The analysis of principles of continuously variable transmission of tractors

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Современная сельскохозяйственная деятельность требует применения высокотехнологичного оборудования, в частности – многофункционального трактора, который, в современных тенденциях, должен являться мобильной электростанцией с автономным управлением.

Требования к современному трактору:

• широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости движения с изменением передаточного числа трансмиссии под нагрузкой в движении;
• снижение удельного расхода топлива и уровня вредных выбросов за счет работы дизеля в экономичном режиме;
• повышение тягового КПД за счет меньшего буксования ведущих колес при отсутствии переменных нагрузок со стороны дизеля;
• адаптивное управление тяговым усилием на колесах посредством единого управления двигателем внутреннего сгорания (далее ДВС) и трансмиссией;
• возможность использования электроприводов агрегатов сельхозмашин с активным приводом вместо механических или гидравлических механизмов;
• обеспечение электропитания внешних потребителей (применение системы в качестве передвижной электростанции);
• автоматизация операций прицепных машин, навигация и автопилотирование трактора.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Проведем анализ современных компоновочных решений бесступенчатых трансмиссий.

В современных тракторах, удовлетворяющих актуальным требованиям, применяются многопоточные вальнопланетарные коробки передач, обладающие кумулятивным эффектом [2]. В таблице 1 приведено сравнение компоновочных решений современных трансмиссий зарубежного и отечественного производства.

Таблица 1. Сравнение компоновочных решений бесступенчатых трансмиссий сельскохозяйственной техники

Table 1. Comparison of layout solutions of continuously variable transmissions of agricultural machinery

Сравним принципы работы двух разновидностей автоматических трансмиссий тракторов: с гидростатическим приводом и электромеханическую трансмиссию.

Принцип действия трансмиссии Fendt VarioDrive (планетарная разветвленная передача с механической и гидростатической ветвями) состоит в делении крутящего момента, поступающего от ДВС, планетарным редуктором 1 (рис. 1) на механическую и гидростатическую ветви, с последующим суммированием потоков собирающим валом 2. Изменение передаточного числа и направления движения трактора контролируется электронным блоком управления (далее ЭБУ) посредством управления гидростатической ветвью трансмиссии. При этом стоит отметить, что трансмиссия номинально является бесступенчатой ввиду отсутствия передач как таковых. В более ранних версиях данной трансмиссии имелся редуктор для переключения диапазонов передач.

Рис. 1. Кинематическая схема бесступенчатой трансмиссии ML-400 (Fendt): Источники и потребители крутящего момента: ДВС – двигатель внутреннего сгорания; ВОМ – задний вал отбора мощности; ЗВМ – задний ведущий мост; ПВМ – передний ведущий мост; ЗНР – запасной насос рулевого управления. Элементы управления крутящим моментом: ЭБУ – электронный блок управления; НТ – гидростатический насос трансмиссии; Д1 – гидростатический двигатель привода заднего моста; Д2 – гидростатический двигатель привода переднего моста; М1 – муфта включения полного привода; М2 – муфта включения переднего моста. Элементы передачи крутящего момента: 1 – планетарная шестерня; 2 – собирающий вал привода заднего моста; 3 – собирающий вал привода переднего моста.

Fig. 1. The kinematic scheme of the ML-400 (Fendt) continuously variable transmission: Torque sources and consumers: ДВС – an internal combustion engine; ВОМ – a rear power takeoff shaft; ЗВМ – a rear driven axle; ПВМ – a front driven axle; ЗНР – an extra pump of the steering system. Torque control components: ЭБУ – an electronic control unit; НТ – a hydrostatic pump of the transmission; Д1 – a hydrostatic engine of the rear axle drive; Д2 – a hydrostatic engine of the front axle drive; М1 – an all wheeled drive clutch; M2 – a front axle drive clutch. Torque transfer components: 1 – a planetary gear; 2 – a collecting shaft of the rear axle drive; 3 – a collecting shaft of the front axle drive.

Штатные режимы движения трактора, оборудованного трансмиссией Fendt VarioDrive.

1. Скорость движения по дороге до 25 км/ч

Гидравлический насос НТ поворачивается в режим нулевой подачи, гидравлический двигатель Д1 поворачивается до 45°, гидравлический двигатель Д2 поворачивается до 45°, дисковая муфта полного привода М1 закрывается под давлением масла. Дисковая муфта М2 закрывается под воздействием тарельчатой пружины. Оператор определяет передаточное число с помощью джойстика. Трактор трогается с места. Муфта полного привода М1 открывается, гидравлический насос НТ медленно поворачивается и подает трансмиссионное масло, гидравлический двигатель Д1 приводит в движение задний мост, гидравлический двигатель Д2 приводит в движение передний мост. Трактор трогается с места в режиме полного привода.

Гидравлический насос НТ поворачивается еще дальше до макс. 45°, затем гидравлический двигатель Д2 первым поворачивается обратно. На скорости около 25 км/ч гидравлический двигатель Д2 возвращается обратно в положение нулевой подачи, дисковая муфта М2 открывается, после чего частота вращения гидравлического двигателя Д2 падает до нуля. Крутящий момент передается на задние колеса.

2. Скорость движения превышает 25 км/ч

Гидравлический двигатель Д1 поворачивается дальше, в том числе, до положения нулевого питания в самом большом передаточном числе. Трактор движется только с механическим приводом.

Во время работы между передним и задним мостами может возникнуть разница в скорости (проскальзывание), например, в результате сброса нагрузки переднего моста. Если величина проскальзывания слишком велика, то дисковая муфта полного приводаМ1 пропорционально закрывается. Если эффект блокировки недостаточен, то дисковая муфта полного привода М1 закрывается под воздействием тарельчатой пружины, что обеспечивает полную блокировку между передним и задним мостами. Если тяговое усилие в трансмиссии остается высоким, муфта полного привода М1 остается полностью закрытой. Если тяговое усилие в трансмиссии снижается, муфта полного привода М1 пропорционально открывается.

3. При включении стояночного тормоза или нажатии на педаль тормоза дисковая муфта полного привода М1 закрывается под действием тарельчатой пружины. При включении стояночного тормоза между передним и задним мостами присутствует механическое тяговое усилие на муфте. При нажатии на педаль тормоза предотвращается блокировка переднего моста (например, в случае сброса нагрузки переднего моста). Трактор больше не может выполнять маневры с блокированными передними колесами.

Для сравнения так же рассмотрим электромеханическую трансмиссию, разработанную ООО «Русэлпром-электропривод» [5], блок-схема тягового оборудования которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема тягового оборудования электромеханического привода РУСЭЛПРОМ для трактора [5].

Fig. 2. A block diagram of traction equipment of the Ruselprom electromechanical drive for tractors [5].

Комплект тягового электрооборудования, установленный на трактор, включает:

• асинхронный мотор-генератор (МГ) с силовым преобразователем и микропроцессорной системой управления;
• тяговый асинхронный двигатель (ТАД) центрального привода с силовым преобразователем и микропроцессорной системой управления;
• преобразователь постоянно-постоянного тока для питания вспомогательного оборудования.
• силовые преобразователи для МГ, ТАД, преобразователь постоянно-постоянного тока встроены в блок силовой электроники (БСЭ);
• контроллер верхнего уровня (КВУ) с управлением и панелью индикаторов в кабине водителя.

Система управления электромеханической трансмиссии позволяет полностью контролировать ее работу и функционирование двигателя внутреннего сгорания. Принцип действия системы базируется на основах работы гибридного транспорта.

В контроллерах МГ и ТАД применена векторная система управления. Алгоритмы управления позволяют осуществлять функцию реверса в автоматическом режиме. Движение трактора возможно в одном из двух диапазонов, в зависимости от необходимой максимальной скорости движения: «диапазон 1» – рабочий (0–18 км/ч) и «диапазон «2» – транспортный (0–42 км/ч). Для простоты агрегатирования трактора с сельхозорудиями заложена функция перемещения с малой скоростью при полном нажатии на педаль акселератора, ООО «Русэлпром-электропривод», в дополнение к основному оборудованию системы, разработало и поставляет автономную станцию электроснабжения (АСЭ), электропривод переднего вала отбора мощности (ВОМ), и электропривод вентилятора радиатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении стоит отметить, что, ввиду современной концепции агрегатов с электроприводом [1], компоновочные решения с электромеханическим приводом, имеющим в своей конструкции электрический генератор, более перспективны и применимы в будущем, особенно при развитии прицепной техники [6], а также имеет место возможность более свободной компоновки агрегатов. Что касается применения механической трансмиссии с механической и гидростатической ветвями, то наряду с достоинствами плавности хода, удобства управления и простоты механической части компоновочной схемы есть существенные недостатки: технологические сложности и высокая стоимость производства агрегатов гидростатической ветви; сложная система управления энергетической установкой; отсутствие вывода электропитания для подключения перспективной прицепной техники.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey V. Kurochkin

Author for correspondence.
Email: s-2000-k@yandex.ru
SPIN-code: 9429-8555

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Information Systems and Software Engineering Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The kinematic scheme of the ML-400 (Fendt) continuously variable transmission: Torque sources and consumers: ДВС – an internal combustion engine; ВОМ – a rear power takeoff shaft; ЗВМ – a rear driven axle; ПВМ – a front driven axle; ЗНР – an extra pump of the steering system. Torque control components: ЭБУ – an electronic control unit; НТ – a hydrostatic pump of the transmission; Д1 – a hydrostatic engine of the rear axle drive; Д2 – a hydrostatic engine of the front axle drive; М1 – an all wheeled drive clutch; M2 – a front axle drive clutch. Torque transfer components: 1 – a planetary gear; 2 – a collecting shaft of the rear axle drive; 3 – a collecting shaft of the front axle drive.

Download (135KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. A block diagram of traction equipment of the Ruselprom electromechanical drive for tractors [5].

Download (453KB)

Indexing metadata