高　翔，王志晨

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

?

拖拉機(jī)負(fù)載增扭/梭行換擋副變速器設(shè)計(jì)

高翔，王志晨

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：動(dòng)力換擋變速器換擋時(shí)動(dòng)力不中斷，且能夠?qū)?fù)雜的換擋過(guò)程簡(jiǎn)化為按鈕操作，在國(guó)外的拖拉機(jī)上已得到了廣泛應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)了一種新型的負(fù)載換擋行星齒輪副變速器，增加了原變速箱的擋位數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了增扭負(fù)載換擋與梭行換擋。在分析了整體功能要求的基礎(chǔ)上，確定了變速器的傳動(dòng)方案及結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了副變速器液壓控制系統(tǒng)，并對(duì)拖拉機(jī)各擋總傳動(dòng)比及理論車速進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)，繪制了拖拉機(jī)牽引力和比油耗曲線，定義拖拉機(jī)牽引功率利用率和比油耗損失率用以評(píng)價(jià)拖拉機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并通過(guò)計(jì)算比較了改進(jìn)前后拖拉機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性情況。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；副變速器；負(fù)載換擋；牽引特性

0引言

目前，我國(guó)正處在工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移，聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制形成的一家一戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)不利于保障糧食安全和主要農(nóng)產(chǎn)品供給，以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的需要，發(fā)展適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的種田大戶或農(nóng)場(chǎng)已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式需要高效、便捷的新型農(nóng)用拖拉機(jī)，本文研究了濕式離合器/制動(dòng)器控制的增扭負(fù)載換擋與梭行換擋的副變速器，該副變速器與有級(jí)機(jī)械變速器組合，可顯著減少農(nóng)田作業(yè)過(guò)程中的換擋操作，提高作業(yè)效率，減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

變速器的傳動(dòng)路線簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　變速器的傳動(dòng)路線簡(jiǎn)圖

圖1中：C1、C2為濕式離合器；B1、B2為濕式制動(dòng)器；t1、t2為前、后太陽(yáng)輪；j1、j2為前、后行星架；q1、q2為前、后齒圈；nin為副變速器輸入轉(zhuǎn)速(r/min)；nout為副變速器輸出轉(zhuǎn)速(r/min)。負(fù)載換擋增扭/梭行副變速器布置在拖拉機(jī)主離合器與傳統(tǒng)機(jī)械變速器之間。增扭/梭行副變速器的換擋采用液壓控制，根據(jù)離合器、制動(dòng)器的不同接合狀態(tài)，副變速器具有增扭擋、直接擋、逆行擋及空擋4個(gè)擋位。

副變速器換擋液壓控制系統(tǒng)由動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)組成，原理圖如圖2所示。副變速器換擋通過(guò)組合控制兩個(gè)電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)直接擋、增扭擋、空擋和倒擋操作，前進(jìn)擋與逆行擋間切換無(wú)需分離主離合器。執(zhí)行元件工作規(guī)律如表1所示。

圖2　增扭/梭行副變速器液壓控制系統(tǒng)原理圖

擋位C1C2B1B2增扭擋+—+—直接擋++——逆行擋—+—+空擋——++

拆除原拖拉機(jī)的倒擋機(jī)構(gòu)，將副變速器嵌入到拖拉機(jī)主離合器和原變速器之間。改進(jìn)后的拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的前進(jìn)擋位數(shù)增加1倍，還獲得與改進(jìn)前機(jī)型前進(jìn)擋位數(shù)相同數(shù)目的倒擋擋位。合理選擇副變速器的傳動(dòng)比，可以使得拖拉機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)具備降速增扭功能，逆行擋速度小于前進(jìn)擋速度。

當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)遇到較大載荷時(shí)，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)能夠帶負(fù)載切換到增扭擋，避免作業(yè)中遇到1.2～1.3倍的突變大載荷；待拖拉機(jī)順利克服短期增大的載荷后，再通過(guò)液壓控制系統(tǒng)，帶負(fù)載切換到原工作擋位。當(dāng)拖拉機(jī)在田間調(diào)頭或場(chǎng)地作業(yè)時(shí)，駕駛員無(wú)需操縱主離合器和手動(dòng)變速器，只需通過(guò)液壓換擋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空擋、前進(jìn)和后退擋位的切換，顯著提高作業(yè)效率[2]。

2傳動(dòng)比設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1增扭/梭行副變速器傳動(dòng)比確定

由圖1可見(jiàn)：副變速器由2排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力輸入元件由離合器C1和C2控制。其輸出軸的轉(zhuǎn)速及各元件的轉(zhuǎn)速關(guān)系[3]為

(1)

根據(jù)表1所示的換擋控制元件工作規(guī)律表，當(dāng)選擇增扭擋工作時(shí)，控制離合器C1接合、制動(dòng)器B1制動(dòng)，則有

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，則可得到副變速器增扭擋的傳動(dòng)比為

(3)

其中，k2=zq2/zt2，zq2和zt2分別為后行星排齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù)。

如表1所示，直接擋工作時(shí)接合離合器C1和C2，則有

(4)

聯(lián)立式(1)和式(4)，則可得到副變速器直接擋的傳動(dòng)比為

(5)

當(dāng)逆行擋工作時(shí)，接合離合器C2，制動(dòng)器B2制動(dòng)，則有

(6)

聯(lián)立式(1)和式(6)，則可得到副變速器逆行擋的傳動(dòng)比為

(7)

其中，k1=zq1/zt1，zq1,zt1分別為前星排齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù)。

當(dāng)離合器C1、C2分離，制動(dòng)器B1、B2接合時(shí)，動(dòng)力傳遞中斷，可得到空擋。

考慮到拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)直接擋、增扭擋和逆行擋傳動(dòng)比之間的合理分配及行星齒輪系的結(jié)構(gòu)限制，最終選定前行星齒輪排k1=1.5，后行星齒輪排k2=4，代入式(3)、(5)、(7)則得到副變速器各擋的傳動(dòng)比。

2.2變速器各擋總傳動(dòng)比確定

本文以某拖拉機(jī)傳動(dòng)系為平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，該拖拉機(jī)的原始參數(shù)如表2所示。

表2　拖拉機(jī)原始參數(shù)

考慮到拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝?yán)^承性，僅對(duì)變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整，取消原變速器中的倒擋，為保持原機(jī)總體尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不變，只對(duì)主變速箱的傳動(dòng)比進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。另外，借鑒國(guó)外同功率等級(jí)、相同擋位數(shù)的拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，將最高速度提高到稍大于40km/h。根據(jù)圖1所示的變速器傳動(dòng)原理圖，可計(jì)算出拖拉機(jī)傳動(dòng)系各擋的總傳動(dòng)比i和各擋位的理論車速vl為

其中，iF為副變速器的傳動(dòng)比，iZ為原變速器的傳動(dòng)比。

改進(jìn)后各擋理論車速及總傳動(dòng)比如表3所示。

表3　改進(jìn)后各擋理論車速及總傳動(dòng)比

續(xù)表3

從表3可見(jiàn)：增扭擋能夠作為拖拉機(jī)的正常作業(yè)擋位的動(dòng)力儲(chǔ)備擋位，克服絕大多數(shù)農(nóng)田作業(yè)的短期超載；在進(jìn)行工作負(fù)荷較為穩(wěn)定作業(yè)時(shí)，增扭擋也可以作為正常擋使用，這將使得拖拉機(jī)作業(yè)速度匹配能夠更好地滿足農(nóng)藝需要，也有利于提高拖拉機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。逆行擋的速度與前進(jìn)直接擋的匹配良好，滿足大多數(shù)場(chǎng)地的作業(yè)需要。

3拖拉機(jī)性能分析

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)特性

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用最小二乘法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，擬合曲線如圖3所示。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)擬合速度特性

3.2動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

機(jī)械換擋拖拉機(jī)和理想特性的拖拉機(jī)牽引力特性與比油耗特性如圖4和圖5所示。圖4中，理想發(fā)動(dòng)機(jī)等牽引功率曲線(虛線)是實(shí)際牽引力-車速曲線族的包絡(luò)線，等牽引功率曲線與實(shí)際牽引力-車速曲線族之間的區(qū)域是拖拉機(jī)牽引功率所不能達(dá)到的工作范圍。從提高拖拉機(jī)作業(yè)效率考慮，應(yīng)盡量減小等牽引功率曲線與實(shí)際牽引力-車速曲線族之間的區(qū)域，以充分提供拖拉機(jī)作業(yè)功率。

圖5中，理想發(fā)動(dòng)機(jī)等油耗率曲線(虛線)是實(shí)際比油耗-車速曲線族的包絡(luò)線。等油耗率曲線與實(shí)際比油耗-車速曲線族之間的區(qū)域是拖拉機(jī)比油耗損失的工作范圍，應(yīng)盡量縮小此區(qū)域以降低油耗。

圖4　拖拉機(jī)牽引力特性

圖5　拖拉機(jī)比油耗特性

因此，定義拖拉機(jī)牽引功率利用率ηp和比油耗損失率ηg分別作為拖拉機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4-5]，則

ηp=AFV/AP

(8)

(9)

3.3拖拉機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性分析

在MatLab編寫(xiě)計(jì)算程序，繪制出改進(jìn)前后拖拉機(jī)牽引力-車速的關(guān)系曲線圖，如圖6、圖7所示。改進(jìn)前后拖拉機(jī)比油耗-車速的關(guān)系曲線圖，如圖8、圖9所示。根據(jù)式(8)、(9)可計(jì)算拖拉機(jī)牽引功率利用率和比油耗損失率。

圖6　改進(jìn)前拖拉機(jī)牽引力特性

圖7　改進(jìn)后拖拉機(jī)牽引力特性

圖8　改進(jìn)前拖拉機(jī)比油耗特性

圖9　改進(jìn)后拖拉機(jī)比油耗特性

改進(jìn)后拖拉機(jī)擋位數(shù)在主要作業(yè)速度范圍內(nèi)更加密集，改進(jìn)前拖拉機(jī)的牽引功率利用率為96.15%，改進(jìn)后拖拉機(jī)的牽引功率利用率為98.35%，牽引功率利用率提高了2.2%。牽引功率利用率反映了拖拉機(jī)動(dòng)力性能發(fā)揮程度，其值越大，拖拉機(jī)牽引功率損失越小，拖拉機(jī)動(dòng)力性越好。改進(jìn)后傳動(dòng)系統(tǒng)有效改善了拖拉機(jī)動(dòng)力性的發(fā)揮。

改進(jìn)前拖拉機(jī)的比油耗損失率為18.98%，改進(jìn)后拖拉機(jī)的比油耗損失率降低為16.00%。比油耗損失率反映了拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能發(fā)揮程度，其值越小，拖拉機(jī)油耗損失越小，拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性越好。改進(jìn)后的傳動(dòng)系統(tǒng)有效降低了拖拉機(jī)的燃油消耗。

4結(jié)論

1)對(duì)變速器的傳動(dòng)比進(jìn)行了合理的布置，使得加裝了負(fù)載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機(jī)能夠具備負(fù)載降速增扭功能和梭行擋功能，更好地滿足多樣化的農(nóng)藝需要，并提高了作業(yè)效率。

2)算例計(jì)算結(jié)果表明：裝備負(fù)載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機(jī)牽引功率利用率提高了2.2%，拖拉機(jī)比油耗損失率降低2.98%，裝備負(fù)載換擋增扭/梭行副變速器的拖拉機(jī)作業(yè)效率與經(jīng)濟(jì)性有明顯提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]高峰. 江蘇農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的實(shí)踐與思考[J].江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì),2012(7):60-62.

[2]D.C. Kim,K.U. Kim,Y.J. Park,et al.Analysis of shifting performance of power shuttle transmission[J].Journal of Terramechanics,2006,441:111-122.

[3]劉修驥. 車輛傳動(dòng)系統(tǒng)分析[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[4]徐立友,周志立,張明柱,等.拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(7):5-8.

[5]鄧曉亭,朱思洪,高輝松,等.混合動(dòng)力拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(8):24-31，36.

Design of Power Shift Auxiliary Gearbox in Transmission for Tractor

Gao Xiang， Wang Zhichen

(School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013， China)

Abstract：With the advantage of uninterrupted output power in the process of gear shift, power shift transmission is widely used on Tractor abroad. In this paper, a new type power shift auxiliary gearbox is developed. The new type auxiliary gearbox increases the number of gear positions and has the function of torque booster and shuttle shift. Based on the analysis of function requirements, the general drive scheme and structural style is obtained. The hydraulic control system is designed, and gear ratios and theoretical travel speeds are calculated. The tractor traction and specific fuel consumption curves are drawn. The traction power utilization and specific fuel consumption loss rate is defined to evaluate the tractor dynamic and fuel economy performance. The tractor dynamic and fuel economy performance of original tractor and improved tractor is compared through calculation.

Key words：tractor; auxiliary gearbox; power shift; traction characteristics

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0235-05

中圖分類號(hào)：S219.032.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：高翔(1953-),男,江蘇漣水人,教授,博士生導(dǎo)師。通訊作者：王志晨(1990-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，(E-mail)wangzhichen@foxmail.com。

基金項(xiàng)目：江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(SBY201220101)；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CXZZ11_0578)

收稿日期：2015-01-12