拖拉机自动变速器技术PPT参考课件

1、拖拉机 自动变速器技术,徐立友 河南科技大学车辆与交通工程学院,2014年02月19日,内容提纲,一、车辆变速器概述,车辆变速传动原理,一、车辆变速器概述,车辆变速传动原理,一、车辆变速器概述,车辆变速传动原理,一、车辆变速器概述,有级传动效率高，不易操作，匹配难； 无级传动效率低，易操作，匹配易。,变速器类型及特点,当前的国内环境是农机发展难得的机遇期 土地流转后的农业集约化生产，提高粮食产量，需要先进的大功率高性能拖拉机，但目前只有引进产品 农机购置补贴激发高性能拖拉机市场 国务院最近制定的10大行业调整振兴规划，第七领域强调发展高性能、大功率、节约环保拖拉机等耕作机械,二、拖拉机自动变速

2、器开发背景,拖拉机年销量及平均功率逐年增大 2012年拖拉机年销量近35万台 进口大马力拖拉机存在的一系列问题使得国内用户呼唤国产大马力拖拉机 引领行业技术进步，占领行业技术制高点 打破进口产品对市场的独占，为公司创造经济效益,电液控制差速锁、分动箱、动力输出离合器技术 大传动比末端传动技术,电控多挡动力换档自动变速器技术,大转向角前驱动桥技术,电控低排放非道路柴油机技术,电控悬挂及负荷传感液压系统技术,覆盖件功能性开发,驾驶室的减振降噪技术 内环境人机工程和人性化设计,高速拖拉机前桥悬架技术,大功率拖拉机核心部件技术,二、拖拉机自动变速器开发背景,以标准化通讯协议为核心的网络化分布式总线控制

3、技术开发,大功率拖拉机核心控制技术,二、拖拉机自动变速器开发背景,拖拉机变速器换挡技术,二、拖拉机自动变速器开发背景,滑动齿轮、啮合套、同步器、负载换挡(动力换挡),啮合套换挡是从动轴上的齿轮和主动轴上的空套齿轮经常处于啮合状态，移动主动轴花键上的啮合套，使空套齿轮与主动轴连接。,滑动齿轮换挡是主动齿轮在驱动轴上滑动，使其与从动齿轮相啮合。,同步器换挡变速器采用摩擦原理，使相啮合的齿轮的圆周速度迅速地相等后再挂挡，其换挡平顺，减少了齿轮啮合时的互相撞击，延长了齿轮的使用寿命。目前，多数拖拉机仍采用该变速器。,以上三种变速器换挡时会产生动力中断，机组速度减低，工作效率降低。因此，换挡时动力不中断

4、的动力换挡变速器正日益受到人们的青睐。,手动变速器是目前拖拉机的主要变速器形式 优点：效率高，成本低，结构简单，性能可靠，应用广泛。 缺点：换挡动力中断，最佳换挡时机难把握；驾驶水平对拖拉机燃料经济性、动力性、乘坐舒适性影响大；频繁换挡，驾驶员易疲劳，影响行驶安全；驾驶员不能很好关注作业，影响作业质量和生产率。 发展：开发动力换挡自动变速器(PST)、液压机械无级变速器(CVT)，克服手动变速器的不足，是拖拉机变速器的主要发展方向。,自动,手动,二、拖拉机自动变速器开发背景,大功率自动变速器是目前拖拉机的主要发展方向 组成：齿轮式变速器、换挡执行元件、传感器、电子控制系统。,二、拖拉机自动变速

5、器开发背景,自动变速器(HMCVT、PST)的优点 自动换挡，换挡平稳，动力不中断，拖拉机负载能力强。 实现多挡变速，大功率拖拉机挡位多（12+8挡)。 根据最佳换挡规律换挡，提高拖拉机的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性。 驾驶员关注作业，提高作业质量和生产率。 减轻驾驶员劳动强度，保证安全行驶。,时间,车速,牵引力,时间,车速,牵引力,手动换挡,自动换挡,二、拖拉机自动变速器开发背景,1.液压机械无级变速传动理论,三、液压机械无级变速器(HMCVT),液压机械无级变速传动 Hydro-mechanical continuously variable transmission ( HMCVT )

6、,由机械变速机构、泵-马达液压无级变速系统、动力分流和汇流行星齿轮机构、电子控制装置及驱动系统等构成。 机械传动高效率，液压传动与机械传动的结合实现无级变速。 国外：道依兹法尔、芬德、约翰迪尔、卡特比勒、小松等公司，在其拖拉机、工程机械等大功率车辆上得到应用。 国内：河南科技大学、中国一拖联合开发了拖拉机用HMCVT。,1.液压机械无级变速传动理论,传动基本原理及形式,基本原理：通过调节液压传动系统中液压元件排量比e，改变传动系统输出转速nb，使其连续无级变化。,传动形式：输出分流式，输入分流式,三、液压机械无级变速器(HMCVT),1.液压机械无级变速传动理论,液压传动系统类型及特性,液压传

7、动系统类型：变量泵-定量马达（PV-MF）、定量泵-变量马达（PF-MV）、变量泵-变量马达（PV-MV）。,液压传动系统特性：速比特性、转矩特性、效率特性。,液压机械传动特性,传动方案分析：12种传动方案（单行星排）。 各种方案的调速特性、转矩特性、效率特性等特性分析。 结论：单行星排变速范围有限，很难满足车辆传动的需要；汇流排组可扩大变速范围；多段液压机械传动实现原理。,三、液压机械无级变速器(HMCVT),2.HMCVT传动方案设计及参数优化,传动方案设计,传动方案,离合器接合状态,三、液压机械无级变速器(HMCVT),2.HMCVT传动方案设计及参数优化,系统参数优化,优化目标：以获得

8、较高传动系统效率为目标，采用各段液压功率分流比、变速范围构造加权优化目标函数。 决策变量：选择主要传动和结构参数为决策变量（i，e，k） 约束条件：拖拉机作业速度、传动功率、发动机特性、多档变速器传动比和结构参数 优化算法：遗传算法，枚举算法 优化出变速器结构设计的主要参数值（决策变量值）,三、液压机械无级变速器(HMCVT),3.HMCVT特性分析,三、液压机械无级变速器(HMCVT),3.HMCVT特性分析,三、液压机械无级变速器(HMCVT),3.HMCVT特性分析,三、液压机械无级变速器(HMCVT),4.无级变速传动系统匹配理论,作业模式分析,根据不同的作业项目，将拖拉机的作业模式分

9、为三种：重负荷模式（100%全功率）、中度负荷模式（约85%全功率）和轻负荷模式（约70%全功率）。,匹配评价指标,动力性评价指标：牵引功率利用率 经济性评价指标：比油耗损失率,三、液压机械无级变速器(HMCVT),4.无级变速传动系统匹配理论,匹配方法,发动机与无级变速传动系统匹配图,三、液压机械无级变速器(HMCVT),5.无级变速和换段规律,无级变速和换段规律是HMCVT实现的核心问题。 影响因素 人（驾驶员）、机（拖拉机机组）、环境（土壤路面） 理想变速规律：人-机-环境协同控制 无级变速和换段规律 牵引功率最大的无级变速和换段规律 燃油经济性最佳的无级变速和换段规律 HMCVT传动拖

10、拉机机组系统建模和控制仿真 牛顿动力学方法、键合图方法,三、液压机械无级变速器(HMCVT),牵引功率最大无级变速和换段规律的工程实现 控制参数：调速位置、发动机转速、实际传动比,拖拉机牵引功率大、牵引效率高、无循环换段现象,三、液压机械无级变速器(HMCVT),燃油经济性最佳无级变速和换段规律的工程实现 控制参数：目标车速、发动机转速、齿条位移、实际传动比、滑转率,在主要牵引力范围内，传动效率大于0.95，表明在协同控制下，能充分发挥HMCVT无级变速和高效传动的优势 。 滑转率作为控制参数，保证实际行驶速度与指令速度一致。,三、液压机械无级变速器(HMCVT),6.控制系统开发,液压控制系

11、统 变量泵-定量马达闭式传动液压控制 换挡离合器液压控制 控制系统硬件 工作模式及TCU控制软件,三、液压机械无级变速器(HMCVT),7.总图及部件图设计,对变速器总图、零部件图进行设计，并应用工程软件进行工程分析（强度、刚度、结构）。,三、液压机械无级变速器(HMCVT),7.总图及部件图设计,对变速器总图、零部件图进行设计，并应用工程软件进行工程分析（强度、刚度、结构）。,三、液压机械无级变速器(HMCVT),8.HMCVT样机,三、液压机械无级变速器(HMCVT),9.自动变速控制系统,控制系统组成框图,三、液压机械无级变速器(HMCVT),控制系统组成特点,三、液压机械无级变速器(H

12、MCVT),自动换档控制系统出现故障时，驾驶员可以通过机械换档手柄置位一固定的前进或后退档 车辆停车断电后自动变速器自动置于空档位置 控制台接收驾驶员操作设定，显示变速器相关状态,车辆行走速度由驾驶员通过油门调节手柄设定 车辆起步由驾驶员通过踩踏主离合器完成,控制系统组成特点,三、液压机械无级变速器(HMCVT),控制器的输入信号,调速齿条位置：反映发动机功率大小和驾驶员驾驶速度意图,发动机转速：反映发动机工作状态和输出转矩 变速器输入轴转速(主离合器输出转速)：反映主离合器状态和变速器输入速度 变速器输出轴转速：反映变速器输输出轴转速和拖拉机行驶速度 液压马达转速：反映变量泵马达系统调速特性

13、 变量泵斜盘倾角：反映变量泵工作状态和换档要求 行星齿轮汇流排齿圈、行星架转速：确定换档时刻,控制系统组成特点,三、液压机械无级变速器(HMCVT),控制器的输出信号,变量泵电液比例调速控制信号：调节变量泵斜盘倾角 换档电磁阀开关动作信号：执行换挡动作,控制系统工作原理,三、液压机械无级变速器(HMCVT),变速器计算机控制系统(TCU)采集发动机油门位置和输出转速大小信号 根据发动机输出特性，确定发动机的输出功率、输出转矩和工作点 依据驾驶员的设定，控制器内置的调速和换档策略，自动连续改变变速器的传动比 从而改变行车速度和发动机的负载大小 保证发动机工作在最佳动力性或最佳燃油消耗率状态,各种

14、工作状态时的工作原理,三、液压机械无级变速器(HMCVT),发动机点火 因为断电时电磁阀复位，换档油缸泄荷，在弹簧力作用下油缸回位，换挡离合器分离，变速器处于空档位置。 虽然主离合器处于接合状态，驾驶员可以点火发动车辆，并使发动机稳定在怠速状态。同时变速器控制用液压油泵工作，建立工作油压。 点火前，档位模式手柄应置于空档位置，接通变速器控制器电源（12V电瓶供电），控制器复位，驾驶员可设定变速器工作模式。,各种工作状态时的工作原理,三、液压机械无级变速器(HMCVT),拖拉机起步 驾驶员首先踏下主离合器，TCU根据主离合器输入和输出速度的变化(或主离合器的位置)，自动控制变速器挂接I档。 驾驶

15、员根据工况和经验逐渐接合主离合器，拖拉机以I档最低速起步。 当主离合器完全接合后，变速器根据油门和发动机速度自动变速，使发动机趋向最佳工作点。,各种工作状态时的工作原理,三、液压机械无级变速器(HMCVT),高速行驶：在行驶速度达到驾驶员设定最高速时，TCU在保证发动机工作在最佳工作点设定区间范围内的同时，将液压分流功率调定在0值附近，使变速器工作在纯机械工作状态，以提高传动效率。,驻车：驾驶员无论在何档位和速度状态下，当踩下主离合器踏板使主离合器分离时，变速器自动换到最低档，当驾驶员设定驻车开关时，变速器自动脱档。,停车熄火：TCU断电，电磁阀复位，油缸在弹簧力作用下回退，各档位离合器脱开。

16、,各种工作状态时的工作原理,三、液压机械无级变速器(HMCVT),手动换档工作：正常工作时驾驶员可在控制台上设定手动工作状态和相应档位。当主离合器分离时，换档自动完成。驾驶员慢速接合主离合器使车辆平稳起步。,变速器TCU故障时：首先分离主离合器，然后利用换档手柄置前进I档或后退I档，拖拉机可低速行驶。驾驶员慢速接合主离合器使车辆平稳起步行走。,液压机械无级变速器变速规律和换段规律,液压机械无级变速器控制理论与技术,换挡离合器设计理论与工程实现技术,10.关键技术,满足农业拖拉机总体要求的HMCVT设计理论与技术,液压机械无级变速传动系统匹配理论和技术,三、液压机械无级变速器(HMCVT),动力

17、换挡技术,四、动力换挡自动变速器(PST),动力换挡变速器(即负载换挡、或功率流不中断换挡)，能够在拖拉机带负载工作时不切断动力而换挡，从而提高工作效率，操作轻便。,动力换挡过程 空挡：换挡离合器X和Y均分离,低挡：换挡离合器X接合，Y分离,高挡：换挡离合器Y接合，X分离,为了保证换挡时动力不中断，参与换挡的1对离合器应有部分转矩重叠，由换挡离合器接合规律实现。,动力换挡离合器工作原理,四、动力换挡自动变速器(PST),1.旋转密封环 2.驱动齿轮 3.静密封圈 4.快速排油阀 5.离合器外鼓 6.往复密封圈 7.活塞 8.钢片 9.摩擦片10.回位弹簧 11.压盘 12.回位弹簧支承盖 13

18、.离合器内鼓(传动齿轮) 14.液压油缸 15.电磁换档阀 16.溢流阀17.液压油箱 18.粗滤器 19.油泵 20.精滤器 21.旁通阀 22.减压阀 23.散热器 24.压力调节阀,基本组成,动力换挡变速器,主变速器,动力换向装置,爬行挡装置,传感器,电子控制单元(TCU),四、动力换挡自动变速器(PST),根据主变速器换挡形式不同，分为全动力换挡和部分动力换挡,拖拉机作业速度范围,四、动力换挡自动变速器(PST),多挡位特点,四、动力换挡自动变速器(PST),多挡位特点,某拖拉机部分牵引功率特性,研究现状与趋势,国外：20世纪70年代开始研究应用，主要变速器制造公司都开发了系列产品。在

19、大功率拖拉机、联合收割机、工程机械等上应用。 ZF的7100、7200、7300等机型，均为全动力换挡；约翰迪尔的1654、1854、2204、2504、2854等机型，均为全动力换挡；凯斯纽荷兰的T1404、1504、1804、2104等机型，有全动力也有部分动力换挡；爱科集团的T171、T151、T2104等机型，全动力部分动力都有；另外，卡特彼勒、芬德、菲亚特、小松等国际大公司均有。,四、动力换挡自动变速器(PST),研究现状与趋势,国内：中国一拖与AVL公司合作开发LA2004型部分动力换挡变速器(40+40挡)，已小批量生产。 通过部级推广鉴定检测的机型有：中国一拖的2204、240

20、4、2804、3804；福田雷沃重工的1804、2104、2304、2654；山拖农装的五征1804、2004；山东亿嘉现代农机的1604；约翰迪尔(哈尔滨)的1654、1854；爱科大庆农机的维美德2104；凯斯纽荷兰(哈尔滨)1654等机型。 入选国家支持推广农机产品目录的机型有：中国一拖的2804、3804；福田雷沃重工的1804、2104、2304、2654。 开展科研攻关和样机研制的有：中国一拖、福田雷沃重工、山东常林、五征集团、常州东风、奇瑞重工、江苏联凯农业装备、江苏常发农业装备等企业。,四、动力换挡自动变速器(PST),发展趋势：大功率电液控制动力换挡变速器（300马力以上 ）,四、动力换挡自动变速器(PST),基本原理 驾驶员选择操作模式，并踩踏油门，由电子控制单元（TCU）提取驾驶员意图、测量拖拉机运行状态参数，按控制系统中存储的最佳换挡规律求得最佳挡位，通过换挡执行机构自动控制完成换挡过程。,传动方案设计,四、动力换挡自动变速器(PST),四、动力换挡自动变速器(PST),主要技术参数,四、动力换挡自动变速器(PST),主要车速