拖拉机液压机械无级变速器的设计研究

郝朝增+赵宏帅+苏建伟+吕东亚

摘 要：拖拉机液压机械无极变速器可以根据拖拉机不同的作业模式实现不同的发动机转速、转矩的匹配。基于液压机械换段等比传动的连续性，对各区段齿轮的参数和传动比进行了设计，并对变量泵和定量马达的匹配进行了选型。根据拖拉机液压机械无级变速器试验要求，分析了变速器的结构和工作原理，并提出了变速器的试验台设计方案。结果显示，所设计的试验台自动化程度高、运转平稳，满足设计要求。

关键词：拖拉机；液压机械；无级变速器；试验台

中图分类号：S219.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.105

拖拉机液压机械无级变速器是一种并联机械功率流与液压功率流的新型传动装置，利用机械传统联合和液压传动达到无极变速，并利用机械传动达到传动高效率。该变速器具有无级调速的良好特性，不仅可以极大地提升车辆的燃油动力性和经济性，还可以实现大功率的传递，因此在大功率车辆中有着非常广阔的应用前景。自1970年后，液压机械无级变速器开始进入商品化应用阶段。1990年后，液压机械无级变速器开始被应用于拖拉机中。而我国对液压机械无级变速器的研发起步较晚，因此在1970年后才开发出样机。

1 无级变速器的结构和工作原理

拖拉机液压机械无级变速器是由定量马达和变量泵构成，具体由多挡有级变速箱、液压传动系统、单行星排机构等构成。发动机的输出功率通过分流机构可以分为机械功率流和液压功率流，机械功率流通过换挡离合器传递到行星排的行星架或齿圈，液压功率流通过变量泵定量马达组成的传动系统传递到太阳轮。机械功率流和液压功率流在行星排机构合流，经过齿圈或行星架后通过换挡离合器将功率传递到多挡有级变速箱，之后通过离合器将功率传送到变速器输出动力的轴部。定量马达排量比、传动系统变量泵的反复变化及换挡离合器接合状态的差异使液压机械无级变速器的前行方向有6个连续变速段，倒行方向有3个连续变速段，无级变速器速比在相应的范围内逐段无级变化，实现无级变速功能。

2 无级变速器的试验台设计

液压机械无级变速器试验台主要用于液压机械无级变速器性能的试验，试验内容包括传动效率特性试验、空载损耗特性试验、无极调速特性试验、自动调速特性试验。传动效率特性试验用于检查液压机械无级变速器速比不同情况下的传动效率，查验变速器传动的高效率特性；空载损耗试验用于检查液压机械无级变速器输出轴不加载状态下变速器功率消耗随变速器速比变化的情况；无极调速特性试验用于检查发动机工作在最佳工作点下液压机械无级变速器的无级调速范围；自动调速特性试验用于检查负载连续变化时液压机械无级变速器速比对发动机最佳工作点的跟随情况。

液压机械无级变速器试验台主要由动力装置、参与试验的液压机械无级变速器、加载装置、数据采集和控制系统、分动箱、联轴器、软件系统及辅助系统、多挡升速箱等组成。动力装置为参与试验的液压机械无级变速器供给动力传输，实现被试传动装置对输入转速转矩的要求。动力装置中有发动机、液压马达、交流电动机和直流电动机。加载装置用于模拟车辆的实际使用工况，对参与试验的液压机械无级变速器进行增加装载量。将交流电机发动机的机械能转化为电能的是交流电力测功机，通过变频逆变单元将电能返馈至电网中，达到电力能源的二次利用。加载装置具有高速恒功率和加载低俗恒扭矩加载特性，可以双向加载。发动机输出动力经过转矩转速传感器和主离合器后输送到分动箱，并且将动力分成两路，一路用于驱动液压机械无级变速器的液压系统，另一路用于驱动液压机械无级变速器的机械系统。系统经液压机械无级变速器输出轴输出，输出动力通过多挡升速箱和转矩转速传感器后输送到交流电力测功机。多挡升速箱应用于不同的试验工况下液压机械无级变速器输出轴转矩和转速的查验中，让被试液压机械无级变速器输出端的转矩转速与交流电力测功机的转矩转速特性互相配合。

液压机械无级变速器试验台控制系统主要由转矩转速传感器、工控机、压力传感器、流量传感器、各控制器与执行器、信号调理模块、数据采集卡等构成。工控机的作用是依据试验任务实施程序，并且向各控制器发出相关控制指令，对系统实施实时的数据采集、数据记录、数据分析和系统安全监控、保护、故障诊断等多种功能。工控机主要通过以下两种方法执行数据的采集工作：①将信号传送给控制器，经过控制器运算处理后转化为数字信号，之后发送到工控机，工控机对试验数据进行分析和处理，并最终输出；②将传感器采集的信号经过调整模块处理后传输给数据采集卡执行运算处理，之后通过各通信端口获取数据。液压机械无级变速器试验台控制系统对发动机、被试液压机械无级变速器、交流电力测功机和多挡升速箱进行控制。控制系统控制发动机是通过油门控制器来接收工控机的油门控制指令，发动机油门大小的调节由控制油门执行器完成。

3 结束语

本文首先提出了拖拉机液压机械无级变速器试验台的具体设计方案，设计了变速器试验台的加载装置、动力装置、控制系统、软件系统和数据采集系统；其次对拖拉机液压机械无级变速器自动调速特性进行了试验。液压机械无级变速器具有连续无级的变速功能，试验台自动化程度较高，能够实现能源的二次利用。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕