C1、C2和制动器brake组成液压机械无级变速器的机械流传动系统，其中i1为动力分流机构，行星排K1、行星排K2行星排构成动力汇流机构。液压机械无级变速器的传动方案图，如图1所示。

图1 液压机械无级传动方案图
Fig.1The Structure and Transmission Principle of HMCVT

方案设计的的液压机械无级变速器由纯液压H区段、低速液压机械HM1区段、高速液压机械HM2区段等三个区段组成。采用离合器和制动器相配合的方式实现液压机械无级变速器的换段和控制，各区段的控制逻辑，如表1所示。纯液压区段用于采棉机的起步和实现倒车，省去了主离合器，简化了结构。液压机械段分别由离合器及制动器控制，根据离合器的结合、断开状态以及制动器的工作状态和变量泵与定量马达排量比量比变化，实现变速箱的无级变速。

表2 液压机械无级变速器控制逻辑
Tab.2Control Logic of HMCVT

段（档）位 离合器、制动器序号及状态C1 C2 brake前进 H 分离 分离 锁死HM1结合 分离 松开后退 H 分离 分离 锁死HM2分离 结合 松开

当变速器处于纯液压H区段时，此时K2行星排齿圈锁死，K2行星排齿圈转速为0，动力经液压系统调速后传递到K2行星排太阳轮，经K2行星排行星架向后输出。当变速器处于液压机械HM1区段时，此时K1行星排起汇流作用。动力分两路，一路经液压系统调速后传递到K1行星排太阳轮，另一路传递到K1行星排行星架，动力经汇流后经K2行星排行星架向后输出。当变压器处于液压机械HM2区段时，此时K2行星排起汇流作用。动力分两路，一路经液压系统调速后传递到K2行星排太阳轮，另一路传递到K2行星排齿圈，动力汇流后经K2行星排行星架向后输出。

3 HMCVT传动系参数的设计

3.1 HMCVT各区段输出转速分析

ε为液压泵和液压马达的排量之比（取值范围为（-1～1））。此时纯液压H区段变速器输出速度等于此时K2行星排行星架转速，液压机械HM1区段变速器输出速度等于此时K1行星排齿圈转速，液压机械HM2区段变速器输出速度等于此时K2行星排行星架转速。根据液压机械无级变速器的传动原理，推导出变速器各区段输出速度如下：

式中：nt1、nt2—K1、K2行星排的太阳轮转速；k1、k2—K1、K2排行星轮系中内齿圈和太阳轮的齿数之比；i1、i2、i3—i1、i2、i3齿轮副传动比；n0—发动机转速；nbH、nbHM1、nbHM2—纯液压H区段、液压机械HM1区段、液压机械HM2区段变速器输出速度。

3.2 HMCVT等差传动参数分析

要满足机械液压无级变速器各区段传动比等差传递，根据等差式传动的定义，等差式液压机械无级变速器的传动特性可表

式中：σ—液压机械无级变速器传动系统的公差。

根据设计的液压机械无级变速器的变速传动系统的机构，要实现液压机械无级变速器的等差连续传动需满足：

由式（2）、式（3）得出液压机械无级变速器的等差传动条件为：

等差式液压机械无级变速器速度变化均匀，且其输出的最大转矩一般为一恒定值，输出的功率随输出速度的增大也随之增大。等差式液压机械无级变速器减少了变速操纵的环节，简化了变速器的结构，降低了换段控制的复杂程度。

3.3 HMCVT连续换段参数分析

要实现多段式液压机械无级变速输出转速的连续变化应该满足各段传动比首尾相连：换段时在前后相邻的两个区段变速器的传动比应相等；换段时在前后相邻的两个区段液压系统中变量泵的排量比应相等。根据换段条件，由式（1）、式（2）可确定液压H区段与液压机械HM1区段连续条件为：

根据换段条件，由式（2）、式（3）可确定液压机械HM1区段与液压机械HM2区段连续条件为：

由上述液压机械无级变速在各区段等差且连续换段的条件下的参数关系，得到各个齿轮副的传动比分别为：

4 HMCVT传动特性分析

4.1 变速器各区段传动比随排量比的变化特性

拖拉机采用存液压H区段起步，此时离合器离合器C1、C2均分离，制动器brake锁死，动力经K2行星排行星架向后输出，变量泵的排量比的变化范围是（0～1）；当变量泵的排量比达到1时，控制变速器换段，此时离合器C1结合、C2离合器分离，制动器松开brake，液压机械无级变速器进入前进HM1区段，动力经K2行星排行星架向后输出，此时变量泵的排量比的变化范围为（1～-1）；同理，当变量泵的排量比变为-1时，控制变速器换段，液压机械无级变速器进入前进HM2区段，此时变量泵的排量比的变化范围为（1～-1）。液压机械无级变速器各区段传动比随排量比的变化特性，如图2所示。液压机械无级变速各区段的传动比随变量泵定量马达的排量比连续变化，满足了采棉机变速器连续无极变化的要求。

图2 变速器各区段传动比随排量比的变化特性
Fig.2Character of Speed and Displacement Ratio of HMCVT

4.2 采棉机行驶速度与排量比的变化关系

方程（1）～方程（3）反映了变速箱的无极调速特性，当发动机转速处于2200r/min时，采棉机的行驶速度与排量比关系，如图3所示。在发动机转速2200r/min的工况下，本设计方案实现了采棉机行驶速度均匀变化，有利于提高采棉机舒适性、换挡平顺性，改善采棉机的行驶特性。

图3 发动机转速2200r/min时行驶速度
Fig.3Characteristic Curve of Cotton Picker Speed Variation with the Engine Speed of 2200r/min

4.3 变速器无级变速扭矩特性分析

对于设计的等差两段式HMCVT，其行星轮系汇流排太阳轮转矩与液压马达输出轴转矩相等。由行星齿轮机构中太阳轮、齿

对于液压机械HM1区段，液压机械HM1区段变速器输出轴转矩：MbHm1=Mq1i2，其中Mq1=Mtk1=Mmk1

可得液压机械HM1区段变速器输出轴转矩与液压马达输出轴转矩之比：

同理，可得液压机械HM2区段、纯液压区段输出轴转矩，液压机械HM2区段、纯液压H区段输出轴转矩变速器输出轴转矩与液压马达输出轴转矩之比：

式中：Mt、Mq、Mj—太阳轮、齿圈、行星架转矩；MbHm2、MbH—液压机械HM2区段、纯液压H区段输出轴转矩；Mm—马达输出轴转矩。

方案设计的变速器在H区段、HM1区段、HM2区段变速器输出轴转矩与液压马达转矩之比分别为3.56，14.06，3.92。变速器在各区段工作时，转矩输出恒定与排量比变化无关。在采棉机的采摘作业区段HM1区段，采棉机能够输出较大的转矩以适应恶劣的作业工况。

4.4 变速器无极变速液压功率分流比特性

对于液压机械HM1区段，液压分流比ρ1：

式中：ρ、pm、pb—HMCVT液压功率分流比、变速器液压路的输出功率、变速器总输出功率。

分流比ρ越小，则液压路的功率越少，机械路的功率越多，由于机械流传递的效率比较高，变速器的传动效率就越高。液压机械无级变速器HM1区段、HM2区段传动比随排量比的变化特性，如图4所示。

图4 变速器各区段液压功率分流比
Fig.4The Power Split Ratio of HMCVT

由变速器在HM1区段、HM2区段分流比随排量比变化特性曲线可以看出，系统在HM1区段较HM2区段拥有更高的效率，HM1区段是采棉机的采收作业区段较高的效率有利于提高采棉机的动力性和经济性。

5 结论

（1）根据采棉机的作业工况提出了等差两段式液压机械无级变速器的设计方案，采用制动器和离合器相配合的方式实现液压机械无级变速器的换段和控制，有效得简化了结构，经过验证该设计方案实现了采棉机作业速度在各工况下的无级实现。（2）根据设计方案得到了液压无级变速器行星排的特性参数，提出了从液压段到液压机械段以及各液压机械段之间的换段条件，该换段条件保证了液压机械无级变速器的换段平顺性、连续性。

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Design and Characteristic Analysis of Hydro-Mechanical Continuous Variable Transmission of Cotton Picker

ZHANG Peng-cheng，NI Xiang-dong，MEI Wei-jiang，PENG Xiao-rui
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Xinjiang Shihezi 832003，China）

Abstract：According to hydro-mechanical continuous variable transmission （HMCVT） can automatically use low power hydraulic components to transfer high torque the change of transmission ratio，A new arithmetic type HMCVT of cotton picker was designed to meet the different working conditions of the cotton picker.The new HMCVT starting with pure hydraulic segment，the forward section adopted two arithmetic proportion sections.Based on the continuity of the arithmetic transmission，the overall drive transmission scheme was determined，using the combination of clutch and brake to realize control logic of HMCVT.The parameters of the transmission have been designed，the transimission characteristics was analyzed.The analysis showed that the HMCVT solution can not only realize the continuously speed among every phrase，but also can get excellent efficiency in picking operating mode.

Key Words：HMCVT；Drive Scheme；Speed Ratio Analysis；Ransimission Characteristics

中图分类号：TH16

文献标识码：A 

文章编号：1001-3997（2017）10-0064-03

来稿日期：2017-04-08

基金项目：科技计划（2015AG005）

作者简介：张鹏程，（1991-），男，河南平舆人，硕士研究生，主要研究方向：汽车现代设计理论与方法；

倪向东，（1974-），男，上海人，博士研究生，副教授，主要研究方向：机械系统动力学及传动研究