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        拖拉機變速箱

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        拖拉機變速箱動力換擋分析

        2020-05-21 15:14:45

        拖拉機變速箱動力換擋分析

        車輛傳動系統是決定大功率車輛性能的關鍵部件。我國目前使用的拖拉機動力傳動系統大多采用的是固定軸式齒輪變速器,它具有效率高、成本低、結構簡單等優點,從而獲得廣泛應用。但這種手動機械式變速器屬于非動力換擋,輸出轉矩與轉速變化比較大,換擋時首先分離主離合器以切斷動力傳遞,然后操縱換擋同步器進行擋位變換,需要駕駛員憑經驗決定換擋時刻,換擋時機不易把握,而且由于頻繁換擋操作,易使駕駛員疲勞,進而影響行駛安全 。此外,拖拉機作業環境惡劣,外界負荷波動頻繁,這就要求發動機和變速箱能適時地變更轉速和扭矩以適應負荷和行駛阻力的不斷變化,這些通過僅僅依靠駕駛員操縱傳統的機械式變速器來實現,難以保證拖拉機的動力性和燃油經濟性,而且增加了勞動強度。


        動力換擋自動變速器是機電液一體化的產品 ,由齒輪式變速器、液壓控制的換擋離合器、傳感器 、電子控制系統組成。它是在傳統定軸式或行星式動力換擋變速器的基礎上, 應用電子技術和自動變速理論 ,以電子控制單元( ECU ) 為核 心,通過液壓執行系統控制摩擦結合元件的分離與接合 、選 換擋操作以及發動機節氣門的調節 ,來實現不切斷動力情況 下的拖拉機自動換擋控制 。


        拖拉機動力換擋自動變速器工作原理


        動力換擋自動變速器的基本工作原理如圖 1 所示 ,由駕 駛員通過油門踏板 ,制動踏板和換擋手柄向變速器控制器( TCU ) 表達意圖 ,發動機轉速、作業速度 、擋位 、油門開度等 傳感器實時監測拖拉機的作業狀況,并將相應的電信號輸入 TCU ,TCU 按存儲在其中的設定程序模擬熟練駕駛員的駕駛 規律( 換擋規律 、發動機油門的自適應調節規律等) ,通過選換擋液壓執行機構對換擋離合器的結合及分離進行控 制 ,以實現發動機和變速器的匹配,從而獲得優良的作 業性能和迅速換擋能力 。


        動力換擋變速器由于換擋操作簡單且動力不中斷,改善了拖拉機的操縱性能,提高了工作效率。自1959年美國卡特彼勒公司在D9D拖拉機上首次成功地應用動力換擋以來,由于其在換擋時所表現出的明顯優點,吸引了許多廠家紛紛效仿 。如同時期的Ford公司在其671/771/871/971拖拉機上引入一0一Speed 10+2動力換擋變速箱,該變速器作業速度范圍0.9~30 km/h,可在作業阻力大的區域快速降擋以提升牽引力,通過后及時升擋以保證作業速度和燃油經濟性,在此過程中不需要停車和操縱離合器,而且可保持動力輸出軸速度不變,從而顯著提升拖拉機動力輸出。隨后于1982年,Case IH公司在其Steiger Panther 1000拖拉機上首次采用12擋電子控制全動力換擋變速器,換擋機構全部由摩擦片濕式離合器控制,使駕駛員操作更加方便快捷,且提高了換擋質量。類似的還有美國John Deere公司的9620型,AGCO Allis公司的9745型,Case公司的Magnum系列以及Ford公司的8770型等拖拉機全動力換擋變速器。


        90年代中期,德國ZF公司生產的T7000系列拖拉機變速箱則屬于半動力換擋機構 ,主變速為6擋同步器換擋,副變速為4擋動力換擋,由6個多片濕式離合器實現擋位的切換,帶爬行擋,擋位最多可達到40F+40R。該變速器采用可調比例閥控制技術實現平滑起步,并帶有離合器摩擦監測功能,在超過限定值時,將對駕駛員發出警告,以防止過載造成的傳動系損傷。此外手動換擋通過換擋桿上的按鈕來操控,提高了駕駛員的操作舒適性,而自動換擋適用于各種復雜的工況,并通過速度匹配來協調動力換擋與同步器擋位切換。與之相似還有Case IH公司的Puma 155型,美國AllisChalmers公司8050型,New Holland公司的T1404型拖拉機等等。目前幾乎國外所有大型拖拉機企業均有裝配動力換擋變速器的拖拉機產品,功率范圍涵蓋75~530馬力,且經過近幾十年的發展,技術比較成熟。


        在我國,動力換擋變速器最早是在工程機械上得到應用,如1966年柳工Z435裝載機上使用的定軸式變速器,隨后在1970年開始在ZL50裝載機上使用行星式變速器。此后在80年代又先后引入了日本TCM叉車的變速器和德國ZF公司電液控制定軸式變速器等先進技術,使我國這一行業水平有了較大的提高 。目前動力換擋變速器主要在裝載機、推土機、叉車、平地機和壓路機上得到廣泛的應用,國內以吉林大學、北京理工大學、同濟大學為主的各科研院所機構均對液力自動變速控制技術進行了研究,并取得了一些科研成果。但這些研究主要集中在汽車和工程機械上,而在農業拖拉機上的應用研究較少。此后直到2010年,中國一拖集團公司與國外合作,逐步研發了東方紅IJz、LA、LF等系列重型動力換擋拖拉機,才實現我國大功率拖拉機在該項目上零的突破。到現在為止,國內已有中國一拖、福田雷沃重工、山東常林、五征集團、常州東風、奇瑞重工、洛陽博馬、江蘇聯凱農業裝備和江蘇常發農業裝備等企業開展了拖拉機動力換擋技術的科研攻關和樣機研制 ,并有部份產品有進入國內農機市場,如五征集團雷諾曼1804、2004、2104,中聯重科PL2304、PL2604、東方紅2404、2204、福田雷沃重工P2654等,但與國外相比,仍處于技術引進消化吸收的起步階段。


        拖拉機主要從事田間作業和道路運輸,多擋、大傳動比范圍和長時間大負荷作業是農業拖拉機傳動系的主要特點 。擋位的增多,一方面可以提高發動機的功率利用率,另一方面可以拓寬變速器的速比范圍,以適應各種復雜地況和特種作業要求。如果采用傳統的兩軸式或三軸式傳動結構,必然會使變速器結構復雜而笨重,所以拖拉機動力換擋自動變速器多采用主副變速相串聯的多級組成式傳動方案,主副變速分別由不同的操縱機構控制,其優點在于傳動齒輪個數少,同等條件下變速箱結構尺寸和重量減小,且傳動比變化率大,使拖拉機的驅動力和行駛速度都有較寬的變化范圍。


        半動力換擋自動變速器是由手動加自動聯合控制,其中主變速一般由液壓控制的換擋離合器操縱,其擋位可通過控制器依照換擋規律實現自動控制,如卡特彼勒公司Challeng—er 35系列拖拉機就是在其10—16擋高段范圍內可自動換擋。而副變速各速度區段之間的切換最早是由換段桿操縱滑動齒輪來實現,隨后發展為嚙合套和同步器,使換段更加平順,迅速,且減小了換段沖擊。換段是由駕駛員根據作業經驗直接手動控制。如國內福田雷沃公司的P2654以及中國一拖的LZ2404拖拉機裝配的就是以手柄操縱的同步器換段機構。


        雖然半動力換擋變速器在一定程度上減輕了駕駛員的負擔,但仍需手動換段,需要駕駛員的經驗來操作,達不到對拖拉機作業的實時準確控制,從而使作業效率ZUI大化。因此為滿足智能化作業的要求,由半動力發展為全動力換擋,從而有利于實施換擋控制策略,以使擋位切換能根據作業負荷來實時改變,提高燃油經濟性。如紐荷蘭T7040拖拉機采用的18+6全動力換擋變速器,在技術上要大大高于一般的5區域或6區域半動力自動換擋變速箱,其主要優勢是:可在1.9—40 km/h的全速度段范圍內通過兩個按鈕控制改變擋位,不需要踩離合器。而且在選定自動功能后,擋位完全實現完全自動控制,即自動增減擋位。


        全動力換擋自動變速器與一般的半動力自動換擋變速箱相比,給用戶帶來的主要好處與利益是:一是作業效率更高(發動機功率相同時),耗油率更低;二是在田間作業條件復雜時,特別是低濕地作業時的通過性能更好;三是對于大中功率級別的拖拉機,不需要手動操縱機械式換擋,變速箱的整體可靠性更高。四是由于變速箱內部動力傳動路線簡單,產生的內耗以及熱量少,變速箱殼體可采用高強度鑄鋼材料而不是鋁質材料,變速箱總體結構更加堅固耐用。


        此外,為提高拖拉機在輕負荷作業時的經濟性,大功率拖拉機大多在原有擋位的基礎上增加直接擋或超速擋用于提高行駛速度,比如Emiliano Brancolini將獨立PTO動力輸出通過電控液壓換擋機構引入行走系統,作為超速擋應用于不需要FrO輸出的道路運輸模式,使拖拉機行駛速度從原有40km/h提高到50km/h。


        電液技術


        電液技術在動力換擋自動變速器上的應用主要包括以下三個方面:


        一是采用電子控制液壓系統驅動換擋離合器切換擋位,如Case IH公司在其Steiger拖拉機上裝配電子脈沖寬度調節換擋電磁閥,由控制器控制自動換擋,使其在田間和公路上的換擋更加順暢,既減輕了駕駛員的疲勞程度,又延長了變速箱的壽命。


        二是電子輔助功能,如(1)強制降擋功能,在高速擋運行過程中遇到大負載時或駕駛員快速踏下油門踏板時,系統將臨時降低至低擋位;(2)巡航功能,駕駛員無需踩油門踏板,旦設定工作速度,控制系統通過對油門開度、擋位變換,使拖拉機按燃油經濟性或動力性要求保持設定的作業速度行駛,以減輕駕駛員勞動強度;(3)驅動防滑功能,拖拉機在附著系數低的作業路面起步或加速時,通過對換擋離合器、發動機轉速和擋位變化來控制輸出軸轉矩來控制牽引力,以達到防滑控制的目的,提高拖拉機的操縱性、穩定性和安全性;(4)電子地頭轉向功能,在田間地頭轉向時,通過轉向開關實現自動換擋,懸掛農具升降,液壓輸出與油門控制,簡化地頭轉彎操作。


        三是變速器與拖拉機上其它控制器之間的數據共享通信技術。如ZF公司T7000系列拖拉機將傳動系控制系統與動力換擋變速器控制器通過CAN總線集成,使整個傳動系可模塊化定制,方便系統連接。此外通過拖拉機各設備之間的信息交換,可實現對發動機、傳動系和農具作業狀態參數一體化監測與控制,以及遠程故障診斷處理等,大大提高了拖拉機使用維護的方便性和可靠性。


        總之,采用電液控制具有下列優點:(1)可解決換擋平順性問題,避免換擋沖擊,提高換擋品質;(2)可根據作業工況靈活制定換擋策略,以實現不同作業需求,比如順序換擋,插花換擋,穿梭換擋和可編程換擋等換擋邏輯 ;(3)可與其它機載設備進行聯合作業,實現諸如田間巡航、電子地頭轉向、GPS導航等智能化作業需求,方便駕駛員的操作。


        控制技術


        換擋控制技術是拖拉機動力換擋自動變速器的核心問題,將直接影響拖拉機的動力性、燃油經濟性以及對惡劣環境的適應能力。它主要包括換擋規律和換擋品質兩個方面。


        (1)換擋規律


        換擋規律通過研究拖拉機各擋位自動換擋時刻與控制參數(如作業速度、負荷程度、滑轉率、發動機輸出轉速轉矩等)之問的關系,并經過性能仿真優化后,確定換擋點 ,避免換擋循環。


        目前拖拉機自動變速器換擋規律是從汽車傳動系所采用的以車速和油門開度為控制參數的“兩參數換擋規律”基礎上發展而來的。但這些傳統的換擋規律是建立在被控對象準確數字模型基礎上,對于拖拉機和工程車輛,由于工況復雜,負荷變化劇烈,建立其準確模型比較困難,使基于數學模型的各類控制方法難以解決這一問題。因此近年來許多研究將智能控制理論應用于換擋規律,如I.Sakai等提出了模糊換擋策略 J,K.Hayashi等提出了根據輸入轉速和加速踏板位置變化量利用模糊邏輯判斷車輛負載和駕駛員意圖、根據車輛速度、負載、駕駛員意圖和加速踏板位置利用神經網絡原理決策換擋位置的智能控制策略 。Jonas Fredrikson采用自適應反饋方法構建控制器,并提出將發動機作為主動控制一部分的非線性換擋控制方法 ?,F代控制方法的引入,并增加能夠反映具體作業狀態和環境狀態的參數,使得換擋時機和擋位分布更加合理,可以大大提高了車輛的燃油經濟性和作業效率。


        在控制策略上,Case IH公司Steiger拖拉機16F/2R全動力換擋變速箱按照拖拉機作業特點,分成田間和公路兩種自動換擋模式,根據變速箱輸出軸轉速、當前的擋位數和發動機轉矩負載,自動選擇前進擋位,田間作業時,采用動力控制模式,以獲取ZUI大動力輸出,而在公路運輸時,采用經濟模式,從而使燃油噴射更加準確,油耗更低。而New Holland公司則開發出拖拉機行走速度管理系統GSM,其不僅包括自動換擋功能,還可在田間作業負荷變化時,自動調節發動機轉速與變速器擋位相匹配使拖拉機按照駕駛員設定的工作速度進行作業,在保證經濟性的前提下能大幅提升生產效率。


        在控制參數選擇上,由于拖拉機作業時發動機和行走機構所產生的動態效應,使得其性能在動態負荷下大為降低。因此要提高整機性能,就必須在對工作裝置、行走機構、傳動系、發動機進行動態參數合理匹配的基礎上,結合過程控制方式才能實現。通過對工作裝置的負荷控制來調節行走機構的負荷分布和滑轉率,以及對傳動系的速比控制來調節發動機的負荷分布,這兩種控制調節必須協調一致才能有效。從國外大功率拖拉機所應用的自動換擋控制策略來看,大多是以發動機油門開度、行走速度以及作業負荷作為基礎控制參數來研究,并輔以現代控制理論方法,將發動機、傳動系以及農具負載結合在一起,實現協同控制 ,其聯合作業如圖2所示。拖拉機在道路運輸和田問作業時具有不同的負荷條件,因此研究動力換擋變速器換擋規律時,就需要綜合考慮拖拉機機組、作業環境以及駕駛員意圖,并根據不同的作業負荷來確定不同的換擋調節模式,以實現發動機與作業機組之間合理匹配,兼顧動力性與經濟性。


        (2)換擋品質


        動力換擋變速器是通過液壓操縱離合器的接合和分離來實現換擋的,但由于液體的不可壓縮性,換擋操縱液壓系統剛度較大,如果換擋元件接合過猛,會產生換擋沖擊,使傳動系統產生較大的動載荷,加劇零部件的磨損,降低使用壽命,而且易使駕駛員疲勞。良好的換擋品質要求換擋迅速、平穩、無沖擊,且對動力傳遞影響小,盡量使動力不中斷。


        在實際換擋過程中,各擋位離合器大多是由單向開關閥控制,當開關閥打開時,離合器內壓力只能增加,而當開關閥處于關閉位置,離合器內液體壓力為零,因此原離合器分離的準確時間無法確定,另外離合器液壓還受溫度、離合器盤磨損以及轉速影響,不能有效測定實際的驅動轉矩,這些都對閉環控制形成障礙,因此Giulio Panzani等針對大功率拖拉機動力換擋變速器設計了一種開環控制器,以拖拉機速度為對象,優化換擋調壓閥的液壓輸出,以控制離合器切換時間,從而獲得較為理想的換擋品質。而ZF公司T7000系列拖拉機則是通過采用電子脈沖控制比例電磁閥來調節換擋離合器內液體壓力,并增加過載保護,使換擋過程受溫度與負荷影響顯著減小。國內用試驗的方法研究了動力換擋變速箱換擋過程中,換擋離合器壓力變化過程對旋轉速度的影響,發現在理想換擋點變速箱換擋最平穩 。美國Delta Power公司則開發出一種柔性換擋技術,當控制器收到換擋手柄產生的某一擋位信號輸出指令后,通過程序控制,選擇合適的接合壓力曲線,根據設定的程序,啟動相應的擋位電磁換向閥和比例減壓閥,實現換擋離合器快速的軟接合和分離過程,從而有效提升換擋質量。


        小結


        拖拉機是目前農業機械中最重要的農用設備,雖然我國拖拉機保有量居世界前列,但與國外相比,其技術含量不高。根據國外拖拉機近幾十年的發展趨勢而看,在拖拉機上采用電子控制技術是其未來發展的必然方向。通過采用動力換擋自動控制技術,可使駕駛員從繁重的換擋操作中解放出來,更加專注于機體所帶農機具的操作,減少工作量,提高生產效率。而且換擋過程由TCU根據當前作業工況以及駕駛員意圖,采用最優化的換擋規律與發動機進行協同控制,可保證拖拉機在理想的換擋點及時換擋,可避免換擋操作不當所引起的換擋沖擊,提高了換擋品質,減小零部件的磨損,提高車輛的使用壽命和燃油經濟性,降低排放污染。同時通過GPS


        獲取更準確的作業信息,以及TCU與拖拉機其它附屬設備(比如發動機、農具)之間的信息共享,可形成一體化的集成控制技術,這對于提高我國拖拉機的智能化水平,以及實現較為復雜的精細農業管理系統也具有較強的理論與現實意義。


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