拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)研究

郝朝增+趙宏帥+蘇建偉+呂東亞

摘 要：拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)極變速器可以根據(jù)拖拉機(jī)不同的作業(yè)模式實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的匹配。基于液壓機(jī)械換段等比傳動(dòng)的連續(xù)性，對(duì)各區(qū)段齒輪的參數(shù)和傳動(dòng)比進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)變量泵和定量馬達(dá)的匹配進(jìn)行了選型。根據(jù)拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)要求，分析了變速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并提出了變速器的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；液壓機(jī)械；無(wú)級(jí)變速器；試驗(yàn)臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：S219.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.105

拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是一種并聯(lián)機(jī)械功率流與液壓功率流的新型傳動(dòng)裝置，利用機(jī)械傳統(tǒng)聯(lián)合和液壓傳動(dòng)達(dá)到無(wú)極變速，并利用機(jī)械傳動(dòng)達(dá)到傳動(dòng)高效率。該變速器具有無(wú)級(jí)調(diào)速的良好特性，不僅可以極大地提升車(chē)輛的燃油動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還可以實(shí)現(xiàn)大功率的傳遞，因此在大功率車(chē)輛中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。自1970年后，液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器開(kāi)始進(jìn)入商品化應(yīng)用階段。1990年后，液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器開(kāi)始被應(yīng)用于拖拉機(jī)中。而我國(guó)對(duì)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的研發(fā)起步較晚，因此在1970年后才開(kāi)發(fā)出樣機(jī)。

1 無(wú)級(jí)變速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是由定量馬達(dá)和變量泵構(gòu)成，具體由多擋有級(jí)變速箱、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、單行星排機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率通過(guò)分流機(jī)構(gòu)可以分為機(jī)械功率流和液壓功率流，機(jī)械功率流通過(guò)換擋離合器傳遞到行星排的行星架或齒圈，液壓功率流通過(guò)變量泵定量馬達(dá)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到太陽(yáng)輪。機(jī)械功率流和液壓功率流在行星排機(jī)構(gòu)合流，經(jīng)過(guò)齒圈或行星架后通過(guò)換擋離合器將功率傳遞到多擋有級(jí)變速箱，之后通過(guò)離合器將功率傳送到變速器輸出動(dòng)力的軸部。定量馬達(dá)排量比、傳動(dòng)系統(tǒng)變量泵的反復(fù)變化及換擋離合器接合狀態(tài)的差異使液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的前行方向有6個(gè)連續(xù)變速段，倒行方向有3個(gè)連續(xù)變速段，無(wú)級(jí)變速器速比在相應(yīng)的范圍內(nèi)逐段無(wú)級(jí)變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速功能。

2 無(wú)級(jí)變速器的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)主要用于液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器性能的試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括傳動(dòng)效率特性試驗(yàn)、空載損耗特性試驗(yàn)、無(wú)極調(diào)速特性試驗(yàn)、自動(dòng)調(diào)速特性試驗(yàn)。傳動(dòng)效率特性試驗(yàn)用于檢查液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器速比不同情況下的傳動(dòng)效率，查驗(yàn)變速器傳動(dòng)的高效率特性；空載損耗試驗(yàn)用于檢查液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器輸出軸不加載狀態(tài)下變速器功率消耗隨變速器速比變化的情況；無(wú)極調(diào)速特性試驗(yàn)用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)下液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的無(wú)級(jí)調(diào)速范圍；自動(dòng)調(diào)速特性試驗(yàn)用于檢查負(fù)載連續(xù)變化時(shí)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器速比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作點(diǎn)的跟隨情況。

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)主要由動(dòng)力裝置、參與試驗(yàn)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器、加載裝置、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、分動(dòng)箱、聯(lián)軸器、軟件系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)、多擋升速箱等組成。動(dòng)力裝置為參與試驗(yàn)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器供給動(dòng)力傳輸，實(shí)現(xiàn)被試傳動(dòng)裝置對(duì)輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的要求。動(dòng)力裝置中有發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。加載裝置用于模擬車(chē)輛的實(shí)際使用工況，對(duì)參與試驗(yàn)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器進(jìn)行增加裝載量。將交流電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的是交流電力測(cè)功機(jī)，通過(guò)變頻逆變單元將電能返饋至電網(wǎng)中，達(dá)到電力能源的二次利用。加載裝置具有高速恒功率和加載低俗恒扭矩加載特性，可以雙向加載。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和主離合器后輸送到分動(dòng)箱，并且將動(dòng)力分成兩路，一路用于驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的液壓系統(tǒng)，另一路用于驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的機(jī)械系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器輸出軸輸出，輸出動(dòng)力通過(guò)多擋升速箱和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器后輸送到交流電力測(cè)功機(jī)。多擋升速箱應(yīng)用于不同的試驗(yàn)工況下液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的查驗(yàn)中，讓被試液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速與交流電力測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性互相配合。

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、工控機(jī)、壓力傳感器、流量傳感器、各控制器與執(zhí)行器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu)成。工控機(jī)的作用是依據(jù)試驗(yàn)任務(wù)實(shí)施程序，并且向各控制器發(fā)出相關(guān)控制指令，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)安全監(jiān)控、保護(hù)、故障診斷等多種功能。工控機(jī)主要通過(guò)以下兩種方法執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集工作：①將信號(hào)傳送給控制器，經(jīng)過(guò)控制器運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，之后發(fā)送到工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并最終輸出；②將傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整模塊處理后傳輸給數(shù)據(jù)采集卡執(zhí)行運(yùn)算處理，之后通過(guò)各通信端口獲取數(shù)據(jù)。液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、被試液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器、交流電力測(cè)功機(jī)和多擋升速箱進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)油門(mén)控制器來(lái)接收工控機(jī)的油門(mén)控制指令，發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)大小的調(diào)節(jié)由控制油門(mén)執(zhí)行器完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先提出了拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器試驗(yàn)臺(tái)的具體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了變速器試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置、動(dòng)力裝置、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；其次對(duì)拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器自動(dòng)調(diào)速特性進(jìn)行了試驗(yàn)。液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器具有連續(xù)無(wú)級(jí)的變速功能，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的二次利用。

參考文獻(xiàn)

[1]王光明，朱思洪，王勝紅，等.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的速比控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，05（07）：17-23.

[2]倪向東，朱思洪，歐陽(yáng)大業(yè)，等.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器速比匹配設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（04）：15-20.

[3]王紅亮.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的設(shè)計(jì)方案研究[J].科學(xué)時(shí)代，2015，04（11）：22-23.

〔編輯：劉曉芳〕