液压机无级变速转动在拖拉机上的应用分析

技术改造
液压机无级变速转动在拖拉机上的应用分析
章 森1 赵建超1 石新旭2
（1.洛阳路通农业装备有限公司，河南 洛阳 471132；2.洛阳丰收芬美得农业机械装备有限公司，河南 洛阳 471600）
摘 要：目前，国内外的研究主要集中在液压机械无级变速器上，针对适用于中小功率拖拉机的静液压传动系统的研究较少。

本文采取静态拖拉机的液压传动系统为研究对象，研究最优经济匹配和控制策略下的拖拉机稳定的操作速度，具有重要意义，提高拖拉机的经济和操作质量，减少司机的劳动强度。

关键词：拖拉机；无级变速传；液压机
1、前言
我国农业现代化进程正在加快，推动农业生产装备现代化朝着
智能化、规模化的方向发展。

同时，环境污染的问题，能源短缺仍
然是严重的，所以现代农业生产低排放，低污染等节能和环境保护
的绿色农业机械需求增加2025“中国制造”在中国实施纲要》将智
能农业装备研发关键领域的发展；“十三五”发展规划将农业机械
现代化、智能化、规模化列入重点研发计划。

液压无级变速传动理
论早在20世纪初被有关学者提出，但由于液压元件的制造水平和
控制技术发展的限制并不成熟，所以当时没有得到应用推广，直到1960年代液压元件制造技术和电子控制技术的发展，液压无级变速器作为农业生产的核心装备，开始在军用车辆和重型车辆拖拉机上
得到应用，需要道路运输和野外作业等任务，往往在复杂环境条件
下工作，外负载波动频繁且较大，这对拖拉机的动力性能和燃油经
济性提出了更高的要求。

传统的无级变速拖拉机为了满足的需求的
多样性，需要设置更多的齿轮，司机操作过程中需要频繁的转变，
适应外部环境变化的负载和不同的需求，增加了司机的劳动强度，
而且很难保证拖拉机在经济状况的工作，增加燃料消耗。

作为车辆
传动系的理想模式，CVT可以不断根据外部经营环境改变传动比和
发动机的工作状态，以便拖拉机工作在经济状态，提高拖拉机的燃
油经济性，减少转移的影响，减轻司机的劳动强度。

因此，无级变
速传动技术的道路拖拉机传动系统开发过程，并实现农业拖拉机发
动机的关键技术研究和开发智能，电液化和自动控制，提高自动化
水平农业拖拉机、经济、动力性能和减轻司机的劳动强度具有重要
的意义。

2、液压无级变速原理及特性
液压无级变速器是一种由泵和电机组成的容积调速装置。

该装
置可实现无级变速器，具有体积小、操作简单、布置方便等优点。

拖拉机采用静态液压无级变速器，不仅可以改善原始机械传动系统
的速度特性和动力特性，而且实现发动机和传动系统之间的合理匹
配，使拖拉机操作可以适应各种复杂的操作模式，以提高车辆的动
力性和经济性。

因此，作为拖拉机静液压传动系统核心部件之一的
静液压无级变速器的研究与分析显得尤为重要。

静态液压无级变速器（HydrostaticTransmission HST），是一种
动力部件和控制部件，如集成的闭环系统，它可以是原动机的机械
能转化为液压能，然后液压能转化为机械能输出，通过控制变量的
控制元件，实现无级调速装置。

静压无级变速器工作时，变量泵出
油口与定量电机进油口之间的管路为进油管道，压力由外负载决定；
固定速率电机出油口与变量泵进油口之间的管路为回油管，压力为
系统的充油压力。

油泵在配有单向阀的低压油管中补充油，以弥补
变量泵和定量电机中的漏油。

同时，保持系统低压油路压力恒定，
防止汽蚀或空气渗入液压系统，为整个系统散热。

本章主要介绍了静液压无级变速器的基本原理，分析了其三个
基本特点：
速度比和扭矩比特性和功率比的特点，静态液压无级变速器的
效率特性进行了研究，分析了输入速度、系统压力和可变排量泵比
三个主要参数静态液压无级传动效率特性，分析结果表明，静态的
影响液压无级变速器，获得良好的经济性能，应尽量使其在高速、
大排量区域和高压负荷条件下运行，避免其长期在低速小排量工况
下工作。

通过对液体静压无级变速器的特性分析，为液体静压拖拉
机整车性能的研究奠定了理论基础。

3、拖拉机静液压传统动系统的组成
拖拉机静液压传动系统的主要部件包括：发动机、静液压无级
变速器HST、机械变速箱、中央变速器、末级变速器和驱动轮行走机构，是一种液压功率流和机械功率流串联的传动系统。

此外，拖拉机经常挂的农业机械和工具进行实地操作，当农业机械和工具工作时，拖拉机将产生牵引阻力，牵引阻力是主要的影响因素，影响拖拉机的传输性能，因此，农业机械和工具包括牵引负荷的静态拖拉机的液压传动系统。

其中，静压式无级变速器HST是拖曳式静压传动系统的关键部件。

改变了发动机的供电特性，扩大了拖拉机的运行速度和有效牵引力的适用范围，保证了拖拉机的运行性能。

在拖拉机静液压传动系统中，预静液压无级变速器（HST）是一种典型的容积式调速传动装置。

通过变量泵与定量电机之间的流量耦合实现动力传输。

通过调节变量泵的倾斜角和倾斜面方向，实现无级变速器和换向。

后置机械传动用于扩大输出扭矩和速度的覆盖范围，优化负载分配，降低总体成本。

机械变速箱设置三个档位，并与HST组合形成三级无级变速传动系统，对应拖拉机的现场作业和道路运输等不同工况。

4、拖拉机不同同作业模式下对发动机外特性的要求
4.1不同工况下拖拉机的作业行驶速度
不同的负载方式下拖拉机的工作速度是不同的。

拖拉机田间作业速度3-20km/h，运输型拖拉机速度6 ~ 48km/h。

近年来，随着道路运输条件的改善和拖拉机减振技术的提高，西欧一些国家拖拉机的运输速度已超过40km/h，部分车型已达到50km/h。

从统计的角度来看，拖拉机在4 - 12km/h的整个服务周期内的行驶速度占整个服务周期的61% - 68%，而12 - 20km/h的行驶速度占拖拉机的15% - 25%。

4.2变速器速匕与拖拉机工况匹配目的
发动机的输出特性应与拖拉机在不同负载工况下的输出特性相匹配。

当拖拉机在特定的场地工作时，当负载达到稳定水平时，可以根据发动机的外特性曲线来确定最优匹配传动比。

将液压机械自动变速器的速比与拖拉机在特定工作模式下的工作速度相匹配，得到最低的燃油消耗率。

潍柴WP6T180E21柴油机外特性曲线如图2所示。

外特性曲线上相同功率的最小耗油率与发动机油门开度与速度、扭矩和输出功率有一定对应关系的点。

4.3不同负荷作业模式下拖拉机行驶速度的匹配
拖拉机的负荷运行方式分为三种类型（表2）：重载模式（全功率100%，132.5kW）、中载模式（全功率85%，112kW）和轻载模式（全功率70%，92.7kW）。

根据上述三种不同的负载方式，对液压机械无级变速器速比与拖拉机发动机负载特性进行匹配。

由图2可以看出，在各工况对应的等功率曲线上都有一个燃油经济性最低的点。

操作负载匹配的目的是使拖拉机在特定的操作方式下达到行驶速度。

根据油门开度和负载特性，发动机在经济燃油工作点始终处于稳定的功率输出状态。

例如，拖拉机在重载模式下，发动机的最大扭矩点为1550r/min，此时油耗率最低，发动机处于最佳燃油经济性点。

根据以上分析，传动比应保证拖拉机在重载作业方式（如犁耕）下能行驶5 ~ 10km/h。

根据上述拖拉机速度段利用率，变速器在行驶范围内应有多种匹配速比实现方法。

总结
基于中小型拖拉机配备静态液压无级变速器为研究对象，静态液压无级变速器的传动特点，拖拉机的液压传动系统动力学建模、最好的效率匹配拖拉机液压传动系统和拖拉机液压传动系统是最好的经济控制策略等开展相关工作。

参考文献：
[1]明柱，周志立，徐立友，等．农业拖拉机用多段液压机械无级
变速器设计[J]．农业工程学报，2003，19（6）：118～121．
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