拖拉機傳動特性研究現狀

徐立友，張 洋，劉孟楠

拖拉機傳動特性研究現狀

徐立友1，張 洋1，劉孟楠2

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048)

研究拖拉機傳動特性可為傳動系統優化設計及提升動力性提供重要的理論基礎和技術指導。為此，總結了國內外涉及拖拉機傳動特性的研究成果，分析了拖拉機傳動系統中常用離合器、變速器和差速器的技術特點；研究了國內外拖拉機傳動特性，根據拖拉機的工況特點，從傳動快速性、平順性、換檔性能和傳動效率4個方面來對拖拉機傳動特性進行分析。同時，總結了包括理論解析法、虛擬樣機法和試驗法拖拉機傳動特性的研究方法，以期為拖拉機傳動特性研究提供技術參考。

拖拉機；傳動特性；技術指標

0 引言

農業現代化和自動化是實現我國農業振興的迫切需要，作為主要農業生產機械之一的拖拉機，其機械化水平是評定國家農業自動化程度的重要標準之一[1-3]。“十三五”規劃指出，農業發展的主要任務是加快轉變農業發展方式，大力推進農業現代化和農作物機械化生產。傳動系統是拖拉機底盤的重要組成部分，其性能直接影響整車的動力性、經濟性和舒適性。楊立昆[4]針對車輛傳動系統進行了探索，并指出其內在變化規律，闡述了傳動系統的演變發展。徐立友[5]通過對機械液壓無級變速傳動理論進行分析，制定了拖拉機機械液壓無級變速器傳動方案，對傳動系統動態特性和性能試驗進行了系統的研究。

本文通過對拖拉機傳動系統進行分析，針對拖拉機工況特點，分析了拖拉機主要傳動元件技術特點，對傳動特性進行了研究，同時總結了傳動特性研究方法，以期為拖拉機傳動系統研究的理論提供支持。

1 拖拉機主要傳動元件技術特性

作為拖拉機重要的組成部分，傳動系統是內燃機與主動輪和動力輸出軸之間全部傳動元件的總稱，其作用是根據拖拉機不同作業的需求，將內燃機的動力轉變為相應的轉矩和一定的轉速。圖1為LH1620輪式拖拉機傳動系結構簡圖[6]。

1.離合器 2.變速器 3.中央傳動 4.最終傳動 5.差速器 6.非獨立式動力輸出軸 7.車輪圖1 LH1620拖拉機傳動系結構簡圖Fig.1 LH1620 Tractor transmission system sketch

傳動系統由離合器、變速箱、中央傳動機構及最終傳動等構成。離合器在內燃機與變速器之間，可確保拖拉機啟動時動力充足、換擋接合平順以及防止傳動系統過載等。拖拉機作業過程中分離-結合頻繁，由于工作載荷、溫度、摩擦過熱等因素，降低了離合器壽命和傳動效率[7]。變速器位于離合器之后、中央傳動之前，其改變拖拉機的驅動力和行駛速度，使拖拉機能倒退行駛及長時間停車；變速器在傳遞動力過程中所產生的功率損失主要包括各齒輪之間的嚙合損失和攪油損失，以及各個傳動軸的軸承摩擦損失和輸入、輸出軸的油封損失[8-10]。中央傳動包括主減速器和差速器。其中，主減速器改變轉矩傳遞方向；差速器實現兩驅動輪差速，保證內、外驅動輪轉速不同。差速器傳動功耗主要包括齒輪傳動嚙合功耗、齒輪攪油功耗及風阻功耗[11]。非獨立式動力輸出軸位于拖拉機后面，將內燃機的動力以旋轉方式傳遞給機具，為作業機具提供旋轉動力。

2 傳動特性分析

拖拉機需要與農機具配套完成田間作業，因此對拖拉機傳動特性分析要綜合考慮其工況特點。這里主要從傳動快速性、平順性、換檔性能和傳動效率4個方面來對拖拉機傳動系進行分析。

2.1 傳動快速性

穩定時間是指傳動系輸入端機械功率發生變化后輸出端達到穩態的時間。穩定時間反映了傳動系統各部件之間的匹配情況，也反映了傳動快速性，即動力在傳動系統各部件之間傳遞的時間。由運動學可知

(1)

其中，t為穩定時間(s)；v為拖拉機行駛速度(m/s)；1/a為拖拉機加速度的倒數(m/s2)。

2.2 傳動平順性

換檔平順性是指在換檔過程中離合器的接合和分離過渡平順，動力無中斷，換擋元件沒有接合過猛，沒有產生較大的換擋沖擊[12-14]。換檔平順性是換擋品質的良好體現，良好的換擋品質應為快捷、平穩、無沖擊，從而提高車輛的乘坐舒適性和換擋元件使用壽命的重要保證。

傳動平順性是指輸入端發生變化后輸出端對這種變化跟隨的超調量。傳動平順體現了動力從內燃機輸出到在傳動系統傳遞過程中的傳遞良好性，具體到傳動系統各個部件之間的動力傳遞。

2.3 換擋性能

在拖拉機換擋時，通過離合器的交替運動來實現動力傳遞的中止與接合[15-18]。換擋過程中產生的動載荷較大，對傳動系統有較大的沖擊，會減少傳動元件的使用壽命。沖擊度為拖拉機縱向加速度的變化率，即

(2)

其中，j為沖擊度(m/s3)；v為拖拉機行駛速度(m/s)；a為拖拉機的加速度(m/s2)；t為時間變量(s)。

沖擊度排除了因道路條件產生的顛簸加速度等非換擋因素對換擋過程的影響，從而真實體現了傳動系統的壽命。沖擊度越小，傳動系統的壽命越長；反之，則越短。

滑摩功為拖拉機在換擋時離合器主、從動盤之間轉速不同，產生相對滑動時所損失的能量[19]為

(3)

其中，W為滑摩功(J)；ωc1為和單數擋軸相連離合器從動盤轉速(rad/s)；ωc2為和雙數擋軸相連離合器從動盤轉速(rad/s)；ωe為內燃機轉速(rad/s)；t1為開始滑摩時間(s)；t2為停止滑摩時間(s)；Tc1為和單數擋軸相連離合器的轉矩(N·m)；Tc2為和雙數擋軸相連離合器的轉矩(N·m)。

滑摩功是衡量離合器與同步器磨損情況的指標，滑摩功越小，離合器和同步器的使用壽命越長。

2.4 傳動效率

傳動系的效率損失主要由變速器和主減速器所產生，按類型可分為機械損失和液力損失[20-23]。功率損失可以通過傳動系輸出端機械功率和輸入端機械功率的比值計算得出，即

(4)

其中，ηc為傳動系效率；Pw、Pe分別為輸出端和輸入端的機械功率。

影響傳動系效率的因素有很多，根據傳動過程中轉矩和轉速的變化而變化，難以控制與測量，僅能通過估算來確定其效率范圍。

2.5 驅動功率損失率

驅動功率損失率是指在一定行駛擋位工況下拖拉機內燃機功率損失的狀況。驅動功率損失率體現了拖拉機動力傳動系統實際值與理想值之間性能的差距，以及拖拉機動力性好壞和動力性能發揮水平[24-26]。

圖2為拖拉機驅動特性曲線，分別是裝有內燃機與5擋變速器的實際拖拉機和裝有理想傳動系統的理想拖拉機。曲線上方空白的區域是受內燃機功率所限實際拖拉機所不能達到的區域，陰影部分是拖拉機驅動力損失的工作區，驅動功率損失率為圖2中的陰影部分與雙曲線下整個面積的比值。

定義驅動功率損失率ηw為

(5)

其中，Pemax為內燃機最大功率(kW)；n為變速器前進擋擋位數；van、va1為拖拉機最大車速與最小車速(km/h)；bk為與內燃機轉矩模型相關的系數；nj+1、nj第j擋時拖拉機內燃機轉速范圍(r/min)；m為內燃機轉矩模型里多項式的階數。

驅動功率損失率體現了拖拉機動力性能的發揮水平，其值越小，在動力性能方面內燃機與傳動系統匹配得越好。

3 傳動特性研究方法

3.1 動力學分析

動力學分析是用來確定慣性(質量效應)和阻尼起重要作用時的結構或構件動力學特性的技術。通過運用動力學分析，對拖拉機傳動系部件進行分析研究，發現其對拖拉機傳動的影響，從而提升拖拉機傳

動效率。

在國外，Khabou MT[27]等通過建立一個單級齒輪減速器模型，如圖3所示。其研究基于各種轉動速度下齒輪減速器的瞬間響應，采用電動機與四沖程的內燃機進行參數化比較，對其中單級齒輪系統進行了分析。

圖3 單級齒輪系統模型Fig.3 Single stage spur gear system model

黃毅[28]以車輛傳動系統為研究對象，建立了包含時變嚙合剛度、齒側間隙、齒輪副傳遞誤差和質量偏心等非線性因素的動力學模型，提出一種基于統計的響應靈敏度的評價方法—基于動力學響應RMS的靈敏度。劉海亮[16]提出了變速器輸出轉矩傳遞系數和變速器輸出轉矩評價指標，建立了拖拉機DCT 換擋動力學模型并對其進行分析(見圖4)，提出的評價指標能較好地對拖拉機換擋時產生的動載荷和動力性能進行評價，補充了拖拉機雙離合自動變速器換擋品質評價體系。

圖4 換擋過程轉矩和轉速變化圖Fig.4 Schematic diagram of rotation speed change and torque change in shifting

3.2 虛擬樣機

虛擬樣機技術是隨著計算機的發展而興起的一種計算機輔助工程技術，是通過商業化軟件來實現的，用來替代實際物理樣機設計的數字化設計方法[29]。目前，主要是通過建立拖拉機傳動元件虛擬樣機模型及對其運動學和動力學的分析，全面了解拖拉機傳動部件各方面性能。

在某些發達國家(如美國、英國、德國等)，虛擬樣機這項技術已經得到廣泛的推廣和使用。Galvagno E和Velardocchia M等人[30]對雙離合變速器的進行了運動學以及動力學仿真分析，建立了DCT傳動簡圖，對其使用的數學計算模型做簡化處理，如圖5所示。ALEMAYEHU等[31]通過采用動力學分析軟件ADAMS與概率分析軟件NESSUS，對齒輪傳動系統進行了動力學特性分析，并研究了不確定參數的概率特性。

圖5 DCT的布局Fig.5 Layout of a DCT

在國內，賈小剛等[32]對封閉式 CVT(見圖6)進行研究，通過建立虛擬樣機模型及進行仿真試驗，針對輸入軸與行星錐盤兩個柔性體部件進行動力學仿真，并分析其結果。另外，還對部件進行耐久性研究，得到了部件在仿真過程中的動態應力分布狀況，為關于 CVT 的精確動力學分析提供了新的研究方法，為變速器傳動設計提供了依據。楊亞莉[33]基于對金屬帶式 CVT 機構的傳統力學分析，通過 ADAMS 與UG 軟件建立了金屬鋼帶式 CVT 虛擬樣機模型，并對其進行力學研究，如圖7所示。通過虛擬樣機模型仿真分析了其傳動部件的力學特性，以及各金屬塊之間擠推力與各金屬環帶張力的變化規律，仿真結果對于CVT的深入研究和開發具有一定的實際意義。

圖6 封閉式差動無級變速器總裝配圖Fig.6 The closed differential stepless transmission general assembly drawing

圖7 金屬帶式CVT虛擬樣機模型Fig.7 Metal belt type CVT virtual model

梁晶晶[34]等通過建立虛擬樣機，對新型行星錐齒輪無級變速傳動系統進行動態受載仿真試驗分析(見圖8)。在UG及ADAMS中建立的基于接觸力的模型，獲得了該系統主傳動元件的動態載荷特性曲線，確定了其隨著時間變化的規律及動態載荷對全部傳動系統性能的影響，為各個傳動部件的進一步設計優化、故障診斷與校核強度等提供了試驗數據支持。張海軍等[35]提出一種四區段液壓功率分流無級傳動系統，并基于AMEsim軟件構建立了建液壓功率分流無級變速器及拖拉機整機仿真模型，如圖9、圖10所示。對液壓功率分流無級變速器傳動特性及拖拉機典型作業工況進行了仿真分析，表明該變速器傳動效率高、調速范圍廣且全程可實現無級調速，滿足大馬力拖拉機在不同工況下的作業需求。

圖8 虛擬樣機仿真模型圖Fig.8 Virtual prototype simulation model diagram

圖9 功率分流無級變速器模型Fig.9 The model of the transmission

圖10 負載工況模型Fig.10 The model of the load condition

通過虛擬樣機模型能夠完善試驗時難以得到的性能參數，為定量分析提供了重要的試驗數據。整車性能仿真作為拖拉機開發的重要手段之一，不僅可以在產品概念設計階段快速預測車輛性能，還可以匹配不同參數的設計方案，預測產品在真實工況下的特征及所具有的響應，直至獲得最優方案。

3.3 試驗分析

試驗法研究拖拉機傳動系統是指基于部件傳動特點設計相關特性試驗，通過開發試驗臺或者使用測試儀器在實驗室環境或者實車工作環境下對拖拉機內燃機輸出端、驅動輪半軸端、PTO端及各傳動元件動力輸出端進行動態測試的技術。

很早之前，國外就開始了關于測試傳動系統的研究。例如，20世紀50年代美國的 Gleason 公司就利用輪系作為加載系統，設計出傳動實驗臺。英國的ATP公司[36]設計了針對測試自動變速器性能的實驗臺，該試驗臺采用73kW的調頻電機作為驅動部分，通過儀表顯示進行獨立控制，并設計了快速連接機構，能對多個自動變速器進行快速連接，采用風冷式電渦流測功機作為其負載模擬；該實驗臺通過動態模擬對自動變速器進行測試，其檢測的性能參數包括在各個負載條件下的油壓、輸入和輸出轉速及離合器和制動器是否存在打滑狀況等。德國HORIBA公司[36]生產的傳動系實驗臺可以進行前驅、后驅、全驅的測試，涵蓋了傳動系統范圍內的全部部件與系統的性能測試。該實驗臺不僅能夠進行傳動系統的穩態試驗，還能夠實現路況模擬甚至高性能內燃機圖譜模擬的試驗。

同國外相比，我國有關傳動系統試驗臺的研究起步相對比較晚，在20世紀80年代初期我國才開始。長安大學[37]針對工程車輛設計的基于閉式液壓系統傳動系統實驗臺，主要由動力系統、機械和液壓傳動系統、測功機及計算機顯示與控制等部分組成，如圖11所示。該試驗臺既能夠對變速器進行測試分析，又能夠對驅動橋之前的傳動系統部件進行測試分析，主要針對工程車輛傳動系統性能的進行測試研究。

河南科技大學[38-39]設計的機械液壓無級傳動實驗臺如圖12所示，其研究對象為履帶式拖拉機液壓無級變速器。實驗臺采用內燃機作為動力部件，采用電渦流測功機作為加載部件，利用直接數字式控制作為控制方式，控制系統包括上位工控機、內燃機控制下位機、HMCVT 控制下位機、電渦流測功機控制下位機和傳感器等。實驗臺主要分析傳動比的變化規律，驗證所設計傳動比的正確性、研究在工況變化下的換擋過程，以及換擋平穩性、優化換擋規律和分析換擋規律對傳動性能的影響，使內燃機與變速器的參數更加匹配，提升拖拉機的動力性和經濟性。

圖11 工程機械液壓底盤模擬試驗臺外觀圖Fig.11 Engineering machinery hydraulic chassis simulation test bench appearance figure

圖12 機械液壓無級變速器實驗臺圖Fig.12 Test picture of HMCVT

中南大學[40]設計針對工程車輛的傳動實驗臺，如圖13所示。實驗臺為履帶式結構，通過柴油內燃機經過傳動系統驅動車輪，使其在履帶上滾動；利用電液式比例來控制液壓加載、制動和傳動系統，并通過基于LABVIEW研發的測控系統實現。該實驗臺主要研究由柴油內燃機和液壓式傳動系統組成的驅動負荷系統在動態負載下的性能。

圖13 功率封閉試驗臺外觀圖Fig.13 Power closed test bench appearance figure

南京農業大學[41]設計了針對電動拖拉機的實驗臺(見圖14)，采用模塊化的設計方法，研發了試驗臺的電源、驅動及加載等模塊。該實驗臺可以根據整車研發的需求，來進行各種參數模塊之間的匹配測試；并根據試驗需求研發了基于LABVIEW平臺的虛擬測控系統，可以搭配各種的檢測儀器。實驗臺不僅能測試電動拖拉機各組成部件的輸出特性、傳遞效率，又能測試電動拖拉機整車模擬作業性能。測控系統既可檢測驅動和加載部件轉矩、轉速、電壓、電流等12個信號，還能用來控制加載載荷。

圖14 電動拖拉機試驗臺圖Fig.14 Schematic of electric tractor test bench

試驗法試驗重復性好，不易受人為因素影響，可以較為真實地模擬拖拉機工作工況。對拖拉機傳動系統或者關鍵零部件而言，無論是對于研發的新產品進行性能測試，還是對成熟產品進行質量檢驗，利用試驗法對拖拉機進行傳動系的行駛模擬都是一種有效的手段。

4 結論

1)通過對拖拉機主要傳動元件技術特點進行分析研究，總結了國內外涉及拖拉機傳動特性的研究成果，分析了拖拉機傳動系統中常用離合器、變速器和差速器的技術特點，并對影響各個元件傳動效率的原因進行了歸納，為提升傳動效率提供了研究基礎。

2)研究了國內外拖拉機傳動特性，根據拖拉機的工況特點，從傳動快速性、平順性、換擋性能和傳動效率4個方面來對拖拉機傳動特性進行分析。通過不同的評價指標計算驗證，對拖拉機傳動特性進行定性定量，從而明確反映了拖拉機傳動系統的性能。

3)對拖拉機傳動方案進行分析，總結了包括理論解析法、虛擬樣機法和試驗法3種研究方法；提供了拖拉機傳動系統設計、參數匹配的驗證方法，從而可以對傳動系統設計及方案匹配進行試驗驗證，確定其方案可行性，旨在為研究傳動系統對整車可靠性和工作性能的影響提供理論依據。

4)目前，拖拉機正向著多擋位、大功率發展，為滿足拖拉機不同作業工況下的負載和行駛速度需求，變速器多擋數、智能化將是未來發展趨勢。同時，隨著計算機技術的不斷提高，采用計算機技術對拖拉機傳動系統進行優化設計，可以使其達到最佳使用效果。

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Research Status of the Tractor Transmission Performance

Xu Liyou1， Zhang Yang1， Liu Mengnan2

(1.School of Automotive Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471003, China; 2.School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The tractor transmission performance can optimize the design and improve power performance，provide important theoretical basis and technical guidance. The article analyzed technical performance of the clutch, tractor gearbox and differential that commonly used in the transmission system through inductive performance research involving the tractor transmission both at home and abroad；Studied the tractor transmission characteristics at home and abroad, it puts forward evaluation index from the transmission quickness, comfort, shift performance and transmission efficiency according to the tractor special working environment; it summarized including theoretical analytic method, the virtual prototype method and test method of tractor transmission characteristics of the research methods. This will provides technical outlook tractor transmission performance.

tractor；transmission performance; technical index

2016-09-22

“十三五”國家重點研發計劃項目(2016YFD0701002)

徐立友(1974 -),男, 河南息縣人, 教授, 博士, (E-mail)xlyou@mail.haust.edu.cn。

S219.032.1

A

1003-188X(2017)12-0224-07