基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究.pdf

2023年8 月第54卷第8 期农业报机械学doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.08.037基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究闫祥海1,2魏海江刘孟楠赵俊峰3张静云1,2徐立友1.2（1.河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳47 10 0 3；2.智能农业动力装备全国重点实验室，洛阳47 10 0 3；3.洛阳东方众成离合器有限公司，洛阳4530 0 3）摘要：围绕拖拉机动力换向离合器充油流量易受温度、回位弹簧刚度和预紧力等因素影响，液压油在加注及工作过程中易受空气污染，导致液压油空气含量增加的工程应用问题，探究了不同充油流量及曝气程度对动力换向性能的影响。以换向时间、冲击度、滑摩功和磨损量为评价指标对换向性能进行了评估，以期提高拖拉机动力换向品质、工作效率和传动系使用寿命。以东方红LF2204型拖拉机TX4A传动系为研究对象，建立了考虑充油流量和曝气程度的动力换向过程数学模型，基于ADAMS、M a t l a b/Si m u l i n k 和AMESim平台分别建立了换向离合器机械模型、控制模型和液压模型，对拖拉机I挡作业时前进挡切换为倒退挡的工况进行了仿真分析与台架试验验证。仿真结果表明：当液压油曝气程度为0.1%，充油流量分别为16、14L/min时，与2 0 L/min流量相比，换向时间分别增长20%和43%，变速器最小输出转矩分别下降2 6%和52%，滑摩功分别上升33%和7 8%，最大冲击度分别下降11%和18%，最大磨损量分别上升2 4%和44%。当充油流量为2 0 L/min，曝气程度分别为1%和5%时，与0.1%曝气程度相比，换向时间分别增长2 6%和8 5%，变速器最小输出转矩分别下降0.4%和0.8%，滑摩功分别上升38%和163%，最大冲击度分别下降57%和50%，最大磨损量分别上升47%和16 3%。台架试验结果表明：试验数据与仿真试验数据变化趋势基本保持一致，误差都在5%之内，最大误差出现在充油流量为2 0 L/min、曝气程度为5%时，主要原因是油液自身脉动对传感器产生冲击影响，以及比例阀受油液气泡影响，输出精度降低。关键词：拖拉机；动力换挡变速器；充油流量；曝气程度；换向性能中图分类号：S219文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）0 8-0 38 1-13OSID：Dynamic Change Direction of Tractor Based on Oil Filling Flowand Aeration DegreeYAN Xianghail.2WEI HaijiangLIU Mengnan?2ZHAO Junfeng3ZHANG Jingyun1,2XU Liyoul.2(1.College of Vehicle and Traffic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China2.State Key Laboratory of Intelligent Agricultural Power Equipment,Luoyang 471003,China3.Luoyang Oriental Zhongcheng Clutch Co.,Ltd.,Luoyang 453003,China)Abstract:The effects of different oil flow rates and aeration degree on the performance of power reversingwere studied.The oil flow rate of tractor power reversing clutch is easily affected by temperature,returnspring stiffness and preload force,and the air content of hydraulic oil is easily polluted during filling andworking.The reversing performance was evaluated by using reversing time,impact,slip work and wear toimprove the quality of the tractors power reversing,working efficiency and service life of the drive train.Taking the TX4A drive train of Dongfanghong LF2204 tractor as the research object,the mathematicalmodel of the dynamic reversing process considering the oil filling flow and aeration degree wasestablished.The mechanical model,control model and hydraulic model of the reversing clutch wereestablished based on ADAMS,Matlab/Simulink and AMESim.Simulation analysis and bench test werecarried out under the condition that the forward gear changed to the backward gear when the tractor wasworking in I gear.The simulation results showed that when the hydraulic oil aeration degree was 0.1%收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 33修回日期：2 0 2 3-0 5-2 3基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 2 2 YFD2001203、2 0 2 2 YFD 2 0 0 12 0 1B）、农业关键核心技术CG项目（NK202216010103）和智能农业动力装备全国重点实验室开放项目（SKT2022001、SK LIA PE2 0 2 30 0 6）作者简介：闫祥海（19 8 5一），男，副教授，博士，主要从事农业机械控制系统及性能验证研究，E-mail：9 9 0 516 7 h a u s t.e d u.c n通信作者：徐立友（19 7 4一），男，教授，博士生导师，主要从事车辆传动理论与控制技术研究，E-mail：x l y o u h a u s t.e d u.c n2023年农382机业报学械and the oil filling flow rate was 16 L/min,and 14 L/min,compared with the flow rate of 20 L/min,thecommutation time was increased by 20%and 43%,the transmission minimum output torque wasdecreased by 26%and 52%,the slip work was increased by 33%and 78%,the maximum impactdegree was decreased by 11%and 18%,maximum wear was increased by 24%and 44%,respectively.When the oil flow rate was 20 L/min and the aeration degree was 1%and 5%,compared with theaeration degree of 0.1%,the commutation time was increased by 26%and 85%,the minimum outputtorque of the transmission was decreased by 0.4%and 0.8%,the slip work was increased by 38%and163%,the maximum impact degree was decreased by 57%and 50%,and maximum wear was increasedby 47%and 163%,respectively.The bench test results showed that the variation trend of the test datawas basically consistent with that of the simulation test data,and the error was within 5%.The maximumerror occurred when the oil filling flow rate was 20 L/min and the aeration degree was 5%.The mainreason was that the oil pulsation itself had impact on the sensor,and the proportional valve was affectedby oil bubbles,which reduced the output accuracy.Key words:tractor;power shift transmission;oil filling flow;degree of aeration;reversing performance0引言目前，利用产品建模、多领域动态协同仿真、机电液联合控制仿真等技术对拖拉机传动系进行设计优化和性能评估已成为拖拉机传动系智能化设计的重要手段 。例如，WANG等2 利用AMESim液压模型分析了采埃孚动力换挡变速箱的液压缓冲阀。廖湘平等3 利用AMESim平台研究了新型液粘调速离合器对减少工程车辆起步冲击的作用。桂林等4 利用Pro/E和ADAMS对拖拉机齿轮系统设计与仿真进行了研究。郝希阳等5 利用AMESim和ADAMS对拖拉机电控液压悬挂系统进行了仿真。周杰等6 利用ADAMS对轮式拖拉机进行了研究。以上研究表明，将联合仿真技术应用到传动系设计中，可以减少仿真与试验间的误差。由于拖拉机动力换挡变速箱（Powershifttransmission,PST)中离合器充油流量易受温度、回位弹簧刚度和预紧力等因素的影响，液压油在加注及工作过程中易受空气污染导致液压油曝气程度增加，使系统动力学参数发生波动变化，拖拉机换向过程中动力性、平顺性和舒适性变差7-1。陆凯等12 建立了带有不匹配干扰的非线性湿式离合器数学模型。鲍明喜等13 分析了离合器流量调节阀对离合器减压阀压力的影响。吴健鹏等14 建立了离合器电液比例减压阀和离合器供油系统的数学模型，研究了不同的PWM输入信号对离合器充油特性的影响。闫宏伟等15 对不同空气含量对液压系统动态特性影响进行了研究。赵一荣16 对拖拉机动力换向冲击进行了分析和优化。陈旭东17 对拖拉机动力换向动态控制进行了研究。以上研究集中于对液压系统特性的研究。针对动力换向性能、离合器充油流量及曝气程度关系的研究较少，部分研究通过电液仿真平台对其中一种关系进行分析，不能充分表达其动力学和液力学性能。本文将东方红LF2202型拖拉机TX4A传动系作为研究对象，基于ADAMS、M a t l a b/Simulink和AMEsim平台，通过机电液联合仿真，对拖拉机I挡作业前进挡切换为倒退挡工况下，离合器不同充油流量和不同曝气程度对换向品质的影响进行仿真分析与验证评价。1拖拉机PST结构与数学建模1.1PST结构由于拖拉机作业环境恶劣、工况复杂，换向性能影响因素较多，对拖拉机复杂连续的多质量、多自由度系统作如下简化18 ：假设拖拉机传动系统是由无惯性的弹性环节和无弹性的惯性环节构成。忽略由同步器移动和离合器接合分离引起的轴横向移动。忽略齿轮啮合弹性和轴承与轴承座的弹性。简化后拖拉机PST可视为一个离散系统，其结构原理如图1所示，图中T发动机输出转矩,NmTl、T 2、T e 3、T e 4离合器C1、C2、C3、C4传递的转矩,NmT。-后轴传递的转矩,NmT.车轮受到的阻力矩，NmI一发动机曲轴、飞轮、输人实心轴及其关联齿轮及离合器C1、C2 主动盘当量转动惯量,kgm离合器C1从动盘、实心轴与离合器C3主动盘当量转动惯量，kgm1离合器C2从动盘、实心轴与离合器C4主动盘当量转动惯量，kgm离合器C3从动盘及I挡主动齿轮当c3量转动惯量，kgm383第8 期闫祥海等：基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究T3TEHHHHOC1C3mm6mTTTTc224inHHOHHRho一C2C4Tb。F图1拖拉机PST结构原理图Fig.1Tractor PST structure schematic1.4离合器C4从动盘与实心轴及其关联齿轮当量转动惯量，kgm变速器中间轴及其关联齿轮当量转动惯量,kg?mIm变速器输出轴及其关联齿轮、主减速器主动部分当量转动惯量，kgmI主减速器从动部分、差速器、半轴、轮边减速器齿轮及车轮当量转动惯量，kgmI整车等效到车轮的当量转动惯量，kgmI.一倒退挡传动轴及其关联齿轮当量转动惯量,kg?m。发动机曲轴角速度,rad/sWc10c2Wc3c4离合器C1、C2、C3、C4从动盘角速度,rad/sm变速器输出轴角速度，rad/s拖拉机半轴角速度，rad/s车轮角速度，rad/sko-拖拉机半轴与轮胎的当量扭转刚度，Nm/radb。拖拉机半轴与轮胎的旋转阻尼系数，Nms/rad6.一发动机输出轴的旋转阻尼系数，Nms/radi、i s、i 41挡、3挡、4挡传动比i、i、o、i 正向齿轮、副变速器、主减速器、轮边减速器传动比T离合器F传递的转矩，NmT,离合器R传递的转矩，Nmii2倒挡齿轮传动比动力换挡区段到动力换向区段中轴、齿轮惯量等效到实心轴的当量转动惯量,kgm实心轴角速度，rad/sin变速器中间轴角速度,rad/s1.2动力换向原理动力换向指在拖拉机前进和倒退切换时传递动力不中断，其在拖拉机中尤为重要，因为在拖拉机作业中需频繁往返作业。在一些典型作业工况下，拖拉机需要正向与反向运动同时满足作业要求，提高作业质量和效率19 。图2 为拖拉机动力换向原理图，动力换向通过离合器F、R之间的接合分离切换实现，前进作业时离合器F闭合，R断开，动力通过传动轴、离合器毂、钢片和摩擦片传递到前进挡从动齿轮。由前进挡切换为倒退挡时，控制单元（TCU）发出换向控制信号控制电磁阀切换位置，离合器F开始泄油，在回位弹簧力的作用下，摩擦片和钢片开始滑磨直至完全分离，同时离合器R开始充油，油液推动活塞挤压回位弹簧，在液压力推动下，摩擦片和钢片开始滑磨直至完全接合，动力由前进挡从动齿轮切换到倒退挡从动齿轮，此时换向完成，在倒退行驶时离合器F断开，R闭合45687冷却油冷却油换向电磁阀控信号TCU910图2拖拉机动力换向原理图Fig.2Schematic of tractor power commutation1.安全阀2.传动轴3.前进挡从动齿轮4.摩擦片5.钢片6.活塞7.离合器毂8.倒退挡从动齿轮9.电磁换向阀10.液压泵1.3动力换向过程动力学分析（1）换向开始动力学方程变速器控制单元发出换向指令，待接合的离合器电磁阀通电，接合离合器R开始充油至离合器临384农2023年机业报学械界摩擦点（kisspoint），分离离合器F开始以最大速度减小油压至刚好不打滑。动力学方程为dae(T-w.b.)i-n(1)+2dtT。Tix(le+lea)(itiij)?+li(iif)+domm.2(2)mdtdowToi,-T.,=I.(3)dtT。=k o(0。-0,i,)+b o(o-Ww i,)(4)式中。-后轴转动角,rad车轮转动角，rad（2）换向过程中动力学方程待接合离合器R按指定油压变化率增大油压至停止打滑，分离离合器F则按照一定油压变化率减小油压，离合器开始打滑至kisspoint点时停止打滑。接合离合器R油压加速上升直至设定油压，分离离合器F油压逐渐降至零。此时传递的转矩使车辆开始反向运动，接合离合器从动盘转速也开始向主动盘转速靠近，即将进入同步阶段。动力学方程为Tdo(T,-w.b)il(5)+2dtT。(Tf+T,）i(la+la)(itii,)+1。dam2+1+(6).2dt式中Tfe、T r e 离合器F、R在滑摩时传递的转矩,Nm（3）换向结束动力学方程接合离合器R油压升至工作油压后保持不变，分离离合器F油压为0，接合离合器主、从动件转速开始同步上升至工作转速，换向结束。动力学方程为Tda(T,-w,b.)itin(7)i.i2.2dtT。T.i=(l,+les)(itiiti,)daom+1,i2+I,i2.2(8)1+mdt1.4湿式离合器数学建模湿式离合器滑摩时，传递的转矩为其中式中T一离合器摩擦转矩,NmT,=sign(Aw.)apSzR.(9)2R-R。=3R?-72(10)ud动摩擦因数S摩擦副有效作用面积，mP摩擦副间正压力，Pa离合器主、从动件角速度差，rad/sZ摩擦副对数R。等效半径,mR、r-一摩擦片外、内半径，m湿式离合器完全接合时，传递的转矩为Temax=,pSzR。(11)式中一静摩擦因数1.5电液比例阀数学建模离合器需要充油时，电液比例阀接通，实现快速充油，使得油压刚好克服离合器回位弹簧的压力。在滑摩阶段，控制电液比例阀的流量实现离合器油压的精确控制。需要放油时，只需控制比例阀位置，使得离合器油缸的液压油回流至油箱2 0 。（1）主阀芯力平衡方程忽略阀芯受到的瞬态液动力和干摩擦力等，比例电磁阀通电后，阀芯受到电磁力、弹簧力、稳态液动力、惯性力和阻尼力等。主阀芯力平衡方程为Fg-P.A,=m,x,+D,x,+Fsp+K,x+F,(12)其中F,=K,(u-K,x,)(13)F,=-2C,C,A,cos0,P。(0 x,h,)0(h,x,xd+h,)2C,C,A,cos0,(p,-p。)(h,+xax,xsm)(14)A.(x,)=nA(d,h,-x,)(15)LA,(x,)=nA(d,x,-h,-xa)A(d,x)=)-2(1-%)/号-()1arccos4(16)式中ms比例阀阀芯质量，kgD,比例阀阀芯黏性阻尼系数,Ns/mK,-比例阀回位弹簧刚度,N/mF电磁力，NgF一比例阀回位弹簧初始压力，NSPP.供油压力,PaP。比例阀出口压力，PaA.-比例阀阀芯作用面积，m主阀芯位移，mF一稳态液动力，NK电磁铁驱动系数，N/VK,速度反电动势系数，Vs/m385闫祥海等：基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究第8 期输人电压，Vh,一一主阀卸油口初始开口量，mXd一主阀阀芯进油口遮盖量，mCd节流孔流量系数C比例阀主阀芯流速系数e.比例阀主阀节流口射流角，radsm主阀阀芯最大位移，mA,比例阀进油口节流面积，mA。比例阀卸油口节流面积，mn圆孔式节流孔数量d圆孔式节流孔直径，m圆孔式节流口开口量，m（2）比例阀压力一流量方程流人比例阀的流量为q,=/21p.-Psign(p,-p.)C,A,(h,+xax,xsm)Psm0(h,x,xa+h,)21p。(0 x,4)(22)式中M离合器活塞等效质量，kgD,活塞粘性阻尼系数,Ns/mA,活塞作用面积，mKl活塞回位弹簧刚度,N/m活塞位移,m滞后系数Flo活塞回位弹簧预压力，NF。活塞离心油压作用力，NF活塞密封环摩擦力，NscalFcl摩擦片压紧力，NPi离合器油缸压力，Pa离合器油缸角速度，rad/sR,离合器活塞内半径,mR2一离合器活塞外半径，mRoi离合器进油道旋转半径，mseal一离合器活塞密封环摩擦因数b一离合器活塞密封环宽度，mK,摩擦片等效刚度,N/m-摩擦片kisspoint点位置,m一（2）离合器油缸压力一流量方程流人离合器油缸的流量为Td21P。-Plqi=sign(p。-p t)Ca(23)4P式中油缸进油口直径，m（3）离合器油缸流量平衡方程不考虑离合器密封件的泄漏，比例阀流人离合器油缸的流量，其中一部分填充油缸容积变化，另一部分补偿油液压缩变化量，其余经离合器油缸卸油口流出，即(V%+A,x)(1-Jgas)(V%+A,x,)Jgasq/=Pi+EgasA,x(24)式中Vo一一离合器油缸初始容积,m31.7发动机数学模型研究表明，发动机输出转矩与转速及油门位置呈现一定的函数关系，其关系式可表示为T。=f(a,n。)(25)式中发动机油门位置ne发动机转速，r/min2023年农386机业报械学2动力换向离合器与传动系统联合仿真2.1联合仿真模型建立基于Matlab/Simulink 的 SFu n c i t o n 模块、ADAMS的Controls模块和AMESim的Interface模块构建动力换挡拖拉机传动系统联合仿真模型，利用Matlab/Simulink软件计算换向过程中离合器油缸压力达到期望值时电磁比例阀所需要的电压，将计算结果传递给AMESim软件对电磁比例阀进行控制，再将离合器油缸实际压力反馈到Matlab/Simulink软件中进行优化控制，AMESim软件将计算出的常啮合主动齿轮转速、倒退挡离合器油缸活塞受力、前进挡离合器油缸活塞受力、后退挡从动齿轮转速和前进挡从动齿轮转速传递到ADAMS软件中的换向离合器进行转矩计算，ADAMS软件将计算出的常啮合主动齿轮转矩、倒退挡从动齿轮转矩和前进挡从动齿轮转矩反馈到AMESim软件，完成换向仿真，模型如图3所示。供油系统比例阀组液压油属性发动机负载fmu换挡离合器动力换挡区段油压控制系统换向离合器Matlab/SimulinkADAMS模型模型图3动力换挡拖拉机传动系统联合仿真模型Fig.3Co-simulation model of transmission system of power shifting tractor设置曝气程度为0.1%，离合器R充油阶段的充油流量分别为2 0、16、14L/min；离合器R充油流量为2 0 L/min，液压油曝气程度分别为0.1%、1%和5%，对上述两组参数进行仿真。选取拖拉机I挡作业时前进挡换为倒退挡时的工况，油门开度为10 0%。仿真主要参数如表1所示。2.2换向品质评价指标换向品质指拖拉机动力换向过程的平顺程度，引人冲击度、滑摩功和磨损量对换向特性进行评估。(1)换向时间换向时间是指从TCU控制单元发出换向指令到完成换向所需时间(2)冲击度冲击度j表现为拖拉机纵向加速度的变化率。冲击度越大，驾驶员顿挫感越明显，换向平顺性越差，计算式为dadj(26)dtdt式中拖拉机车速，m/sa拖拉机纵向加速度，m/st-拖拉机纵向加速度变化时间，s(3）滑摩功湿式离合器主、从动件由开始接合到两者同步转速的过程中，处于滑磨状态，产生滑摩功We，计算式为WfeT,(w.-w.)dt(27)一式中t滑摩结束时间，s离合器主动部分角速度，rad/s离合器从动部分角速度，rad/sC387闫祥海等：基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究第8 期表1联合仿真模型主要参数Tab.1Key parameters in co-simulation model参数数值供油压力p,/MPa2液压油密度p/(kgm=3)850液压油体积弹性模量E/Pa1.7 109比例阀工作电压u/V010电磁阀速度反电动势系数K,/（Vsm-1）0.04电磁铁驱动系数K/(NV-1)15.524主阀芯质量m,/kg0.02主阀芯最大位移xsm/mm3.13主阀芯弹簧刚度K,/（Nm-1）1500主阀芯弹簧预压力Fsp/N55主阀圆形节流口直径d/mm3比例阀主阀腔容积Vso/m32.6 10 5换向离合器活塞等效质量M,/kg0.65换向离合器活塞外半径R,/mm68.5换向离合器活塞内半径Rz/mm30换向离合器弹簧刚度Kcl/（Nm-）16700换向离合器弹簧初始力F,/N1450换向离合器活塞kisspoint点位置/m2 103换向离合器进油口直径d/mm5换向离合器油缸初始容积V/m32.38 10=4换向离合器摩擦片片数5离合器动摩擦因数d0.06离合器静摩擦因数山：0.12主动部分转动惯量lin/（k g m）1从动部分转动惯量I/（k g m）2.1驱动轮半径/m0.95中央传动比3.8轮边减速比4.55最终传动比12.35(4)磨损量湿式离合器主要是依靠摩擦片和对偶钢片两者产生的摩擦力传递转矩和动力，用单次换向磨损深度来表征磨损量Y，体现湿式离合器的磨损性能，计算式为VWY(28)A,HH式中V一磨损体积，mAn接触面积,mk一磨损系数W一作用在摩擦力上的法向载荷，N一H摩擦材料的布氏硬度,MPaPn载荷压强,MPaL滑动距离，m2.3仿真结果分析通过仿真结果分析换向过程中离合器F、R的油压变化规律，离合器F、R从动盘转速变化情况，离合器F、R传递转矩的变化情况，以及换向过程中拖拉机冲击度、滑摩功和磨损量的变化情况。曝气程度为0.1%，充油流量分别为2 0、16、14L/min的仿真结果如图4 9 所示，图中，P、P,表示离合器F、R的油压，MPa;nnvn,表示离合器F、R的主动件转速，r/min;n、n z 表示离合器F、R的从动件转速，r/min;T表示变速器输出转矩，Nm。2.52.01.5P.-20L/min,P,1.0-16L/min,P,-14 L/min,P,0.501234567时间/s图4离合器油压变化曲线Fig.4Clutch oil pressure change curves1500r1000F-20 L/min,nn.a.16L/min,npn,500(-uu.)/转.14Lmin,nnvn,-20 L/min,np0.16L/min.,np14L/min,np-20 L/min,n,2-500-16 L/min,n,2.14 L/min,n2-1000-1500工01234567时间/s图5转速变化曲线Fig.5Speed change curves500r400(uN)/转300-20 L/min,T,20016 L/min,T,14L/min,T,10020 L/min,T.16L/min,T.14 L/min,T01234567时间/s图6转矩变化曲线Fig.6Torquechange curves由图4可以看出，整个换向过程中，离合器F待分离，离合器R待接合，在离合器R的预充油流量分别为2 0、16、14L/min时，离合器R因为充油流量的减小，从开始充油到克服回位弹簧与预紧力的时间也逐渐增大，在第1秒时油压从零开始上升，分别经过0.4、0.7、1.0 s预充油结束，油压都升至0.5MPa,然后进入调压阶段，分别在2.6 4、3.0 0、2023年农388机报业学械30-20L/min20-16L/min:14 L/min100-10-20-3001234567时间/s图7冲击度变化曲线Fig.7Impact change curves20000r-20 L/min.16 L/min15000一:14 L/min10000500001234567时间/s图：滑摩功变化曲线Fig.8Sliding and friction power change curves1.5x10-5-20 L/min-16 L/min;-14 L/min1.0 x10-55.0 x10-600.51.01.52.0油压/MPa图9磨损量变化曲线Fig.9Wear change curves3.38s时升至2 MPa。3.38s时升至2 MPa。由图5、6 可知，离合器R的充油流量分别为20、16、14L/m i n 时，离合器F、R共用一个常啮合主动齿轮，所以离合器F、R主动件转速相同，均为1325r/min，换向开始时，离合器F、R主动件分别在第1.4、1.7、2.0 秒时转速开始下降至10 8 4r/min，同时离合器R的从动件转速上升，逐渐接近主动件转速10 8 4r/min，转速差为零后两者同时升至工作转速132 5r/min时完成换向，换向时间分别为2.35、2.8 1、3.37 s。在第1.4、1.7、2.0 秒时，离合器R传递的转矩开始增大，分别在2.6 4、3.0 0、3.38 s时升至450 Nm后保持不变，当离合器R主、从动件转速进入同步阶段后，转矩根据发动机输出转矩进行调整，使之接近30 0 Nm。变速器最小输出转矩分别为2 47、18 4、118 Nm，流量越小，拖拉机换向动力性也越差。由图7 9 可以看出，在离合器R的充油流量分别为2 0、16、14L/min时，最大冲击度分别为2 8、25、2 3m/s。充油时间过短，在液压油的作用下会产生较大的冲击度，冲击力过大的情况下甚至会造成摩擦片基体损坏。对应的滑摩功分别为11158、14812、19 8 38 J,因为转矩传递路线较长，滑摩功相对较大，如果因摩擦产生的热量过多，会造成摩擦片与从动片烧结在一起，引起动力换向装置失效。磨损量随着油压和滑动距离的增大而增大，最大磨损量分别为1.0 0 7 9 10-5、1.2 50 8 10-5、1.4538 10 s mm。充油流量分别为16、14L/min时，与2 0 L/min相比，换向时间分别增长2 0%和43%，变速器最小输出转矩分别下降2 6%和52%，滑摩功分别上升33%和7 8%，最大冲击度分别下降11%和18%，最大磨损量分别上升2 4%和44%。结果表明充油流量在16 2 0 L/min之间时，动力换向的平顺性、动力性和舒适性较好。充油流量为2 0 L/min，曝气程度分别为0.1%、1%和5%的仿真结果如图10 15所示。2.52.0-0.1%,PB/1.51%,P,5%,P1.00.1%,P,1%,P5%,P,0.5101234567时间/s图10不同曝气程度下离合器油压变化曲线Fig.10Clutch oil pressure curves under different aerations-0.1%nnn,-.1%.n n,-.-5%.nnna-0.1%,n.-5%.n2-0.1%,n,2-.-1%,n2-5%,n215001000(i-uru.1)/单转5000-500-1000-150001234567时间/s图11不同曝气程度下转速变化曲线Fig.11Speed change curves under different aeration degrees由图10 可以看出，在充油流量为2 0 L/min，液压油曝气程度分别为0.1%、1%和5%时，离合器R的油压在第1秒时从零开始上升，分别经过1.6、1.8、2.5s 后油压升至2 MPa,离合器F的油压在第1秒时从2 MPa开始下降，分别经过2.0、2.5、3.7 s后,油压降至0 MPa。由图11、12 可知，在充油流量为2 0 L/min，液压油曝气程度分别为0.1%、1%和5%时，换向开始389闫祥海等：基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究第8 期-0.1%,T,-1%,T,-5%,T0.1%,T,-1%,T-5%.T5000.1%,T.-1%,T.-.-5%,T400(UN)/联30020010001234567时间/s图12不同曝气程度下转矩变化曲线Fig.12Torque change curves under different aeration degrees30-0.1%.1%20.5%(s.w)/100-10-201-3001234567时间/s图13不同曝气程度下冲击度变化曲线Fig.13Impact change curves under different aeration degrees30-0.1%251%.:5%201510501234567时间/s图14不同曝气程度下滑摩功变化曲线Fig.14Sliding and friction power change curves underdifferent aeration degrees3x10-5-0.1%1%5%2x10-5uu/一1/1x10-500.51.01.52.0油压/MPa图15不同曝气程度下磨损量变化曲线Fig.15Wear change curves under different aeration degrees时,离合器F、R主动件转速分别在第1.4、1.7 秒时由132 5r/min开始下降至10 8 4r/min，液压油曝气程度为5%时，离合器F、R主动件转速在2.2 s时由1325r/min开始下降至10 50 r/min。离合器F转速开始下降时，离合器R的从动件转速上升，逐渐接近主动件转速，转速差为零后两者同时升至工作转速132 5r/min时完成换向，换向时间分别为2.45、2.95、4.35s。在第1.4、1.7、2.2 秒时，离合器R传递的转矩开始增大，分别在2.6、2.8、3.5s时升至450Nm后保持不变，当离合器R主、从动件转速进人同步阶段后，转矩根据发动机输出转矩进行调整，使之接近30 0 Nm。变速器最小输出转矩分别为247、2 46.2 45 Nm。由图13 15可以看出，在充油流量为2 0 L/min，液压油曝气程度分别为0.1%、1%和5%时，对应的滑摩功分别为11158、1540 2、2 9 444J液压油中的气体是可压缩的，曝气程度越高，可压缩性越大，响应速度越慢，滑摩功越大。最大冲击度分别为2 8、12、14m/s，液压油曝气程度越大，冲击度会明显变小，但是曝气程度增大到一定值时，振荡次数会明显增加，冲击度也会激增。最大磨损量分别为1.0 0 7 9 10-s1.481 310,2.648810 mm。曝气程度分别为1%和5%时，与0.1%相比，换向时间分别增长2 6%和8 5%，变速器最小输出转矩分别下降0.4%和0.8%，滑摩功分别上升38%和16 3%，最大冲击度分别下降57%和50%，最大磨损量分别上升47%和16 3%。维持液压油曝气程度不超过1%可以有效提高传动系使用寿命。3试验验证为了验证模型的准确性，利用试验平台测试了不同充油流量与曝气程度下的换向离合器性能。换向离合器性能试验台的结构框图如图16 所示，主要由被测样机、动力系统、液压泵站、油压传感器、负载模拟系统、控制与数据采集系统等组成，图17 为台架实物图。异步液压空气比例阀比例阀电机油泵压缩机转速转速变频转矩惯量盘离合器转矩惯量盘负载泵电机传感器传感器图16试验台结构框图Fig.16Test bench structure block diagram动力系统采用西门子变频电机模拟发动机输入转速和转矩，负载模拟系统采用惯量盘和负载泵。变频电机与换向离合器输出轴上均安装转矩、转速传感器。离合器控制油压与负载泵模拟阻力矩所需油压均由液压泵站提供，空气压缩机连接在液压油泵与比例阀之间，将空气压缩为小气泡按比例输入到油管中，模拟液压系统的曝气程度。农3902023年机业报械学转速转矩传感器比例阀液压泵站负载泵变频电机惯量盘换向离合器转速转矩惯量盘传感器图17台架实物图Fig.17Physical diagram of test bed变频电机输出转速设为132 5r/min，负载转矩为30 0 Nm，供油压力为2 MPa，油液温度为6 0，其它参数与2.1节的仿真输人保持一致，在不同充油流量与曝气程度下，测量主、从动端转矩