用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置及检测方法与流程

本发明属于拖拉机领域，涉及一种拖拉机动力输出扭矩检测装置，尤其涉及一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置及检测方法。该装置能改善拖拉机换挡品质，确保拖拉机在同一工作模式下恒功率输出。

背景技术：

目前，随着大功率轮式拖拉机的市场需求越来越大，特别是在我国新疆及东北地区，重型轮式拖拉机已经占据了市场主导地位，其中动力换挡拖拉机或无级变速拖拉机的发展尤为突出。动力换挡拖拉机或无级变速拖拉机的突出特点是智能化程度高，驾驶舒适，换挡轻便自如，能够根据实际作业工况，充分发挥发动机工作效率。

动力换挡拖拉机或无级变速拖拉机，虽然具有较高智能化的换挡功能和舒适的作业模式，但在换挡和复杂作业时，存在以下两种问题：其一，在动力换挡特别是区间内换挡，两种不同湿式离合器切换过程中，由于扭矩、转动惯量及转速匹配等问题，离合器切换过程往往伴随有较大的顿挫感；其二，在复杂作业时，通过驾驶员操作难以保证发动机恒功率、恒转速输出。

为了解决现有拖拉机换挡伴随的顿挫感和复杂作业时难以保证恒功率输出的两种问题，有必要开发一种拖拉机用扭矩检测装置，安装在拖拉机变速箱内部，通过检测机构及传感器分析系统，进行扭矩的测量及反馈，可实时监控拖拉机扭矩和转速的变化，有效控制匹配换挡过程中的转速差，准确计算发动机动力输出功率及转速，达到拖拉机输出功率的监控作用，提高动力换挡拖拉机换挡品质，同时确保拖拉机功率输出恒定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置及检测方法，一方面改善拖拉机的换挡品质，另一方面确保拖拉机在同一工作模式下恒功率、恒转速输出。

本发明采用的技术方案是：一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置，包括：主箱信号盘、主箱检测传感器、主箱信号盘花键套、变速箱壳体、前轴承、弹性信号轴、动力输出轴、动力输出从动齿轮、副箱信号盘、副箱检测传感器、后轴承、动力输出主动齿轮、动力输出轴轴承、发动机、控制器；主箱信号盘花键套通过花键与弹性信号轴连接；弹性信号轴分别通过前轴承和后轴承支撑在变速箱壳体的轴承孔中；主箱信号盘和副箱信号盘分别套装在主箱信号盘花键套和弹性信号轴上；动力输出主动齿轮通过花键与弹性信号轴连接；动力输出主动齿轮和动力输出从动齿轮相互外啮合；动力输出从动齿轮通过内花键与动力输出轴连接；动力输出轴通过两个动力输出轴轴承支撑在变速箱壳体的轴承孔中；主箱检测传感器和副箱检测传感器通过螺栓固定在变速箱壳体外侧；主箱检测传感器和副箱检测传感器分别通过线束与控制器连接，控制器通过线束与发动机连接。

主箱检测传感器与主箱信号盘中心对齐，主箱检测传感器与主箱信号盘的主箱信号盘外圆直径间隙为0.5~1mm；副箱检测传感器与副箱信号盘中心对齐，副箱检测传感器与副箱信号盘的副箱信号盘外圆直径间隙为0.5~1mm；主箱检测传感器通过线束与控制器正极连接，副箱检测传感器通过线束与控制器负极连接；控制器通过螺栓固定在拖拉机驾驶室内部，控制器与发动机通过控制总线连接。

主箱信号盘花键套与主箱信号盘过盈配合连接，两者之间卡簧轴向定位；弹性信号轴与副箱信号盘过盈配合连接，两者之间卡簧轴向定位；主箱信号盘外圆处开有两个对称开口，端面刻有初始安装标记，副箱信号盘外圆处开有两个对称开口，端面刻有初始安装标记；主箱信号盘与副箱信号盘初始安装状态关系为：主箱信号盘与副箱信号盘外圆两个对称开口对齐安装，靠端面安装标记定位。

主箱信号盘花键套通过花键轴与拖拉机离合器压盘内花键连接；拖拉机离合器外盘与发动机飞轮螺栓连接；动力输出轴通过内花键与动力输出轴头连接；动力输出轴头内嵌在动力输出轴内部，并通过卡簧定位。

一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置，具体检测方法为：

【1】初择特定工作挡位

发动机启动后，驾驶员根据实际作业工况，设定动力挡、区段挡、换向挡及爬行挡；发动机的扭矩和转速经飞轮、离合器及花键传动轴传递到该装置的主箱信号盘花键套上；通过该扭矩检测装置的弹性信号轴的弹性形变，弹性信号轴产生一定的扭转角，扭转角的大小和输出扭矩值成正比；发动机输出的扭矩和转速稳定后，弹性信号轴产生扭转角就是一个定值，具体体现在输出信号盘波形图产生一个差值。发动机扭矩和转速经该装置作用后，传递到动力输出轴头，动力输出轴头通过万向传动轴将动力输出给连接农机具，至此完成动力的整个传递过程和输出。

【2】工况作业信号收集

实际作业工况中，驾驶员控制控制器进行实时监控测量，数据记录频率为50hz，记录的数据以固定的格式，通过线束传递给控制器进行临时保存，驾驶员通过控制器外接接口，拷贝出发动机实际工况中的实时转矩值和转速值，通过软件进行检测数据分析计算。

【3】综合分析

控制器根据指令，收集分析到的作业工况的评价指标，特别是两信号盘之间的相位角差值，通过驾驶室显示器显示出来。将控制器中采集到的数据导入软件进行综合分析，软件绘制出实际工况中转速、转动惯量、弹性信号轴传递扭矩值的曲线。曲线的一致性、平顺性代表实际作业工况的牵引力稳定，根据扭矩特效曲线可以分析出，拖拉机在那些点位、时间段工作在最大扭矩点位，那些点位、时间段工作在最大功率点位；根据指标中各曲线特性值，得出发动机最大输出有效功率，得出有效功率占比。该曲线特性对同样工况的作业模式，能使驾驶员在作业前较好的掌握该作业工况下的负荷大小，指导驾驶员合理的操作拖拉机，发挥出拖拉机最大工作效率。

【4】匹配挡位

根据显示出来的相位角度差值、转速差值评价指标，依据实际工况，匹配符合当前作业负荷的最优车速；驾驶员依据各指标的特性曲线，选择合理的工作挡位，根据信号盘波形产生的差值的大小，合理调节农机具的作业深度，保证拖拉机发动机发挥牵引力平顺，消除自动换挡切换过程中的顿挫感。同时，在匹配换挡过程中，控制器根据当前上下游换挡元件转动惯量大小、转速差值大小，进行指导匹配挡位的合适性。特别是在拖拉机复杂作业时，动力输出功率时大时小，驾驶员通过分析计算的相位角差值，有效调动发动机自动发挥储备功率，弥补农机具因作业阻力过大，引起的功率下滑，出现拖拉机打滑、拉不动现象，有效保证了发动机恒功率输出，保证了农机具耕作平顺、均匀，提高作业效率。

上述技术方案后可达到如下的积极效果：试验表明，该拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置结构紧凑，可靠实用，安装在拖拉机变速箱内部，拆卸方便，检测数据准确可靠。通过检测系统及传感器分析系统，进行扭矩及转速的测量及反馈，可实时监控拖拉机作业转速和扭矩的变化，有效控制匹配换挡过程中的转速差合理范围及转动惯量大小范围，准确计算出发动机动力输出功率及转速，达到拖拉机输出功率实时监控作用，有效调节拖拉机换挡合理时机，提高动力换挡拖拉机换挡品质，确保发动机功率输出恒定。同时，该拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置及检测方法对改善发动机附件消耗功率占比及有效功率计算起到指导作用。

附图说明

图1为本发明一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置的结构示意图；

图2为本发明一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置检测方法的初始状态矩形波信号示意图；

图3本发明一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置检测方法的工作状态矩形波信号示意图；

图4为本发明一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置的主、副箱信号盘主视结构示意图；

图5为图4的左视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。如图1~5所示：一种用于拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置，主要包括：主箱信号盘1、主箱检测传感器2、主箱信号盘花键套3、变速箱壳体4、前轴承5、弹性信号轴6、动力输出轴7、动力输出从动齿轮8、副箱信号盘9、副箱检测传感器10、后轴承11、动力输出主动齿轮12、动力输出轴轴承13、发动机14、控制器15等零部件。

主箱信号盘花键套3通过花键轴与拖拉机离合器连接；主箱信号盘花键套3与主箱信号盘1过盈配合连接；弹性信号轴6与副箱信号盘9过盈配合连接。动力输出轴7通过内花键与拖拉机动力输出轴头连接；拖拉机动力输出轴头内嵌在动力输出轴7内部，并通过卡簧定位。主箱信号盘花键套3通过花键与弹性信号轴6连接；弹性信号轴6分别通过前轴承5和后轴承11，支撑在变速箱壳体4的轴承孔中；主箱信号盘1和副箱信号盘9分别套装在主箱信号盘花键套3和弹性信号轴6上；动力输出主动齿轮12通过花键与弹性信号轴6连接；动力输出主动齿轮12和动力输出从动齿轮8相互外啮合；动力输出从动齿轮8通过内花键与动力输出轴7连接；动力输出轴7通过两个动力输出轴轴承13支撑在变速箱壳体4轴承孔中；主箱检测传感器2和副箱检测传感器10通过螺栓固定在变速箱壳体4外侧；主箱检测传感器2和副箱检测传感器10分别通过线束与控制器15连接，控制器15通过线束与发动机14连接。

主箱检测传感器2与副箱检测传感器10安装固定后，确保主箱检测传感器2与主箱信号盘1中心对齐，并且主箱检测传感器2与主箱信号盘1的主箱信号盘外圆直径间隙s1为0.5~1mm；副箱检测传感器10与副箱信号盘9安装固定后，确保副箱检测传感器10与副箱信号盘9中心对齐，并且副箱检测传感器10与副箱信号盘9的副箱信号盘外圆直径间隙s2为0.5~1mm；主箱检测传感器2通过线束与控制器15正极连接，副箱检测传感器10通过线束与控制器15负极连接。

工作时，发动机14输出扭矩和转速经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3上，再经主箱信号盘花键套3传递给弹性信号轴6上，弹性信号轴6上扭矩及转速经花键传递到动力输出主动齿轮12上，动力输出主动齿轮12与动力输出从动齿轮8相互外啮合，扭矩和转速经动力输出主动齿轮12传递到动力输出从动齿轮8上，经动力输出从动齿轮8传递给动力输出轴7，最终发动机扭矩和转速经过动力输出轴7传递给动力输出轴头上，经动力输出轴头将动力输出给连接农机具，完成动力的整个传递过程和输出。

综上所述，本发明的工作原理概括如下：

当发动机14的输出动力经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3和弹性信号轴6上时。在扭矩的作用下，弹性信号轴6会发生相应的弹性变形，产生一定的扭转角度，而固定在弹性信号轴6上的主箱信号盘花键套3及副箱信号盘9，就会随着弹性信号轴6的弹性变形而偏转不同的相位角度，故主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间发生相对的角度差值，根据主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间的相位角度差值，可以有效计算出此时经弹性信号轴6传递的扭矩和转速。经过动力输出从动齿轮8与动力输出轴7之间的传动比，可有效计算出动力输出轴7，最终输出的扭矩及转速，进而可计算出此时发动机的有效功率占比。

由于主箱信号盘1和副箱信号盘9外圆直径上开有两个对称的开口，当传递动力时，弹性信号轴6会发生相应的弹性变形，产生一定的弹性变形，而固定在弹性信号轴6上的主箱信号盘花键套3及副箱信号盘9，就会随着弹性信号轴6的弹性变形而偏转不同的相位角度，故主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间发生相对的角度差值，而主箱检测传感器2与副箱检测传感器10分别与主箱信号盘1和副箱信号盘9中心对齐，主箱检测传感器2与副箱检测传感器10通过检测主箱信号盘1和副箱信号盘9外圆直径上开口的偏转相位角度，可以准确检测出，主箱信号盘1和副箱信号盘9的相应变化相位角度差值。主箱检测传感器2与副箱检测传感器10将各自检测的变化相位角，通过线束传递给控制器15正负两极。

控制器15通过精确分析计算，能准确得出弹性信号轴6上传递的扭矩和转速大小。通过计算可以得出换挡元件前后转速差及转动惯量大小，控制器15进一步指导换挡元件在合适的转速差值范围内及合适的转动惯量大小范围内，进行合理的换挡时机调控，满足合适的转速差值及转动惯量大小范围，才允许进行换挡，否则不允许换挡的合理判断。从而达到消除换挡冲击，减弱换挡顿挫感，提高换挡品质，增加驾驶员舒适性等作用。

拖拉机在复杂作业时，动力输出功率时大时小，通过控制器15内部程序的计算分析，将结果通过线束传递给发动机14，发动机14可根据实时农机具作业工况，有效调动发动机自动发挥储备功率，弥补农机具因作业阻力过大，引起的功率下滑，出现拖拉机打滑、拉不动等现象，有效保证了动力输出轴7恒功率输出，保证了农机具耕作平顺、均匀，进一步提高了作业效率。

动力输出轴7的输出功率，通过线束反馈给控制器15，可以计算出动力输出轴7上的转速和扭矩，控制器15将输出的转速和扭矩反馈给发动机14，进而确保发动机根据实际作业工况，实施条件油门大小，增加或减小发动机的实时转速，达到动力输出轴7恒转速输出。同时，该拖拉机用扭矩检测装置能有效检测出输出功率，将有效功率反馈给控制器15，能精确计算出有效功率的占比及发动机发挥有效功的大小。同样，可以计算出发动机以及配件的消耗功率大小，对于优化改善发动机配件及变速箱内零部件消耗，起到积极作用。

具体检测方法步骤如下：

第一步：扭矩传递

发动机14输出扭矩和转速经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3上，再经主箱信号盘花键套3传递给弹性信号轴6上，动力输出主动齿轮12与弹性信号轴6通过花键连接，弹性信号轴6上扭矩及转速经花键传递到动力输出主动齿轮12上，动力输出主动齿轮12与动力输出从动齿轮8相互外啮合，动力输出从动齿轮8与动力输出轴7通过花键连接，扭矩和转速经动力输出主动齿轮12传递到动力输出从动齿轮8上，经动力输出从动齿轮8传递给动力输出轴7，动力输出轴7通过内花键与动力输出轴头连接，最终发动机扭矩和转速经过动力输出轴7传递给动力输出轴头上，经动力输出轴头将动力输出给连接农机具，完成动力的整个传递过程和输出。

第二步：弹性形变

主箱信号盘1外套安装在主箱信号盘花键套3上，且两者之间过盈配合连接。弹性信号轴6与主箱信号盘花键套3通过花键连接。副箱信号盘9外套安装在弹性信号轴6上，两种之间过盈配合连接。当发动机14的输出动力经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3和弹性信号轴6上时。在扭矩的作用下，弹性信号轴6会发生相应的弹性变形，产生一定的扭转角度，而固定在弹性信号轴6上的主箱信号盘花键套3及副箱信号盘9，就会随着弹性信号轴6的弹性变形而偏转不同的相位角度，故主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间发生相对的角度差值t。

第三步：信号采集

如附图3所示，主箱信号盘1和副箱信号盘9上开有两个对称的开口，当拖拉机工作时，发动机14输出扭矩和转速经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3上，再经主箱信号盘花键套3传递给弹性信号轴6上时，弹性信号轴6会发生相应的弹性变形，产生一定的弹性变形，而固定在弹性信号轴6上的主箱信号盘花键套3及副箱信号盘9，就会随着弹性信号轴6的弹性变形而偏转不同的相位角度，故主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间发生相对的角度差值t，而主箱检测传感器2与副箱检测传感器10分别与主箱信号盘1和副箱信号盘9中心对齐，主箱检测传感器2与副箱检测传感器10通过检测主箱信号盘1和副箱信号盘9外圆直径上开口的偏转相位角度，可以准确检测出，主箱信号盘1和副箱信号盘9的相应变化相位角度差值t。主箱检测传感器2与副箱检测传感器10将各自检测的变化相位角，通过线束传递给控制器15正负两极。

如附图2所示，初始状态主箱信号盘1和副箱信号盘9两者间相位角差值为零，当拖拉机工作时，发动机14输出扭矩和转速经飞轮、离合器及花键轴传递到主箱信号盘花键套3上，再经主箱信号盘花键套3传递给弹性信号轴6上时，弹性信号轴6会发生相应的弹性扭转变形，而固定在弹性信号轴6上的主箱信号盘花键套3及副箱信号盘9，就会随着弹性信号轴6的弹性变形而偏转不同的相位角度，故主箱信号盘1和副箱信号盘9两者之间发生相对的角度差值，如图2所示，相位角差值为t。

第四步：信号反馈及分析。

主箱检测传感器2与副箱检测传感器10将各自检测的弹性变形引起的相位角度，通过线束传递给控制器15。控制器15通过精确分析计算，得到准确的相位角差值t，从而得出t值对应的扭矩值及转速大小，进一步计算出此时的有效输出功率大小。该扭矩和转速值就是发动机14在此作业工况下，传递到弹性信号轴6上的扭矩和转速值。控制器15通过精确分析计算，能准确得出弹性信号轴6上传递的扭矩和转速大小。通过计算可以得出换挡元件前后转速差及转动惯量大小，控制器15进一步指导换挡元件在合适的转速差值范围内及合适的转动惯量大小范围内，进行合理的换挡时机调控，满足合适的转速差值及转动惯量大小范围，才允许进行换挡，否则不允许换挡的合理判断。

第五步：结果反馈。

拖拉机在复杂作业时，动力输出功率时大时小，通过控制器15内部程序的计算分析，将结果通过线束传递给发动机14，发动机14可根据实时农机具作业工况，调动储备功率，克服农具阻力，满足拖拉机功率输出恒定在一个水平线上，达到拖拉机作业稳定。有效调动发动机自动发挥储备功率，弥补农机具因作业阻力过大，引起的功率下滑，出现拖拉机打滑、拉不动等现象，有效保证了动力输出轴7恒功率输出，保证了农机具耕作平顺、均匀，进一步提高了作业效率。动力输出轴7的输出功率，通过线束反馈给控制器15，可以计算出动力输出轴7上的转速和扭矩，控制器15将输出的转速和扭矩反馈给发动机14，进而确保发动机根据实际作业工况，实施条件油门大小，增加或减小发动机的实时转速，达到动力输出轴7恒转速输出。

第六步：改善换挡品质。

拖拉机换挡轴与弹性信号轴6之间靠齿轮外啮合相连，通过主箱检测传感器2与副箱检测传感器10可以检测出弹性信号轴6上扭矩和转速值，控制器15进一步指导换挡元件在合适的转速差值范围内及合适的转动惯量大小范围内，进行合理的换挡时机调控，满足合适的转速差值及转动惯量大小范围，才允许进行换挡，否则不允许换挡的合理判断。从而达到消除换挡冲击，减弱换挡顿挫感，提高换挡品质，增加驾驶员舒适性等作用。

第七步：计算功率占比。

动力输出轴7通过动力输出轴头与农机具相连。通过检测弹性信号轴6上转速及扭矩，主箱检测传感器2与副箱检测传感器10通过线束反馈给控制器15，控制器15计算出弹性信号轴6扭矩及转速大小，从而得出该作业工况下的有效输出功率值。动力输出主动齿轮12及动力输出从动齿轮8外啮合传动，通过传动比的计算可精确计算分析出动力输出轴7的输出功率，此输出功率就是该拖拉机实时工况下的作业输出的有效功率。同时，该拖拉机用扭矩检测装置能有效检测出输出功率，将有效功率反馈给控制器15，能精确计算出有效功率的占比及发动机发挥有效功的大小。同样，可以计算出发动机以及配件的消耗功率大小，对于优化改善发动机配件及变速箱内零部件消耗，起到积极作用。

该拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置结构简单紧凑，可靠实用，安装在拖拉机变速箱内部，拆卸方便，检测数据准确可靠。该拖拉机变速箱内腔的扭矩检测方法，是通过检测系统及传感器分析系统，进行扭矩及转速的测量及反馈，可实时监控拖拉机作业转速和扭矩的变化，有效控制匹配换挡过程中的转速差合理范围及转动惯量大小范围，准确计算发动机动力输出功率及转速，达到拖拉机输出功率实时监控作用，有效调节拖拉机换挡合理时机，提高动力换挡拖拉机换挡品质，同时经控制器15的精确计算分析，反馈给发动机，确保发动机功率输出恒定。同时，该拖拉机变速箱内腔的扭矩检测装置及检测方法对改善发动机附件消耗功率占比及有效功率计算起到指导作用。

最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的全部内容，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行形式上的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作出的形式修改、等同替换等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。