拖拉机负载增扭/梭行换挡副变速器设计

1 传动方案设计

变速器的传动路线简图如图1 所示。

图1 中:C1、C2 为湿式离合器;B1、B2 为湿式制动器;t1、t2 为前、后太阳轮;j1、j2 为前、后行星架;q1、q2 为前、后齿圈;nin为副变速器输入转速(r/min);nout为副变速器输出转速(r/min)。负载换挡增扭/梭行副变速器布置在拖拉机主离合器与传统机械变速器之间。增扭/梭行副变速器的换挡采用液压控制，根据离合器、制动器的不同接合状态，副变速器具有增扭挡、直接挡、逆行挡及空挡4 个挡位。
副变速器换挡液压控制系统由动力源、执行机构和控制机构组成，原理图如图 2 所示。副变速器换挡通过组合控制两个电磁换向阀，实现直接挡、增扭挡、空挡和倒挡操作，前进挡与逆行挡间切换无需分离主离合器。执行元件工作规律如表1 所示。

拆除原拖拉机的倒挡机构，将副变速器嵌入到拖拉机主离合器和原变速器之间。改进后的拖拉机传动系统的前进挡位数增加 1 倍，还获得与改进前机型前进挡位数相同数目的倒挡挡位。合理选择副变速器的传动比，可以使得拖拉机前进作业时具备降速增扭功能，逆行挡速度小于前进挡速度。
当拖拉机作业遇到较大载荷时，通过液压控制系统能够带负载切换到增扭挡，避免作业中遇到 1． 2 ～1． 3 倍的突变大载荷;待拖拉机顺利克服短期增大的载荷后，再通过液压控制系统，带负载切换到原工作挡位。当拖拉机在田间调头或场地作业时，驾驶员无需操纵主离合器和手动变速器，只需通过液压换挡控制系统实现空挡、前进和后退挡位的切换，显著提高作业效率。

2 传动比设计计算

2． 1 增扭 /梭行副变速器传动比确定
由图 1 可见:副变速器由 2 排行星齿轮机构组成，动力输入元件由离合器 C1 和 C2 控制。其输出轴的转速及各元件的转速关系为

根据表1 所示的换挡控制元件工作规律表，当选择增扭挡工作时，控制离合器 C1 接合、制动器 B1 制动，则有

联立式(1)和式(2)，则可得到副变速器增扭挡的传动比为

其中，k2= zq2/zt2，zq2和 zt2分别为后行星排齿圈和太阳轮的齿数。如表1 所示，直接挡工作时接合离合器 C1 和 C2，则有


联立式(1)和式(4)，则可得到副变速器直接挡的传动比为

当逆行挡工作时，接合离合器 C2，制动器 B2 制动，则有

联立式(1)和式(6)，则可得到副变速器逆行挡的传动比为

其中，k1= zq1/ zt1，zq1，zt1分别为前星排齿圈和太阳轮的齿数。
当离合器 C1、C2 分离，制动器 B1、B2 接合时，动力传递中断，可得到空挡。
考虑到拖拉机作业时直接挡、增扭挡和逆行挡传动比之间的合理分配及行星齿轮系的结构限制，最终选定前行星齿轮排 k1= 1． 5 ，后行星齿轮排 k2= 4 ，代入式(3)、(5)、(7)则得到副变速器各挡的传动比。
2． 2 变速器各挡总传动比确定
本文以某拖拉机传动系为平台进行改进，该拖拉机的原始参数如表2 所示。

考虑到拖拉机的结构和工艺继承性，仅对变速器的结构进行局部调整，取消原变速器中的倒挡，为保持原机总体尺寸和结构参数基本不变，只对主变速箱的传动比进行重新设计。另外，借鉴国外同功率等级、相同挡位数的拖拉机传动系统，将最高速度提高到稍大于40km/h。根据图 1 所示的变速器传动原理图，可计算出拖拉机传动系各挡的总传动比 i 和各挡位的理论车速 vl为

其中，iF为副变速器的传动比，iZ为原变速器的传动比。
改进后各挡理论车速及总传动比如表3 所示。


从表 3 可见:增扭挡能够作为拖拉机的正常作业挡位的动力储备挡位，克服绝大多数农田作业的短期超载;在进行工作负荷较为稳定作业时，增扭挡也可以作为正常挡使用，这将使得拖拉机作业速度匹配能够更好地满足农艺需要，也有利于提高拖拉机的燃油经济性。逆行挡的速度与前进直接挡的匹配良好，满足大多数场地的作业需要。

3 拖拉机性能分析
3． 1 发动机特性
根据发动机台架试验数据，使用最小二乘法对发动机的速度特性进行多项式曲线拟合，拟合曲线如图3所示。


3． 2 动力性与经济性指标
机械换挡拖拉机和理想特性的拖拉机牵引力特性与比油耗特性如图 4 和图 5 所示。图 4 中，理想发动机等牵引功率曲线(虚线)是实际牵引力 － 车速曲线族的包络线，等牵引功率曲线与实际牵引力 － 车速曲线族之间的区域是拖拉机牵引功率所不能达到的工作范围。从提高拖拉机作业效率考虑，应尽量减小等牵引功率曲线与实际牵引力 － 车速曲线族之间的区域，以充分提供拖拉机作业功率。
图5 中，理想发动机等油耗率曲线(虚线)是实际比油耗 － 车速曲线族的包络线。等油耗率曲线与实际比油耗 － 车速曲线族之间的区域是拖拉机比油耗损失的工作范围，应尽量缩小此区域以降低油耗。


因此，定义拖拉机牵引功率利用率 ηp和比油耗损失率 ηg分别作为拖拉机动力性和燃油经济性的评价指标，则



3． 3 拖拉机动力性与经济性分析
在 MatLab 编写计算程序，绘制出改进前后拖拉机牵引力 －车速的关系曲线图，如图6、图 7 所示。改进前后拖拉机比油耗 －车速的关系曲线图，如图 8、图 9所示。根据式(8)、(9)可计算拖拉机牵引功率利用率和比油耗损失率。



改进后拖拉机挡位数在主要作业速度范围内更加密集，改进前拖拉机的牵引功率利用率为 96．15%，改进后拖拉机的牵引功率利用率为 98． 35%，牵引功率利用率提高了2．2%。牵引功率利用率反映了拖拉机动力性能发挥程度，其值越大，拖拉机牵引功率损失越小，拖拉机动力性越好。改进后传动系统有效改善了拖拉机动力性的发挥。
改进前拖拉机的比油耗损失率为 18． 98%，改进后拖拉机的比油耗损失率降低为 16．00%。比油耗损失率反映了拖拉机燃油经济性能发挥程度，其值越小，拖拉机油耗损失越小，拖拉机燃油经济性越好。改进后的传动系统有效降低了拖拉机的燃油消耗。

4 结论
1) 对变速器的传动比进行了合理的布置，使得加装了负载换挡增扭/梭行副变速器的拖拉机能够具备负载降速增扭功能和梭行挡功能，更好地满足多样化的农艺需要，并提高了作业效率。
2) 算例计算结果表明:装备负载换挡增扭 / 梭行副变速器的拖拉机牵引功率利用率提高了 2． 2%，拖拉机比油耗损失率降低 2． 98%，装备负载换挡增扭/梭行副变速器的拖拉机作业效率与经济性有明显提高。
参考文献（略）