郝允志　陳　建　薛榮生　周　黔

西南大學(xué)，重慶，400715

小型扭矩回差式兩擋自動(dòng)變速器

郝允志陳建薛榮生周黔

西南大學(xué)，重慶，400715

為了提高微型耕耘機(jī)等小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化水平和操作舒適性，提出了一種根據(jù)作業(yè)阻力自動(dòng)換擋的兩擋自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)。換擋機(jī)構(gòu)由摩擦離合器、超越離合器、端面凸輪和彈簧組成，無需電控和液壓機(jī)構(gòu)。采用扭矩式單參數(shù)回差換擋規(guī)律，降擋扭矩通過彈簧預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，換擋回差主要由端面凸輪角度決定。換擋過程中動(dòng)力不中斷，離合器的接合壓力保持恒定并傳遞穩(wěn)定的扭矩，通過滑摩來逐漸達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，有利于降低換擋沖擊。原理樣機(jī)驗(yàn)證了變速器的自動(dòng)換擋功能和換擋穩(wěn)定性。

微型耕耘機(jī); 自動(dòng)變速器; 換擋規(guī)律; 耕作阻力

0　引言

微型耕耘機(jī)在我國正處于快速發(fā)展和逐漸普及階段，然而用戶抽樣調(diào)查顯示，用戶對其旱地耕作效果的綜合滿意率不足50%，動(dòng)力不足和作業(yè)效率是反映的主要問題。對于土層薄、石塊多的山地丘陵地區(qū)，如遇到土壤板結(jié)、石塊和纏草等情況，作業(yè)阻力突然增大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突降甚至熄火。提高動(dòng)力性能的措施包括兩個(gè)方面：一是研究耕作受力特性，改進(jìn)耕刀結(jié)構(gòu)以降低工作阻力[1-3]；二是匹配發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)以提高輸出功率[4]。目前，與微型耕耘機(jī)配套的發(fā)動(dòng)機(jī)已基本定型，改進(jìn)耕作機(jī)具成為研究和試驗(yàn)的重點(diǎn)[5-6]。

在傳動(dòng)系統(tǒng)方面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)、兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)等新型傳動(dòng)形式得到應(yīng)用，自動(dòng)化、智能化和信息化水平不斷提高[7-11]，對變速器也提出了更高的要求，但關(guān)于微型耕耘機(jī)變速器方面的研究卻相對較少。目前微型耕耘機(jī)采用手動(dòng)變速器，不能隨耕作阻力的變化自動(dòng)換擋。自動(dòng)變速器的研究均針對大中型農(nóng)機(jī)和車輛，均采用電控液壓系統(tǒng)和智能控制策略[12-13]，針對微型耕耘機(jī)等小型動(dòng)力機(jī)械的自動(dòng)變速器方面的研究尚屬空白。

本文提出了一種扭矩回差式兩擋自動(dòng)變速器，該變速器采用機(jī)械換擋機(jī)構(gòu)，無需電控和液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)耕作阻力自動(dòng)換擋的目的，從而為微型耕耘機(jī)等小型動(dòng)力機(jī)械的自動(dòng)變速器提供一種結(jié)構(gòu)方案。

1　換擋原理

微型耕耘機(jī)變速器配置有1擋、2擋和倒擋三個(gè)擋位，扭矩回差式兩擋自動(dòng)變速器的作用是實(shí)現(xiàn)1擋和2擋的自動(dòng)切換。變速器原理如圖1所示，圖中省略了倒擋和主減速機(jī)構(gòu)部分。變速機(jī)構(gòu)的彈簧為預(yù)壓縮狀態(tài)，摩擦離合器(以下簡稱離合器)主從動(dòng)盤在彈簧預(yù)壓力的作用下接合，變速器機(jī)構(gòu)處于2擋狀態(tài)。1擋從動(dòng)軸、離合器從動(dòng)盤和輸出軸轉(zhuǎn)速相同，輸出軸轉(zhuǎn)速高于1擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速，超越離合器處于超越狀態(tài)，1擋齒輪副空轉(zhuǎn)。

圖1　扭矩回差式兩擋自動(dòng)變速器簡圖

(1)降擋過程。離合器在彈簧預(yù)壓力作用下所能傳遞的最大扭矩即為降擋扭矩，當(dāng)輸出軸阻力矩超過降擋扭矩時(shí)，離合器開始打滑，離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)輸出軸的轉(zhuǎn)速降至1擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速時(shí)，超越離合器接合并傳遞扭矩，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力克服彈簧預(yù)壓力使離合器完全分離，2擋齒輪副空轉(zhuǎn)，變速機(jī)構(gòu)切換至1擋，降擋過程結(jié)束。

(2)升擋過程。當(dāng)阻力矩減小時(shí)，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力減小，當(dāng)軸向力小于彈簧預(yù)壓力時(shí)，離合器開始接合并傳遞扭矩，輸入軸扭矩經(jīng)1擋齒輪傳遞的扭矩進(jìn)一步減小，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力也進(jìn)一步減小，離合器接合壓力進(jìn)一步增大并傳遞更大的扭矩?？梢娺@是一個(gè)正反饋過程，動(dòng)力傳動(dòng)路線瞬間從1擋傳遞至2擋，離合器進(jìn)入打滑狀態(tài)，在摩擦力矩的作用下，主從盤的轉(zhuǎn)速差逐漸減小并最終同步，升擋過程結(jié)束。

(3)自動(dòng)擋和手動(dòng)擋的切換。在變速器箱體上設(shè)置彈簧預(yù)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，當(dāng)彈簧預(yù)壓力為零時(shí)，離合器斷開，變速器固定在1擋運(yùn)行；增大彈簧預(yù)壓力，換擋扭矩超過最大工作阻力矩時(shí)，變速器固定在2擋運(yùn)行。

換擋原理表明，該變速器直接利用輸入扭矩和阻力矩的相互作用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，無需電動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低，適用于微型耕耘機(jī)等小型農(nóng)業(yè)機(jī)械。

2　換擋規(guī)律

該變速器采用扭矩式單參數(shù)回差換擋規(guī)律，如圖2所示，降擋扭矩大于升擋扭矩，防止在阻力矩小幅變化時(shí)擋位來回切換。制定換擋規(guī)律就是根據(jù)動(dòng)力源、傳動(dòng)比和耕作特點(diǎn)確定降擋扭矩和換擋回差。根據(jù)換擋規(guī)律即可計(jì)算換擋機(jī)構(gòu)參數(shù)，主要涉及離合器、彈簧、端面凸輪三個(gè)部件，其中離合器的結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)目標(biāo)扭矩容量確定。下面只討論換擋規(guī)律與彈簧和端面凸輪的關(guān)系。

圖2　換擋規(guī)律示意圖

2.1降擋扭矩

本文所述變速器樣機(jī)的離合器采用錐面離合器，彈簧采用碟形彈簧。降擋扭矩Tdown與離合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和彈簧預(yù)壓力的關(guān)系為

(1)

式中，F(xiàn)co為彈簧預(yù)壓力；fco為摩擦因數(shù)；αco為摩擦面錐角；rco2為摩擦面外徑；rco1為摩擦面內(nèi)徑；Cco為離合器結(jié)構(gòu)系數(shù)。

式(1)表明，若不考慮彈簧預(yù)壓力對摩擦因數(shù)的影響，降擋扭矩與彈簧預(yù)壓力成線性關(guān)系。利用變速器上的彈簧預(yù)壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)節(jié)降擋扭矩，利于匹配不同的發(fā)動(dòng)機(jī)和適應(yīng)不同的耕種作業(yè)。

根據(jù)式(1)可得彈簧預(yù)壓力Fco=Tdown/Cco。為充分利用碟形彈簧的行程，采用反向疊堆布置方式，根據(jù)預(yù)壓力選定彈簧型號(hào)，再根據(jù)彈簧特性計(jì)算壓縮量為

(2)

式中，ndi為碟形彈簧片數(shù)；ho為碟形彈簧滿行程；Kdi為碟形彈簧剛度特性曲線；Fc為碟形彈簧滿行程壓力；Cdi為碟形彈簧結(jié)構(gòu)系數(shù)。

升擋扭矩根據(jù)端面凸輪和碟簧之間的軸向力平衡進(jìn)行計(jì)算。端面凸輪只在低速擋時(shí)傳遞扭矩，其產(chǎn)生的軸向力為

Fca=Tuptanαca/rca=Tup/Cca

(3)

式中，Tup為升擋扭矩；αca為端面凸輪角；rca為端面凸輪工作半徑；Cca為端面凸輪結(jié)構(gòu)系數(shù)。

2.2換擋回差

當(dāng)端面凸輪傳遞的扭矩等于升擋扭矩時(shí)，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力等于彈簧預(yù)壓力。根據(jù)式(1)和式(3)可得升擋扭矩和降擋扭矩的關(guān)系為

(4)

設(shè)換擋回差為ε，升擋扭矩和降擋扭矩滿足關(guān)系式

Tup=Tdown(1-ε)

(5)

代入式(4)可得端面凸輪結(jié)構(gòu)系數(shù)為

Cca=Cco(1-ε)

(6)

端面凸輪的結(jié)構(gòu)系數(shù)由凸輪工作半徑和凸輪角決定。由于變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的限制，凸輪工作半徑的調(diào)整范圍不大，因此通過調(diào)整凸輪角度來改變凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)比較合理。以本文變速器樣機(jī)的結(jié)構(gòu)為例，端面凸輪角與換擋回差的關(guān)系計(jì)算結(jié)果如圖3所示，取端面凸輪角為68°，對應(yīng)的換擋回差為25%。

圖3　端面凸輪角與換擋回差的關(guān)系

2.3換擋規(guī)律的穩(wěn)定性

換擋規(guī)律的穩(wěn)定性是指在變速器使用一段時(shí)間后，換擋規(guī)律的變化是否在允許范圍內(nèi)。造成換擋規(guī)律變化的主要原因包括：①離合器的摩擦因數(shù)發(fā)生變化；②離合器磨損后造成彈簧壓預(yù)壓縮量減小，使彈簧預(yù)壓力減小，降擋扭矩也隨之減小。

為了提高換擋規(guī)律的穩(wěn)定性，可采取以下措施：①在離合器結(jié)構(gòu)方面，增大錐面離合器的半徑，減小錐面角度，在相同換擋扭矩的條件下可減小彈簧的預(yù)壓力，有利于減小摩擦面的壓力以減少磨損;②增加碟形彈簧的組數(shù)，減小離合器磨損對彈簧預(yù)壓力的影響，比如，碟形彈簧組數(shù)增加一倍，則因離合器磨損造成的預(yù)壓力的下降量減小一半；③錐面離合器在裝配前進(jìn)行加壓研磨處理，使摩擦因數(shù)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在臺(tái)架試驗(yàn)條件下，設(shè)定阻力矩循環(huán)變化，對樣機(jī)連續(xù)進(jìn)行千余次換擋試驗(yàn)，結(jié)果表明，離合器未出現(xiàn)明顯磨損，換擋規(guī)律比較穩(wěn)定。

3　換擋過程

3.1降擋過程

在2擋運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)阻力矩超過降擋扭矩時(shí)，離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài),降擋過程開始。降擋過程中，離合器傳遞的扭矩等于降擋扭矩，并保持不變。此時(shí)，輸入軸角加速度為

(7)

式中，Te為輸入扭矩；Je為輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i2為2擋傳動(dòng)比；i1為1擋傳動(dòng)比。

輸出軸角加速度為

(8)

式中，Tv為耕作阻力矩；Jv為整機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；η0為主減速效率；i0為主減速傳動(dòng)比。

耕作阻力增大，輸出軸轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速和1擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速相同即ωi=i1ωo時(shí)，超越離合器接合，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力克服彈簧預(yù)壓力，使錐面離合器分離，換擋過程結(jié)束。式(8)表明，耕作阻力越大、整機(jī)等效慣量越小，則換擋時(shí)間越短。

3.2升擋過程

在1擋運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)阻力矩小于升擋扭矩時(shí)，端面凸輪產(chǎn)生的軸向力不足以克服彈簧預(yù)壓力，離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài),升擋過程開始。升擋過程中的離合器傳遞的扭矩也等于降擋扭矩，并保持不變，該特性與降擋過程相同。因此升擋過程中的輸入軸和輸出軸的角加速度計(jì)算公式也是式(7)和式(8)。輸入軸轉(zhuǎn)速下降，輸出軸轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速和2擋從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速相同即ωi=i2ωo時(shí)，錐面離合器完全接合，升擋過程結(jié)束。

3.3換擋過程仿真

以某汽油機(jī)為動(dòng)力源的微型耕耘機(jī)為對象，建立微型耕耘機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，主要參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

(a)工作阻力矩

(b)離合器轉(zhuǎn)速圖4　換擋過程仿真

耕作阻力突然增大和突然減小工況的仿真結(jié)果如圖4所示，包括4個(gè)階段：①初始狀態(tài)時(shí)，耕作阻力較小，變速器處于2擋狀態(tài)運(yùn)行；②耕作阻力突然增大后，離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài)，降擋過程開始，離合器主從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)輸入軸和輸出軸的傳動(dòng)比達(dá)到1擋傳動(dòng)比時(shí)，超越離合器接合，換擋過程結(jié)束；③微型耕耘機(jī)加速并逐漸穩(wěn)定；④耕作阻力突然下降后，離合器再次進(jìn)入滑磨狀態(tài)，升擋過程開始，主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速下降，而從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)輸入軸和輸出軸的傳動(dòng)比達(dá)到2擋傳動(dòng)比時(shí)，離合器完全接合，換擋過程結(jié)束。仿真結(jié)果表明，降擋過程時(shí)間為1.8 s，升擋過程時(shí)間為0.3 s，遠(yuǎn)短于降擋過程的時(shí)間。另外，由于換擋過程中沒有動(dòng)力中斷，離合器的接合壓力保持恒定并傳遞穩(wěn)定的扭矩，通過滑摩來逐漸達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，有利于降低換擋沖擊，提高操作舒適性和延長機(jī)械零件的壽命。

4　試驗(yàn)

(a)端面凸輪

(b)錐面離合器圖5　端面凸輪和錐面離合器

圖6　原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

設(shè)計(jì)加工了變速器原理樣機(jī)，換擋回差為25%。圖5所示為端面凸輪和錐面離合器，圖6所示為原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，動(dòng)力源為永磁同步電機(jī)，采用變頻器控制。將變頻器設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制模式，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定在2000 r/min，測功機(jī)循環(huán)改變阻力矩，降擋扭矩在10～75 N·m范圍內(nèi)取值,變速器均能夠根據(jù)阻力矩的變化自動(dòng)換擋，驗(yàn)證了自動(dòng)換擋功能，其中降擋扭矩為45 N·m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

(a)阻力矩

(b)輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速圖7　換擋功能試驗(yàn)

為了延長換擋過程以驗(yàn)證換擋機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，將變頻器設(shè)置為電壓開環(huán)控制模式，在輸出軸安裝6.3 kg·m2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪，遠(yuǎn)大于微型耕耘機(jī)在輸出軸上的等效慣量。微型耕耘機(jī)的主減速比較大，微型耕耘機(jī)在輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于0.05 kg·m2。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，降擋過程持續(xù)8.7 s，離合器在降擋過程中能夠較快地進(jìn)入穩(wěn)定的滑摩狀態(tài),輸入軸扭矩、輸出軸扭矩和主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速都保持基本穩(wěn)定，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速緩慢下降，換擋過程比較穩(wěn)定。因?yàn)檩斎胼S端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，所以升擋過程中的輸入軸轉(zhuǎn)速變化較快，升擋過程在1 s內(nèi)完成。

(a)輸入輸出扭矩估算值

(b)離合器轉(zhuǎn)速圖8　安裝較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)的換擋試驗(yàn)

5　結(jié)論

(1)阻力式兩擋自動(dòng)變速器采用扭矩式單參數(shù)回差換擋規(guī)律，能夠隨工作阻力變化自動(dòng)換擋；換擋機(jī)構(gòu)由摩擦離合器、超越離合器、端面凸輪和彈簧組成，無需電控和液壓機(jī)構(gòu)，可切換至手動(dòng)擋。

(2)換擋過程中沒有動(dòng)力中斷，離合器的接合壓力保持恒定并傳遞穩(wěn)定的扭矩，通過滑摩來逐漸達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，有利于降低換擋沖擊，樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)換擋功能和換擋穩(wěn)定性。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Light-Duty 2-Speed Automatic Transmission with Torque Backlash Shift Schedule

Hao YunzhiChen JianXue RongshengZhou Qian

Southwest University,Chongqing,400715

To improve the level of automation and operation comfort of light-duty agriculture machines, such as micro-cultivator, a novel 2-speed automatic transmission structure was presented,which could shift according to tillage resistance automatically.The gearshift consisted of friction clutch, overrunning clutch,edge cam and springs, without hydraulic and electrical mechanism. Shift schedule was of single parameter backlash schedule of torque. Torque of down shift was adjusted by spring pre-load, and shift backlash was mainly decided by edge cam angle. During shifting process,torque was translated continuously and clutch pressure was constant to provide a steady torque.This characteristic is good for smoothing synchronization and reduces shifting shock. Prototype experiment was carried on,and the auto-shift function and stability was proved.

micro-cultivator; automatic transmission; shift schedule; tillage resistance

2014-05-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31271610)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(XDJK2014B046)

S222.3< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.021

郝允志，男，1982年生。西南大學(xué)智能傳動(dòng)和控制工程實(shí)驗(yàn)室講師、博士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)及其控制。發(fā)表論文10篇。陳建，男，1957年生。西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。薛榮生，男，1948年生。西南大學(xué)智能傳動(dòng)和控制工程實(shí)驗(yàn)室研究員。周黔，男，1970年生。西南大學(xué)智能傳動(dòng)與控制工程實(shí)驗(yàn)室講師、博士。