拖拉機負載增扭/梭行換擋副變速器設計

高　翔，王志晨

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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拖拉機負載增扭/梭行換擋副變速器設計

高翔，王志晨

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：動力換擋變速器換擋時動力不中斷，且能夠將復雜的換擋過程簡化為按鈕操作，在國外的拖拉機上已得到了廣泛應用。為此，設計了一種新型的負載換擋行星齒輪副變速器，增加了原變速箱的擋位數，并實現了增扭負載換擋與梭行換擋。在分析了整體功能要求的基礎上，確定了變速器的傳動方案及結構，設計了副變速器液壓控制系統，并對拖拉機各擋總傳動比及理論車速進行了設計計算。同時，繪制了拖拉機牽引力和比油耗曲線，定義拖拉機牽引功率利用率和比油耗損失率用以評價拖拉機動力性和燃油經濟性，并通過計算比較了改進前后拖拉機的動力性和燃油經濟性情況。

關鍵詞：拖拉機；副變速器；負載換擋；牽引特性

0引言

目前，我國正處在工業化、信息化、城鎮化發展進程中，農村勞動力大量轉移，聯產承包責任制形成的一家一戶的農業生產方式已經不利于保障糧食安全和主要農產品供給，以及促進農業增效、農民增收的需要，發展適度規模經營的種田大戶或農場已經成為我國農業現代化發展的必然趨勢[1]。新的農業生產方式需要高效、便捷的新型農用拖拉機，本文研究了濕式離合器/制動器控制的增扭負載換擋與梭行換擋的副變速器，該副變速器與有級機械變速器組合，可顯著減少農田作業過程中的換擋操作，提高作業效率，減輕駕駛員勞動強度。

1傳動方案設計

變速器的傳動路線簡圖如圖1所示。

圖1　變速器的傳動路線簡圖

圖1中：C1、C2為濕式離合器；B1、B2為濕式制動器；t1、t2為前、后太陽輪；j1、j2為前、后行星架；q1、q2為前、后齒圈；nin為副變速器輸入轉速(r/min)；nout為副變速器輸出轉速(r/min)。負載換擋增扭/梭行副變速器布置在拖拉機主離合器與傳統機械變速器之間。增扭/梭行副變速器的換擋采用液壓控制，根據離合器、制動器的不同接合狀態，副變速器具有增扭擋、直接擋、逆行擋及空擋4個擋位。

副變速器換擋液壓控制系統由動力源、執行機構和控制機構組成，原理圖如圖2所示。副變速器換擋通過組合控制兩個電磁換向閥，實現直接擋、增扭擋、空擋和倒擋操作，前進擋與逆行擋間切換無需分離主離合器。執行元件工作規律如表1所示。

圖2　增扭/梭行副變速器液壓控制系統原理圖

擋位C1C2B1B2增扭擋+—+—直接擋++——逆行擋—+—+空擋——++

拆除原拖拉機的倒擋機構，將副變速器嵌入到拖拉機主離合器和原變速器之間。改進后的拖拉機傳動系統的前進擋位數增加1倍，還獲得與改進前機型前進擋位數相同數目的倒擋擋位。合理選擇副變速器的傳動比，可以使得拖拉機前進作業時具備降速增扭功能，逆行擋速度小于前進擋速度。

當拖拉機作業遇到較大載荷時，通過液壓控制系統能夠帶負載切換到增扭擋，避免作業中遇到1.2～1.3倍的突變大載荷；待拖拉機順利克服短期增大的載荷后，再通過液壓控制系統，帶負載切換到原工作擋位。當拖拉機在田間調頭或場地作業時，駕駛員無需操縱主離合器和手動變速器，只需通過液壓換擋控制系統實現空擋、前進和后退擋位的切換，顯著提高作業效率[2]。

2傳動比設計計算

2.1增扭/梭行副變速器傳動比確定

由圖1可見：副變速器由2排行星齒輪機構組成，動力輸入元件由離合器C1和C2控制。其輸出軸的轉速及各元件的轉速關系[3]為

(1)

根據表1所示的換擋控制元件工作規律表，當選擇增扭擋工作時，控制離合器C1接合、制動器B1制動，則有

(2)

聯立式(1)和式(2)，則可得到副變速器增扭擋的傳動比為

(3)

其中，k2=zq2/zt2，zq2和zt2分別為后行星排齒圈和太陽輪的齒數。

如表1所示，直接擋工作時接合離合器C1和C2，則有

(4)

聯立式(1)和式(4)，則可得到副變速器直接擋的傳動比為

(5)

當逆行擋工作時，接合離合器C2，制動器B2制動，則有

(6)

聯立式(1)和式(6)，則可得到副變速器逆行擋的傳動比為

(7)

其中，k1=zq1/zt1，zq1,zt1分別為前星排齒圈和太陽輪的齒數。

當離合器C1、C2分離，制動器B1、B2接合時，動力傳遞中斷，可得到空擋。

考慮到拖拉機作業時直接擋、增扭擋和逆行擋傳動比之間的合理分配及行星齒輪系的結構限制，最終選定前行星齒輪排k1=1.5，后行星齒輪排k2=4，代入式(3)、(5)、(7)則得到副變速器各擋的傳動比。

2.2變速器各擋總傳動比確定

本文以某拖拉機傳動系為平臺進行改進，該拖拉機的原始參數如表2所示。

表2　拖拉機原始參數

考慮到拖拉機的結構和工藝繼承性，僅對變速器的結構進行局部調整，取消原變速器中的倒擋，為保持原機總體尺寸和結構參數基本不變，只對主變速箱的傳動比進行重新設計。另外，借鑒國外同功率等級、相同擋位數的拖拉機傳動系統，將最高速度提高到稍大于40km/h。根據圖1所示的變速器傳動原理圖，可計算出拖拉機傳動系各擋的總傳動比i和各擋位的理論車速vl為

其中，iF為副變速器的傳動比，iZ為原變速器的傳動比。

改進后各擋理論車速及總傳動比如表3所示。

表3　改進后各擋理論車速及總傳動比

續表3

從表3可見：增扭擋能夠作為拖拉機的正常作業擋位的動力儲備擋位，克服絕大多數農田作業的短期超載；在進行工作負荷較為穩定作業時，增扭擋也可以作為正常擋使用，這將使得拖拉機作業速度匹配能夠更好地滿足農藝需要，也有利于提高拖拉機的燃油經濟性。逆行擋的速度與前進直接擋的匹配良好，滿足大多數場地的作業需要。

3拖拉機性能分析

3.1發動機特性

根據發動機臺架試驗數據，使用最小二乘法對發動機的速度特性進行多項式曲線擬合，擬合曲線如圖3所示。

圖3　發動機擬合速度特性

3.2動力性與經濟性指標

機械換擋拖拉機和理想特性的拖拉機牽引力特性與比油耗特性如圖4和圖5所示。圖4中，理想發動機等牽引功率曲線(虛線)是實際牽引力-車速曲線族的包絡線，等牽引功率曲線與實際牽引力-車速曲線族之間的區域是拖拉機牽引功率所不能達到的工作范圍。從提高拖拉機作業效率考慮，應盡量減小等牽引功率曲線與實際牽引力-車速曲線族之間的區域，以充分提供拖拉機作業功率。

圖5中，理想發動機等油耗率曲線(虛線)是實際比油耗-車速曲線族的包絡線。等油耗率曲線與實際比油耗-車速曲線族之間的區域是拖拉機比油耗損失的工作范圍，應盡量縮小此區域以降低油耗。

圖4　拖拉機牽引力特性

圖5　拖拉機比油耗特性

因此，定義拖拉機牽引功率利用率ηp和比油耗損失率ηg分別作為拖拉機動力性和燃油經濟性的評價指標[4-5]，則

ηp=AFV/AP

(8)

(9)

3.3拖拉機動力性與經濟性分析

在MatLab編寫計算程序，繪制出改進前后拖拉機牽引力-車速的關系曲線圖，如圖6、圖7所示。改進前后拖拉機比油耗-車速的關系曲線圖，如圖8、圖9所示。根據式(8)、(9)可計算拖拉機牽引功率利用率和比油耗損失率。

圖6　改進前拖拉機牽引力特性

圖7　改進后拖拉機牽引力特性

圖8　改進前拖拉機比油耗特性

圖9　改進后拖拉機比油耗特性

改進后拖拉機擋位數在主要作業速度范圍內更加密集，改進前拖拉機的牽引功率利用率為96.15%，改進后拖拉機的牽引功率利用率為98.35%，牽引功率利用率提高了2.2%。牽引功率利用率反映了拖拉機動力性能發揮程度，其值越大，拖拉機牽引功率損失越小，拖拉機動力性越好。改進后傳動系統有效改善了拖拉機動力性的發揮。

改進前拖拉機的比油耗損失率為18.98%，改進后拖拉機的比油耗損失率降低為16.00%。比油耗損失率反映了拖拉機燃油經濟性能發揮程度，其值越小，拖拉機油耗損失越小，拖拉機燃油經濟性越好。改進后的傳動系統有效降低了拖拉機的燃油消耗。

4結論

1)對變速器的傳動比進行了合理的布置，使得加裝了負載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機能夠具備負載降速增扭功能和梭行擋功能，更好地滿足多樣化的農藝需要，并提高了作業效率。

2)算例計算結果表明：裝備負載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機牽引功率利用率提高了2.2%，拖拉機比油耗損失率降低2.98%，裝備負載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機作業效率與經濟性有明顯提高。

參考文獻：

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[3]劉修驥. 車輛傳動系統分析[M]. 北京:國防工業出版社,1998.

[4]徐立友,周志立,張明柱,等.拖拉機液壓機械無級變速器設計[J].農業機械學報,2006(7):5-8.

[5]鄧曉亭,朱思洪,高輝松,等.混合動力拖拉機傳動系統設計理論與方法[J].農業機械學報, 2012(8):24-31，36.

Design of Power Shift Auxiliary Gearbox in Transmission for Tractor

Gao Xiang， Wang Zhichen

(School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013， China)

Abstract：With the advantage of uninterrupted output power in the process of gear shift, power shift transmission is widely used on Tractor abroad. In this paper, a new type power shift auxiliary gearbox is developed. The new type auxiliary gearbox increases the number of gear positions and has the function of torque booster and shuttle shift. Based on the analysis of function requirements, the general drive scheme and structural style is obtained. The hydraulic control system is designed, and gear ratios and theoretical travel speeds are calculated. The tractor traction and specific fuel consumption curves are drawn. The traction power utilization and specific fuel consumption loss rate is defined to evaluate the tractor dynamic and fuel economy performance. The tractor dynamic and fuel economy performance of original tractor and improved tractor is compared through calculation.

Key words：tractor; auxiliary gearbox; power shift; traction characteristics

文章編號：1003-188X(2016)02-0235-05

中圖分類號：S219.032.1

文獻標識碼：A

作者簡介：高翔(1953-),男,江蘇漣水人,教授,博士生導師。通訊作者：王志晨(1990-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，(E-mail)wangzhichen@foxmail.com。

基金項目：江蘇省科技計劃項目(SBY201220101)；江蘇省研究生培養創新工程項目(CXZZ11_0578)

收稿日期：2015-01-12