新型履带自走式联合收割机转向与传动装置性能分析

第５期
张鸿琼等： 新型履带自走式联合收割机转向与传动装置性能分析
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从转向原理来看， 转向期间能够实现自动无级 降速具有重要的意义。
方案中引入人机工程学， 使其操纵动作符合人 们传统共识的操纵动作， 向前推动手操纵杆， 车前 进； 向后拉手操纵杆， 车后退； 手操纵杆置中， 车 停； 向左向右旋转方向盘， 车向左向右减速转向行 驶， 即实现了类似轮式车辆的操纵方式又保证了发 动机有足够的牵引力克服履带车辆转向时产生的附 加转向阻力矩。 １．１ 液压系统设计方案确定
３结论
采用该行走及控制系统可以使履带车辆的操作 方式与轮式车辆相似， 减轻驾驶员劳动强度并降低 驾驶的培训费用。车辆具有良好的行驶直线性， 能 够实现原地转向， 车辆的可控性和转向灵活性提 高， 增强了车辆转向的机动性。
由于转向时动力不切断， 可充分利用整机附着 重量， 行走系统仍可输出发动机的全功率， 故可带 负荷转向， 从而使收割机能充分发挥其收割性能， 提高作业机动性。
静液压传动装置是泛指由功率元件和控制元件 组成的闭式油路系统， 英文缩写为 ＨＳＴ。在液压机 械中， ＨＳＴ 是介于原动机与工作机之间的传动机， 以实现机械能与液压能间的相互转换［３］。
闭式系统可以充分的体现液压传动的优点， 它 采用双向变量液压泵， 通过泵的变量改变主油路中 变速器自身的特性， 使双流传动装置转向期间车辆 实现自动无级降速提供了前提条件。
程中转向的状态。将控制系统简化为圆锥形驱动机 构来说明， 它由处于方向盘下的圆盘和分别与圆盘 铰接的两个刚性杆构成， 两杆一端与圆盘铰接， 铰 接点在圆盘上间隔 ９０°另一端始终位于锥形下的中 心位置， 且两个刚性杆侧面的投影夹角为 ９０°。由
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于采用了闭式液压系统， 所以整车控制简洁方便， 即圆锥形驱动机构需要产生两个变量分别控制两个 变量泵的摇臂， 以达到车辆的行驶工况的要求。泵 马达 １ 实现直线行驶中变速， 泵马达 ２ 在转向时参 与工作。
１ 总体设计方案
多段连续无级变速兼无级转向的履带车辆液 压机械综合传动系具有优良的性能， 是颇具发展 潜力和接近理想的传动系统［１］， 它具有把液压的无 级变速性能和机械的高传动效率相结合的特点。
本文采用一套静液压传动装置驱动车辆直线
收稿日期： ２００５－ １０－ ２５ 基金项目： 黑龙江省科技厅 ２００３ 年攻关项目（ ＧＢ０３Ｂ５０１） 作者简介： 张鸿琼（ １９８０－ ） ， 男， 黑龙江人， 助教， 硕士， 研究 方向为能源与动力工程。Ｅ－ ｍａｉｌ： ｚｈｈｑｉｏｎｇ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ． ＊ 通讯作者
转向期间无级自动降速能够保证发动机始终
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在最佳的转速范围内工作， 不受急剧变化的外负荷 影响， 可延长发动机的使用寿命， 不存在因为传统 式的换档产生换档冲击和动力切断及结合时的加速 度突然变化等， 以使车体各个部位零部件的寿命延 长， 对驾驶员的舒适性、转向平顺性有很大改善。
２ 理论性能分析
在不考虑滑移和滑转的情况下， 以上述设计结 果进行模拟仿真， 得到如图 ４ 所示的内外侧履带随 方向盘转角变化的理论速度。
从图 ４ 可以看出转向期间自动降速后的内侧履 带与外侧履带速度随着方向盘转角的增大， 外侧履 带的速度比直线行驶的速度先有略微的增加， 而后 逐渐减小， 内侧履带的速度一直在减小， 最后内侧 履带与外侧履带的速度大小相等， 方向相反。而转
规定转向半径为零。
关键词： 履带； 联合收割机； 转向； 自动无级降速；
中图分类号： ＴＨ１３７； Ｓ２２１； Ｓ２２５．３１
文献标识码： Ａ
近年来， 随着联合收割机的广泛应用， 人们 在使用的同时一直在改进车体的性能。联合收割 机作业时， 驾驶员不但要控制整车的正常行驶， 面且要注意收获质量。所以， 减轻驾驶员行驶过 程中的劳动强度， 使其有更多的时间来监控收获 质量具有十分重要的意义。
第 ３７ 卷 第 ５ 期 ２００６ 年 １０ 月 文章编号 １００５－ ９３６９（ ２００６） ０５－ ０６７４－ ０５
东北农业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
３７（５）： ６７４￣６７８ Ｏｃｔ． ２００６
新型履带自走式联合收割机转向与传动装置性能分析
如图 １ 所示， 其它环境参数相同时， 转向阻力 矩随转向半径的减小而增大。由内外侧履带理论速 度可得出转向半径随方向盘转角的变化曲线如图 ６ 所示。
２５
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转向半径（ ｍ） Ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ
１５
１０
５
０ ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １ １．２ １．４ １．６ 方向盘转角（ 弧度） Ａｎｇｕｌａｒ ｏｆ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｗｈｅｌｌ
上的齿轮 １５、１６ 转矩方向相反， 两侧齿圈通过Ⅵ 轴自锁， 所以马达不存在承受来自地面的负荷。直 线行驶时齿圈不动， 动力由行星架传给驱动轮， 驱 动转矩沿两侧履带的分配随履带所受的阻力而定， 因而能够自动形成抵抗自走偏的力矩， 所以该行走 系统使车辆具有良好的直线行驶稳定性。变速箱的 传动如图 ２ 所示。
液压行走系统因其结构简单、操纵方便、转 向灵活等特点已广泛在联合收割机中采用。本文 针对联合收割机的作业特性及履带车辆特殊的行 驶原理设计了一套动力传动与转向控制系统， 本 系统采用两个静液压驱动装置通过控制系和可差 速传动的机械式变速箱共同作用于整车的直线行 驶和转向， 解决了双流转向机构由方向盘转向产 生的倒档驾驶习惯问题， 实现了车辆以任何速度 及任何档位下得到的最小规定转向半径为零。
继续旋转方向盘至最大位置， 由于两个刚性杆
件在侧面投影夹角为 ９０°， 与圆盘铰接的杆 ２ 端到 达杆 １ 与圆盘铰接端的初始位置， 另一端在中心轴 方向产生最大位移 ζ＋Δζ， 与圆盘铰接的杆 １ 端回 到圆盘的偏转中心， 另一端在中心轴方向的位移回 零， 即回到初始位置。由杆 ２ 产生最大位移 ζ＋Δζ 带动转向变量泵 ２ 产生最大转速， 而直驶变量泵 １ 输出零转速， 从而实现车辆的原位转向。
双流转向机构在倒车时， 变速箱和正、倒档机 构的传动方向改变， 而转向分路的传动方向却没有 改变， 这样在汇流排那里发生了相反的叠加情况。 结果在相同的转向操纵条件下， 倒档转向方向正好 与 前 进 档 相 反 ［５］。 此 转 向 机 构 的 相 对 运 动 方 向 随 车 辆的行驶方向变化而变化， 所以解决了该问题。
行驶， 当需要转向时另一套静液压传动装置参与工 作， 两套静液压传动装置在差速变速箱内汇流共同 作用于车辆的转向。由于转向期间较直线行驶多出 了一套动力装置来克服转向阻力， 发动机的载荷系 数势必增大， 所以转向期间适当的降速可以使发动 机的载荷不受急剧变化的外负荷影响。
履带车辆转向时， 因使单片履带板产生横向 的回转运动， 当叠加到纯粹的直线稳定运动上时， 转向行驶较直线行驶多出了一种附加的行驶阻力， 即回转阻力。所以履带车辆转向时即要克服前进 中的行驶阻力， 又要克服转向阻力矩。在车辆转 向过程中， 随着车辆转向半径的减小， 转向阻力 随之增大， 转向半径最小时转向阻力矩最大［２］。结 果见图 １。
［ 参考文献］
［ １ ］ 华顺刚， 刘修骥． 无级变速兼转向的车用液压机械综合传动系
理论规律研究 ［Ｊ］． 兵工学报， １９９７， １８（１）： １－ ４． ［ ２ ］ 周 一 鸣 ． 汽 车 拖 拉 机 理 论 ［Ｍ］． 北 京 ： 中 国 农 业 大 学 出 版 社 ，
图 ６ 转向半径随方向盘转角的变化曲线 Ｆｉｇ．６ Ｓｔｅｅｒ ｉｎｇ ｒ ａｄｉｕｓ ｖｓ． ａｎｇｕｌａｒ ｏｆ ｓｔｅｅｒ ｉｎｇ ｗｈｅｅｌ
随着方向盘转角的增大， 转弯半径从无穷大一 直减小至零。即转向阻力矩是方向盘转角的函数， 那么发动机要适应转向所引起的变化工况， 使负荷 变化平稳， 适当的降低车速能够保证动力传动系统 的供应特性场的完整。
为了发挥最大的生产率， 一般履带式车辆多采 用快速档用于运输工况， 慢速档用于作业工况。本 人在差速传动变速箱中采用一级副变速以适应运输 和收割两个速度段。采用液压传动总成作为外驱动 源， 由于它能实现输出轴的不同转速和不同旋向， 所以与其配合的变速箱不必设置倒退档。
差速式转向机构的车辆在处于直驶工况时， 若 两侧履带负荷不同， 则马达将会承受来自地面的负 荷差， 因此马达保持制动状态的能力将直接影响车 辆的直驶稳定性［４］。为了克服上述缺陷， 采用变速 箱传动系统， 车辆直线行驶时两侧行星轮系的齿圈 将受到同方向的转矩， 左侧齿圈通过轴Ⅴ上的齿轮 １７ 将转矩传至Ⅵ轴， 右侧齿圈通过轴Ⅺ上的 齿 轮 １９ 和轴Ⅹ上的齿轮 １８ 也将转矩传至Ⅵ轴， 但Ⅵ轴
张鸿琼， 李文哲＊
（ 东北农业大学工程学院， 黑龙江 哈尔滨 １５００３０ ）
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摘 要： 通过对自行设计的履带自走式联合收割机行走及转向控制装置的研究， 对其性能与传统履带车辆的
性能进行了对比分析。结果表明， 控制原理及理论数据阐明了此转向控制系统的可行性与优越性， 此装置不但实
现了履带车辆的转向操纵方式与轮式车辆一致的操作方法， 而且实现了车辆以任何速度及任何档位下得到的最小
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向期间不降速的内侧履带与外侧履带速度随着方向 盘转角的变化， 外侧履带的速度随着方向盘转角的 增大也一直在增大， 内侧履带的随着方向盘转角的 增大一直在减小。在这两个过程中， 前者车辆的平 均速度减小， 而后者车辆的平均速度不变。转向过 程中发动机的载荷增长系数变化大小显而易见。
联合收割机作业时要求速度可调， 而且要适应 多种作业工况， 所以应采用变量泵进行控制。由于 柱塞式液压泵、马达具有很高的容积效率， 内部泄 漏随压力变化很小， 因而闭式系统能平稳的从正转 通过零点向反转过渡并能在任意方向实行全液压制 动操作， 并能保证输出轴有足够的刚性， 在负荷大 小和方向突然变化时能够平稳工作。根据上述分 析， 考虑闭式油路系统的特点和优点， 采用闭式液 压系统能够满足自走式联合收割机的全部工况。 １．２ 差动传动系统的设计
图 ５ 表示了车辆在转向期间自动降速的不同档 位下两内侧和外侧履带速度随方向盘转角变化的关 系， 由上图可说明随方向盘转角的增大， 两侧履带 的速度的变化趋势相同， 且在方向盘转角达到最大 时， 高速档与低速档两侧履带的速度的值相等， 这 说明无论车辆在何速度下开始转向， 最终都可以实 现车辆的中心转向， 即转向半径等于零。
图 ２ 变速箱传动 Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｒ ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｅａｒ ｂｏｘ 为提高传动效率及降低制造成本， 全部采用直 齿齿轮， 两侧的行星轮系对称布置， 零件的互换性 强并且便于维修。
１．３ 控制系统的操纵方法与原理 控制系统的操纵方法与原理见图 ３。 如图 ３ 所示， 控制装置在此位置为车辆行驶过
图 ３ 中圆盘在无级变速杆带动下逆时针偏转 β 角度， 杆 １ 在圆盘偏转下在中心轴方向产生位移 δ， 带动直驶变量泵 １ 的摇臂转动使直驶马达工作， 从而使整车前进。因为杆 ２ 是铰链在圆盘旋转中心 的 ｃ 点， 圆盘的偏转对杆 ２ 没有任何操作， 所以杆 ２ 在圆盘偏转后在中心轴方向产生位移为零， 即由 杆 ２ 控制的转向变量泵 ２ 不动，车辆可以稳定直驶。 这时转动方向盘， 偏转后的圆盘将绕其自身的轴线 旋转， 使杆 ２ 在中心轴方向产生位移 ζ， 从而带动 转向变量泵 ２ 的摇臂转动使转向马达工作， 车辆实 现和方向盘转动方向一致的转向。此过程中， 除了 杆 ２ 产生 ζ位移外， 倾斜圆盘的转动也会带动杆 １ 在中心轴方向产生位移 Δδ。δ－ Δδ的变化后的位移 来带动直驶变量泵 １ 的摇臂转动使直驶马达工作， 从而实现整车的降速， 此过程即为转向期间的自动 降速， 又因为 Δδ的变化是连续的， 所以自动降速 的过程也是连续无级的。