拖拉机作为最为重要的农业动力机械,除道路运输外,还要进行诸如播种、施肥等轻负荷作业以及犁耕、收获等重负荷作业。为适应不同作业工况下的行驶速度和负载强度要求,拖拉机一般设置有较多的工作挡位。工作挡位的增加虽能更好地满足不同的作业要求,但也使得变速箱结构复杂、成本居高不下,而且也给换挡操作和挡位选择带来困难,为此,无级调速成为拖拉机的一种技术发展趋势。我国对于液压功率分流无级变速箱的研究起步较晚且多采用多行星排多区段传动方案,整体结构复杂,至今未能实现其产业化应用。为此对于单排多区段拖拉机液压功率分流无级变速箱的研究显得尤为迫切。本文在分析国内外液压功率分流无级传动技术的研究现状基础上,设计了一种单排多区段液压功率分流无级变速箱,并对该变速箱的优化设计理论和换段控制策略进行了研究。本文具体的研究内容如下:(1)传动方案设计。本方案采用单个行星排即可完成拖拉机的全程无级调速,通过在马达轴设置挡位,解决了单行星排液压功率分流无级变速箱各区段速比的等差约束问题,从而优化了该类变速箱的加速性能。(2)传动参数设计。根据拖拉机的作业需求,对其典型作业工况进行了分析,确定了各区段的调速范围。本文在SimulationX下构建了无级变速拖拉机的传动效率计算模型并进行了仿真研究,在此基础上揭示了变速箱传动参数与变速箱内部能耗之间的关系,以此对变速箱传动参数进行了优化,并选配了合适的一体式泵控液压马达,使其在主要工况下具有较低的能量消耗和较高的传动效率。(3)变速箱结构设计。该部分内容涉及齿轮、轴系、离合器和箱体的设计与装配等。具体地,基于前述参数计算结果,进一步完成了包括差动行星齿轮在内的齿轮配齿计算、齿轮和轴的强度校核计算等,同时确定了各轴的齿轮和离合器安装结构。箱体的设计则充分考虑其结构工艺性,不仅满足各零部件的高精度装配要求,而且便于后期拆装维护。此外,利用ANSYS Workbench软件对变速箱箱体进行了模态分析,结合计算得到的变速箱啮合频率特性,发现此类变速箱工作时其齿轮副啮合频率变化波动范围较大,理论上难以完全消除共振现象。于是对变速箱箱体固有频率和可能发生共振的液压路齿轮副啮合频率进行了共振接近度计算,并制定了相应的控制策略以规避共振现象。(4)换段液压系统试验台开发。为了完成换段试验,本文对换段液压系统的工作油路、润滑冷却油路、泵站和阀块等进行了结构设计;以工控机为上位机、PLC为下位机搭建了试验台控制系统;以工控机、NI数据采集卡和压力、流量、温度等传感器为基础构建了试验台测试系统;此外,还编制了PLC程序,并基于Labview开发了上位机软件,实现了测试和控制系统的集成。(5)换段动力学模型构建。基于Simulation X软件分别构建了湿式离合器与比例减压阀的数学模型,并分别进行了试验验证。在此基础上,进一步建立了无级变速箱和拖拉机整机的换段动力学模型。(6)换段品质研究。与传统液压功率分流无级变速箱不同,本文所设计的变速箱仅有单个行星排,虽然结构简单,但其在段位切换时需要离合器与泵控液压马达之间的协同控制。基于前述换段动力学模型,本文系统研究了离合器各控制参数对无级变速拖拉机换段品质的影响规律及作用机理。在该研究中,本文首次提出了一种高维数据可视化方法,即一种用于寻找宏观控制规律的解域分析方法,据此得到了换段控制参数之间的最佳匹配策略。本课题所做工作为拖拉机液压功率分流无级变速箱的研发提供了新的设计思路和研究方法,对于推动我国液压功率分流无级变速拖拉机的国产化进程具有一定的理论指导意义。