水旱两用拖拉机液压机械无级变速器的研究

王 璠，宁志英

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；2.宝通街小学，山东 潍坊 261206）

1 引言

随着农业现代化的发展，大功率拖拉机效率高、速度快，已成为现代农业发展不可替代的农业机械，然而国内市场近90%以上的大功率拖拉机被进口或合资品牌占据，技术水平与欧美发达国家相比有近30年的差距，欧美等发达国家普遍采用增压中冷技术和液压机械无级传动系统[1]，并且将全动力换档变速器作为标准安装，不仅改善了拖拉机的操作舒适性，也大大改善了燃油经济性。国外已有较成熟的产品“S-Matic”[2-3]，欧美等发达国家也已广泛采用液压机械无级变速器。国内拖拉机已采用增压中冷技术，但传动系统仍采用机械式变速器。对于大功率多档位拖拉机，操作复杂易出错，且燃油经济性也较差[4]。随着能源短缺、环境恶化问题越来越突出，对于农业大国来说，农业机械的尾气排放与燃油经济性关系到整个国家的能源与环境问题。因此，为了改进国内大功率拖拉机操作复杂、燃油经济性差的变速传动问题，提出一种适合国内现阶段农业生产要求的液压机械无级变速器方案，来改变现阶段大功率拖拉机市场被进口或合资品牌占据的现状，提高技术水平。

2 实验研究

为了了解国产大功率拖拉机变速器的实际应用现状，选择某一国产品牌的水旱两用大功率轮式拖拉机进行田间作业工况试验。试验过程中标定田间试验环境[5]，排除影响试验结果的外界因素。

2.1 试验结果

对配备机械变速器的国产拖拉机进行水旱田空跑、旋耕试验。试验中，根据经验驾驶员适时操纵变速器主、副变速杆，改变拖拉机作业速度。在水田中，作业环境恶劣，拖拉机受力情况复杂、牵引负荷大、附着性能差，拖拉机滑移率较大，驱动轮易滑移。因此，驾驶员要经常换档来满足水田中作业的要求，如图1所示。

图1 拖拉机水田中旋耕Fig.1 The Rotary of Tractor in Paddy Field

试验得出水、旱田空跑和旋耕过程中配备机械式变速器拖拉机的小时耗油量情况，如图2所示。由图2可知：变速器处于低速档低速耕作时，田间空跑、耕作的小时耗油量近似相等，随着速度增大，在水田中小时耗油量明显大于旱田的耗油量，并且速度越高，差距越大。试验结果表明，国产拖拉机变速器不仅操作复杂，且燃油经济性受驾驶员操作和工作环境的影响变化较大。若按工作一整年（90天）计算，在水田中空跑的耗油量就比旱田中多45L左右，而旋耕作业中可达55L左右。

图2 拖拉机燃油经济性Fig.2 The Fuel Economy of Tractor

2.2 研究分析

在试验中，假定行驶状况、驾驶员操作情况和工作环境变化等条件相同，忽略其对燃油经济性的影响，则水田中多消耗的燃油可认为是由传动系的输出速度大转矩小而导致车轮滑移消耗的，且随输出速度的增大而增大。通过在水、旱田中作业试验研究，可以得出由于机械式变速器的输出调节不当导致车轮滑移所消耗的燃油量，如图3所示。

图3 车轮滑移所消耗的燃油量Fig.3 The Fuel Consumption of Wheel Slip

由图3可知：在水旱田旋耕中，由车轮滑移引起的小时耗油量随着速度的增大而增大；速度小于3km/h时，车轮滑移耗油量仅随速度变化；速度大于3km/h时，车轮滑移耗油量不仅随速度的增大而增加，且在水田的增加量要大于旱田的增加量；行驶速度为5km/h时，水、旱田的耗油增加量达最大，且水田中增加量是旱田的两倍。结果表明，国内拖拉机的变速器主要通过主、副操纵杆来实现换档，对于档位较多的大功率拖拉机，操作复杂易出错，且影响燃油经济性。拖拉机在复杂环境作业时，驾驶员要根据作业工况，不断变换变速杆，来改变输出速度和转矩，车轮会由于输出转速高或者牵引力不足而出现不同程度的滑移，增加了燃油消耗，影响了燃油经济性。因此，改变复杂的操作方式，使其能够根据拖拉机的实际作业情况来自动调节输出速度和转矩，提高国内大功率拖拉机变速器的技术水平，进而增强在国内拖拉机市场上的竞争力。

3 液压机械无级变速器方案

通过试验研究，拖拉机在边行驶边工作时不可避免会出现车轮滑移，因此要降低车轮滑移引起的耗油量，又不影响拖拉机动力输出，就必须控制拖拉机的行驶速度和转矩，保证其足够的驱动力。在车轮滑移时，能够使拖拉机自动降低行驶速度增大转矩，并根据作业实际情况来增大行驶速度。根据欧美发达国家拖拉机变速器的先进技术和国内对行走机械[6]以及液压机械无级变速器的研究[7-8]，提出一种适合我国农业生产的液压机械无级变速传动方案，如图4所示。

图4 液压机械无级变速传动方案Fig.4 The Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

图中：i1～i9—齿轮副，K1、K2—行星排，C0、C1～C4—湿式离合器

由图4可知，该方案依靠固定齿轮副实现分流后，一路为液压功率流；另一路为机械功率流，再通过K1、K2双行星排实现汇流，最后经定轴齿轮传动输出。工作原理，如表1所示。

表1 液压机械无级变速器传动方案工作原理Tab.1 The Working Principle of the Transmission Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

当只有纯液压H段工作时，C0结合工作，此时主要用于拖拉机的起步和水田作业及其低速作业工况；液压机械HM1、HM2、HM3段工作时，C1、C2、C3分别结合工作，主要应用于拖拉机较高速度作业及其运输作业工况；倒档段工作时，低速行驶时C0结合工作，较高速度行驶时C4结合工作，主要应用于拖拉机改变作业行驶方向等情况下，一般不应用于生产作业。

根据试验的国产拖拉机匹配的发动机参数、拖拉机工作速度及其建立的传动比理论模型，确定液压机械无级变速器的参数，如表2所示。

表2 参数数值Tab.2 The Value of Parameter

4 仿真分析

4.1 建立模型

AMESim（AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulations of Engineering Systems）是由法国IMAGINE公司推出的一种工程系统高级建模和仿真平台软件。首先利用AMESim基本元件库，直接建立发动机实验模型、液压系统模型、行星齿轮传动模型、湿式离合器模型以及转动惯量模型等模块，然后建立液压机械无级变速传动系统的整体仿真模型，进行仿真和深入分析[9-1 0]，仿真模型，如图5所示。

图5 液压机械无级变速器整体传动系统模型Fig.5 The Overall Transmission System Model of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

4.2 仿真分析

图6 变速器无级调速特性曲线Fig.6 The Stepless Speed Regulation Characteristic Curve of the Transmission

根据建立的液压机械无级变速系统的整体仿真模型进行仿真实验，假定发动机额定转速为2300r/min，负载为500 Nm，仿真时间为40s，合理分配泵的排量比e和各段时间t的数值。仿真得到输出转速随时间的变化关系图，如图6所示。

由图6可知：在整个仿真过程中，液压机械无级变速器的输出转速和速度随发动机转速及时间逐渐增大。在纯液压H段，拖拉机的输出速度可达6km/h，在液压机械段最高输出速度可达53km/h；且在纯液压H段时，前半段时间输出转速为负值即纯液压段倒档段，在后半段为正即起步或低速作业段；各段间速度变化率不同，从HM1到HM3区段基本是以等比例的方式增长，且在HM3区段主要用于道路运输等较高速度工况，其变化率大，速度变化快；各段之间均有速度重合，能够平稳换段，满足水旱两用大功率拖拉机多工况下的作业要求。加载阶跃负载来仿真研究其输出响应特性，在（1～2）s内负载为 1000Nm，在（2～3）s时增加至 2000Nm，之后稳定在2000Nm，仿真时间为5s。仿真结果，如图7所示。

图7液压机械无级变速箱仿真过程特征曲线Fig.7 The Characteristic Curve of Simulation Process of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

图7 （d）中，阶跃负载变化时，变速器整体传动系统都随之响应变化。图7（a）、图7（b）中，转矩变化曲线随着阶跃负载的变化而变化，在（2～3）s阶跃负载迅速由1000Nm变化为2000Nm过程中，泵和马达转矩同时响应变化增大转矩，在（3～5）s负载稳定在2000Nm，泵和马达转矩输出稳定。图7（c）中，在（2～3）s阶跃负载变化时，输出轴速度平稳变化，直到负载稳定输出速度趋于平稳。

上述仿真实验表明：设计的液压机械无级变速器能够满足速度的连续无级变化，且各区段间均有重合速度能够平稳换段；在负载变化时，其输出转矩和速度随之变化，使其满足水旱两用拖拉机在多工况下作业时边行驶边工作的要求。

5 结论

（1）国内大功率拖拉机变速档位设置多，操作复杂易出错，影响燃油经济性。

（2）设计的液压机械无级变速器前进液压H段转速能够从零转速平稳升高，实现拖拉机的起步和水田低速行驶及作业要求；各个区段之间均有重合速度，各区段之间能够平稳换段实现无级连续变速。且在负载变化的瞬时，变速器整体传动系统的输出转矩和速度也随之变化，使其输出状态满足拖拉机多工况下边行驶边工作的要求。

通过试验、仿真，设计的水旱两用大功率拖拉机液压机械无级变速器，结合了机械传动的高效率和液压传动的可控调速优点，且采用纯液压H段起步、低速区段速度变化率低、高速区段速度变化率大，满足了大功率拖拉机在农田低速作业、公路较高速运输中实现速度的连续平稳变化，满足水旱两用大功率拖拉机的多工况作业要求。

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