动力换挡拖拉机变速箱下线磨合测试台

石 峰，马美莲，周豫鸽,2，胡 豪

（1.洛阳西苑车辆与动力检验所有限公司，河南 洛阳 471039；2.拖拉机动力系统国家重点实验室，河南 洛阳 471039）

0 引言

中国是农业大国，拖拉机每年的需求量也是世界之最。由于所处地理位置自然环境这一特定因素，拖拉机的需求量受季节影响波动较大；近年来国家每年都对农机行业进行政策扶持，但每年的政策又多有不同，这些不同的因素对各大拖拉机生产厂家生产计划的精准制定造成了很大的影响。受此影响，国内拖拉机的生产组织在一年当中存在着明显的淡旺季之分。淡季时工人放假回家，旺季时24 h 不停的赶工生产，全年的生产计划大半都集中在旺季的2～3 个月内。因此旺季时产能的提升一直是各大生产厂家重点关注研究的课题。

目前大功率动力换挡变速箱已经成为国内拖拉机行业的主流配置，动力换挡拖拉机更是成为各大知名拖拉机厂的拳头产品。动力换挡变速箱作为拖拉机的核心部件，自动化程度高，结构复杂，功能众多，其生产组织也面临同样的问题。本测试台的研制就是为了解决149 kW 以上动力换挡拖拉机变速箱下线功能快速检测的问题，检测项目多，自动化程度高，操作简单，极大的保证了整线的生产节拍。

1 动力换挡变速箱技术特点

动力换挡变速箱的换挡原理与传统手动换挡变速箱不同，采用摩擦离合器作为动力换挡执行元件的负载换挡机构来实现，其主要控制元件由动力换挡变速箱、拖拉机电液控制单元（TCU）、液压系统3 部分组成[1]。液压系统除了对变速箱强制润滑外，还通过TCU 发出的指令来控制换挡离合器、主离合器、PTO 和前桥驱动的分离和结合以及制动器的制动[2]。动力换挡变速箱的突出特点是换挡时动力不中断，从而简化了驾驶员的操作过程，改善了拖拉机的操纵性能，提高了工作效率。

拖拉机动力换挡变速箱传动路线图如图1 所示，主要包括机械传动系统、电液控制单元和液压控制系统。机械传动系统又分为6 挡主变速箱区、爬行挡区和动力换挡区。主变速箱分为3 组：I 挡／Ⅱ挡、Ⅲ挡／Ⅳ挡和V 挡／Vl 挡，均采用同步器换挡。爬行挡区有普通挡（NO）和爬行挡（KR）2 挡，由人工操纵。主离合器位于爬行挡和主变速箱之间，PTO和4WD 均采用多片湿式离合器控制。制动器布置在后桥左右驱动轮轮边减速器前端。动力换挡区分超高挡（S）、高挡（H）、中挡（M）和低挡（L）一共4 个挡位，通过A、B、C、D、F、G 6 个多片湿式离合器实现挡位的切换。由于与传动变速箱相比增加了动力换挡区，所以动力换挡变速箱的挡位排布非常密集，设有共80 个前进和倒退挡位，行驶速度范围0.5～50.0 km/h。变速箱的主要性能参数包括发动机输入转速、变速箱输入转速、PTO 转速、前桥驱动输出转速、主离合器转速、液力变速箱输出转速、离合器位置、离合器踏板位置、主变速箱挡位、润滑系统油压、变速箱温度等，变速箱电子控制单元（TCU）通过各类传感器监控这些参数，根据驾驶员输入指令，控制液压系统中的电磁阀和对应的换挡离合器实现换挡[3]。

图1 动力换挡变速箱传动路线图

2 拖拉机动力换挡变速箱测试台主要功能

由于一部完整的拖拉机动力换挡变速箱涵盖了电器、液压、机械等多方面的控制、执行、传动类的零部件，所以在其组装完毕后，装入主机前必须进行全面的功能测试和加载磨合。这样做的好处是可以提前排除产品的故障，提升产品质量，降低后期的维修成本；并且经过加载磨合过的变速箱其传动齿轮啮合更加顺畅，磨合过程中也可以清洗箱体和齿轮，优化产品的整体性能，所以拖拉机动力换挡变速箱下线加载磨合检测已成为了生产流程中必不可少的一道工序[4]。本测试台是应某知名传动部件厂家要求研制，主要用于在生产线末端对组装完成的拖拉机动力换挡变速箱进行基本功能检测和加载磨合，确认变速箱各项功能是否正常，并通过外置多级过滤系统对变速箱进行体外循环过滤以提高其体内清洁度，提高产品的下线质量。具体检测项目包括：输入转速、输入扭矩、PTO 转速、四驱分离效果、左右后轮转速、6路油压监控、传动系换挡机构是否正常、差速器是否工作正常、制动器是否工作正常、动力输出和前驱动手动切换机构是否正常、液压提升系统油是否有泄漏、传动系统空载磨合、传动系统加载磨合、传动系驱动和加载电功率效率测量、传动系透析、油液清洁度检测等16 项。

3 拖拉机动力换挡变速箱测试台的结构设计

拖拉机动力换挡变速箱测试台的结构如图2 所示，测试台由机械部分（工装台架、安全防护装置），驱动、加载部分（驱动单元、后轮加载单元、提升臂加载单元、四驱输出加载单元），油路系统（高压控制油路、润滑透析油路），电控采集部分（悬臂操作系统、控制软件、测量采集系统、能量回馈系统）等组成[5]。

图2 测试台结构布置图

1）机械部分：工装台架用于快速吊装固定好测试变速箱。变速箱的定位与夹紧采用气动装置，具有快速、准确的特点。驱动及加载单元的移动由移位电机来控制，且具有存储记忆功能，对于不同的机型，输出参数后定位装置可自动调整至机型对应的位置，便于不同产品之间的切换。另外台架还可模拟拖拉机换档特点，专门设计了脚踏式开关，操作者可通过脚踩踏板开关控制驱动电机的转速，真实地模拟拖拉机换挡过程，方便快捷。

安全防护装置包含驱动和加载端旋转件处的3处防护罩机构，试验开始前应手动将护罩拉到位，防护罩设置有感应开关，到位后会发出信号，驱动电机在接收到信号后才开始工作。测试过程中控制系统可对各种故障进行诊断，基于试验的完整性和安全性考虑，整个系统将故障诊断分为3 个级别，一级故障为试验数据异常波动，但不影响试验，仅提示报警原因，试验可继续；二级故障根据故障类别，卸负荷减速至停机；三级故障级别最高，立即全线停机。

2）驱动、加载部分：驱动单元配有交流变频测功机模拟发动机为变速箱提供驱动力，测功机具有前后移位功能，变速箱吊装固定完毕后可自动与其动力输入轴对接。另配有高精度扭矩传感器，可实时读取驱动扭矩。测功机通过移位滑台和举升平台可上下、前后纵向移动以适应不同底盘的第一轴相对于其输出驱动轴的不同高度。前后纵向移动又分为2 层移动方式，均采用HIWIN 线性滑轨，方便与传动系第一轴的快速连接和调节，对中精准。驱动总成布置盘式扭矩测量单元，此扭矩测量是法兰基于应变原理，集成数字测量，预调理系统产生，模拟或数字输出信号非接触传输转子在定子环内转动，无机械轴承，因此免于磨损，结构可靠美观。与第一轴的连接件为滑动花键轴套。台面周围设置有油液收集槽，保证试验台面及周围的整洁。

后轮加载单元配有加载用交流变频电机配合减速机为变速箱提供加载力，同样具备左右移位功能，待变速箱固定好后自动与其后轮毂处对接。

提升加载单元由2 个加载油缸组成，试验时将油缸挂到提升臂上为其提供1 T 的拉力进行加载，通过检测提升缸是否有位移从而判别油路是否有泄漏。

3）油路系统：整个系统为变速箱提供变速箱上制动、四驱切换、差速锁切换、动力输出轴切换、提升臂工作等所需高压油以及变速箱所需润滑循环油路并为油路提供过滤清洗功能[6]。主要由高压油路和润滑透析油路组成。

高压油路为独立液压系统，为变速箱提供变速箱上制动、四驱切换、差速锁切换、动力输出轴切换、提升臂工作等所需高压油，油液过滤精度10 μm，供油压力3 MPa 可调，其原理如图3 所示[7]。

图3 高压油路系统原理图

润滑透析油路由净油箱、1 个阀控液压站、2 组独立工作的多级过滤油路及1 个定量注油输送油路组成。净油箱有效容积850 L。各油路均采用大容量过滤器，以增大纳污量，延长维护周期；同时油路具有压力保护和堵塞报警装置。加热油路给净油箱油液加热，温控范围（45℃±5℃）。供油油路：由1 台流量可调节（20～40 L/min）的泵站、管路过滤器组（60、30、10 μ）、涡轮流量计和压力调节阀组成。并联过滤系统，如果某一个过滤堵住，可以走另外一路过滤通道，并报警。流量可由变频器自动调节，泵站安装在净油箱上，注油量由PLC 控制，可根据被测试机型不同自动加注不同油量。污油输送系统：由于回油箱距离检测台位置较远，为了快速回油，特设一泵将检测用过的油经过滤油器管路过滤器（10 μm）过滤后送到净油箱。净油箱由2 个油箱构成，这2 个油箱油液可循环过滤，过滤精度10 μm。管路滤清器置于旁边的过滤柜内，且与其它装置分置于柜中间隔板两侧，柜子的面板可完全开放，便于日常维护和清理。过滤器为特殊设计产品，具有结构合理、流通面积大、更换滤芯方便等优点。过滤器纳污容量大，可延长滤芯维护周期，有效保证工艺节拍。其原理如图4 所示[8]。

图4 润滑、透析系统原理图

4）电控采集部分：悬臂操作系统上配有触摸屏式工控电脑，用以操作控制整个测试流程，同时PLC 测量采集系统也集成在悬臂箱上，用以插接变速箱采集部位的连接线。测控软件分自动和手动模式，使操作更加人性化。

控制软件采用Labview 编程，可重新架构，并可自定义测试计划，便于自定义循环测试，试验中方便查看测试曲线图以及测试结果并可将数据保存导出为xls 格式方便用户离线查看。系统可直接与电子控制单元（TCU）进行通讯，可通过TCU 控制变速箱上各液压阀块，也可以直接控制各阀块，控制形式灵活多样。对设备各压力、输入扭矩值/转速值以及温度可进行实时监视[9]。

测量采集系统可以在测试过程中自动采集被测件信息，保存数据格式为SQL server 数据库。对于已保存的数据可以按照试验日期、传动系名称、编号、实验人等进行查询，并导出报表或根据需要保存为.xls 格式。

能量回馈系统采用多电机共享直流母线的形式，当某加载交流电机被反向拖动时，其将处于发电状态。它发出的电能由其对应的变频器逆变成直流电反供到直流母线。其它处于驱动状态的交流电机可以利用这部分电能。由于回馈的能量在母线内消耗掉，不返回电网，节能且不干扰供电电网[10]。

4 测试流程

依据生产线工艺布局及变速箱结构特点制定了如下测试流程，如图5 所示。

图5 测试流程图

5 结语

本测试台是国内为数不多的拖拉机动力换挡变速箱下线用多功能测试台，它不但测试功能全面，测试精度高，且较实验室用测试设备在操作上更加简洁可靠，突出快速装夹工件的特点，极大地满足了变速箱生产线的节拍要求。设备投入使用后运行平稳，可适应多种型号变速箱进行测试，安全可靠，测试精度及节拍符合工艺要求且节能效果明显。