拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋自動(dòng)限滑差速器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉學(xué)峰，儀垂良，張德學(xué)，張成保，任冬梅，高強(qiáng)

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100；2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司，濟(jì)南市，250100)

0 引言

拖拉機(jī)作為主要的農(nóng)田動(dòng)力機(jī)械在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已廣泛普及，具有巨大的社會(huì)保有量，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供了有力的支撐[1-2]。拖拉機(jī)在行走和作業(yè)時(shí)，差速器對(duì)保持拖拉機(jī)良好的綜合性能，特別是動(dòng)力性能和通過(guò)性能等作用頗大[3-4]。作為拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上重要的動(dòng)力傳動(dòng)部件，差速器能夠保證拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車(chē)輪在行程不等時(shí)以適宜的不同轉(zhuǎn)速與地面作純滾動(dòng)，避免車(chē)輪產(chǎn)生側(cè)轉(zhuǎn)或滑移[5-6]。然而，由于傳統(tǒng)差速器“差速度不差扭矩”的弊端，當(dāng)拖拉機(jī)在復(fù)雜地況進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，容易出現(xiàn)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)、側(cè)滑導(dǎo)致差速器無(wú)法正常發(fā)揮作用的情況[7]。因此，設(shè)計(jì)具有限滑功能的拖拉機(jī)差速器，增大鎖緊系數(shù)，改善車(chē)輪的附著條件，對(duì)于進(jìn)一步提高拖拉機(jī)駕駛的安全性、穩(wěn)定性和舒適性具有重要意義[8-9]。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的拖拉機(jī)研發(fā)制造技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在著較大差距，特別是在智能化、機(jī)電液一體化方面差距更大[10]。目前，國(guó)外拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋上已經(jīng)較廣泛地使用先進(jìn)的自動(dòng)限滑差速器，扭矩得以適時(shí)、合理分配，拖拉機(jī)的行駛性能和通過(guò)性能更好[11]，而國(guó)內(nèi)，自動(dòng)限滑差速器大多用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋上，在拖拉機(jī)上的裝配使用還未曾見(jiàn)。拖拉機(jī)采用的傳統(tǒng)普通型差速器，自鎖性能不高，同時(shí)由于缺乏扭矩合理分配的裝置，當(dāng)車(chē)輪出現(xiàn)懸空空轉(zhuǎn)或打滑時(shí)，差速器仍會(huì)將動(dòng)力源源不斷傳遞給沒(méi)有阻力的空轉(zhuǎn)車(chē)輪，浪費(fèi)動(dòng)力的同時(shí)，拖拉機(jī)還難以前行[12-13]。隨著拖拉機(jī)功能和技術(shù)的不斷拓展，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)差速器的不足[14]，解決以往差速器自鎖性能不佳的問(wèn)題，研制適合國(guó)內(nèi)四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的自動(dòng)限滑差速器及能改善自鎖性能的液壓控制系統(tǒng)迫在眉睫。

本文簡(jiǎn)要介紹了拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向橋液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器的相關(guān)內(nèi)容，提供了三種液壓鎖止方案，經(jīng)分析比對(duì)，從中擇優(yōu)選擇加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥的液壓鎖止方案作為本機(jī)最終液壓鎖止方案，并重點(diǎn)介紹了該液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及試驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器主要包括差速機(jī)構(gòu)和限滑機(jī)構(gòu)兩部分組件，如圖1所示。差速機(jī)構(gòu)主要由殼體、半軸齒輪、半軸齒輪止推墊、行星齒輪、行星齒輪軸和行星齒輪止推墊等零件組成；限滑機(jī)構(gòu)主要由壓緊活塞、中間壓盤(pán)、摩擦襯盤(pán)和摩擦盤(pán)總成等組成。

圖1 限滑差速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

在車(chē)輛直行時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器未檢測(cè)到車(chē)輛轉(zhuǎn)過(guò)有效角度時(shí)，驅(qū)動(dòng)器控制油泵將壓力油送于限滑機(jī)構(gòu)，壓力油推動(dòng)壓緊活塞，因壓緊活塞的另一端被固定，使得限滑摩擦片產(chǎn)生限滑摩擦力矩，這樣左右半軸齒輪就與差速機(jī)構(gòu)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，使得左右驅(qū)動(dòng)輪同步前進(jìn)，最大限度的發(fā)揮出兩驅(qū)動(dòng)輪的附著性能。在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器檢測(cè)到車(chē)輛轉(zhuǎn)過(guò)有效角度，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)油泵控制壓力油送入主油路，限滑機(jī)構(gòu)壓力油卸荷，壓緊活塞無(wú)壓力，限滑摩擦力矩消失，恢復(fù)傳統(tǒng)差速功能。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器的上述相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，依據(jù)相關(guān)液壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]，設(shè)計(jì)了三種液壓系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)每一種液壓系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 利用單向穩(wěn)流閥分流

如圖2所示，本方案是在拖拉機(jī)提升工作泵高壓口加裝單向穩(wěn)流閥獲取油源，主要由單向穩(wěn)流閥、電磁換向閥和減壓閥等元件組成。液壓泵流出的液壓油經(jīng)單向穩(wěn)流閥分為兩路，包括恒流油路和分流油路。恒流油路通過(guò)單穩(wěn)閥的A口、減壓閥、電磁換向閥進(jìn)入限滑差速器，為限滑機(jī)構(gòu)提供油源，并通過(guò)電磁換向閥和減壓閥分別對(duì)壓緊活塞進(jìn)行動(dòng)作方向與壓力控制；分流油路則通過(guò)單穩(wěn)閥的B口入主機(jī)工作系統(tǒng)。

圖2 利用單向穩(wěn)流閥液壓原理圖

本方案的優(yōu)點(diǎn)在于單向穩(wěn)流閥的價(jià)格低，液壓系統(tǒng)成本較低。缺點(diǎn)是供應(yīng)提升器的油液被無(wú)條件分流，液壓泵流量為40 L/min，進(jìn)入限滑差速器的恒流油路流量為7.5 L/min，進(jìn)入提升器的分流油路流量為32.5 L/min，降低了提升器的工作速度19%，并且限滑功能激活狀態(tài)下，恒流油路油液保壓溢流，熱功率損失會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫升。

2.2 加裝減壓閥

如圖3所示，本方案是在拖拉機(jī)提升多路閥回油口加裝減壓閥獲取2 MPa回油背壓以獲取油源，主要由電磁換向閥和減壓閥等元件組成。電磁換向閥失電狀態(tài)，液壓油不進(jìn)入限滑差速器，壓緊活塞不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)差速功能。差速器需要鎖止時(shí)，電磁換向閥得電換向，在減壓閥回油背壓的影響下，液壓油進(jìn)入限滑機(jī)構(gòu)，推動(dòng)壓緊活塞動(dòng)作，壓緊限滑摩擦片，差速功能解除。

圖3 加裝減壓閥液壓原理圖

減壓閥的工作參數(shù)有進(jìn)油口壓力p1、出油口壓力p2和流量q三項(xiàng)，主要特性如圖4和圖5所示。

圖4 減壓閥的q-p2特性曲線(xiàn)

圖5 減壓閥的p1-p2特性曲線(xiàn)

由圖4可以看出，減壓閥進(jìn)口壓力p1基本恒定時(shí)，若其通過(guò)的流量q增加，則出油口壓力p2略微下降。當(dāng)減壓閥的出油口處不輸出油液時(shí)，它的出口壓力基本上仍能保持恒定。

實(shí)踐民俗學(xué)在各個(gè)國(guó)家的發(fā)生都有著不同的社會(huì)文化和學(xué)術(shù)發(fā)展的背景。在中國(guó)，它發(fā)生于近二、三十年來(lái)中國(guó)民俗學(xué)轉(zhuǎn)型性發(fā)展的過(guò)程之中，與所研究的中國(guó)本土民俗文化傳統(tǒng)和日常交流實(shí)踐傳統(tǒng)不可分割，所以不能簡(jiǎn)單說(shuō)中國(guó)的實(shí)踐民俗學(xué)理論與實(shí)踐是受到國(guó)外影響的結(jié)果。譬如，我們加強(qiáng)了對(duì)中國(guó)基層社會(huì)中特有的廟會(huì)文化傳統(tǒng)的研究，開(kāi)拓了對(duì)當(dāng)代民俗即生活方式轉(zhuǎn)變的民俗志書(shū)寫(xiě)和研究等，這些都說(shuō)明了中國(guó)民俗學(xué)所具有的主體性和與各國(guó)民俗學(xué)進(jìn)行對(duì)話(huà)的資格。[注]參見(jiàn)毛曉帥《中國(guó)民俗學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展與表演理論的對(duì)話(huà)關(guān)系》，《民俗研究》2018年第4期。

由圖5可以看出，當(dāng)減壓閥的進(jìn)口壓力p1發(fā)生變化時(shí)，由于減壓口開(kāi)度亦發(fā)生變化，因而會(huì)對(duì)出油口壓力p2產(chǎn)生影響，但影響的量值不大。

如圖6所示，如果用溢流閥產(chǎn)生背壓，壓力會(huì)隨著流量大小波動(dòng)而不穩(wěn)定，壓差在0.3 MPa左右。

圖6 溢流閥壓力流量特性曲線(xiàn)

本方案的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整減壓閥彈簧，使其后端產(chǎn)生2 MPa的背壓，用減壓閥作為背壓閥使用，可得到穩(wěn)定的背壓。本方案的缺點(diǎn)是由于在提升器多路閥回油口設(shè)置背壓，會(huì)降低元件可靠性，如果長(zhǎng)時(shí)間工作，則熱功率損失較大，損失功率為1.4 kW，導(dǎo)致系統(tǒng)溫升過(guò)快，超過(guò)最佳工作溫度上限，不僅無(wú)法正常工作，還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大危害[17-18]。

2.3 加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥

目前，基于負(fù)載敏感技術(shù)的液壓系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)不斷發(fā)展成熟，其具有功耗低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等重要行業(yè)領(lǐng)域[19-21]?；诖?，本方案在拖拉機(jī)提升工作泵高壓口加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥獲取油源，以實(shí)現(xiàn)限滑差速器的穩(wěn)定高效作業(yè)。該方案結(jié)構(gòu)和原理如圖7所示。

圖7 加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥液壓原理圖

液壓泵流出的液壓油經(jīng)負(fù)載敏感優(yōu)先閥分為兩路，優(yōu)先分流油液通過(guò)減壓閥、電液控制組合閥進(jìn)入限滑差速器，為限滑機(jī)構(gòu)提供油源，并通過(guò)電液控制組合閥和減壓閥分別對(duì)壓緊活塞進(jìn)行動(dòng)作方向與壓力控制；剩余油液入主機(jī)工作系統(tǒng)。

本方案優(yōu)點(diǎn)是限滑差速器設(shè)定流量?jī)?yōu)先、按需供給，供應(yīng)提升器的油液有條件分流，降低了對(duì)提升器的工作速度的影響程度。限滑功能激活狀態(tài)，優(yōu)先分流油液不溢流，不會(huì)因熱功率損失而導(dǎo)致系統(tǒng)溫升。缺點(diǎn)是負(fù)載敏感優(yōu)先閥的價(jià)格相對(duì)較高，使得整個(gè)液壓系統(tǒng)成本有所提高。

綜合考慮以上三種方案，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析比較，選用加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥的技術(shù)方案作為本設(shè)計(jì)的實(shí)施方案。如圖8所示，本方案電液控制系統(tǒng)由負(fù)載敏感優(yōu)先閥、電液控制組合閥、轉(zhuǎn)向傳感器、驅(qū)動(dòng)器、液壓油輸送管道等相關(guān)元件構(gòu)成。

圖8 自動(dòng)限滑差速器控制系統(tǒng)示意圖

限滑控制系統(tǒng)與拖拉機(jī)主液壓系統(tǒng)共用油，通過(guò)負(fù)載敏感優(yōu)先閥與主液壓油泵相連，分流出來(lái)的壓力油接電液控制組合閥，從電液控制組合閥出來(lái)的壓力油一路經(jīng)管路接入限滑壓緊活塞的壓油腔，另一路經(jīng)管路接入負(fù)載敏感優(yōu)先閥的壓力反饋口，電液控制組合閥的回油口經(jīng)管路與拖拉機(jī)提升器主回油口相連接，轉(zhuǎn)向傳感器安裝于轉(zhuǎn)向節(jié)軸上并隨轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)有效角度時(shí)，轉(zhuǎn)向角位移傳感器發(fā)出信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，斷開(kāi)控制電路，使電液控制組合閥換向，從而控制液壓油流向。

2.4 主要液壓元件選型

2.4.1 負(fù)載敏感優(yōu)先閥

負(fù)載敏感優(yōu)先閥可以理解為三通型定壓分流閥，作用是把進(jìn)口流量按照一定要求優(yōu)先輸送至優(yōu)先動(dòng)作油路，進(jìn)口流量的其余部分送至另外的液壓工作系統(tǒng)。原理圖如圖9所示，其中P口與主液壓泵進(jìn)油口連接，CF口與電液控制組合閥進(jìn)油口連接，EF口與工作系統(tǒng)多路閥進(jìn)油口連接，LS口與限滑壓緊活塞的壓油腔連接。

圖9 負(fù)載敏感優(yōu)先閥原理圖

主機(jī)液壓系統(tǒng)壓力20 MPa，流量40 L/min，當(dāng)主液壓泵不工作時(shí)，在彈簧作用下，通往工作系統(tǒng)EF口關(guān)閉，CF口打開(kāi)。泵啟動(dòng)后，油液經(jīng)優(yōu)先閥CF口優(yōu)先流向電液控制組合閥，限滑功能關(guān)閉時(shí)，油液到達(dá)電液控制組合閥后壓力迅速升高，閥芯移動(dòng)，開(kāi)大EF口，關(guān)小CF口直至完全關(guān)閉，即可理解為限滑功能關(guān)閉時(shí)CF口處于關(guān)閉狀態(tài)，P口與EF口連通，主液壓泵的油液全部流向工作系統(tǒng)，此時(shí)LS口的壓力為零。限滑功能激活時(shí)，電液控制組合閥換向，CF口與限滑壓緊活塞的壓油腔連通，油液推動(dòng)壓緊活塞動(dòng)作，壓緊限滑摩擦片，限滑功能激活狀態(tài)。此時(shí)，LS口的壓力信號(hào)作用在閥芯的左端，閥芯右端的壓力較活塞壓油腔的壓力低，由于閥芯兩端壓差的變化和彈簧的作用，使得閥芯右移至CF口開(kāi)口增大，EF口開(kāi)口減小，液壓油優(yōu)先供給限滑機(jī)構(gòu)。

作為本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負(fù)載敏感優(yōu)先閥的性能，決定著整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)健性。經(jīng)過(guò)計(jì)算和多次試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)選用CP310-6型負(fù)載敏感優(yōu)先閥，擁有好的穩(wěn)定性，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 主要元件參數(shù)

整機(jī)液壓泵流量為40 L/min，額定壓力20 MPa，進(jìn)入限滑差速器的恒流油路流量為7.5 L/min，根據(jù)系統(tǒng)工作壓力與通過(guò)各液壓控制閥及油缸的最大流量，選取主液壓泵、電液控制組合閥及輔助元件，本系統(tǒng)選取的液壓元件型號(hào)參數(shù)值如表2所示。

表2 液壓元件主要參數(shù)和型號(hào)

3 整機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在山東濟(jì)南市章丘區(qū)棗園鎮(zhèn)某公司試制車(chē)間，使用的液壓油牌號(hào)為L(zhǎng)-HM46長(zhǎng)城牌抗磨液壓油，液壓油固體顆粒污染等級(jí)不高于NAS10級(jí)。試驗(yàn)檢測(cè)儀器如表3所示，試驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

表3 試驗(yàn)檢測(cè)儀器

圖10 試驗(yàn)樣機(jī)

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《JB/T 58207—1993液壓系統(tǒng)總成出廠檢驗(yàn)技術(shù)條件》，用測(cè)溫儀測(cè)量液壓油箱3 h系統(tǒng)溫升，將壓力表分別接入液壓泵出油口和系統(tǒng)回油口位置測(cè)量系統(tǒng)工作壓力和回油背壓，用電子秒表記錄系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，用扭矩測(cè)試儀測(cè)量鎖止力矩，在每一位置處重復(fù)3次試驗(yàn)，算取平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中主要對(duì)樣機(jī)工作壓力、鎖止力矩、回油背壓以及系統(tǒng)溫升等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，多次試驗(yàn)后取平均值得到測(cè)試結(jié)果如表4所示。3 h溫升最高55 ℃，工作壓力1.8 MPa，鎖止力矩1 840 N·m，回油背壓0.35 MPa，響應(yīng)時(shí)間0.20 s，試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并符合《GB/T 3766—2015液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及其元件的通用規(guī)則和安全要求》的相關(guān)要求[22]。

表4 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器的液壓系統(tǒng)，根據(jù)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)角度，液壓系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)差速器鎖止限滑，提高了拖拉機(jī)的傳動(dòng)及通過(guò)性能。

2)提供了三種液壓鎖止系統(tǒng)方案，分別具體剖析了三種方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，并從中擇優(yōu)選擇加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥的液壓鎖止方案作為本機(jī)液壓鎖止方案，提高了限滑差速器的自鎖性能，具有實(shí)際工程應(yīng)用參考價(jià)值。

3)對(duì)加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥的液壓鎖止方案的主要液壓元件參數(shù)進(jìn)行了分析選型。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，所設(shè)計(jì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋液壓鎖止式自動(dòng)限滑差速器液壓系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)合理，3 h系統(tǒng)溫升55 ℃、工作壓力1.8 MPa、鎖止力矩1 840 N·m、回油背壓0.35 MPa、響應(yīng)時(shí)間0.2 s，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)規(guī)定要求。