一種傳統變速箱電動換檔機構的設計與試驗

摘要隨著農機智能化的發展，現有農機向智能化方向升級，機械換擋則是優化之路的瓶頸。針對此問題設計一種傳統變速箱電動換擋機構，該機構由電動推桿作為主要換擋的執行部件，傳感器為檢測部件，通過繼電器等電器元件組成控制機構。通過對該機構執行部件的設計及電動換擋的可靠性試驗，驗證該電動換擋機構可以完成擋位的自由切換，為傳統機械向智能方向發展、遠程控制奠定基礎。

關鍵詞電動；換擋；變速箱

中圖分類號S22"文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2025）02-0211-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.02.042

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

DesignandTestingofaTraditionalGearboxElectricShiftMechanism

ZHANGJun-jie，LIXiao-he，YUANXing-maoetal

（HebeiAgriculturalMechanizationResearchInstituteCo.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei050051）

AbstractWiththedevelopmentofintelligentagriculturalmachinery，theexistingagriculturalmachineryisupgradedinthedirectionofintelligence，mechanicalshiftisthebottleneckoftheroadtooptimization.Inordertosolvethisproblem，thispaperdesignsakindoftraditionalgearboxelectricshiftmechanism，whichiscomposedofelectricpushrodasthemainactuatingpart，sensorasthedetectingpartandrelayasthecontrollingpart.Throughthedesignoftheexecutivepartandthereliabilitytestoftheelectricshift，itisprovedthattheelectricshiftmechanismcanaccomplishthefreeshift，whichlaysafoundationforthedevelopmentoftraditionalmachinerytointelligentdirectionandremotecontrol.

KeywordsElectric;Shift;Gearbox

近年來隨著智能化的快速發展，農業機械有了質的飛躍，智能農機的應用，一方面提高了農業生產的效率，保證了我國糧食供給的安全，另一方面，智能農機的大量應用也使人們從繁重的農業生產中解放出來，極大改善了生活^［1-9］。但有些農業機械在智能化提升過程中遇到許多瓶頸^［10-14］，以果園管理機械中的履帶自走式遙控作業機為例，旋耕作業過程中塵飛土揚，作業環境對人類呼吸道有損傷；噴藥作業過程中農藥會損傷人體皮膚與呼吸道，在此情況下，需要對履帶自走式遙控作業機進行智能化提升，使其實現智能化、遠程化的操作。在現有作業機基礎上進行改進，最大問題便是難以實現擋位的無人化變換。基于此，筆者研制一種傳統變速箱的電動換擋機構，為以后無人化操作奠定基礎。

1整體結構與工作原理

1.1整機結構

遠程電動換擋機構是在傳統手動變速箱基礎上進行改進的，設計方案是通過電動推桿推動變速箱中的撥叉進行移動，再借助位置傳感器判斷推桿位置。電動推桿的推出與收回通過控制電路進行互鎖控制。電動換擋機構主要由低速與倒車換擋電動推桿、中速與高速換擋電動推桿、低速與倒車空擋電動推桿、中速與高速空擋電動推桿、低速與倒車擋滑軌支撐座、中速與高速擋滑軌支撐座、低速與倒車滑道、中速與高速滑道、低速與倒車滑道滑塊、中速與高速滑道滑塊、中高速空擋感應片、低速與倒車空擋感應片、低速與倒車空擋滑動支撐座、中速與高速空擋滑動支撐座、低速與倒車空擋傳感器、中速與高速空擋傳感器、低速與倒車擋撥叉、低速與倒車擋位軟切換部件、中高速擋撥叉、中速與高速擋位軟切換部件等組成，結構如圖1所示。

遠程換擋機構進行4擋位調節，一個電動推桿調節兩個擋位，擋位呈“工”字型布置，低速擋在“工”字結構左上角，倒車擋位在“工”字結構右上角，其共用一個電動推桿，外加一個輔助空擋電動推桿。低速與倒車換擋撥叉頂部加裝滑道滑塊，低速與倒車擋位滑軌穿過滑塊，通過兩個滑軌支撐座將滑軌固定，滑塊頂部固定0.4mm厚的傳感器感應片，輔助空擋電動推桿上固定有傳感器，輔助電動推桿頂端固定軟連接的頂桿，用于空擋的推入至卡槽內。中速擋位在“工”字結構的左下角位置，高速擋位在“工”字結構的右下角位置，推桿排列布局與低速、倒車擋位的布局一樣。

1.2工作原理

電動換擋機構擋位切換采用電動推桿伸縮方式進行換擋，繼電器及傳感器進行控制^［15-20］。在擋位切換前先要按下空擋鍵，以免在擋位切換時空擋電推推桿在推出狀態換擋電動推桿伸縮，損壞空擋電動推桿。在切換低速擋位時，低速與倒車空擋電動推桿收縮退出卡槽，低速與倒車換擋電動推桿推出至低速位置，中速與高速換擋推桿以及其空擋推桿不動作，保持在空擋位置。由低速切換到倒車擋位時，必須先按下空擋鍵，低速倒車空擋電動推桿推出至卡槽內，同時傳感器檢測到位置停止，低速與倒車換擋電動推桿收縮至空擋位置停止，剛好被其空擋電動推桿的頂桿頂入卡槽內，進入空擋。此時再切換倒車擋位按鍵，低速與倒車空擋電動推桿收縮推出卡槽，低速與倒車換擋推桿繼續收縮至倒車擋位。更換中速擋位與高速擋位時工作原理同低速擋位與倒車擋位，都是需要先按下空擋鍵方可切換擋位，并且低速、擋車擋位的線路是不通，無動作的。

2關鍵部件設計

2.1擋位切換部件的連接方式及結構

擋位切換均采用軟

連接的方式，防止在擋位切換時損傷變速箱內的齒輪。推桿連接套一端與電動推桿頂端套裝在一起，通過銷子固定，推桿連接套另一端內孔加工有螺紋，其與推桿連接絲杠擰在一起，通過彈簧壓力調節母將推桿連接套與絲杠鎖緊，套上彈簧再通過螺紋擰緊彈簧套，彈簧套與換擋撥叉緊密貼合在一起，撥叉另一側同樣固定有彈簧套、彈簧以及彈簧壓力調節母。通過調整彈簧套與彈簧壓力調節母之間的距離，可以實現彈簧的壓力，進而調整切換擋位時換擋撥叉的力度。擋位切換部件結構如圖2所示。在切換空擋時空擋電推桿連接套與空擋電推桿套在一起，通過銷子固定，連接套內部先預制一個十字螺栓，套上彈簧，空擋頂桿與連接套一端加工有螺紋控，十字螺栓與空擋頂桿的螺紋孔擰在一起，并涂抹上緊固膠，防止松動。此時空擋頂桿部件在推出至撥叉槽內時，如果力度過大或距離過長易導致撥叉滑出撥叉卡槽內，通過此連接可以將過大的力度和距離給予彈簧，過大的距離由十字螺栓收縮完成空擋切換。空擋頂桿部件結構見圖3。

2.2電動推桿的選型

電動推桿作為擋位切換的主要執行部件，其選擇尤為重要。由于擋位的切換行程為28mm，因此在選用推桿的時候考慮的推桿行程≥28mm。電源選用12V，由于遠程換擋機構直接采用作業機電瓶作為電源，所以電動推桿在選擇時需用簡單易安裝，無需外配電源的方式。考慮到行程較短，并且需要實現3個擋位的動作，電動推桿在選擇時不易過快，推力速度選擇20"mm/s，其對應的最大推力為700N滿足擋位切換時的推力。

空擋輔助電動推桿行程距離較小，只有10mm，因此在選擇電動推桿時選擇小行程，其所需的推力較小，因此在購買時選擇現貨款，行程10mm，電源12VDC，推力速度24mm/s，其對應的推力350N，滿足輔助空擋切換的需求。電動推桿參數見表1。

2.3彈簧線徑的選擇

由于該機構設計為軟連接，軟連接核心零件為擋位切換部件上的彈簧，彈簧套外徑為25mm，推桿連接絲杠長度為210mm，依據擋位切換結構示意（圖2），推桿連接絲杠上安裝有推桿連接套1件、換擋撥叉1件、彈簧套2件、彈簧壓力調節母2件、圓柱壓縮彈簧2根，彈簧套長度為29mm，彈簧壓力調節母長度12mm，彈簧連接套內的螺紋長度30mm，換擋撥叉厚度12mm，彈簧撥叉兩側兩根彈簧，彈簧壓力調節母距推桿連接絲杠的頂端需要預留出15cm的距離，用于調節彈簧壓力，剩余安裝每根彈簧的長度為38cm，在彈簧長度選擇時考慮略大于35.5cm，因此彈簧長度選擇40cm，使安裝的彈簧有一定的壓力。彈簧線徑依據圓柱螺旋壓縮彈簧計算公式：

d=1.6PnKC［τ］

式中：Pn為最大工作負荷，kg；［τ］為彈簧許用應力，kg/mm2；C為彈簧指數；K為曲度系數；d為彈簧絲直徑，mm。

切換擋位的電動推桿最大推力為700N，最大工作負荷約為70kg，彈簧需用應力依據彈簧材料（65Mn）及收變負荷作用次數，通過查表得出許用應力為70kg/mm2，彈簧指數和曲度指數也是通過查表取值，彈簧指數取6，曲度指數1.25，計算得出彈簧絲直徑最大為4.38mm，因此在選彈簧絲直徑時選用4.0mm。彈簧套在彈簧套外徑上考慮到換擋工作時摩擦力及扭變形等，彈簧內徑略大于25cm，彈簧外徑35cm，切換擋位彈簧尺寸選用4.0mm×35.0mm×40.0mm。

同樣方法計算得出，空擋頂桿部件結構示意圖3中，彈簧尺寸選用2.0mm×25.0mm×35.0mm。

2.4傳感器的選取

為了保證電動推桿在切換空擋時能準確停留在空擋位置，采用位置傳感器的方式，當按下空擋鍵，空擋輔助電動推桿推出，切換檔位電動推桿伸縮時，換擋撥叉上的感應片滑動到，在空擋位置的傳感器感應的檢測距離時，切換擋位的電動推桿則停止動作。型號為1004NO微小方形接近傳感器響應時間小于0.5ms，開關頻率1000Hz。

3換擋可靠性試驗

3.1試驗條件

電動換擋可靠性測試試驗內容為擋位到位率及換擋時卡頓等情況。電動換擋測試試驗于2023年7月14日在河北省農業機械化研究所有限公司辦公樓4樓實驗室內進行，試驗工具：履帶作業機的手動變速箱、電動換擋機構、12V電機、皮帶輪、皮帶、12V開關穩壓電源、秒表。電動換擋機構實物見圖4。

3.2試驗方法

換擋可靠性試驗具體實施方法：皮帶輪固定于12V電機上，皮帶用連接履帶作業機的手動變速箱皮帶輪與12V電機上的皮帶輪，將電機動力傳輸至變速箱，12V開關穩壓電源為電動換擋機構與12V電機提供電源。換擋試驗由空擋—低速擋—空擋—倒車擋—空擋—中速擋—空擋—高速擋—空擋的順序切換。啟動電源，按下空擋按鍵，電環擋位的電動推桿、空擋電動推桿伸出，空擋電動推桿的頂桿推入換擋電動推桿側面卡槽的同時，傳感器感應檢測到達位置停止，此時觀測變速箱輸出軸的轉動情況，輸出軸停止，空擋到位。按下低速擋按鍵，低速與倒車擋位電動推桿推出至低速位置停止，同時低速與倒車空擋電動推桿收縮，傳感器隨電動推桿遠離檢測位置，觀測變速箱輸出軸的轉動情況，輸出軸由停止變為轉動，擋位切換成功。按下擋位按鍵開始利用秒表計時，變速箱輸出軸停轉/旋轉停止計時，記下每次擋位切換時間及觀測擋位切換過程中的順滑情況，倒車擋、中速擋、高速擋依次依照此順序切換試驗5次，得出試驗結論，試驗數據見表2。

由表2數據得出，平均切換擋位的時間為7.07s，擋位切換的到位率97.8%，第2輪測試空擋切換輸出軸處于半嚙合狀態，及時干預后撥叉卡入擋位。

4結論

研制了一種傳統手動變速箱電動換擋機構，該機構由電動推桿作為主要換擋的執行部件，傳感器為檢測部件，通過繼電器等電器元件組成控制機構。

電動換擋機構可靠性試驗的換擋時間基本滿足且符合電動推桿的推出與收縮速度，換擋機構由于采用軟連接，未發生打齒現象，只有在一次空擋切換時，齒輪處于版嚙合狀態未切換到空擋位置，也是因為固定滑軌軸的支撐座松動，導致撥叉在隨推桿收縮時發生扭動，滑出空擋位置，調緊螺栓后未發生該現象。該研究主要介紹了該機構執行部件的設計、工作原理及電動換擋的可靠性試驗，試驗的成功助推了傳統機械向智能方向發展，可為遠程控制奠定基礎。

參考文獻

［1］張俊杰，張西群，馬力，等.1GZDY－120履帶自走式遙控旋耕機的設計與試驗［J］.安徽農業科學，2022，50（20）：193-196.

［2］閆九祥，趙永國，王亞麗，等.雙履帶機器人電液行走控制系統建模與仿真［J］.機床與液壓，2019，47（19）：120-124.

［3］王鳳祥.越障式履帶機器人系統設計與研究［D］.太原：中北大學，2021.

［4］平凡.一種履帶式車輛的遙控改造方案［J］.電子元器件與信息技術，2022，6（1）：27-29.

［5］劉永智.無線遙控的履帶式微耕機研發［D］.錦州：遼寧工業大學，2021.

［6］孫景彬，楚國評，潘冠廷，等.遙控全向調平山地履帶拖拉機設計與性能試驗［J］.農業機械學報，20252（5）：358-369.

［7］宋裕民，梁健明，邱緒云，等.履帶式拖拉機運動控制系統設計與試驗［J］.農機化研究，2019，41（7）：242-248.

［8］魏丹.全液壓驅動履帶式拖拉機電控系統的設計［D］.楊凌：西北農林科技大學，2013.

［9］王元杰，劉永成，楊福增，等.溫室微型遙控電動拖拉機的研制與試驗［J］.農業工程學報，2012，28（22）：23-29.

［10］李格倫，崔天時，劉春莉，等.農用輪式機器人運動控制系統設計與試驗［J］.農機化研究，2018，40（2）：192-196.

［11］曹付義，周志立，賈鴻社.履帶車輛轉向機構的研究現狀及發展趨勢［J］.河南科技大學學報（自然科學版），20024（3）：89-92.

［12］吳騰飛.小型遙控式履帶拖拉機轉向性能測試系統設計與試驗［D］.雅安：四川農業大學，2019.

［13］魏相圣，苗德元，周興動，等.推土機履帶安裝遙控小車的設計研發［J］.機械設計與研究，2022，38（4）：213-218.

［14］張希.電動換擋執行機構的動態換擋測量方法［J］.汽車零部件，2022（11）：58-61.

［15］馬洪濤，劉鐘，劉堯.電動直連變速箱換擋控制分析［J］.汽車實用技術，20248（12）：22-26.

［16］郗建國，彭璽，高建平.基于工況預測的電動汽車兩擋AMT換擋過程控制［J］.現代制造工程，2023（7）：63-72.

［17］代青林，張中理，陳勇，等.純電動汽車兩擋雙離合變速器換擋控制研究［J］.機械傳動，2022，46（9）：1-10.

［18］王志濤.ET200型兩擋變速箱換擋過程控制策略研究［D］.唐北：華北理工大學，2022.

［19］吳斌，付鵬.基于模糊分數階PID的電動汽車換擋過程轉速控制［J］.北京工業大學學報，2022，48（10）：1069-1077.

［20］蓋際羽.純電動汽車無動力中斷兩擋變速驅動橋設計與換擋控制［D］.長春：吉林大學，2022.