履带拖拉机液压机械双功率流差速转向机构设计

农业机械学报

第37卷第9期

履带拖拉机液压机械双功率流差速转向机构设计

*

曹付义　周志立　贾鸿社

　　【摘要】　基于双功率流传动原理,利用液压元件的无级调速特性,对适合履带车辆的液压机械双功率流差速转向机构的转向原理进行了分析,建立了转向机构的运动方程和转矩方程,提出了转向机构行星排特性参数的确定原则。根据液压转向调速系统主要参数的计算公式,并结合东方红1302R 型橡胶履带拖拉机进行了参数设计和转向运动性能分析,所选参数满足整机性能要求。

关键词:拖拉机　液压机械双功率流差速转向机构　设计中图分类号:S219.032.3

文献标识码:A

Design of Hydromechanical Double Power Differential

Steering Mechanism for Tracked Tractor

Cao Fuyi 1　Zhou Zhili 2　Jia Hongshe

3

(1.X i 'an Univer sity o f Technology 　2.H e 'nan University of Science and Technology

3.Yituo Gr oup Coo p eration )

Abstract

Based o n do uble pow er transm issio n theor y and using stepless speed chang e perform ance of hydr aulic co mponents,the steering theory o f hy dro mechanical double pow er differential steering mechanism adapting to the tracked vehicle is analyzed .T he running form ula and to rque formula are established.T he principle for determining the char acter istic par am eter o f planetary g ear train is put fo rw ard.On the basis of the calculatio n for mula of the main param eters of hy draulic steer-ing speed chang e sy stem ,the parameter design and steering performance analysis of Dong-fanghong 1302R r ubber tracked tractor have been completed .All performances of the tracto r can be achieved.

Key words 　T ractor ,Hydromechanical double pow er differential steering m echanism ,De-sig n

收稿日期:2005

0328

*河南省杰出人才创新基金项目(项目编号:0121001400)

曹付义　西安理工大学机械与精密仪器工程学院　博士生,710048　西安市

周志立　河南科技大学车辆与动力工程学院　教授　博士生导师,471003　洛阳市贾鸿社　中国一拖集团技术中心　教授级高级工程师,471003　洛阳市

　　引言

随着履带拖拉机功率的增大和车速的提高,传统的机械式转向机构已不能满足其行驶机动性和工作效率越来越高的要求[1]。利用连续无级调速的液压机械双功率流差速转向机构取代传统机械式转向机构,能提高履带车辆的行驶机动性和工作效率。液压机械双功率流差速转向机构已在国外军用装甲车辆上大量使用[1～5]。

国内对液压机械双功率流差速转向机构的研究和应用主要是针对军用履带车辆,民用车辆应用方面还未见报道。以东方红1302R 型橡胶履带拖拉机

为研究对象,对液压机械双功率流差速转向机构的转向原理进行研究,在建立转向机构运动方程和转矩方程的基础上,提出其主要参数的选取原则,进行参数选择和运动性能分析计算,从而为该类转向机构的结构方案设计和转向运动性能分析提供理论基础。

1　转向机构原理

液压机械双功率流差速转向机构的结构方案如图1所示,变速箱输出齿轮与两套行星排的齿圈啮合,液压转向调速系统通过一副齿轮与左行星排的太阳轮连接,通过两副齿轮与右行星排的太阳轮连接,它们具有相等的减速比,两行星排的行星架分别与左、右最终传动连接。

发动机功率在变速箱的输入轴上分流,一路功率流向变速箱,一路功率流向由变量泵、定量马达及其他控制元件组成的液压转向调速系统。

当液压转向调速系统不工作时,发动机功率全部由变速箱传递到左、右两侧履带的驱动轮上,因两行星排的齿圈联为一体,两侧履带的驱动轮转速大小相等、方向相同,拖拉机作稳定的直线行驶。

当液压转向调速系统和变速箱同时向两侧驱动轮传递功率时,由于液压转向调速系统的液压泵排量可调,因此驾驶员可按不同曲率的路面随机调整液压泵的排量和流向,根据液压马达输出转速的不同,拖拉机可进行由最小转向半径到任意转向半径的左、右转向运动,有无穷多个转向半径,可实现无

级转向。

图1　液压机械双功率流差速转向机构传动原理图F ig.1T r ansmission principle scheme o f hydro mechanical

double po wer differential steer ing mechanism

1.左停车制动器

2.左行星排

3.变速箱输出轴

4.右行星排

5.右停车制动器

6.右最终传动

7.液压转向调速系统

8.左最终传动

当变速箱输出转速为零时,只有液压转向调速

系统向两侧履带的驱动轮传递功率,因两行星排的太阳轮之间相差一对齿轮副,两侧驱动轮转速大小相等、方向相反,履带拖拉机可实现原地转向行驶,转向半径为零,这一点尤其适合农业拖拉机悬挂农机具需要灵活调整的工况。

2　主要参数设计

转向机构的行星排特性参数和液压转向调速系统的液压泵、液压马达参数决定着履带拖拉机的转

向性能,是液压机械双功率流差速转向机构设计的

主要参数。

2.1　运动方程

由行星排三构件基本速度关系式可得拖拉机左、右两侧驱动轮转速为

n L = n 0i z i f +n y

i y

(1+ )i m

n R =

n 0i z i f -n y

i y

(1+ )i m

(1)

式中　 ——行星排特性参数(齿圈齿数与太阳轮齿

数之比),该机构的左右行星排特性参

数相等

n 0——发动机转速　　n y ——液压马达转速i z ——传动比

i y ——液压马达到行星排传动比i f ——变速箱速比　　i m ——最终传动比在变速箱某一挡位下,当转向机构的左右行星排特性参数相等时,拖拉机左、右驱动轮转速与液压马达转速的关系曲线如图2所示,O 1是拖拉机直线行驶速度点。当O 1移至O 点(变速箱输出转速为零)时,左、右驱动轮转速大小相等、方向相反,拖拉机作原地转向行驶。

图2　某一挡位时驱动轮转速随马达转速变化关系曲线F ig.2　Changing curv e of r otat ing speed o f dr iv ing

w heel with that of mo to r at one gear

从式(1)和图2可以看出,驾驶员通过调整液压

泵排量来改变液压马达转速,从而控制左、右两侧驱动轮转速,可较好地实现履带拖拉机的3种行驶状态[6]

。

若驾驶员欲让拖拉机按一定的行驶速度转向,即已知左、右驱动轮的转速,可由式(1)求出所需的变速箱速比和液压马达转速

i f =2 1+ n 0n L +n R 1

i z i m

n y =1+

2(n L -n R )i m i

y

(2)

由式(2)知,变速箱速比只与左、右两侧驱动轮

6

农　业　机　械　学　报2006年　

2.2　转矩方程

作用于履带拖拉机左、右两侧驱动轮的驱动转矩为[7]

M qL=(1+ )(M b+ M m)

2

i m

M qR=(1+ )(M b- M m)

2

i m

(3)

式中　M b——变速箱输出齿轮对行星排中齿圈的

作用转矩,N・m

M m——液压马达输出到行星排太阳轮的作

用转矩,N・m

拖拉机所能克服的转向阻力矩为

M =B(1+ )

2r k

M m i m i y(4)

式中　B——履带轨距,m

r k——履带驱动轮半径,m

由式(4)知,拖拉机所能克服的转向阻力矩与液压马达输出到行星排太阳轮的作用转矩、履带轨距成正比,与驱动轮半径成反比,而与变速箱输出无关。

2.3　行星排特性参数设计

行星排特性参数为行星排齿圈齿数与太阳轮齿数的比值。拖拉机行驶特性决定了该机构两行星排的特性参数必须相等。

由式(1)知,拖拉机直线行驶时转向机构传动比(转向机构输出转速与输入转速之比)为 /(1+ ),它直接关系到拖拉机的行驶速度。另外,由式(3)和式(4)可知,行星排特性参数还与拖拉机直线行驶所克服的行驶阻力和转向时所克服的转向阻力矩有关。因此,在确定行星排特性参数时要综合考虑以上因素,以满足拖拉机工作要求。

东方红1302R型橡胶履带拖拉机为一般农用拖拉机,它的设计车速为1.5～15km/h,根据实测结果(发动机在标定转速和变速箱在空挡工况),转向阻力矩为39.4～49.8kN・m。由上述参数和表1所给参数得到行星排特性参数取值范围为1.96～2.41。根据整体结构布置要求,确定行星排齿圈齿数Z q=55,太阳轮齿数Z t=23,得行星排特性参数 = 2.391,能满足拖拉机行驶速度、行驶驱动力和转向驱动力矩的要求。

2.4　液压转向调速系统参数设计

为实现履带拖拉机连续无级转向要求,液压转向调速系统采用由变量泵控制定量马达的闭式回路系统。它是一个容积调速系统,主要设计参数包括变量泵排量、定量马达转速和排量等。

表1　液压泵液压马达系统参数

Tab.1　Parameters of hydraulic pump and motor

参数　　　数值

泵排量/L・r-10.055

泵最低转速/r・min-1500

泵额定转速/r・min-13900

泵最高转速/r・min-14250

马达排量/L・r-10.055

极限功率/kW187

马达额定转速/r・min-13900

马达最高转速/r・min-14250

额定压力/M Pa42

最高压力/M Pa48

马达到行星排传动比 5.5

最大流量时马达转矩/N・m241

2.4.1　液压马达参数设计

一般转向时,液压马达转速为[7]

n y=

B

2R

i y

i f i z n0(5)式中　R——履带拖拉机转向半径,m

由式(5)知,拖拉机行驶过程中转向时,液压马达转速与拖拉机的转向半径成反比,与变速箱输出转速n0/(i f i z)成正比。为避免液压马达转速过高,拖拉机在行驶过程中转向时,转向半径不宜过小(急转向),一般转向半径R≥

3B

4

[8]

,以免熄火。

由液压马达输出齿轮对行星排中太阳轮的作用转矩可求得液压马达排量为[7]

q m=

6.28M m

10-3×ym p m

1

i y

(6)

式中　p m——液压马达进、出口压力差,Pa,按系统

最高工作压力计算

q m——液压马达排量,L/r

ym——液压马达机械效率

2.4.2　液压泵参数设计

液压泵排量为

q p=

B

2R

n0

n p

q m

vp vm

(7)

式中　vp——液压泵容积效率

vm——液压马达容积效率

n p——液压泵转速,r/min

2.4.3　参数选择

根据东方红1302R型橡胶履带拖拉机整机工

7

　第9期曹付义等:履带拖拉机液压机械双功率流差速转向机构设计作要求和已知参数(发动机转速2300r/min,传动比2.5,分流机构传动比1.28,最终传动比6.091,履带轨距1.435m,驱动轮半径0.346m),对液压转向调速系统参数进行设计计算,系统最高工作压力38MPa,根据实测的转向阻力矩,通过式(6)可确定马达排量,由式(7)可得泵排量,由式(5)可确定液压马达转速。通过对不同泵、马达及系统压力的计算比较,在保证后桥空间布置和液压系统压力可行的前提下尽可能选择较小规格的液压元件以降低成本,最终选定V90系列55型斜盘柱塞变量泵和定量马达,其主要参数如表1所示,计算可知所选参数能满足东方红1302R型橡胶履带拖拉机各挡转向半径、转向驱动力矩等转向性能要求。

3　转向运动性能分析

履带拖拉机的转向运动性能主要包括平均行驶速度、转向半径等。

3.1　平均行驶速度

平均行驶速度是指转向时拖拉机左、右两侧履带行驶速度的平均值,即

v-=

v L+v R

2

=

2!r k

i m

n0

(1+ )i z i f

(8)

变速箱各挡的拖拉机平均行驶速度如表2所示,平均行驶速度满足设计车速。由式(8)和表2可知,拖拉机转向时,其平均行驶速度等于同一挡位下的直线行驶速度,一侧履带降低的速度等于另一侧履带增加的速度,拖拉机几何中心的速度在转向时保持原直线行驶速度不变,拖拉机能发挥与直线行驶同样高的工作效率。

3.2　转向半径

转向半径是指履带拖拉机回转中心到其纵向中心线的垂直距离。

表2　拖拉机平均行驶速度及最小转向半径

Tab.2　Average running speed and the smallest turning radius of the tractor 参数

挡　位

1挡2挡3挡4挡5挡6挡倒1挡倒2挡速比 3.500 2.3 2.050 1.833 1.4800.876 3.561 2.420 v-/km・h-1 3.97 5.82 6.787.5.3915.85 3.90 5.74 R min/m0.84 1.23 1.43 1.60 1.99 3.350.83 1.21　　由式(5)可得出

R= B n0

2n y

i y

i f i z

(9)

从式(9)可以看出,转向半径与变速箱输出转速成正比,与液压马达转速成反比。

变速箱各挡的拖拉机最小转向半径如表2所示。由表2可知,1挡和倒1挡的拖拉机最小转向半

径不满足R≥3B

4

,因此拖拉机在这两个挡位行驶时

不应按表2所示的最小转向半径转向,以免发动机熄火。4　结束语

提出的液压机械双功率流差速转向机构传动方案较好地实现了农业履带拖拉机的3种行驶状态。拖拉机的转向半径可无级控制,极大提高了履带拖拉机的行驶机动性;转向时的行驶速度不降低,拖拉机能发挥与直线行驶同样高的工作效率。

通过建立的转向机构运动方程和转矩方程,确定了液压机械双功率流差速转向机构主要参数,能较好地满足农业履带拖拉机转向运动性能的要求。

参考文献

1　刘修骥.车辆传动系统分析[M].北京:国防工业出版社,1998:351～417.

2　Y asuo Kita,Ky oto,Hiro yuki Fujii,et al.Hydro mechanical t ransmissio n and hy dr omechanical speed-chang e mecha-nism:U S,4776233[P].19881011.

3　Chamber s,Ro ber t O,Hanson,et al.Infinitely v ariable tr ansmission:U S,37697[P].19780209.

4　苑士华.多段液压机械双流无级传动的理论与试验研究[D].北京:北京理工大学,1999.

5　顾银芳.液压机械无级转向及分流及回流工况动态性能的理论与试验研究[D].北京:北京理工大学,2000.

6　Jung Hy eon Kim,K yeo ng U k K im,Wu Y o ng gen.A nalysis of transmissio n load o f agr icult ur al tr actor s[J].Journal of T err amechanics,2000,37(3):113～125.

7　曹付义.履带拖拉机差速转向机构性能分析[D].洛阳:河南科技大学,2003.

8　黄宗益,张冲莉.履带推土机新型差速转向机构[J].工程机械,1991,8(7):7～12.

8农　业　机　械　学　报2006年