学术总结报告

作者与发表信息：

本文由 Hanzheng Dai、Lirong Wan (通讯作者)、Qingliang Zeng、Zhenguo Lu、Zhiyuan Sun 和 Wenting Liu 等学者完成，主要依托于山东科技大学机械电子工程学院和泰山大学机械与建筑工程学院的研究力量。文章发表于 Machines 杂志 2021 年第9卷（文章编号：358），发表时间为2021年12月16日，文章标题为《Method and Test Bench for Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission Based on Multi-Level Test and Verification》。

背景与研究目的：

在全球环境污染压力日益加剧的背景下，节能减排对改善人类生活环境起到了重要作用。作为高能耗的工程机械，传统变速系统的性能已难以满足复杂多变的作业需求。水力-机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT）作为一种动力分流传动装置，可以将机械传动与液压传动相结合，通过动力分流与动力汇合装置，使发动机始终运行在高效区间，从而提高传动效率，优化燃油经济性。然而，HMCVT 的传动系统受到诸多因素的影响，例如机械传动与液压传动的耦合特性、液压泵与马达的效率波动等。传统的设计验证方法往往成本高昂且周期较长，许多关键组件在产品设计初期无法充分验证。针对这些问题，本研究开发了一种多功能试验台，并提出一种多层次测试与验证方法，以优化 HMCVT 的性能设计和仿真模型，降低设计开发周期和成本。

研究技术与工作流程：

1. 多功能试验台的设计和构成：
研究团队开发了一种多功能 HMCVT 试验台，涵盖从输入功率到输出载荷的全流程测量与控制能力。试验台包括以下主要部件： - 交流伺服电机（作为输入功率源） - 各类速度-扭矩传感器（A、B、C、D，用于测量各部分传动性能） - 动力分流装置、动力汇合装置、液压马达和液压泵 - 压力传感器（A、B）和测功机 - 工业控制计算机（IPC）和可编程逻辑控制器（PLC），实现实时控制和数据采集

动力通过动力分流装置被分为机械功率流和液压功率流，最后汇合为输出。通过伺服电机模拟发动机特性，与测功机协同工作，可模拟不同工况（如恒扭矩、恒速度、恒功率模式）对应的载荷需求，提供与实际使用条件接近的测试场景。

2. 多层次测试与验证方法：

研究开发了一种包括三个层级的分步验证方法，为 HMCVT 功能与性能设计提供支持：

第一层：仿真模型验证
这一阶段基于 HMCVT 的初步设计，通过建立数学模型和仿真模型（如 Amesim 动态仿真、Adams 动态模拟、ANSYS 有限元分析），对传动性能和结构方案进行初步设计分析和模拟验证。

第二层：组件性能测试与验证
这一层级涵盖动力分流装置、液压 CVT 和动力汇合装置的单独测试。具体如下： - 动力分流装置与动力汇合装置的传动性能通过行星齿轮传动中的啮合损失与搅油损失进行实验分析，借助速度-扭矩传感器（A、B、C）数据优化仿真模型。 - 液压 CVT 的性能测试重点集中在能量传递效率，包括体积效率（volumetric efficiency）和机械效率（mechanical efficiency）的测试，所需测试数据由速度-扭矩传感器（B、D）和压力传感器（A、B）提供。

第三层：HMCVT 系统性能测试与验证
综合之前各部件优化后的仿真模型，进行 HMCVT 系统整体性测试。重点包括液压与机械传动的耦合特性分析，及动力分流与汇合装置对传动效率的影响。最终改进后的仿真模型与实际物理原型基本一致，为后续的控制系统开发提供精确的参考数据。

关键结果与数据支持：

• 液压 CVT 性能测试：
  测试显示，液压 CVT 的体积效率随着压力增加会因密封面泄漏变化而下降，而机械效率则随压力增大而提高，因为更高的压力下部分输入扭矩用于克服阻力的比例减小。测试结果表明，液压 CVT 的总效率在额定压力的 40%-50% 范围内最高（150-210 bar）。因此，设计中液压驱动装置的最大压力仅应出现在短时工况中（如启动或爬坡），而长期连续工况的压力控制在额定压力以下，有助于保持高效性并延长元件寿命。

• 仿真模型的改进：
  通过多轮测试，修正模型与实际物理模型的误差控制在±5% 以内，而传统单次验证方法的误差约为 25%。验证表明，多层次测试方法显著提高了模型的准确性。

结论与意义：

本研究表明，多功能试验台与多层次测试方法在提高 HMCVT 系统设计效率与性能验证方面具有重要价值： 1. 科学价值：
本文通过对液压与机械传动的分步骤验证分析，深化了对传动效率影响因素的理解，为 HMCVT 系统的科学研究提供了理论依据。

1. 工程应用：
   开发的多功能试验台及验证方法，显著缩短了产品设计周期并降低了成本，为工程机械行业的节能减排和性能提升带来了直接应用价值。

2. 控件开发参考：
   改进后的仿真模型为后续的 HMCVT 控制方法研究和控制系统开发提供了精确的参考数据。

本研究亮点：

• 开发了一种创新的多功能试验台，结合硬件与软件进行综合测试。
• 提出了针对 HMCVT 的分步骤多层次验证方法，显著提高了模型精度。
• 识别并解决了液压 CVT 关键效率瓶颈，为结构优化提供了指导。
• 创新成果已获得多项专利授权（详见原文）。

未来方向：

研究团队将在未来深入分析机械与液压传动的耦合特性，聚焦于搅油损失等关键问题，以进一步优化 HMCVT 系统的传动性能，并为控制系统研究提供更全面的数据支持。