摘要：城市轨道交通行业、工矿企业、港口等段场工程车普遍采用内燃机车，传动方式为液力-机械传动方式，柴油机输出动力经过液力变矩器和一个四挡行星齿轮变速箱输出到传动轴并最终到达轮对上，称为液力-机械传动系统，该传动系统不仅与所用发动机、液力变矩器及机械变速箱的性能相关，还与他们之间的匹配组合有关，本文主要探究柴油机油门开度和档位的最佳匹配方案，以及如何利用PLC编写程序自动实现方案的匹配（即自动换档），以达到机车最佳动力性和燃油经济性。
关键词：城市轨道交通行业；内燃机车；传动；PLC 自动换档；动力性；燃油经济性
1 研究背景与意义
动力、传动系统是一辆机车的核心部件，了解它的结构、工作原理，是监视机车性能是否良好的依据，是分析和处理故障的基础，是内燃机车技术管理工作的重中之重。
2 研究方法及目标
轨道交通行业内燃机车普遍采用卡特彼勒柴油机、变矩器、变速箱组合，本文主要以这种配置为研究对象，先介绍液力变矩器、变速箱结构和原理，再引入柴油机油门开度和档位的最佳匹配方案，最后阐述如何利用PLC编程来实现油门开度和档位的自动匹配。
3 AT自动变速简介
自动变速简称AT，组成机构有液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速的目的。其中液力变扭器由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，泵轮和涡轮是一对工作组合，泵轮通过液体带动涡轮旋转，而泵轮和涡轮之间的导轮通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差并实现变速变矩功能。由于液力变矩器自动变速变矩范围有限，因此在涡轮后面再串联行星齿轮组提高效率，自动换挡是PLC通过程序采集发动机工作状况以及机车实际运行速度，并控制液压系统来操纵不同传动比的行星齿轮啮合，从而实现自动变速变矩。
3.1 CAT液力传动系统
3.1.1总体介绍
液力传动系统的柴油机输出功率经飞轮传送到变扭器，变扭器与发动机飞轮通过花键连接，并且通过螺栓紧固在变速箱上，变扭器直接输出功率到变速箱输入轴，变扭器输出齿轮与变速箱输入齿轮啮合。
变速箱输出轴通过花键与输出分动齿轮箱中的输入齿轮连接，功率经过该输入齿轮被传送到输出齿轮，输出齿轮再将功率经后桥驱动轴，传送到后机构同时经前桥驱动轴传送到前桥机构，车轴将功率从车桥机构和传送到车轮，从而驱动车辆走行。
3.1.2 液力变扭器原理
图1 变速箱结构与原理
液力传动是以液体为工作介质，利用液体动能来传递能量的流体传动。叶轮将动力机输入的转速、力矩加以转换，经输出轴带动机器的工作部分。液体与装在输入轴、输出轴、壳体上的各叶轮相互作用，产生动量矩的变化，从而达到传递能量的目的。液力传动的输入轴与输出轴之间只靠液体为工作介质联系，构件间不直接接触，是一种非刚性传动。
液力传动装置的整体性能跟它与动力机的匹配情况有关。若匹配不当便不能获得良好的传动性能。因此，应对总体动力性能和经济性能进行分析，在此基础上设计整个液力传动装置。
3.1.3 变速箱结构与原理
变速箱离合器电磁调节阀安装在司机室下变速箱顶部，变速箱6个离合器各有一对应调节阀。
自动化程序选定输出继电器后，对应离合器调节阀励磁，调节阀（1）和（2）向换向离合器供油，调节阀（3）、（4）、（5）、（6）向换档离合器供油。车辆移动时，必须选定一个换向离合器电磁阀和一个换档离合器电磁阀，才构成完整的动力传输。
各档位变速箱内离合器及PLC输出点的结合关系表：
表1 档位组合关系表
传动系统的结构和工作原理我们已经讲解清楚，接下来应该分析如何利用PLC编程实现档位和柴油机工况、机车速度的自动匹配。
4 PLC自动换档设计
4.1换档设计原理
本机车有4个前进档位和4个后退档位，转速传感器采集机车液力变矩器的转速信号，采集到的转速信号输入PLC，经过PLC的运算处理，再把结果输出到到Y3-Y6四个档位输出继电器，继电器常开触点驱动3-6中一个电磁阀工作，对应的行星齿轮啮合，达到不同的传动比，使机车获得良好的牵引性能，并提高燃油经济性。
4.2 控制参数选择
泵轮和涡轮之间的动力传递通过液力变矩器腔内的液态油来实现，虽然没有机械接触，但是存在功耗，所以，提高机车传动系统效率，就是提高液力变矩器的工作效率。
有实验表明，液力变矩器的工作效率和传动比i成一定函数关系。
， （1）
式中：
为液力变矩器涡轮转速，
为液力变矩器泵轮转速，CAT 出厂资料显示该型液力变矩器传动比满足 0.5＜i＜0.8时，工作效率大于0.75，因此，选择液力变矩器的泵轮转速和涡轮转速比i作为节能自动换档控制系统的控制参数。
（1）泵轮转速 泵轮转速等于发动机曲轴转速（泵轮与发动机曲轴直接相连），是液力变矩器驱动轮的转速，代表发动机的工况。
（2）涡轮转速 涡轮转速是液力变矩器被驱动轮转速（液力变矩器的输出转速），表现与机车运行速度，用于估计车辆运行阻力。
4.3 自动换挡硬件组成
内燃机车自动换档控制系统的硬件组成主要是通过两个速度传感器分别采集变矩器泵轮和涡轮的转速输入PLC，并通过PLC的输出点控制不同档位电磁阀工作来实现换挡。
4.4自动换档程序设计
轨道交通用内燃机车换档点用数据寄存器D80表示，D80=D70/D55，其中D70来自速度传感器一，是机车速度（涡轮转速）的10000倍，单位公里每小时，D55来自速度传感器二，是柴油机转速（泵轮转速），单位转每分钟，结合变矩器转速比和工作效率的曲线图，推荐最佳换档点如下：
表2 PLC自动换档程序地址分配
实际程序设计如下：
注意输出到Y3-Y6时，应设计互斥程序，即同一时间只能有一个档位电磁阀工作，不可同时挂多档，以免打坏齿轮
5 结语
本文介绍了CAT传动系统的结构和原理，分析了内燃机车自动换档设计的意义和方法：为了优化柴油机动力性能，提高柴油机燃油经济性，以变矩器传动比值作为换档参考点，用PLC编程实现自动换档过程，该自动换档控制系统对学习和研究自动档传动系统具有一定参考意义。
参考文献：
[1] 付建勋，张宝霞．基于PLC自动换档控制系统的设计[J] ．兰州交通大学学报，2010，29（6）：67-69．（期刊 [J]）
[2] 寸立岗．基于PLC的工矿内燃机车自动换档控制系统[J]．自动化与仪器仪表，2011（3）153-154，157． （期刊 [J]）
[3] 邹学恩．LSG-3000自动变速箱换档控制分析[J]．北京理工大学．1989.4 （期刊 [J]）
[4] 韩向芹．自动变速器的研究与设计[D]；燕山大学；2004年．（学术论文 [D]）
论文作者:黄生勇1,叶耀泉2,张智阳3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：液力论文; 转速论文; 涡轮论文; 换档论文; 变速箱论文; 档位论文; 齿轮论文; 《基层建设》2019年第8期论文;