拖拉机液压机械无级变速箱传动系统设计与动力学特性研究

摘要

拖拉机工作环境恶劣，作业工况复杂多变，为了适应各种工况的负载和行驶速度要求，拖拉机变速箱需要设置较多的工作挡位，从而使变速箱结构复杂，操纵困难，经济性得不到保证。液压机械无级变速箱是液压无级调速和机械有级调速并联而成的新型传动装置，结合了液压传动无级调速和机械传动高效率的特点，全程速比可连续调节，该类变速箱具有良好的操纵性和燃油经济性，特别适用于大功率拖拉机复杂作业工况要求。 行星排是液压机械无级变速箱的核心汇流机构，其内部的齿轮是功率汇流耦合的主要传动零件。汇流机构的齿轮处于不断变化的转速和负载下工作，齿面受到载荷冲击容易使齿轮产生损伤，而目前国内外开展的相关研究相对较少，因此对液压机械无级变速箱动力学特性研究具有重要意义。 本论文在江苏省科技支撑计划(BE2014134)、江苏省产学研联合创新资金(BY2014128-04)的资助下，针对大功率拖拉机的工作特点，设计了液压机械无级变速箱传动方案，并对设计的液压机械无级变速箱汇流行星排进行了动力学仿真研究。主要完成的研究内容如下: 1.根据拖拉机行驶速度和工作环境要求确定了变速箱工作段位，并设计了液压机械无级变速箱传动方案，基于传动方案计算了总传动比和齿轮传动比。设计了变速箱液压油路，并且根据传动输出功率选取了液压元件型号。分析所设计方案的转速转矩特性，建立了转速转矩理论模型;分析并建立了液压功率分流比理论模型。 2.基于设计的液压机械无级变速箱传动方案，建立了液压机械无级变速箱和拖拉机AMESim整机仿真模型;利用Creo2.0三维建模软件建立了行星排虚拟样机模型，并基于Hertz弹性接触理论分析计算了齿轮接触力仿真参数，建立了行星排Adams动力学仿真模型。 3.搭建了泵控液压马达系统和离合器换段试验台，研究了泵控液压马达调速特性和离合器充油特性。结果表明:变量泵正偏或是反偏，泵控液压马达系统传动比和变量泵比例电磁铁通电电压均呈线性关系;励磁电压增大或是减小过程，同一电压对应的传动比不同，可以通过控制励磁电压变化来控制泵控液压马达系统传动比大小，泵控液压马达台架试验变化趋势和仿真结果变化趋势基本一致。离合器充油过程为充油、升压、保压等阶段，离合器换段油压变化较快，卸油过程有压力缓冲区，离合器试验台架试验油压变化和仿真结果油压变化基本一致。 4.基于齿轮啮合力经典计算公式计算了行星排齿轮啮合力理论值，使用Adams对行星排进行动力学分析，仿真分析结果与理论计算值基本一致。基于上述模型仿真研究了行星排处于不同排量比、发动机转速和负载下轮齿啮合力变化规律，结果表明:不同排量比和负载对行星排轮齿啮合力具有很大影响，影响规律呈正相关;发动机不同转速对齿轮啮合力影响微小。 5.研究了调速过程和换段过程行星排轮齿啮合冲击规律，结果表明:调速过程调速速率和不同负载下调速对行星排轮齿啮合具有明显冲击，冲击力度随着调速速率和负载增加而增大。换段过程主油路油压和调速阀流量变化对行星排轮齿啮合冲击影响很小;换段时序对行星排轮齿啮合冲击具有很大影响，换段重叠时序增加，啮合冲击也增大。 6.研究了拖拉机典型工况下行星排轮齿啮合冲击规律，结果表明:犁耕工况下行星排在犁耕犁铧开始作业到犁铧进入指定耕深过程中轮齿啮合冲击随着耕深增加而变大，犁耕作业中加速换段时行星排也具有很大冲击;播种工况下行星排在发动机变速和加速换段瞬间均具有很大冲击。 综上，本文设计了拖拉机液压机械无级变速箱传动系统方案，研究了液压机械无级变速箱动力学特性，为行星排齿轮优化设计和变速箱降噪、减振提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2研究背景及意义

1．3国内外研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4研究目标与内容

第二章液压机械无级变速箱传动系统设计

2．1液压机械无级变速箱传动方案设计

2．1．1分流与汇流机构设计

2．1．2段位确定

2．1．3液压油路设计

2．2液压机械无级变速箱传动参数计算

2．2．1总传动比确定

2．2．2齿轮传动比分配计算

2．2．3液压元件选型

2．3液压机械无级变速箱传动特性分析

2．3．1变速箱速度特性分析

2．3．2变速箱转矩特性分析

2．3．3变速箱液压功率分流比分析

2．4本章小结

第三章液压机械无级变速箱动力学模型构建

3．1基于AMESim的变速箱整机动力学模型构建

3．1．1液压机械无级变速箱机械系统模型构建

3．1．2泵控液压马达系统模型构建

3．1．3换段液压系统模型构建

3．2基于AMESim的拖拉机整机动力学模型构建

3．2．1柴油发动机模型构建

3．2．2拖拉机后桥传动模型构建

3．2．3拖拉机本体及负载模型构建

3．3基于Adams的变速箱汇流行星排动力学模型构建

3．3．1行星齿轮机构虚拟样机模型构建

3．3．2行星齿轮机构齿轮碰撞参数选取

3．3．3行星齿轮机构仿真模型构建

3．4本章小结

第四章液压机械无级变速箱液压系统试验研究

4．1试验目的

4．2试验台设计

4．2．1试验台硬件设计

4．2．2控制系统设计

4．3泵控液压马达系统试验验证

4．3．1试验油路搭建

4．3．2泵控液压马达调速试验

4．4换段液压系统试验验证

4．4．1试验油路搭建

4．4．2离合器充油特性试验

4．5本章小结

第五章液压机械无级变速箱动力学仿真研究

5．1行星排齿轮传动啮合力理论计算分析

5．2各参数对行星齿轮啮合力大小的一般影响规律

5．2．1泵控液压马达排量比对行星齿轮啮合力的影响

5．2．2发动机转速对行星齿轮啮合力的影响

5．2．3负载转矩对行星齿轮啮合力的影响

5．3调速过程对行星齿轮啮合冲击的影响规律

5．3．1调速速率与调速方向对行星齿轮啮合冲击的影响

5．3．2不同负载水平下调速对行星齿轮啮合冲击的影响

5．3．3不同发动机转速下调速对行星齿轮啮合冲击的影响

5．4换段过程对行星齿轮啮合冲击的影响规律

5．4．1主油路油压对行星齿轮啮合冲击的影响

5．4．2调速阀流量对行星齿轮啮合冲击的影响

5．4．3换段时序对行星齿轮啮合冲击的影响

5．5拖拉机典型作业工况仿真分析

5．5．1犁耕工况仿真分析

5．5．2播种工况仿真分析

5．6本章小结

第六章总结与展望

6．1研究结论

6．2展望与建议

参考文献

致谢

硕士阶段参与的项目与取得的科研成果