摘要隨著農(nóng)機智能化的發(fā)展，現(xiàn)有農(nóng)機向智能化方向升級，機械換擋則是優(yōu)化之路的瓶頸。針對此問題設(shè)計一種傳統(tǒng)變速箱電動換擋機構(gòu)，該機構(gòu)由電動推桿作為主要換擋的執(zhí)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(gòu)。通過對該機構(gòu)執(zhí)行部件的設(shè)計及電動換擋的可靠性試驗，驗證該電動換擋機構(gòu)可以完成擋位的自由切換，為傳統(tǒng)機械向智能方向發(fā)展、遠程控制奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞電動；換擋；變速箱

中圖分類號S22"文獻標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(fā)展，農(nóng)業(yè)機械有了質(zhì)的飛躍，智能農(nóng)機的應(yīng)用，一方面提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，保證了我國糧食供給的安全，另一方面，智能農(nóng)機的大量應(yīng)用也使人們從繁重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中解放出來，極大改善了生活^［1-9］。但有些農(nóng)業(yè)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(yè)機為例，旋耕作業(yè)過程中塵飛土揚，作業(yè)環(huán)境對人類呼吸道有損傷；噴藥作業(yè)過程中農(nóng)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(yè)機進行智能化提升，使其實現(xiàn)智能化、遠程化的操作。在現(xiàn)有作業(yè)機基礎(chǔ)上進行改進，最大問題便是難以實現(xiàn)擋位的無人化變換?；诖?，筆者研制一種傳統(tǒng)變速箱的電動換擋機構(gòu)，為以后無人化操作奠定基礎(chǔ)。

1整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)

遠程電動換擋機構(gòu)是在傳統(tǒng)手動變速箱基礎(chǔ)上進行改進的，設(shè)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(gòu)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(yīng)片、低速與倒車空擋感應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

遠程換擋機構(gòu)進行4擋位調(diào)節(jié)，一個電動推桿調(diào)節(jié)兩個擋位，擋位呈“工”字型布置，低速擋在“工”字結(jié)構(gòu)左上角，倒車擋位在“工”字結(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)。中速擋位在“工”字結(jié)構(gòu)的左下角位置，高速擋位在“工”字結(jié)構(gòu)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(gòu)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(tài)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(nèi)，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(nèi)，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(xù)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(guān)鍵部件設(shè)計

2.1擋位切換部件的連接方式及結(jié)構(gòu)

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(nèi)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(nèi)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(diào)節(jié)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(cè)同樣固定有彈簧套、彈簧以及彈簧壓力調(diào)節(jié)母。通過調(diào)整彈簧套與彈簧壓力調(diào)節(jié)母之間的距離，可以實現(xiàn)彈簧的壓力，進而調(diào)整切換擋位時換擋撥叉的力度。擋位切換部件結(jié)構(gòu)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(nèi)部先預(yù)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(nèi)時，如果力度過大或距離過長易導(dǎo)致?lián)懿婊鰮懿婵ú蹆?nèi)，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?？論蹴敆U部件結(jié)構(gòu)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(zhí)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(gòu)直接采用作業(yè)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?？紤]到行程較短，并且需要實現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)貨款，行程10mm，電源12VDC，推力速度24mm/s，其對應(yīng)的推力350N，滿足輔助空擋切換的需求。電動推桿參數(shù)見表1。

2.3彈簧線徑的選擇

由于該機構(gòu)設(shè)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(jù)擋位切換結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)母2件、圓柱壓縮彈簧2根，彈簧套長度為29mm，彈簧壓力調(diào)節(jié)母長度12mm，彈簧連接套內(nèi)的螺紋長度30mm，換擋撥叉厚度12mm，彈簧撥叉兩側(cè)兩根彈簧，彈簧壓力調(diào)節(jié)母距推桿連接絲杠的頂端需要預(yù)留出15cm的距離，用于調(diào)節(jié)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(jù)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(yīng)力，kg/mm2；C為彈簧指數(shù)；K為曲度系數(shù)；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(yīng)力依據(jù)彈簧材料（65Mn）及收變負荷作用次數(shù)，通過查表得出許用應(yīng)力為70kg/mm2，彈簧指數(shù)和曲度指數(shù)也是通過查表取值，彈簧指數(shù)取6，曲度指數(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)確停留在空擋位置，采用位置傳感器的方式，當(dāng)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(yīng)片滑動到，在空擋位置的傳感器感應(yīng)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(yīng)時間小于0.5ms，開關(guān)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(nèi)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(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司辦公樓4樓實驗室內(nèi)進行，試驗工具：履帶作業(yè)機的手動變速箱、電動換擋機構(gòu)、12V電機、皮帶輪、皮帶、12V開關(guān)穩(wěn)壓電源、秒表。電動換擋機構(gòu)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(yè)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(guān)穩(wěn)壓電源為電動換擋機構(gòu)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(huán)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(cè)面卡槽的同時，傳感器感應(yīng)檢測到達位置停止，此時觀測變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動情況，輸出軸由停止變?yōu)檗D(zhuǎn)動，擋位切換成功。按下?lián)跷话存I開始利用秒表計時，變速箱輸出軸停轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)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(jié)論，試驗數(shù)據(jù)見表2。

由表2數(shù)據(jù)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(tài)，及時干預(yù)后撥叉卡入擋位。

4結(jié)論

研制了一種傳統(tǒng)手動變速箱電動換擋機構(gòu)，該機構(gòu)由電動推桿作為主要換擋的執(zhí)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(gòu)。

電動換擋機構(gòu)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(gòu)由于采用軟連接，未發(fā)生打齒現(xiàn)象，只有在一次空擋切換時，齒輪處于版嚙合狀態(tài)未切換到空擋位置，也是因為固定滑軌軸的支撐座松動，導(dǎo)致?lián)懿嬖陔S推桿收縮時發(fā)生扭動，滑出空擋位置，調(diào)緊螺栓后未發(fā)生該現(xiàn)象。該研究主要介紹了該機構(gòu)執(zhí)行部件的設(shè)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(tǒng)機械向智能方向發(fā)展，可為遠程控制奠定基礎(chǔ)。

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