徐立友，張 洋，劉孟楠

拖拉機(jī)傳動(dòng)特性研究現(xiàn)狀

徐立友1，張 洋1，劉孟楠2

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

研究拖拉機(jī)傳動(dòng)特性可為傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及提升動(dòng)力性提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。為此，總結(jié)了國內(nèi)外涉及拖拉機(jī)傳動(dòng)特性的研究成果，分析了拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中常用離合器、變速器和差速器的技術(shù)特點(diǎn)；研究了國內(nèi)外拖拉機(jī)傳動(dòng)特性，根據(jù)拖拉機(jī)的工況特點(diǎn)，從傳動(dòng)快速性、平順性、換檔性能和傳動(dòng)效率4個(gè)方面來對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)特性進(jìn)行分析。同時(shí)，總結(jié)了包括理論解析法、虛擬樣機(jī)法和試驗(yàn)法拖拉機(jī)傳動(dòng)特性的研究方法，以期為拖拉機(jī)傳動(dòng)特性研究提供技術(shù)參考。

拖拉機(jī)；傳動(dòng)特性；技術(shù)指標(biāo)

0 引言

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)振興的迫切需要，作為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械之一的拖拉機(jī)，其機(jī)械化水平是評(píng)定國家農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[1-3]?！笆濉币?guī)劃指出，農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)是加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)是拖拉機(jī)底盤的重要組成部分，其性能直接影響整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。楊立昆[4]針對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了探索，并指出其內(nèi)在變化規(guī)律，闡述了傳動(dòng)系統(tǒng)的演變發(fā)展。徐立友[5]通過對(duì)機(jī)械液壓無級(jí)變速傳動(dòng)理論進(jìn)行分析，制定了拖拉機(jī)機(jī)械液壓無級(jí)變速器傳動(dòng)方案，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和性能試驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

本文通過對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)拖拉機(jī)工況特點(diǎn)，分析了拖拉機(jī)主要傳動(dòng)元件技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)傳動(dòng)特性進(jìn)行了研究，同時(shí)總結(jié)了傳動(dòng)特性研究方法，以期為拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研究的理論提供支持。

1 拖拉機(jī)主要傳動(dòng)元件技術(shù)特性

作為拖拉機(jī)重要的組成部分，傳動(dòng)系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)與主動(dòng)輪和動(dòng)力輸出軸之間全部傳動(dòng)元件的總稱，其作用是根據(jù)拖拉機(jī)不同作業(yè)的需求，將內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的轉(zhuǎn)矩和一定的轉(zhuǎn)速。圖1為L(zhǎng)H1620輪式拖拉機(jī)傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]。

1.離合器 2.變速器 3.中央傳動(dòng) 4.最終傳動(dòng) 5.差速器 6.非獨(dú)立式動(dòng)力輸出軸 7.車輪圖1 LH1620拖拉機(jī)傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 LH1620 Tractor transmission system sketch

傳動(dòng)系統(tǒng)由離合器、變速箱、中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及最終傳動(dòng)等構(gòu)成。離合器在內(nèi)燃機(jī)與變速器之間，可確保拖拉機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力充足、換擋接合平順以及防止傳動(dòng)系統(tǒng)過載等。拖拉機(jī)作業(yè)過程中分離-結(jié)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(dòng)效率[7]。變速器位于離合器之后、中央傳動(dòng)之前，其改變拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和行駛速度，使拖拉機(jī)能倒退行駛及長(zhǎng)時(shí)間停車；變速器在傳遞動(dòng)力過程中所產(chǎn)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(gè)傳動(dòng)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(dòng)包括主減速器和差速器。其中，主減速器改變轉(zhuǎn)矩傳遞方向；差速器實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動(dòng)輪差速，保證內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不同。差速器傳動(dòng)功耗主要包括齒輪傳動(dòng)嚙合功耗、齒輪攪油功耗及風(fēng)阻功耗[11]。非獨(dú)立式動(dòng)力輸出軸位于拖拉機(jī)后面，將內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力以旋轉(zhuǎn)方式傳遞給機(jī)具，為作業(yè)機(jī)具提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

2 傳動(dòng)特性分析

拖拉機(jī)需要與農(nóng)機(jī)具配套完成田間作業(yè)，因此對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)特性分析要綜合考慮其工況特點(diǎn)。這里主要從傳動(dòng)快速性、平順性、換檔性能和傳動(dòng)效率4個(gè)方面來對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)系進(jìn)行分析。

2.1 傳動(dòng)快速性

穩(wěn)定時(shí)間是指?jìng)鲃?dòng)系輸入端機(jī)械功率發(fā)生變化后輸出端達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間反映了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件之間的匹配情況，也反映了傳動(dòng)快速性，即動(dòng)力在傳動(dòng)系統(tǒng)各部件之間傳遞的時(shí)間。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知

(1)

其中，t為穩(wěn)定時(shí)間(s)；v為拖拉機(jī)行駛速度(m/s)；1/a為拖拉機(jī)加速度的倒數(shù)(m/s2)。

2.2 傳動(dòng)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(dòng)力無中斷，換擋元件沒有接合過猛，沒有產(chǎn)生較大的換擋沖擊[12-14]。換檔平順性是換擋品質(zhì)的良好體現(xiàn)，良好的換擋品質(zhì)應(yīng)為快捷、平穩(wěn)、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(dòng)平順性是指輸入端發(fā)生變化后輸出端對(duì)這種變化跟隨的超調(diào)量。傳動(dòng)平順體現(xiàn)了動(dòng)力從內(nèi)燃機(jī)輸出到在傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞過程中的傳遞良好性，具體到傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件之間的動(dòng)力傳遞。

2.3 換擋性能

在拖拉機(jī)換擋時(shí)，通過離合器的交替運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的中止與接合[15-18]。換擋過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷較大，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有較大的沖擊，會(huì)減少傳動(dòng)元件的使用壽命。沖擊度為拖拉機(jī)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(jī)行駛速度(m/s)；a為拖拉機(jī)的加速度(m/s2)；t為時(shí)間變量(s)。

沖擊度排除了因道路條件產(chǎn)生的顛簸加速度等非換擋因素對(duì)換擋過程的影響，從而真實(shí)體現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命。沖擊度越小，傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命越長(zhǎng)；反之，則越短。

滑摩功為拖拉機(jī)在換擋時(shí)離合器主、從動(dòng)盤之間轉(zhuǎn)速不同，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所損失的能量[19]為

(3)

其中，W為滑摩功(J)；ωc1為和單數(shù)擋軸相連離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速(rad/s)；ωc2為和雙數(shù)擋軸相連離合器從動(dòng)盤轉(zhuǎn)速(rad/s)；ωe為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)；t1為開始滑摩時(shí)間(s)；t2為停止滑摩時(shí)間(s)；Tc1為和單數(shù)擋軸相連離合器的轉(zhuǎn)矩(N·m)；Tc2為和雙數(shù)擋軸相連離合器的轉(zhuǎn)矩(N·m)。

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

2.4 傳動(dòng)效率

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

(4)

其中，ηc為傳動(dòng)系效率；Pw、Pe分別為輸出端和輸入端的機(jī)械功率。

影響傳動(dòng)系效率的因素有很多，根據(jù)傳動(dòng)過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化而變化，難以控制與測(cè)量，僅能通過估算來確定其效率范圍。

2.5 驅(qū)動(dòng)功率損失率

驅(qū)動(dòng)功率損失率是指在一定行駛擋位工況下拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)功率損失的狀況。驅(qū)動(dòng)功率損失率體現(xiàn)了拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際值與理想值之間性能的差距，以及拖拉機(jī)動(dòng)力性好壞和動(dòng)力性能發(fā)揮水平[24-26]。

圖2為拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)特性曲線，分別是裝有內(nèi)燃機(jī)與5擋變速器的實(shí)際拖拉機(jī)和裝有理想傳動(dòng)系統(tǒng)的理想拖拉機(jī)。曲線上方空白的區(qū)域是受內(nèi)燃機(jī)功率所限實(shí)際拖拉機(jī)所不能達(dá)到的區(qū)域，陰影部分是拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力損失的工作區(qū)，驅(qū)動(dòng)功率損失率為圖2中的陰影部分與雙曲線下整個(gè)面積的比值。

定義驅(qū)動(dòng)功率損失率ηw為

(5)

其中，Pemax為內(nèi)燃機(jī)最大功率(kW)；n為變速器前進(jìn)擋擋位數(shù)；van、va1為拖拉機(jī)最大車速與最小車速(km/h)；bk為與內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩模型相關(guān)的系數(shù)；nj+1、nj第j擋時(shí)拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速范圍(r/min)；m為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩模型里多項(xiàng)式的階數(shù)。

驅(qū)動(dòng)功率損失率體現(xiàn)了拖拉機(jī)動(dòng)力性能的發(fā)揮水平，其值越小，在動(dòng)力性能方面內(nèi)燃機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配得越好。

3 傳動(dòng)特性研究方法

3.1 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析是用來確定慣性(質(zhì)量效應(yīng))和阻尼起重要作用時(shí)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)。通過運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)系部件進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)的影響，從而提升拖拉機(jī)傳

動(dòng)效率。

在國外，Khabou MT[27]等通過建立一個(gè)單級(jí)齒輪減速器模型，如圖3所示。其研究基于各種轉(zhuǎn)動(dòng)速度下齒輪減速器的瞬間響應(yīng)，采用電動(dòng)機(jī)與四沖程的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行參數(shù)化比較，對(duì)其中單級(jí)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

圖3 單級(jí)齒輪系統(tǒng)模型Fig.3 Single stage spur gear system model

黃毅[28]以車輛傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了包含時(shí)變嚙合剛度、齒側(cè)間隙、齒輪副傳遞誤差和質(zhì)量偏心等非線性因素的動(dòng)力學(xué)模型，提出一種基于統(tǒng)計(jì)的響應(yīng)靈敏度的評(píng)價(jià)方法—基于動(dòng)力學(xué)響應(yīng)RMS的靈敏度。劉海亮[16]提出了變速器輸出轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)和變速器輸出轉(zhuǎn)矩評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了拖拉機(jī)DCT 換擋動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行分析(見圖4)，提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)能較好地對(duì)拖拉機(jī)換擋時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷和動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，補(bǔ)充了拖拉機(jī)雙離合自動(dòng)變速器換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)體系。

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

3.2 虛擬樣機(jī)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起的一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，是通過商業(yè)化軟件來實(shí)現(xiàn)的，用來替代實(shí)際物理樣機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法[29]。目前，主要是通過建立拖拉機(jī)傳動(dòng)元件虛擬樣機(jī)模型及對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，全面了解拖拉機(jī)傳動(dòng)部件各方面性能。

在某些發(fā)達(dá)國家(如美國、英國、德國等)，虛擬樣機(jī)這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的推廣和使用。Galvagno E和Velardocchia M等人[30]對(duì)雙離合變速器的進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)仿真分析，建立了DCT傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，對(duì)其使用的數(shù)學(xué)計(jì)算模型做簡(jiǎn)化處理，如圖5所示。ALEMAYEHU等[31]通過采用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS與概率分析軟件NESSUS，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析，并研究了不確定參數(shù)的概率特性。

圖5 DCT的布局Fig.5 Layout of a DCT

在國內(nèi)，賈小剛等[32]對(duì)封閉式 CVT(見圖6)進(jìn)行研究，通過建立虛擬樣機(jī)模型及進(jìn)行仿真試驗(yàn)，針對(duì)輸入軸與行星錐盤兩個(gè)柔性體部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并分析其結(jié)果。另外，還對(duì)部件進(jìn)行耐久性研究，得到了部件在仿真過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布狀況，為關(guān)于 CVT 的精確動(dòng)力學(xué)分析提供了新的研究方法，為變速器傳動(dòng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。楊亞莉[33]基于對(duì)金屬帶式 CVT 機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)力學(xué)分析，通過 ADAMS 與UG 軟件建立了金屬鋼帶式 CVT 虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)研究，如圖7所示。通過虛擬樣機(jī)模型仿真分析了其傳動(dòng)部件的力學(xué)特性，以及各金屬塊之間擠推力與各金屬環(huán)帶張力的變化規(guī)律，仿真結(jié)果對(duì)于CVT的深入研究和開發(fā)具有一定的實(shí)際意義。

圖6 封閉式差動(dòng)無級(jí)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(jī)模型Fig.7 Metal belt type CVT virtual model

梁晶晶[34]等通過建立虛擬樣機(jī)，對(duì)新型行星錐齒輪無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)受載仿真試驗(yàn)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(tǒng)主傳動(dòng)元件的動(dòng)態(tài)載荷特性曲線，確定了其隨著時(shí)間變化的規(guī)律及動(dòng)態(tài)載荷對(duì)全部傳動(dòng)系統(tǒng)性能的影響，為各個(gè)傳動(dòng)部件的進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障診斷與校核強(qiáng)度等提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。張海軍等[35]提出一種四區(qū)段液壓功率分流無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，并基于AMEsim軟件構(gòu)建立了建液壓功率分流無級(jí)變速器及拖拉機(jī)整機(jī)仿真模型，如圖9、圖10所示。對(duì)液壓功率分流無級(jí)變速器傳動(dòng)特性及拖拉機(jī)典型作業(yè)工況進(jìn)行了仿真分析，表明該變速器傳動(dòng)效率高、調(diào)速范圍廣且全程可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，滿足大馬力拖拉機(jī)在不同工況下的作業(yè)需求。

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

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

圖10 負(fù)載工況模型Fig.10 The model of the load condition

通過虛擬樣機(jī)模型能夠完善試驗(yàn)時(shí)難以得到的性能參數(shù)，為定量分析提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。整車性能仿真作為拖拉機(jī)開發(fā)的重要手段之一，不僅可以在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段快速預(yù)測(cè)車輛性能，還可以匹配不同參數(shù)的設(shè)計(jì)方案，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)方案。

3.3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)法研究拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是指基于部件傳動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)特性試驗(yàn)，通過開發(fā)試驗(yàn)臺(tái)或者使用測(cè)試儀器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或者實(shí)車工作環(huán)境下對(duì)拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)輸出端、驅(qū)動(dòng)輪半軸端、PTO端及各傳動(dòng)元件動(dòng)力輸出端進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的技術(shù)。

很早之前，國外就開始了關(guān)于測(cè)試傳動(dòng)系統(tǒng)的研究。例如，20世紀(jì)50年代美國的 Gleason 公司就利用輪系作為加載系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。英國的ATP公司[36]設(shè)計(jì)了針對(duì)測(cè)試自動(dòng)變速器性能的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用73kW的調(diào)頻電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部分，通過儀表顯示進(jìn)行獨(dú)立控制，并設(shè)計(jì)了快速連接機(jī)構(gòu)，能對(duì)多個(gè)自動(dòng)變速器進(jìn)行快速連接，采用風(fēng)冷式電渦流測(cè)功機(jī)作為其負(fù)載模擬；該實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過動(dòng)態(tài)模擬對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行測(cè)試，其檢測(cè)的性能參數(shù)包括在各個(gè)負(fù)載條件下的油壓、輸入和輸出轉(zhuǎn)速及離合器和制動(dòng)器是否存在打滑狀況等。德國HORIBA公司[36]生產(chǎn)的傳動(dòng)系實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行前驅(qū)、后驅(qū)、全驅(qū)的測(cè)試，涵蓋了傳動(dòng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的全部部件與系統(tǒng)的性能測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能夠進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)路況模擬甚至高性能內(nèi)燃機(jī)圖譜模擬的試驗(yàn)。

同國外相比，我國有關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的研究起步相對(duì)比較晚，在20世紀(jì)80年代初期我國才開始。長(zhǎng)安大學(xué)[37]針對(duì)工程車輛設(shè)計(jì)的基于閉式液壓系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)及計(jì)算機(jī)顯示與控制等部分組成，如圖11所示。該試驗(yàn)臺(tái)既能夠?qū)ψ兯倨鬟M(jìn)行測(cè)試分析，又能夠?qū)︱?qū)動(dòng)橋之前的傳動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行測(cè)試分析，主要針對(duì)工程車輛傳動(dòng)系統(tǒng)性能的進(jìn)行測(cè)試研究。

河南科技大學(xué)[38-39]設(shè)計(jì)的機(jī)械液壓無級(jí)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖12所示，其研究對(duì)象為履帶式拖拉機(jī)液壓無級(jí)變速器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力部件，采用電渦流測(cè)功機(jī)作為加載部件，利用直接數(shù)字式控制作為控制方式，控制系統(tǒng)包括上位工控機(jī)、內(nèi)燃機(jī)控制下位機(jī)、HMCVT 控制下位機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)控制下位機(jī)和傳感器等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要分析傳動(dòng)比的變化規(guī)律，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的正確性、研究在工況變化下的換擋過程，以及換擋平穩(wěn)性、優(yōu)化換擋規(guī)律和分析換擋規(guī)律對(duì)傳動(dòng)性能的影響，使內(nèi)燃機(jī)與變速器的參數(shù)更加匹配，提升拖拉機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖11 工程機(jī)械液壓底盤模擬試驗(yàn)臺(tái)外觀圖Fig.11 Engineering machinery hydraulic chassis simulation test bench appearance figure

圖12 機(jī)械液壓無級(jí)變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖Fig.12 Test picture of HMCVT

中南大學(xué)[40]設(shè)計(jì)針對(duì)工程車輛的傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖13所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為履帶式結(jié)構(gòu)，通過柴油內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，使其在履帶上滾動(dòng)；利用電液式比例來控制液壓加載、制動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，并通過基于LABVIEW研發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要研究由柴油內(nèi)燃機(jī)和液壓式傳動(dòng)系統(tǒng)組成的驅(qū)動(dòng)負(fù)荷系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的性能。

圖13 功率封閉試驗(yàn)臺(tái)外觀圖Fig.13 Power closed test bench appearance figure

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[41]設(shè)計(jì)了針對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖14)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)的電源、驅(qū)動(dòng)及加載等模塊。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)整車研發(fā)的需求，來進(jìn)行各種參數(shù)模塊之間的匹配測(cè)試；并根據(jù)試驗(yàn)需求研發(fā)了基于LABVIEW平臺(tái)的虛擬測(cè)控系統(tǒng)，可以搭配各種的檢測(cè)儀器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能測(cè)試電動(dòng)拖拉機(jī)各組成部件的輸出特性、傳遞效率，又能測(cè)試電動(dòng)拖拉機(jī)整車模擬作業(yè)性能。測(cè)控系統(tǒng)既可檢測(cè)驅(qū)動(dòng)和加載部件轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等12個(gè)信號(hào)，還能用來控制加載載荷。

圖14 電動(dòng)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)圖Fig.14 Schematic of electric tractor test bench

試驗(yàn)法試驗(yàn)重復(fù)性好，不易受人為因素影響，可以較為真實(shí)地模擬拖拉機(jī)工作工況。對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)或者關(guān)鍵零部件而言，無論是對(duì)于研發(fā)的新產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，還是對(duì)成熟產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，利用試驗(yàn)法對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)系的行駛模擬都是一種有效的手段。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)拖拉機(jī)主要傳動(dòng)元件技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，總結(jié)了國內(nèi)外涉及拖拉機(jī)傳動(dòng)特性的研究成果，分析了拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中常用離合器、變速器和差速器的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)影響各個(gè)元件傳動(dòng)效率的原因進(jìn)行了歸納，為提升傳動(dòng)效率提供了研究基礎(chǔ)。

2)研究了國內(nèi)外拖拉機(jī)傳動(dòng)特性，根據(jù)拖拉機(jī)的工況特點(diǎn)，從傳動(dòng)快速性、平順性、換擋性能和傳動(dòng)效率4個(gè)方面來對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)特性進(jìn)行分析。通過不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算驗(yàn)證，對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)特性進(jìn)行定性定量，從而明確反映了拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

3)對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)方案進(jìn)行分析，總結(jié)了包括理論解析法、虛擬樣機(jī)法和試驗(yàn)法3種研究方法；提供了拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)匹配的驗(yàn)證方法，從而可以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案匹配進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確定其方案可行性，旨在為研究傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整車可靠性和工作性能的影響提供理論依據(jù)。

4)目前，拖拉機(jī)正向著多擋位、大功率發(fā)展，為滿足拖拉機(jī)不同作業(yè)工況下的負(fù)載和行駛速度需求，變速器多擋數(shù)、智能化將是未來發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使其達(dá)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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