CN104198180A - 液压机械无级变速箱试验台架 - Google Patents

Abstract

一种液压机械无级变速箱试验台架，包括机械系统和测控系统，所述机械系统包括作为动力源的发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置，所述待测试的液压机械无级变速箱的输入轴和输出轴与发动机和负载模拟装置之间分别设有转矩转速传感器；所述测控系统包括工控机、动力装置测控模块、变速箱测控模块、负载模拟测控模块和测控软件，所述测控软件根据测试要求通过工控机对发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置发出控制信号，对工控机采集到的各项参数进行处理，形成测试结果。有益效果：本发明能够通过对测量参数的分析，完成对变速箱液压泵、离合器及负载模拟装置的控制，以完成待测变速箱台架试验的工况模拟。

Description

液压机械无级变速箱试验台架

技术领域

本发明涉及一种试验台架，特别涉及一种液压机械无级变速箱试验台架。

背景技术

液压机械无级变速是一种采用双流传动的新型无级变速方式，利用液压传动实现无级变速，利用机械传动实现高效变速，结合换挡机构，可实现传动比大范围内的变换，在大功率拖拉机上具有良好的应用前景，对其进行试验分析具有工程上的现实意义。但现在大多数的试验台架都是针对单流传动变速箱，较典型的有机械传动试验台架和静液压传动实验台架。设计一种用于检验液压机械无级变速箱性能的实验台架具有现实意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够完成液压机械无级变速箱性能测试、过程参数测量以及工况模拟的液压机械无级变速箱试验台架。

技术方案：一种液压机械无级变速箱试验台架，包括机械系统和测控系统，所述机械系统包括作为动力源的发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置，所述待测试的液压机械无级变速箱的输入轴和输出轴与发动机和负载模拟装置之间分别设有转矩转速传感器；所述测控系统包括工控机、动力装置测控模块、变速箱测控模块、负载模拟测控模块和测控软件，所述动力装置测控模块包括动力装置测控器、油门执行器和发动机参数测量设备；所述变速箱测控模块包括变速箱测控器、变速箱控制单元和变速箱参数测量设备；所述负载模拟测控模块包括负载模拟测控器、负载模拟控制单元和负载参数测量设备；所述转矩转速传感器通过模数转换器A/D将待测试的液压机械无级变速箱的输入轴和输出轴的转矩和转速参数反馈给工控机；所述工控机将动力输出信号传递给动力装置测控器，动力装置测控器通过油门执行器控制发动机油门开度，发动机参数测量设备将发动机的各项参数通过动力装置测控器反馈给工控机；所述工控机通过变速箱测控器输出变速箱控制信号，变速箱控制信号通过数模转换器D/A将数字信号转换成模拟控制信号传输给变速箱控制单元，通过变速箱控制单元操控实现待测试的液压机械无级变速箱的无级变速；变速箱参数测量设备将待测试的液压机械无级变速箱的各项性能参数通过模数转换器A/D转换成数字信号汇总至变速箱测控器，变速箱测控器将汇总的数字信号反馈给工控机；所述工控机通过负载模拟测控器和负载模拟控制单元操控负载模拟装置实现负载的模拟，负载参数测量设备将负载的各项参数通过负载模拟测控器反馈给工控机；所述测控软件根据测试要求通过工控机对发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置发出控制信号，对工控机采集到的各项参数进行处理，形成测试结果。

本发明各部件分别由工控机、动力装置测控模块、变速箱测控模块和负载模拟测控模块进行控制管理，最终由工控机集中管理和操纵。为保证试验台数据传输的速率与可靠性，选用车辆系统标准总线CAN来完成试验台与操作人员的信息交互、实验数据分析处理和试验部件的驱动控制工作，并对整个实验台系统的工作过程和状态进行监控。

工控机通过3块CAN接口卡分别与动力装置测控器、变速箱测控器和负载模拟测控器相连接，动力装置测控器与CAN接口卡1相连，由于试验时多用于监控，发动机运行具有相对稳定性，该卡工作在低波特率下。变速箱测控器与CAN接口卡2相连，由于变速箱各参数对精确性和实时性要求较高，采用高波特频率状态。负载模拟测控器单独接入CAN接口卡3，工作在高波特频率下，保证测控系统的数据更新速率，并提高了抗干扰性。动力装置测控器、变速箱测控器和负载模拟测控器需要工控机实时地下发控制参数，完成试验，而发动机参数测量设备、变速箱参数测量设备、负载参数测量设备以及转矩转速传感器等测试参数需实时上传工控机，是整个测控系统的关键。 

优先项，为了更加准确的模拟变速箱的实际工况，所述负载模拟装置包括依次串联的电涡流测功机、磁粉测功机和盘式制动器；所述负载模拟测控器通过转矩转速传感器对电涡流测功机和磁粉测功机信号进行反馈，通过输入励磁电流完成对电涡流测功机和磁粉测功机的控制；所述工控机直接发出控制信号，控制信号通过数模转换器D/A将数字信号转化为模拟信号控制电液比例阀，电液比例阀为盘式制动器提供轴向操纵力使盘式制动器产生转矩。

本发明负载模拟装置由电涡流测功机、磁粉测功机和盘式制动器串联而成，用以模拟拖拉机运行时的行驶阻力和牵引阻力，吸收变速箱传递的功率。起步时，由于电涡流测功机、磁粉测功机无制动力矩，由工控机直接控制的盘式制动器液压系统为制动器提供轴向压力，使盘式制动器产生转矩，完成车辆起步时的阻力模拟；低速时，电涡流测功机性能较差，由磁粉制动器和盘式制动器共同完成低速时阻力转矩的模拟；当转速升高到电涡流测功机的工作范围之内，控制系统控制电涡流测功机完成阻力转矩的模拟。负载模拟测控器通过转矩转速传感器对电涡流测功机和磁粉测功机信号进行反馈，通过输入励磁电流完成对测功机的控制。盘式制动器则由工控机直接通过电液比例阀控制制动油压进行操纵。

优先项，为了保证试验的顺利进行，所述机械系统还包括冷却系统、制动器液压油恒温系统、供电系统和支撑装置；所述冷却系统包括发动机冷却系统、待测试的液压机械无级变速箱冷却系统、电涡流测功机冷却系统和磁粉测功机冷却系统；所述供电系统为整个试验台架供电，所述支撑装置包括发动机固定支架、待测变速箱固定支架、负载模拟装置固定支架和测控系统固定支架。

优先项，为了完成实际工况中对发动机目标转速的设定，所述发动机包括加速踏板，所述加速踏板通过角位移传感器将其位置变化规律反馈给动力装置测控器，最后汇总至工控机；所述工控机根据采集到的加速踏板的位置变化规律通过油门执行器控制发动机的油门开度。工控机可以根据采集到的实际工况时加速踏板的位置变化规律准确、稳定的控制发动机油门开度。

优先项，为了准确的控制发动机油门开度，所述油门执行器包括具有反馈功能的有限转角力矩电机，电机带动发动机油门拉杆来调节发动机的油门开度。能够快速、准确地将发动机油门位置稳定在工控机设定的位置上。

优选项，为了更加准确的完成变速箱各性能参数的测试，所述待测试的液压机械无级变速箱包括换挡机构、液压调速系统和行星排同步机构；所述换挡机构包括换挡机构离合器；所述液压调整系统包括变量泵和定量马达；所述行星排同步机构包括行星齿轮离合器；所述变速箱控制单元包括电磁换向阀、比例压力阀和电液比例阀，所述电磁换向阀驱动换挡机构离合器，所述比例压力阀驱动行星齿轮离合器，所述电流比例阀驱动变量泵的排量；所述变速箱参数测量设备包括换挡机构离合器油压传感器、行星齿轮离合器油压传感器、液压系统油压传感器、液压系统流量传感器、定量马达输出轴转矩转速传感器和变量泵输入轴转矩转速传感器。

优选项，为了实现纯液压档起步延长变速器的使用寿命，所述换挡机构包括液压机械档换挡机构和纯液压档换挡机构，所述液压机械档换挡机构包括液压机械档换挡机构离合器，所述纯液压档换挡机构包括纯液压档换挡机构离合器，所述液压机械档换挡机构离合器和纯液压档换挡机构离合器同时由电磁换向阀驱动。

有益效果：1、能够实时测量液压机械系统以及静液压系统的转矩、转速，为液压机械系统和静液压系统的功率和效率的分析提供依据。实时测量泵的排量和离合器油压，为变速箱换挡分析和优化提供实验依据。

2、通过测功机和制动器的组合，真实模拟了车辆行驶过程中不同情况下随机产生的行驶阻力及牵引阻力，在负载模拟装置控制器的作用下，为液压机械无级变速箱提供全转速范围内的试验载荷，并使系统具有良好的可控性，实现了液压机械无级变速箱的动态加载。

3、本发明具有自动控制能力，试验台各部件由各测控器进行控制和管理，最终由工控机集中管理和操纵。操作者按动操作按钮，系统在工控机的控制下，根据试验目的，选定相应的试验方案，控制动力装置和负荷加载装置，并根据要求调整变速箱的传动比，自动完成实验过程。

4、工控机除对数据的采集与处理外，可将数据打印输出，并通过辅助系统对试验台状态进行监控，具有报警系统和过载保护。

5、除机械系统外，大量采用虚拟仪器，减少了试验设备，各种信号的测量通过Labview实现，提高了测量的准确性和测试速度，降低了试验成本。

附图说明

图1为本发明的控制原理图；

图2为本发明待测试的液压机械无级变速箱的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，踩动加速踏板，并根据工控机发出控制指令，动力装置测控器驱动油门执行器带动发动机转动，并通过传感器，实现动力装置的闭环控制。动力装置工况经动力装置测控器反馈到工控机，同时判断是否在系统设定的范围内，当不满足时，做出警告提示；满足时，试验开始。

1.系统效率试验

系统效率试验的目的是验证液压机械传动的高效以及液压机械传动效率高于纯液压传动。

影响变速箱效率的因素很多，由于发动机大多工作在中高转速，在发动机输入转速为1500rpm、2000rpm工况下研究具有现实意义，负载模拟装置所加载荷分别为400N·m和600N·m，两两组合，形成四种典型工况。每种工况通过改变排量比和离合器的接合状况，即变速箱不同的传动比条件下作出效率曲线图。

以发动机输入转速为1500rpm，负载模拟装置所加载荷分别为400N·m为例。变速箱各档位（一个纯液压档和三个液压机械档）各取5个测量点，纯液压档初始传动比一般取变速箱最小传动比的20倍。通过加载装置将载荷加到400N·m，通过调整变量泵排量和离合器的接合状态，将传动比调至最大，通过油门执行器调节发动机油门开度，使之输出转速为1500rpm。待系统运转稳定后，根据变速箱和液压系统转矩转速传感器采集的数据，记录相关试验数据。改变传动比至下个测试点，保持发动机转速和负载模拟装置所加载荷数据不变，重复以上工作。

利用试验所测量的数据，绘制出变速箱效率和传动比变化的关系曲线。实验结果表明：液压机械传动具有较高的传动效率，纯液压传动效率低于液压机械传动。

2. 变负载定油门试验

最佳传动比试验的目的是验证负载变化时，变速箱与发动机的匹配问题，当外负载变化时，可通过调节变速箱的传动比使发动机工作在最佳经济性工作曲线上，从而得到稳定的输出转速。

根据车辆参数，计算得到传动系统的最大负载，取最大负载的20%作为最小负载，试验时，每增加5%最大负载，采集一次数据，进行观测。

以20%最大负载为例，通过负载模拟装置加载荷至20%最大负载，然后通过控制变量泵排量和换挡离合器，改变变速箱的传动比，使发动机工作在最佳经济性工作点，通过转矩转速传感器记录变速箱输入、输出转速。改变负载至下一个观测点，重复以上工作。

利用试验所测量的数据，绘制出变速箱输出转速和外负载转矩变化的关系曲线。实验结果表明：当负载变化时，通过改变变速箱传动比，可得到变速箱稳定的转速，此转速使发动机工作在最佳经济性曲线上。

3. 变油门定负载试验

发动机变油门试验的目的是验证变速箱与发动机的匹配问题，当发动机油门变化时，可通过调节变速箱的传动比使发动机工作在最佳经济性工作曲线上，从而得到稳定的输出转速。

保持负载模拟装置载荷400N·m不变，系统在发动机油门开度40%情况下平稳运转后，每增加油门开度5%，采集一次数据，连续调节油门开度至100%，并保持发动机沿最佳燃油经济性曲线运行。

利用试验所测量的数据，绘制出发动机和变速箱输出转速转矩曲线。实验结果表明：发动机转速随油门开度增加而升高，随着变速箱传动比的自动改变，变速箱输出转速平稳增加，实现连续变速。变速箱负载转矩保持相对稳定，发动机输出转矩有较大波动。

4.换挡试验

影响变速箱换挡的因素主要有：发动机输入转速，负载模拟装置的加载载荷，离合器主油路油压和离合器充油流量。

检验发动机输入转速对换挡因素的影响。首先通过工控机设定离合器主油路油压为4MPa，离合器充油流量为4L/min，负载模拟装置加载载荷为400 N·m。试验时，先使纯液压档离合器闭合，而后调节发动机踏板，使输入轴转速稳定在1500rpm，继而通过控制液压机械档各离合器的接合和分离，对变速箱不同档位时各排量比下的输出转速进行测试，通过变速箱测控器将收集的数据传到工控机，显示输出。改变发动机转速至1750 rpm和2000 rpm，重复以上工作。

检验负载模拟装置加载载荷对换挡因素的影响。首先通过工控机设定离合器主油路油压为4MPa，离合器充油流量为4L/min，发动机输入转速为1750 rpm。试验时，先使纯液压档离合器闭合，而后调节负载模拟装置，使负载模拟装置加载载荷为300 N·m，继而控制液压机械档各离合器的接合和分离，对变速箱不同档位时各排量比下的输出转速进行测试，通过变速箱测控器将收集的数据传到工控机，显示输出。改变负载模拟装置加载载荷至400 N·m和500 N·m，重复以上工作。

检验离合器主油路油压对换挡因素的影响。首先通过工控机设定离合器充油流量为4L/min，负载模拟装置加载载荷为400 N·m，发动机输入转速为1750 rpm。试验时，先使纯液压档离合器闭合，而后调节离合器主油路油压，使离合器主油路油压稳定在3MPa，继而控制液压机械档各离合器的接合和分离，对变速箱不同档位时各排量比下的输出转速进行测试，通过变速箱测控器将收集的数据传到工控机，显示输出。改变离合器主油路油压至4MPa和5MPa，重复以上工作。

检验离合器充油流量对换挡因素的影响。首先通过工控机设定离合器主油路油压为4MPa，负载模拟装置加载载荷为400 N·m，发动机输入转速为1750 rpm。试验时，先使纯液压档离合器闭合，而后调节离合器充油流量，使离合器离合器充油流量稳定在3L/min，继而控制液压机械档各离合器的接合和分离，对变速箱不同档位时各排量比下的输出转速进行测试，通过变速箱测控器将收集的数据传到工控机，显示输出。改变离合器充油流量至4 L/min和5 L/min，重复以上工作。

Claims (7)

1.一种液压机械无级变速箱试验台架，包括机械系统和测控系统，其特征在于：所述机械系统包括作为动力源的发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置，所述待测试的液压机械无级变速箱的输入轴和输出轴与发动机和负载模拟装置之间分别设有转矩转速传感器；所述测控系统包括工控机、动力装置测控模块、变速箱测控模块、负载模拟测控模块和测控软件，所述动力装置测控模块包括动力装置测控器、油门执行器和发动机参数测量设备；所述变速箱测控模块包括变速箱测控器、变速箱控制单元和变速箱参数测量设备；所述负载模拟测控模块包括负载模拟测控器、负载模拟控制单元和负载参数测量设备；所述转矩转速传感器通过模数转换器A/D将待测试的液压机械无级变速箱的输入轴和输出轴的转矩和转速参数反馈给工控机；所述工控机将动力输出信号传递给动力装置测控器，动力装置测控器通过油门执行器控制发动机油门开度，发动机参数测量设备将发动机的各项参数通过动力装置测控器反馈给工控机；所述工控机通过变速箱测控器输出变速箱控制信号，变速箱控制信号通过数模转换器D/A将数字信号转换成模拟控制信号传输给变速箱控制单元，通过变速箱控制单元操控实现待测试的液压机械无级变速箱的无级变速；变速箱参数测量设备将待测试的液压机械无级变速箱的各项性能参数通过模数转换器A/D转换成数字信号汇总至变速箱测控器，变速箱测控器将汇总的数字信号反馈给工控机；所述工控机通过负载模拟测控器和负载模拟控制单元操控负载模拟装置实现负载的模拟，负载参数测量设备将负载的各项参数通过负载模拟测控器反馈给工控机；所述测控软件根据测试要求通过工控机对发动机、待测试的液压机械无级变速箱和负载模拟装置发出控制信号，对工控机采集到的各项参数进行处理，形成测试结果。

2.根据权利要求1所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述负载模拟装置包括依次串联的电涡流测功机、磁粉测功机和盘式制动器；所述负载模拟测控器通过转矩转速传感器对电涡流测功机和磁粉测功机信号进行反馈，通过输入励磁电流完成对电涡流测功机和磁粉测功机的控制；所述工控机直接发出控制信号，控制信号通过数模转换器D/A将数字信号转化为模拟信号控制电液比例阀，电液比例阀为盘式制动器提供轴向操纵力使盘式制动器产生转矩。

3.根据权利要求2所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述机械系统还包括冷却系统、制动器液压油恒温系统、供电系统和支撑装置；所述冷却系统包括发动机冷却系统、待测试的液压机械无级变速箱冷却系统、电涡流测功机冷却系统和磁粉测功机冷却系统；所述供电系统为整个试验台架供电，所述支撑装置包括发动机固定支架、待测变速箱固定支架、负载模拟装置固定支架和测控系统固定支架。

4.根据权利要求1所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述发动机包括加速踏板，所述加速踏板通过角位移传感器将其位置变化规律反馈给动力装置测控器，最后汇总至工控机；所述工控机根据采集到的加速踏板的位置变化规律通过油门执行器控制发动机的油门开度。

5.根据权利要求1或4所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述油门执行器包括具有反馈功能的有限转角力矩电机，电机带动发动机油门拉杆来调节发动机的油门开度。

6.根据权利要求1所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述待测试的液压机械无级变速箱包括换挡机构、液压调速系统和行星排同步机构；所述换挡机构包括换挡机构离合器；所述液压调整系统包括变量泵和定量马达；所述行星排同步机构包括行星齿轮离合器；所述变速箱控制单元包括电磁换向阀、比例压力阀和电液比例阀，所述电磁换向阀驱动换挡机构离合器，所述比例压力阀驱动行星齿轮离合器，所述电流比例阀驱动变量泵的排量；所述变速箱参数测量设备包括换挡机构离合器油压传感器、行星齿轮离合器油压传感器、液压系统油压传感器、液压系统流量传感器、定量马达输出轴转矩转速传感器和变量泵输入轴转矩转速传感器。

7.根据权利要求6所述的液压机械无级变速箱试验台架，其特征在于：所述换挡机构包括液压机械挡换挡机构和纯液压档换挡机构，所述液压机械挡换挡机构包括液压机械挡换挡机构离合器，所述纯液压档换挡机构包括纯液压档换挡机构离合器，所述液压机械挡换挡机构离合器和纯液压档换挡机构离合器同时由电磁换向阀驱动。