拖拉機轉向驅動橋自動限滑差速器液壓系統設計*

劉學峰，儀垂良，張德學，張成保，任冬梅，高強

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100；2.山東雙佳農裝科技有限公司，濟南市，250100)

0 引言

拖拉機作為主要的農田動力機械在我國農業生產中已廣泛普及，具有巨大的社會保有量，為農業現代化發展提供了有力的支撐[1-2]。拖拉機在行走和作業時，差速器對保持拖拉機良好的綜合性能，特別是動力性能和通過性能等作用頗大[3-4]。作為拖拉機轉向驅動橋上重要的動力傳動部件，差速器能夠保證拖拉機驅動橋兩側車輪在行程不等時以適宜的不同轉速與地面作純滾動，避免車輪產生側轉或滑移[5-6]。然而，由于傳統差速器“差速度不差扭矩”的弊端，當拖拉機在復雜地況進行田間作業時，容易出現拖拉機驅動輪空轉、側滑導致差速器無法正常發揮作用的情況[7]。因此，設計具有限滑功能的拖拉機差速器，增大鎖緊系數，改善車輪的附著條件，對于進一步提高拖拉機駕駛的安全性、穩定性和舒適性具有重要意義[8-9]。

長期以來，我國的拖拉機研發制造技術與國際先進水平相比還存在著較大差距，特別是在智能化、機電液一體化方面差距更大[10]。目前，國外拖拉機驅動橋上已經較廣泛地使用先進的自動限滑差速器，扭矩得以適時、合理分配，拖拉機的行駛性能和通過性能更好[11]，而國內，自動限滑差速器大多用于汽車驅動橋上，在拖拉機上的裝配使用還未曾見。拖拉機采用的傳統普通型差速器，自鎖性能不高，同時由于缺乏扭矩合理分配的裝置，當車輪出現懸空空轉或打滑時，差速器仍會將動力源源不斷傳遞給沒有阻力的空轉車輪，浪費動力的同時，拖拉機還難以前行[12-13]。隨著拖拉機功能和技術的不斷拓展，為了彌補傳統差速器的不足[14]，解決以往差速器自鎖性能不佳的問題，研制適合國內四輪驅動拖拉機的自動限滑差速器及能改善自鎖性能的液壓控制系統迫在眉睫。

本文簡要介紹了拖拉機轉向橋液壓鎖止式自動限滑差速器的相關內容，提供了三種液壓鎖止方案，經分析比對，從中擇優選擇加裝負載敏感優先閥的液壓鎖止方案作為本機最終液壓鎖止方案，并重點介紹了該液壓系統的結構組成、工作原理以及試驗驗證等內容。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

液壓鎖止式自動限滑差速器主要包括差速機構和限滑機構兩部分組件，如圖1所示。差速機構主要由殼體、半軸齒輪、半軸齒輪止推墊、行星齒輪、行星齒輪軸和行星齒輪止推墊等零件組成；限滑機構主要由壓緊活塞、中間壓盤、摩擦襯盤和摩擦盤總成等組成。

圖1 限滑差速器內部結構圖

1.2 工作原理

在車輛直行時，轉向傳感器未檢測到車輛轉過有效角度時，驅動器控制油泵將壓力油送于限滑機構，壓力油推動壓緊活塞，因壓緊活塞的另一端被固定，使得限滑摩擦片產生限滑摩擦力矩，這樣左右半軸齒輪就與差速機構一同轉動，使得左右驅動輪同步前進，最大限度的發揮出兩驅動輪的附著性能。在車輛轉彎時，轉向傳感器檢測到車輛轉過有效角度，驅動器通過油泵控制壓力油送入主油路，限滑機構壓力油卸荷，壓緊活塞無壓力，限滑摩擦力矩消失，恢復傳統差速功能。

1.3 主要技術參數

本文設計的液壓鎖止式自動限滑差速器主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

2 液壓系統設計

為了實現液壓鎖止式自動限滑差速器的上述相關技術指標要求，依據相關液壓設計標準[15-16]，設計了三種液壓系統，現對每一種液壓系統的原理、結構、優缺點進行詳細闡述。

2.1 利用單向穩流閥分流

如圖2所示，本方案是在拖拉機提升工作泵高壓口加裝單向穩流閥獲取油源，主要由單向穩流閥、電磁換向閥和減壓閥等元件組成。液壓泵流出的液壓油經單向穩流閥分為兩路，包括恒流油路和分流油路。恒流油路通過單穩閥的A口、減壓閥、電磁換向閥進入限滑差速器，為限滑機構提供油源，并通過電磁換向閥和減壓閥分別對壓緊活塞進行動作方向與壓力控制；分流油路則通過單穩閥的B口入主機工作系統。

圖2 利用單向穩流閥液壓原理圖

本方案的優點在于單向穩流閥的價格低，液壓系統成本較低。缺點是供應提升器的油液被無條件分流，液壓泵流量為40 L/min，進入限滑差速器的恒流油路流量為7.5 L/min，進入提升器的分流油路流量為32.5 L/min，降低了提升器的工作速度19%，并且限滑功能激活狀態下，恒流油路油液保壓溢流，熱功率損失會導致系統溫升。

2.2 加裝減壓閥

如圖3所示，本方案是在拖拉機提升多路閥回油口加裝減壓閥獲取2 MPa回油背壓以獲取油源，主要由電磁換向閥和減壓閥等元件組成。電磁換向閥失電狀態，液壓油不進入限滑差速器，壓緊活塞不動作，實現差速功能。差速器需要鎖止時，電磁換向閥得電換向，在減壓閥回油背壓的影響下，液壓油進入限滑機構，推動壓緊活塞動作，壓緊限滑摩擦片，差速功能解除。

圖3 加裝減壓閥液壓原理圖

減壓閥的工作參數有進油口壓力p1、出油口壓力p2和流量q三項，主要特性如圖4和圖5所示。

圖4 減壓閥的q-p2特性曲線

圖5 減壓閥的p1-p2特性曲線

由圖4可以看出，減壓閥進口壓力p1基本恒定時，若其通過的流量q增加，則出油口壓力p2略微下降。當減壓閥的出油口處不輸出油液時，它的出口壓力基本上仍能保持恒定。

實踐民俗學在各個國家的發生都有著不同的社會文化和學術發展的背景。在中國，它發生于近二、三十年來中國民俗學轉型性發展的過程之中，與所研究的中國本土民俗文化傳統和日常交流實踐傳統不可分割，所以不能簡單說中國的實踐民俗學理論與實踐是受到國外影響的結果。譬如，我們加強了對中國基層社會中特有的廟會文化傳統的研究，開拓了對當代民俗即生活方式轉變的民俗志書寫和研究等，這些都說明了中國民俗學所具有的主體性和與各國民俗學進行對話的資格。[注]參見毛曉帥《中國民俗學轉型發展與表演理論的對話關系》，《民俗研究》2018年第4期。

由圖5可以看出，當減壓閥的進口壓力p1發生變化時，由于減壓口開度亦發生變化，因而會對出油口壓力p2產生影響，但影響的量值不大。

如圖6所示，如果用溢流閥產生背壓，壓力會隨著流量大小波動而不穩定，壓差在0.3 MPa左右。

圖6 溢流閥壓力流量特性曲線

本方案的優點是通過調整減壓閥彈簧，使其后端產生2 MPa的背壓，用減壓閥作為背壓閥使用，可得到穩定的背壓。本方案的缺點是由于在提升器多路閥回油口設置背壓，會降低元件可靠性，如果長時間工作，則熱功率損失較大，損失功率為1.4 kW，導致系統溫升過快，超過最佳工作溫度上限，不僅無法正常工作，還會對整個系統產生較大危害[17-18]。

2.3 加裝負載敏感優先閥

目前，基于負載敏感技術的液壓系統技術在國內不斷發展成熟，其具有功耗低和效率高等優點，可廣泛應用于農業機械、工程機械等重要行業領域[19-21]。基于此，本方案在拖拉機提升工作泵高壓口加裝負載敏感優先閥獲取油源，以實現限滑差速器的穩定高效作業。該方案結構和原理如圖7所示。

圖7 加裝負載敏感優先閥液壓原理圖

液壓泵流出的液壓油經負載敏感優先閥分為兩路，優先分流油液通過減壓閥、電液控制組合閥進入限滑差速器，為限滑機構提供油源，并通過電液控制組合閥和減壓閥分別對壓緊活塞進行動作方向與壓力控制；剩余油液入主機工作系統。

本方案優點是限滑差速器設定流量優先、按需供給，供應提升器的油液有條件分流，降低了對提升器的工作速度的影響程度。限滑功能激活狀態，優先分流油液不溢流，不會因熱功率損失而導致系統溫升。缺點是負載敏感優先閥的價格相對較高，使得整個液壓系統成本有所提高。

綜合考慮以上三種方案，經過認真分析比較，選用加裝負載敏感優先閥的技術方案作為本設計的實施方案。如圖8所示，本方案電液控制系統由負載敏感優先閥、電液控制組合閥、轉向傳感器、驅動器、液壓油輸送管道等相關元件構成。

圖8 自動限滑差速器控制系統示意圖

限滑控制系統與拖拉機主液壓系統共用油，通過負載敏感優先閥與主液壓油泵相連，分流出來的壓力油接電液控制組合閥，從電液控制組合閥出來的壓力油一路經管路接入限滑壓緊活塞的壓油腔，另一路經管路接入負載敏感優先閥的壓力反饋口，電液控制組合閥的回油口經管路與拖拉機提升器主回油口相連接，轉向傳感器安裝于轉向節軸上并隨轉向節轉動，當轉向節轉過有效角度時，轉向角位移傳感器發出信號到驅動器，驅動器發出指令，斷開控制電路，使電液控制組合閥換向，從而控制液壓油流向。

2.4 主要液壓元件選型

2.4.1 負載敏感優先閥

負載敏感優先閥可以理解為三通型定壓分流閥，作用是把進口流量按照一定要求優先輸送至優先動作油路，進口流量的其余部分送至另外的液壓工作系統。原理圖如圖9所示，其中P口與主液壓泵進油口連接，CF口與電液控制組合閥進油口連接，EF口與工作系統多路閥進油口連接，LS口與限滑壓緊活塞的壓油腔連接。

圖9 負載敏感優先閥原理圖

主機液壓系統壓力20 MPa，流量40 L/min，當主液壓泵不工作時，在彈簧作用下，通往工作系統EF口關閉，CF口打開。泵啟動后，油液經優先閥CF口優先流向電液控制組合閥，限滑功能關閉時，油液到達電液控制組合閥后壓力迅速升高，閥芯移動，開大EF口，關小CF口直至完全關閉，即可理解為限滑功能關閉時CF口處于關閉狀態，P口與EF口連通，主液壓泵的油液全部流向工作系統，此時LS口的壓力為零。限滑功能激活時，電液控制組合閥換向，CF口與限滑壓緊活塞的壓油腔連通，油液推動壓緊活塞動作，壓緊限滑摩擦片，限滑功能激活狀態。此時，LS口的壓力信號作用在閥芯的左端，閥芯右端的壓力較活塞壓油腔的壓力低，由于閥芯兩端壓差的變化和彈簧的作用，使得閥芯右移至CF口開口增大，EF口開口減小，液壓油優先供給限滑機構。

作為本系統的關鍵部件，負載敏感優先閥的性能，決定著整個液壓系統的穩健性。經過計算和多次試驗，本設計選用CP310-6型負載敏感優先閥，擁有好的穩定性，并具有較強的抗干擾能力，滿足系統設計要求。

2.4.2 主要元件參數

整機液壓泵流量為40 L/min，額定壓力20 MPa，進入限滑差速器的恒流油路流量為7.5 L/min，根據系統工作壓力與通過各液壓控制閥及油缸的最大流量，選取主液壓泵、電液控制組合閥及輔助元件，本系統選取的液壓元件型號參數值如表2所示。

表2 液壓元件主要參數和型號

3 整機性能試驗

3.1 試驗條件

試驗在山東濟南市章丘區棗園鎮某公司試制車間，使用的液壓油牌號為L-HM46長城牌抗磨液壓油，液壓油固體顆粒污染等級不高于NAS10級。試驗檢測儀器如表3所示，試驗樣機如圖10所示。

表3 試驗檢測儀器

圖10 試驗樣機

3.2 試驗方法

依據《JB/T 58207—1993液壓系統總成出廠檢驗技術條件》，用測溫儀測量液壓油箱3 h系統溫升，將壓力表分別接入液壓泵出油口和系統回油口位置測量系統工作壓力和回油背壓，用電子秒表記錄系統響應時間，用扭矩測試儀測量鎖止力矩，在每一位置處重復3次試驗，算取平均值。

3.3 試驗結果

本次試驗中主要對樣機工作壓力、鎖止力矩、回油背壓以及系統溫升等指標進行了測試，多次試驗后取平均值得到測試結果如表4所示。3 h溫升最高55 ℃，工作壓力1.8 MPa，鎖止力矩1 840 N·m，回油背壓0.35 MPa，響應時間0.20 s，試驗結果表明，測試的各項指標均滿足設計要求，并符合《GB/T 3766—2015液壓傳動系統及其元件的通用規則和安全要求》的相關要求[22]。

表4 液壓系統試驗性能測試結果

4 結論

1)設計了一種拖拉機驅動橋液壓鎖止式自動限滑差速器的液壓系統，根據拖拉機轉過角度，液壓系統自動對差速器鎖止限滑，提高了拖拉機的傳動及通過性能。

2)提供了三種液壓鎖止系統方案，分別具體剖析了三種方案的結構特點及優缺點，并從中擇優選擇加裝負載敏感優先閥的液壓鎖止方案作為本機液壓鎖止方案，提高了限滑差速器的自鎖性能，具有實際工程應用參考價值。

3)對加裝負載敏感優先閥的液壓鎖止方案的主要液壓元件參數進行了分析選型。經過試驗測試，所設計拖拉機轉向驅動橋液壓鎖止式自動限滑差速器液壓系統的性能穩定，設計合理，3 h系統溫升55 ℃、工作壓力1.8 MPa、鎖止力矩1 840 N·m、回油背壓0.35 MPa、響應時間0.2 s，各項指標均達到相關規定要求。