液压机械无级变速器(HMCVT)是将液压泵控马达传动系统与机械传动系统并联,首先通过定轴齿轮副(或行星齿轮副)对发动机功率进行分流,然后利用行星齿轮副(或定轴齿轮副)实现液压与机械功率的汇流,运用泵-马达的无级调速特性,使得变速器输出转速全程可变。该类型变速器利用了机械传动的高效率和液压传动的无级调速特性,传动功率大且具有良好的操作舒适性和燃油经济性,尤其适合大功率(73.5kW以上)拖拉机的复杂工况要求,是未来大功率拖拉机的重要发展方向。本论文以江苏省科技支撑计划(BE2014134)、江苏省产学研联合创新资金(BY2014128-04)为支撑,对液压机械无级传动理论进行了较为全面的研究,分析了国内外典型设计方案并结合拖拉机具体工况要求,设计出一种新型HMCVT。研究内容主要包含以下几个方面:1.针对液压机械传动理论开展研究:首先对行星排在系统中起分流或汇流作用的两类传动方案传动比特性、转矩特性和功率特性进行分析,并结合平稳换段要求分析了单、双行星排汇流方案的可行性,以及行星排特性参数取值的限制及等差、等比传动的速度特性;然后较为详细地列举了国内外较成熟的设计方案,并对其进行了分析和对比,初步设计出了一种新型HMCVT传动方案。2.针对新变速器传动系统结构进行设计:首先,在对国外较为典型的HMCVT主要参数进行分析的基础上结合拖拉机的设计要求提出了一种将中间轴式机械变速器和静液压无级变速器(HST)并联的4区段、双行星排汇流新型HMCVT传动方案;然后,以总传动效率最高为目标对行星排特性参数进行选择,进而确定各齿轮副传动比参数,并对HST油路进行了设计和元件选型;接下来将所设计的传动方案和原样机进行对比,可知:新方案通过独立操纵双作用离合器,即可方便控制动力输出轴;采用同步器替代湿式离合器换段,有效地减小了变速器尺寸,同时齿轮副级数的减少,使得结构更为紧凑,传动效率提高;最后,对变速器传动特性计算,结果显示:新方案满足无级调速要求,拖拉机能够提供更大的输出扭矩,在相同负载下可以有较高的行驶速度,因而提高了工作效率;在相同行驶速度的情况下,新方案的发动机只需输出较小的转矩即可满足工作要求,因此可延长发动机的使用寿命。再通过对变速器传动效率的分析,可知新方案中液压泵输入转速降低,马达负载增加,压力差变大均使得变速器的传动效率得以提高。这为大田实验变速器样机的研制奠定了理论基础。3.针对变速器主要零部件的设计和三维建模:首先,通过对各种形式同步器结构和工作原理的介绍,选择了适合所设计变速器的惯性锁止式同步器,对其结构参数进行了设计与计算,并运用CREO软件绘制了其三维模型;然后,分析了齿轮设计的建模流程,对斜齿轮进行了基于CREO的参数化设计;最后,分析了危险轴颈尺寸确定的方法,并对变速器主要零部件进行了三维建模。4.基于AMEsim的HMCVT特性仿真分析:建立了发动机万有特性模型、动态负载模型和HMCVT传动系统模型,对新方案的传动特性和典型工况进行了仿真研究。传动特性仿真结果表明:所设计的HMCVT具有预期的无级调速特性,各段的马达轴与输出轴转矩之比近似满足恒功率传递,最高液压功率分流比为44%。犁耕工况仿真结果显示:使用HM2与HM1段进行犁耕作业,拖拉机行驶速度与发动机比油耗分别为8.5km/h、6.1km/h和215g/(kW-h)、300g/(kW·h)。在同等作业条件下,使用较高的变速器工作段位与较低的发动机转速,可提高拖拉机的燃油经济性。播种工况仿真显示:在播种工况速度区间(6-15km/h)内,采用高段位和低发动机转速,同时使变速器工作在零排量附近,可以满足播种工况对拖拉机速度和输出转矩的要求,且具有较高的传动效率和燃油经济性。5.针对泵-马达容积调速系统搭建了实验平台,对控制变量泵斜盘倾角的励磁电压和泵-马达传动比的关系进行了研究。由泵-马达调速试验可知:相同发动机转速下,励磁电压增大/减小过程中同一电压值所对应的泵-马达传动比不相同;变量泵斜盘倾角正偏或反偏时,励磁电压和泵-马达传动比基本成线性关系。进一步将励磁电压、泵-马达传动比分别作为输入、输出量,通过Matlab进行系统辨识,结果显示辨识所得的模型具有较高的拟合率,这为变速器传动比的精确控制提供了方便。通过以上研究,为后续大田作业实验样机的研制提供了理论指导,对促进HMCVT在大功率拖拉机上的推广应用、推动我国拖拉机制造业技术革新具有重要的现实意义。