水旱兩用拖拉機液壓機械無級變速器的研究

王 璠，寧志英

（1.山東交通職業學院，山東 濰坊 261206；2.寶通街小學，山東 濰坊 261206）

1 引言

隨著農業現代化的發展，大功率拖拉機效率高、速度快，已成為現代農業發展不可替代的農業機械，然而國內市場近90%以上的大功率拖拉機被進口或合資品牌占據，技術水平與歐美發達國家相比有近30年的差距，歐美等發達國家普遍采用增壓中冷技術和液壓機械無級傳動系統[1]，并且將全動力換檔變速器作為標準安裝，不僅改善了拖拉機的操作舒適性，也大大改善了燃油經濟性。國外已有較成熟的產品“S-Matic”[2-3]，歐美等發達國家也已廣泛采用液壓機械無級變速器。國內拖拉機已采用增壓中冷技術，但傳動系統仍采用機械式變速器。對于大功率多檔位拖拉機，操作復雜易出錯，且燃油經濟性也較差[4]。隨著能源短缺、環境惡化問題越來越突出，對于農業大國來說，農業機械的尾氣排放與燃油經濟性關系到整個國家的能源與環境問題。因此，為了改進國內大功率拖拉機操作復雜、燃油經濟性差的變速傳動問題，提出一種適合國內現階段農業生產要求的液壓機械無級變速器方案，來改變現階段大功率拖拉機市場被進口或合資品牌占據的現狀，提高技術水平。

2 實驗研究

為了了解國產大功率拖拉機變速器的實際應用現狀，選擇某一國產品牌的水旱兩用大功率輪式拖拉機進行田間作業工況試驗。試驗過程中標定田間試驗環境[5]，排除影響試驗結果的外界因素。

2.1 試驗結果

對配備機械變速器的國產拖拉機進行水旱田空跑、旋耕試驗。試驗中，根據經驗駕駛員適時操縱變速器主、副變速桿，改變拖拉機作業速度。在水田中，作業環境惡劣，拖拉機受力情況復雜、牽引負荷大、附著性能差，拖拉機滑移率較大，驅動輪易滑移。因此，駕駛員要經常換檔來滿足水田中作業的要求，如圖1所示。

圖1 拖拉機水田中旋耕Fig.1 The Rotary of Tractor in Paddy Field

試驗得出水、旱田空跑和旋耕過程中配備機械式變速器拖拉機的小時耗油量情況，如圖2所示。由圖2可知：變速器處于低速檔低速耕作時，田間空跑、耕作的小時耗油量近似相等，隨著速度增大，在水田中小時耗油量明顯大于旱田的耗油量，并且速度越高，差距越大。試驗結果表明，國產拖拉機變速器不僅操作復雜，且燃油經濟性受駕駛員操作和工作環境的影響變化較大。若按工作一整年（90天）計算，在水田中空跑的耗油量就比旱田中多45L左右，而旋耕作業中可達55L左右。

圖2 拖拉機燃油經濟性Fig.2 The Fuel Economy of Tractor

2.2 研究分析

在試驗中，假定行駛狀況、駕駛員操作情況和工作環境變化等條件相同，忽略其對燃油經濟性的影響，則水田中多消耗的燃油可認為是由傳動系的輸出速度大轉矩小而導致車輪滑移消耗的，且隨輸出速度的增大而增大。通過在水、旱田中作業試驗研究，可以得出由于機械式變速器的輸出調節不當導致車輪滑移所消耗的燃油量，如圖3所示。

圖3 車輪滑移所消耗的燃油量Fig.3 The Fuel Consumption of Wheel Slip

由圖3可知：在水旱田旋耕中，由車輪滑移引起的小時耗油量隨著速度的增大而增大；速度小于3km/h時，車輪滑移耗油量僅隨速度變化；速度大于3km/h時，車輪滑移耗油量不僅隨速度的增大而增加，且在水田的增加量要大于旱田的增加量；行駛速度為5km/h時，水、旱田的耗油增加量達最大，且水田中增加量是旱田的兩倍。結果表明，國內拖拉機的變速器主要通過主、副操縱桿來實現換檔，對于檔位較多的大功率拖拉機，操作復雜易出錯，且影響燃油經濟性。拖拉機在復雜環境作業時，駕駛員要根據作業工況，不斷變換變速桿，來改變輸出速度和轉矩，車輪會由于輸出轉速高或者牽引力不足而出現不同程度的滑移，增加了燃油消耗，影響了燃油經濟性。因此，改變復雜的操作方式，使其能夠根據拖拉機的實際作業情況來自動調節輸出速度和轉矩，提高國內大功率拖拉機變速器的技術水平，進而增強在國內拖拉機市場上的競爭力。

3 液壓機械無級變速器方案

通過試驗研究，拖拉機在邊行駛邊工作時不可避免會出現車輪滑移，因此要降低車輪滑移引起的耗油量，又不影響拖拉機動力輸出，就必須控制拖拉機的行駛速度和轉矩，保證其足夠的驅動力。在車輪滑移時，能夠使拖拉機自動降低行駛速度增大轉矩，并根據作業實際情況來增大行駛速度。根據歐美發達國家拖拉機變速器的先進技術和國內對行走機械[6]以及液壓機械無級變速器的研究[7-8]，提出一種適合我國農業生產的液壓機械無級變速傳動方案，如圖4所示。

圖4 液壓機械無級變速傳動方案Fig.4 The Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

圖中：i1～i9—齒輪副，K1、K2—行星排，C0、C1～C4—濕式離合器

由圖4可知，該方案依靠固定齒輪副實現分流后，一路為液壓功率流；另一路為機械功率流，再通過K1、K2雙行星排實現匯流，最后經定軸齒輪傳動輸出。工作原理，如表1所示。

表1 液壓機械無級變速器傳動方案工作原理Tab.1 The Working Principle of the Transmission Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

當只有純液壓H段工作時，C0結合工作，此時主要用于拖拉機的起步和水田作業及其低速作業工況；液壓機械HM1、HM2、HM3段工作時，C1、C2、C3分別結合工作，主要應用于拖拉機較高速度作業及其運輸作業工況；倒檔段工作時，低速行駛時C0結合工作，較高速度行駛時C4結合工作，主要應用于拖拉機改變作業行駛方向等情況下，一般不應用于生產作業。

根據試驗的國產拖拉機匹配的發動機參數、拖拉機工作速度及其建立的傳動比理論模型，確定液壓機械無級變速器的參數，如表2所示。

表2 參數數值Tab.2 The Value of Parameter

4 仿真分析

4.1 建立模型

AMESim（AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulations of Engineering Systems）是由法國IMAGINE公司推出的一種工程系統高級建模和仿真平臺軟件。首先利用AMESim基本元件庫，直接建立發動機實驗模型、液壓系統模型、行星齒輪傳動模型、濕式離合器模型以及轉動慣量模型等模塊，然后建立液壓機械無級變速傳動系統的整體仿真模型，進行仿真和深入分析[9-1 0]，仿真模型，如圖5所示。

圖5 液壓機械無級變速器整體傳動系統模型Fig.5 The Overall Transmission System Model of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

4.2 仿真分析

圖6 變速器無級調速特性曲線Fig.6 The Stepless Speed Regulation Characteristic Curve of the Transmission

根據建立的液壓機械無級變速系統的整體仿真模型進行仿真實驗，假定發動機額定轉速為2300r/min，負載為500 Nm，仿真時間為40s，合理分配泵的排量比e和各段時間t的數值。仿真得到輸出轉速隨時間的變化關系圖，如圖6所示。

由圖6可知：在整個仿真過程中，液壓機械無級變速器的輸出轉速和速度隨發動機轉速及時間逐漸增大。在純液壓H段，拖拉機的輸出速度可達6km/h，在液壓機械段最高輸出速度可達53km/h；且在純液壓H段時，前半段時間輸出轉速為負值即純液壓段倒檔段，在后半段為正即起步或低速作業段；各段間速度變化率不同，從HM1到HM3區段基本是以等比例的方式增長，且在HM3區段主要用于道路運輸等較高速度工況，其變化率大，速度變化快；各段之間均有速度重合，能夠平穩換段，滿足水旱兩用大功率拖拉機多工況下的作業要求。加載階躍負載來仿真研究其輸出響應特性，在（1～2）s內負載為 1000Nm，在（2～3）s時增加至 2000Nm，之后穩定在2000Nm，仿真時間為5s。仿真結果，如圖7所示。

圖7液壓機械無級變速箱仿真過程特征曲線Fig.7 The Characteristic Curve of Simulation Process of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

圖7 （d）中，階躍負載變化時，變速器整體傳動系統都隨之響應變化。圖7（a）、圖7（b）中，轉矩變化曲線隨著階躍負載的變化而變化，在（2～3）s階躍負載迅速由1000Nm變化為2000Nm過程中，泵和馬達轉矩同時響應變化增大轉矩，在（3～5）s負載穩定在2000Nm，泵和馬達轉矩輸出穩定。圖7（c）中，在（2～3）s階躍負載變化時，輸出軸速度平穩變化，直到負載穩定輸出速度趨于平穩。

上述仿真實驗表明：設計的液壓機械無級變速器能夠滿足速度的連續無級變化，且各區段間均有重合速度能夠平穩換段；在負載變化時，其輸出轉矩和速度隨之變化，使其滿足水旱兩用拖拉機在多工況下作業時邊行駛邊工作的要求。

5 結論

（1）國內大功率拖拉機變速檔位設置多，操作復雜易出錯，影響燃油經濟性。

（2）設計的液壓機械無級變速器前進液壓H段轉速能夠從零轉速平穩升高，實現拖拉機的起步和水田低速行駛及作業要求；各個區段之間均有重合速度，各區段之間能夠平穩換段實現無級連續變速。且在負載變化的瞬時，變速器整體傳動系統的輸出轉矩和速度也隨之變化，使其輸出狀態滿足拖拉機多工況下邊行駛邊工作的要求。

通過試驗、仿真，設計的水旱兩用大功率拖拉機液壓機械無級變速器，結合了機械傳動的高效率和液壓傳動的可控調速優點，且采用純液壓H段起步、低速區段速度變化率低、高速區段速度變化率大，滿足了大功率拖拉機在農田低速作業、公路較高速運輸中實現速度的連續平穩變化，滿足水旱兩用大功率拖拉機的多工況作業要求。

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