小型扭矩回差式兩擋自動變速器

郝允志　陳　建　薛榮生　周　黔

西南大學，重慶，400715

小型扭矩回差式兩擋自動變速器

郝允志陳建薛榮生周黔

西南大學，重慶，400715

為了提高微型耕耘機等小型農業機械的自動化水平和操作舒適性，提出了一種根據作業阻力自動換擋的兩擋自動變速器結構。換擋機構由摩擦離合器、超越離合器、端面凸輪和彈簧組成，無需電控和液壓機構。采用扭矩式單參數回差換擋規律，降擋扭矩通過彈簧預壓力進行調節，換擋回差主要由端面凸輪角度決定。換擋過程中動力不中斷，離合器的接合壓力保持恒定并傳遞穩定的扭矩，通過滑摩來逐漸達到轉速同步，有利于降低換擋沖擊。原理樣機驗證了變速器的自動換擋功能和換擋穩定性。

微型耕耘機; 自動變速器; 換擋規律; 耕作阻力

0　引言

微型耕耘機在我國正處于快速發展和逐漸普及階段，然而用戶抽樣調查顯示，用戶對其旱地耕作效果的綜合滿意率不足50%，動力不足和作業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，如遇到土壤板結、石塊和纏草等情況，作業阻力突然增大，容易造成發動機轉速突降甚至熄火。提高動力性能的措施包括兩個方面：一是研究耕作受力特性，改進耕刀結構以降低工作阻力[1-3]；二是匹配發動機和變速器，優化傳動系統以提高輸出功率[4]。目前，與微型耕耘機配套的發動機已基本定型，改進耕作機具成為研究和試驗的重點[5-6]。

在傳動系統方面，電機驅動、電機輔助驅動、兩輪獨立驅動等新型傳動形式得到應用，自動化、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，但關于微型耕耘機變速器方面的研究卻相對較少。目前微型耕耘機采用手動變速器，不能隨耕作阻力的變化自動換擋。自動變速器的研究均針對大中型農機和車輛，均采用電控液壓系統和智能控制策略[12-13]，針對微型耕耘機等小型動力機械的自動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變速器，該變速器采用機械換擋機構，無需電控和液壓系統，可實現根據耕作阻力自動換擋的目的，從而為微型耕耘機等小型動力機械的自動變速器提供一種結構方案。

1　換擋原理

微型耕耘機變速器配置有1擋、2擋和倒擋三個擋位，扭矩回差式兩擋自動變速器的作用是實現1擋和2擋的自動切換。變速器原理如圖1所示，圖中省略了倒擋和主減速機構部分。變速機構的彈簧為預壓縮狀態，摩擦離合器(以下簡稱離合器)主從動盤在彈簧預壓力的作用下接合，變速器機構處于2擋狀態。1擋從動軸、離合器從動盤和輸出軸轉速相同，輸出軸轉速高于1擋從動齒輪轉速，超越離合器處于超越狀態，1擋齒輪副空轉。

圖1　扭矩回差式兩擋自動變速器簡圖

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

(2)升擋過程。當阻力矩減小時，端面凸輪產生的軸向力減小，當軸向力小于彈簧預壓力時，離合器開始接合并傳遞扭矩，輸入軸扭矩經1擋齒輪傳遞的扭矩進一步減小，端面凸輪產生的軸向力也進一步減小，離合器接合壓力進一步增大并傳遞更大的扭矩。可見這是一個正反饋過程，動力傳動路線瞬間從1擋傳遞至2擋，離合器進入打滑狀態，在摩擦力矩的作用下，主從盤的轉速差逐漸減小并最終同步，升擋過程結束。

(3)自動擋和手動擋的切換。在變速器箱體上設置彈簧預壓力調節機構，當彈簧預壓力為零時，離合器斷開，變速器固定在1擋運行；增大彈簧預壓力，換擋扭矩超過最大工作阻力矩時，變速器固定在2擋運行。

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現自動換擋，無需電動或液壓機構，結構簡單緊湊，成本低，適用于微型耕耘機等小型農業機械。

2　換擋規律

該變速器采用扭矩式單參數回差換擋規律，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擋位來回切換。制定換擋規律就是根據動力源、傳動比和耕作特點確定降擋扭矩和換擋回差。根據換擋規律即可計算換擋機構參數，主要涉及離合器、彈簧、端面凸輪三個部件，其中離合器的結構由設計目標扭矩容量確定。下面只討論換擋規律與彈簧和端面凸輪的關系。

圖2　換擋規律示意圖

2.1降擋扭矩

本文所述變速器樣機的離合器采用錐面離合器，彈簧采用碟形彈簧。降擋扭矩Tdown與離合器的結構參數和彈簧預壓力的關系為

(1)

式中，Fco為彈簧預壓力；fco為摩擦因數；αco為摩擦面錐角；rco2為摩擦面外徑；rco1為摩擦面內徑；Cco為離合器結構系數。

式(1)表明，若不考慮彈簧預壓力對摩擦因數的影響，降擋扭矩與彈簧預壓力成線性關系。利用變速器上的彈簧預壓力調節結構可靈活調節降擋扭矩，利于匹配不同的發動機和適應不同的耕種作業。

根據式(1)可得彈簧預壓力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，根據預壓力選定彈簧型號，再根據彈簧特性計算壓縮量為

(2)

式中，ndi為碟形彈簧片數；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為碟形彈簧結構系數。

升擋扭矩根據端面凸輪和碟簧之間的軸向力平衡進行計算。端面凸輪只在低速擋時傳遞扭矩，其產生的軸向力為

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為端面凸輪結構系數。

2.2換擋回差

當端面凸輪傳遞的扭矩等于升擋扭矩時，端面凸輪產生的軸向力等于彈簧預壓力。根據式(1)和式(3)可得升擋扭矩和降擋扭矩的關系為

(4)

設換擋回差為ε，升擋扭矩和降擋扭矩滿足關系式

Tup=Tdown(1-ε)

(5)

代入式(4)可得端面凸輪結構系數為

Cca=Cco(1-ε)

(6)

端面凸輪的結構系數由凸輪工作半徑和凸輪角決定。由于變速器內部結構尺寸的限制，凸輪工作半徑的調整范圍不大，因此通過調整凸輪角度來改變凸輪結構參數比較合理。以本文變速器樣機的結構為例，端面凸輪角與換擋回差的關系計算結果如圖3所示，取端面凸輪角為68°，對應的換擋回差為25%。

圖3　端面凸輪角與換擋回差的關系

2.3換擋規律的穩定性

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

為了提高換擋規律的穩定性，可采取以下措施：①在離合器結構方面，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，減小離合器磨損對彈簧預壓力的影響，比如，碟形彈簧組數增加一倍，則因離合器磨損造成的預壓力的下降量減小一半；③錐面離合器在裝配前進行加壓研磨處理，使摩擦因數快速進入穩定狀態。在臺架試驗條件下，設定阻力矩循環變化，對樣機連續進行千余次換擋試驗，結果表明，離合器未出現明顯磨損，換擋規律比較穩定。

3　換擋過程

3.1降擋過程

在2擋運行狀態下，當阻力矩超過降擋扭矩時，離合器進入滑摩狀態,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，輸入軸角加速度為

(7)

式中，Te為輸入扭矩；Je為輸入端轉動慣量；i2為2擋傳動比；i1為1擋傳動比。

輸出軸角加速度為

(8)

式中，Tv為耕作阻力矩；Jv為整機等效轉動慣量；η0為主減速效率；i0為主減速傳動比。

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

3.2升擋過程

在1擋運行狀態下，當阻力矩小于升擋扭矩時，端面凸輪產生的軸向力不足以克服彈簧預壓力，離合器進入滑摩狀態,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算公式也是式(7)和式(8)。輸入軸轉速下降，輸出軸轉速上升，當輸出軸轉速和2擋從動齒輪轉速相同即ωi=i2ωo時，錐面離合器完全接合，升擋過程結束。

3.3換擋過程仿真

以某汽油機為動力源的微型耕耘機為對象，建立微型耕耘機傳動系統仿真模型，主要參數如表1所示。

表1　仿真參數

(a)工作阻力矩

(b)離合器轉速圖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果如圖4所示，包括4個階段：①初始狀態時，耕作阻力較小，變速器處于2擋狀態運行；②耕作阻力突然增大后，離合器進入滑摩狀態，降擋過程開始，離合器主從動盤轉速下降，當輸入軸和輸出軸的傳動比達到1擋傳動比時，超越離合器接合，換擋過程結束；③微型耕耘機加速并逐漸穩定；④耕作阻力突然下降后，離合器再次進入滑磨狀態，升擋過程開始，主動盤轉速下降，而從動盤轉速上升，當輸入軸和輸出軸的傳動比達到2擋傳動比時，離合器完全接合，換擋過程結束。仿真結果表明，降擋過程時間為1.8 s，升擋過程時間為0.3 s，遠短于降擋過程的時間。另外，由于換擋過程中沒有動力中斷，離合器的接合壓力保持恒定并傳遞穩定的扭矩，通過滑摩來逐漸達到轉速同步，有利于降低換擋沖擊，提高操作舒適性和延長機械零件的壽命。

4　試驗

(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　原理樣機試驗臺

設計加工了變速器原理樣機，換擋回差為25%。圖5所示為端面凸輪和錐面離合器，圖6所示為原理樣機試驗臺，動力源為永磁同步電機，采用變頻器控制。將變頻器設置為轉速控制模式，使驅動電機穩定在2000 r/min，測功機循環改變阻力矩，降擋扭矩在10～75 N·m范圍內取值,變速器均能夠根據阻力矩的變化自動換擋，驗證了自動換擋功能，其中降擋扭矩為45 N·m時的試驗結果如圖7所示。

(a)阻力矩

(b)輸入軸和輸出軸轉速圖7　換擋功能試驗

為了延長換擋過程以驗證換擋機構的穩定性，將變頻器設置為電壓開環控制模式，在輸出軸安裝6.3 kg·m2的轉動慣量飛輪，遠大于微型耕耘機在輸出軸上的等效慣量。微型耕耘機的主減速比較大，微型耕耘機在輸出軸上的等效轉動慣量小于0.05 kg·m2。試驗結果如圖8所示，降擋過程持續8.7 s，離合器在降擋過程中能夠較快地進入穩定的滑摩狀態,輸入軸扭矩、輸出軸扭矩和主動盤轉速都保持基本穩定，從動盤轉速緩慢下降，換擋過程比較穩定。因為輸入軸端的轉動慣量較小，所以升擋過程中的輸入軸轉速變化較快，升擋過程在1 s內完成。

(a)輸入輸出扭矩估算值

(b)離合器轉速圖8　安裝較大轉動慣量時的換擋試驗

5　結論

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

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

[1]Moitzi G, Haas M, Wagentristl H, et al. Energy Consumption in Cultivating and Ploughing with Traction Improvement System and Consideration of the Rear Furrow Wheel-load in Ploughing[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 134: 56-60.

[2]Matin M A, Fielke J M, Desbiolles J M A. Furrow Parameters in Rotary Strip-tillage: Effect of Blade Geometry and Rotary Speed[J]. Biosystems Engineering, 2014, 118: 7-15.

[3]車剛, 張偉, 萬霖, 等. 基于滅茬圓盤驅動旋耕刀多功能耕整機設計與試驗[J]. 農業工程學報, 2012, 28(20): 34-40.

Che Gang, Zhang Wei, Wan Lin, et al. Design and Experiment of Multifunctional Tillage Machine with Driven Bent Blade by Stubble Ploughing Disk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(20): 34-40.

[4]朱思洪, 朱永剛, 朱星星, 等. 大型拖拉機動力換擋變速箱試驗臺[J]. 農業機械學報, 2011, 42(4): 13-16,38.

Zhu Sihong, Zhu Yonggang, Zhu Xingxing, et al. Test-bed of Power Shift Transmission for Large-scale Tractor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(4): 13-16,38.

[5]楊有剛, 張宏, 馮濤, 等. 土壤淺深松聯合松耕機設計和淺松土試驗[J]. 機械工程學報, 2012, 48(19): 163-168.

Yang Yougang, Zhang Hong, Feng Tao, et al. Topsoil and Subsoil Combined Cultivator and Top-soiling Experiment[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(19): 163-168.

[6]Owsiak Z. Wear of Spring Tine Cultivator Points in Sandy Loam and Light Clay Soils in Southern Poland[J]. Soil & Tillage Research, 1999, 50: 333-340.

[7]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.

Wang Yuanjie, Liu Yongcheng, Yang Fuzeng, et al. Development and Test of Tiny Remotely Controlled Electric Tractor for Greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(22): 23-29.

[8]Kolatora B, Bialobrzewskib I. A Simulation Model of 2WD Tractor Performance[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011, 76: 231-239.

[9]Astrand B, Baerveldt A J. A Vision Based Row-following System for Agricultural Field Machinery[J]. Mechatronics, 2005, 15: 251-269.

[10]Cordill C, Grift T E. Design and Testing of an Intra-row Mechanical Weeding Machine for Corn[J]. Biosystems Engineering, 2011, 110: 247-252.

[11]Chaturvedi V, Kumar A, Singh J K. Power Tiller: Vibration Magnitudes and Intervention Development for Vibration Reduction[J]. Applied Ergonomics, 2012, 43: 891-901.

[12]Sahu R K, Raheman H. Adecision Support System on Matching and Field Performance Prediction of Tractor-implement System [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 60: 76-86.

[13]Marakoglu T, Carman K. Fuzzy Knowledge-based Model for Prediction of Soil Loosening and Draft Efficiency in Tillage[J]. Journal of Terramechanics, 2010, 47: 173-178.

(編輯蘇衛國)

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

國家自然科學基金資助項目(31271610)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(XDJK2014B046)

S222.3< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.021

郝允志，男，1982年生。西南大學智能傳動和控制工程實驗室講師、博士。主要研究方向為機電傳動及其控制。發表論文10篇。陳建，男，1957年生。西南大學工程技術學院教授、博士研究生導師。薛榮生，男，1948年生。西南大學智能傳動和控制工程實驗室研究員。周黔，男，1970年生。西南大學智能傳動與控制工程實驗室講師、博士。