李鮮花，肖茂華，王從軍

（1.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；3.空軍裝備部駐安順地區(qū)軍事代表室，貴州 安順 561000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家土地流轉(zhuǎn)政策的實(shí)施，農(nóng)村具有勞動能力的人口逐漸轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)化人口，勞動力的減少以及土地規(guī)范化的整合促使農(nóng)業(yè)機(jī)械化快速發(fā)展。國家對農(nóng)業(yè)和農(nóng)民的支持力度不斷加大，調(diào)動了農(nóng)民生產(chǎn)積極性，大馬力、中馬力拖拉機(jī)在市場上需求增加。同時(shí)，我國“雙碳戰(zhàn)略”的實(shí)施也對拖拉機(jī)動力性能的穩(wěn)定和環(huán)保節(jié)能提出了更高的要求[1-2]。

液壓機(jī)械無級變速器（Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）是一種由液壓和機(jī)械兩個(gè)系統(tǒng)組成的傳動裝置，通過液壓無級調(diào)速、機(jī)械有級調(diào)速的并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)變速器速度的無級變化，該裝置擁有無級調(diào)速和傳動效率高的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。該變速器的操縱性優(yōu)越，燃油經(jīng)濟(jì)性好，適用于長期工作于復(fù)雜工況下的大馬力拖拉機(jī)[5-6]。行星排齒輪嚙合機(jī)構(gòu)是HMCVT的核心匯流機(jī)構(gòu)，也是功率匯流耦合的主要傳動零件，其主要部件包括太陽輪、齒圈、行星輪。功率匯流機(jī)構(gòu)齒輪工作環(huán)境復(fù)雜，不停變化的負(fù)載和轉(zhuǎn)速使得齒輪齒面極易受到載荷沖擊[7-8]。行星排機(jī)構(gòu)在此環(huán)境下長期運(yùn)轉(zhuǎn)極易使齒輪失效形式加重，縮減齒輪使用壽命，并影響功率匯流平穩(wěn)性[9-10]。本文通過系統(tǒng)動力學(xué)軟件AMESim和動力學(xué)分析軟件Adams的聯(lián)合仿真，研究了拖拉機(jī)HMCVT的換段過程中行星齒輪嚙合動力學(xué)特性。同時(shí)選取了離合器換段瞬間的沖擊數(shù)據(jù)，研究了HMCVT不同的換段時(shí)序下，行星齒輪嚙合沖擊動力學(xué)特性，可為后續(xù)行星排齒輪柔性化優(yōu)化設(shè)計(jì)和變速器減振、降噪提供理論參考。

1 HMCVT方案及工作原理

HMCVT傳動方案的原理如圖1所示，該方案主要由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。輸入動力通過齒輪副i1、i2和i3分成液壓流和機(jī)械流兩路動力，液壓流動力經(jīng)過泵控馬達(dá)系統(tǒng)傳遞，機(jī)械流動力經(jīng)過齒輪副傳遞。兩路動力流依靠雙行星排K1、K2實(shí)現(xiàn)匯流，最后經(jīng)機(jī)械傳動輸出。此變速器設(shè)計(jì)為多段位變速器，各段位之間通過離合器C0～C3的開合完成換段，工作原理如表1所示。

圖1 HMCVT傳動原理圖

表1 HMCVT傳遞方案工作原理

2 仿真建模

2.1 HMCVT整機(jī)模型

如圖2所示，在AMESim動力學(xué)軟件中建立HMCVT整機(jī)模型。該模型包含機(jī)械系統(tǒng)傳動、變量泵-定量馬達(dá)系統(tǒng)。其中，通過溢流閥調(diào)節(jié)泵控-馬達(dá)系統(tǒng)油壓，連續(xù)信號控制供油方向和排量變化。

圖2 HMCVT AMESim整機(jī)模型

2.2 行星排動力學(xué)建模

在Creo2.0建立HMCVT行星排三維模型，保存成parasolid格式，導(dǎo)入Adams軟件。根據(jù)實(shí)際情況在模型中添加運(yùn)動副和運(yùn)動約束，設(shè)置驅(qū)動完成仿真模型，動力學(xué)仿真模型如圖3所示。

圖3 K1行星排仿真模型

3 仿真分析

通過AMESim和Adams聯(lián)合仿真，選取離合器換段瞬間太陽輪、齒圈的沖擊數(shù)據(jù)，研究HMCVT處于不同的換段時(shí)序下行星齒輪嚙合沖擊規(guī)律。

3.1 AMESim仿真分析

AMESim仿真參數(shù)設(shè)置如下：排量比e=1，負(fù)載500 N·m，轉(zhuǎn)速750 r/min，油壓5 MPa，調(diào)速閥流量5 L/min，模擬時(shí)序換段總時(shí)長10 s。第5 s時(shí)切換段位，HMCVT由HM1段切換至HM2段。AMESim仿真結(jié)果如圖4所示，太陽輪的轉(zhuǎn)速在離合器結(jié)合初期逐步上升達(dá)到平穩(wěn)，換段時(shí)出現(xiàn)一定的降低，換段結(jié)束后又趨于平穩(wěn)。隨著換段時(shí)序的增加，太陽輪轉(zhuǎn)速降低的時(shí)間提前。齒圈的轉(zhuǎn)矩在離合器結(jié)合初期出現(xiàn)陡增，而后隨著時(shí)間增加趨于平穩(wěn)。同時(shí)，換段時(shí)齒圈受到的沖擊突然增大，然后轉(zhuǎn)矩降低，換段結(jié)束后又趨于平穩(wěn)。隨著換段時(shí)序的增加，齒圈轉(zhuǎn)矩突變范圍也增大。

圖4 不同換段時(shí)序AMESim仿真參數(shù)

3.2 Adams仿真分析

由圖4的AMESim仿真結(jié)果可知，在第5 s或提前換段，太陽輪轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)矩變化的范圍在4 s～6 s之間。考慮到行星排系統(tǒng)動力傳遞的延遲和慣性，選取4 s～6.5 s共2.5 s時(shí)長換段瞬間的數(shù)據(jù)作為Adams的邊界條件。圖5和圖6分別為0.5 s、0.8 s時(shí)序換段行星輪內(nèi)、外嚙合力變化情況。在不同的換段重疊時(shí)序下，行星排齒輪內(nèi)、外嚙合力均突然增大，行星排受到?jīng)_擊，重疊時(shí)序增大，行星排受沖擊范圍也變寬，沖擊力也變大。由表2可知，換段時(shí)序增加，行星排齒輪內(nèi)、外嚙合力平均值、最大值以及最小值均增大。上述仿真結(jié)果表明，離合器換段時(shí)序的不同，行星排中齒輪的嚙合力也不同，并且隨著重疊時(shí)序的增加嚙合力增大，輪齒間磨損加劇，行星排振動加劇。

表2 不同換段時(shí)序行星輪內(nèi)、外嚙合力變化

圖5 不同換段時(shí)序行星輪內(nèi)嚙合力

圖6 不同換段時(shí)序行星輪外嚙合力

4 結(jié)論

運(yùn)用AMESim和Adams聯(lián)合仿真分析拖拉機(jī)HMCVT換段過程，并選取離合器換段瞬間太陽輪轉(zhuǎn)速、齒圈轉(zhuǎn)矩的沖擊數(shù)據(jù)，研究HMCVT的不同換段時(shí)序下行星齒輪嚙合沖擊規(guī)律。仿真結(jié)果表明，離合器換段時(shí)序不同，行星排齒輪嚙合力也不同，并且隨著重疊時(shí)序的增加嚙合力增大，輪齒間磨損加劇，行星排振動加劇。輪齒齒面磨損會縮短齒輪使用壽命，加大斷齒風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，行星排振動會傳遞到變速器箱體，引起箱體的振動并產(chǎn)生噪聲。因此，在保證變速器換段的平順性和效率的情況下，降低換段重疊時(shí)序有助于達(dá)到減振、降噪和延長齒輪使用壽命的效果。