阅读说明：本技术 一种果园多功能动力底盘电控变速系统 (Orchard multifunctional power chassis electric control speed change system ) 是由 杨福增 张国强 刘志杰 张亚洲 孙景彬 许博 于 2019-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种果园多功能动力底盘电控变速系统,属于果园植保机械领域。包括换档执行机构,离合器执行机构和控制系统。本发明提出的果园多功能动力底盘电控变速系统仅需对小型拖拉机原有手动变速箱操纵机构做简单的改造即可安装,具有成本低、可靠性高等特点,可将果园多功能动力底盘换档和换向的手动操纵变为电控操纵,实现作业人员远程遥控操纵换档和换向,从而实现机组在果园作业过程中人机完全分离,最大限度提高操纵便捷性,保证作业人员安全。(The invention discloses an orchard multifunctional power chassis electric control speed change system, and belongs to the field of orchard plant protection machinery. The gear shifting control system comprises a gear shifting actuating mechanism, a clutch actuating mechanism and a control system. The orchard multifunctional power chassis electric control speed change system provided by the invention can be installed by simply transforming the original manual transmission control mechanism of a small tractor, has the characteristics of low cost, high reliability and the like, can change manual operation of gear shifting and reversing of the orchard multifunctional power chassis into electric control operation, and realizes remote control gear shifting and reversing of operators, so that complete man-machine separation of a unit in the orchard operation process is realized, the operation convenience is improved to the maximum extent, and the safety of the operators is ensured.)

一种果园多功能动力底盘电控变速系统

技术领域

本发明属于果园植保机械技术领域，具体涉及一种果园多功能动力底盘电控变速系统。

背景技术

我国是世界水果生产和消费大国，水果在居民生活中有着重要地位。自2000年以来，我国果树种植面积和水果产量逐年增加，水果市场蓬勃发展。截止2016年，我国果树种植面积为1.298亿hm²，果品产量达2.75亿t，占农业总产值的5.7％，占种植业总产值的11.3％。水果产业已经成为我国农村经济发展的重要支柱和农民收入的主要来源，在国内经济市场中占据重要的地位。

水果产业现阶段面临的主要问题是，随着种植面积的迅速扩大和农村从业人口大幅减少，劳动力从季节性短缺转变为持续性短缺，劳动力成本大幅上升，人力支出超过总生产成本的50%。要解决这一制约水果产业发展的关键问题的根本出路在于果园生产机械化。在这一背景下，我国对自动化的果园机械需求旺盛。但国内果园机械供给不足，主要表现为：品种少、技术落后、安全性差以及操作人员劳动强度大，现有果园机械难以满足生产实际需要。

果园动力底盘通常采用25马力拖拉机，可作为果园施药、施肥、运输等作业的动力机。

目前动力换档变速箱多用于60马力以上的大中型拖拉机，考虑成本等因素，60马力以下的小型拖拉机仍采用手动变速箱，因此，机组在果园作业过程中需人工操作实现换档、换向等动作，不能彻底实现人机分离，作业人员安全性难以保证。因此，急需一种果园多功能动力底盘用小型拖拉机电控变速系统，将换档和换向的手动操纵变为电控操纵，实现作业人员远程遥控操纵换档和换向，从而实现果园机组作业过程中人机完全分离，保证作业人员的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种果园多功能动力底盘电控变速系统，仅需对小型拖拉机做简单的改造即可安装，具有成本低、可靠性高等特点，可将果园多功能动力底盘换档和换向的手动操纵变为电控操纵，实现作业人员远程遥控操纵换档和换向，从而实现果园机组作业过程中人机完全分离，最大限度提高操纵便捷性，保证作业人员安全。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种多功能动力底盘电控变速系统，包括换档执行机构，离合器执行机构和控制系统，所述换档执行机构主要包括主变速档位控制轴（1），副变速档位控制轴（2），一号同步带（3），一号大带轮（4），二号同步带（5），二号大带轮（6），一号小带轮（7），一号无刷直流减速电机（8），二号无刷直流减速电机（9），电动机支架（10），二号小带轮（11），箱体（12），箱体端盖（13）；其特征在于：箱体（12）通过螺纹连接固定在车身（14）上，电动机支架（10）通过螺纹连接固定在箱体（12）上，一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）通过螺纹连接固定在电动机支架（10）上，一号小带轮（7）和二号小带轮（11）通过顶丝分别与一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）的传动轴相连接，一号大带轮（4）和二号大带轮（6）通过一号同步带（3）和二号同步带（5）与二号小带轮（11）和一号小带轮（7）相连接，一号大带轮（4）通过顶丝与主变速档位控制轴（1）连接，二号大带轮（6）通过顶丝与副变速档位控制轴（2）连接。

所述离合器执行机构主要包括车架（17），一号底座（18），离合器拨叉顶杆（19），离合器操纵手柄（20），电动推杆（21），二号底座（22），其特征在于：二号底座（22）通过螺栓固定在车架（17）上，电动推杆（21）通过销轴与二号底座（22）连接，离合器操纵手柄（20）通过销轴与电动推杆（21）连接，一号底座（18）通过螺栓固定在车架（17）上，离合器操纵手柄（20）通过销轴与一号底座（18）连接，离合器拨叉顶杆（19）通过销轴与离合器操纵手柄（20）连接。

所述控制系统主要包括CAN总线（23），TCU控制器（24），直流电机驱动板（25），一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27），一号节气门开度传感器（15），二号节气门开度传感器（16），电动推杆编码器（28）；其特征在于：CAN总线（23）与TCU控制器（24）连接，TCU控制器（24）与直流电机驱动板（25），一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27），一号节气门开度传感器（15），二号节气门开度传感器（16），电动推杆编码器（28）连接。

所述果园多功能动力底盘电控变速系统主要包括换档执行机构和控制系统，其特征在于：直流电机驱动板（25）与电动推杆（21）连接，一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27）分别与一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）连接，一号节气门开度传感器（15）通过螺钉固定在箱体端盖（13）上，并与主变速档位控制轴（1）连接，二号节气门开度传感器（16）通过螺钉固定在箱体端盖（13）上，与副变速挡位控制轴（2）连接。

本发明基于上述设计，其工作原理是：

TCU控制器（24）接收来自CAN总线（23）的指令，当TCU控制器（24）收到换向指令时，TCU控制器（24）先根据一号节气门开度传感器（15）的角位移信号判断当前主变速档位，如果当前主变速档位不在目标档位，TCU控制器（24）将执行换向指令；如果，当前主变速档位在目标档位，TCU控制器（24）则不执行换向指令；TCU控制器（24）在执行换向指令时，先向直流电机驱动板（25）发送电动机转向控制指令和转速控制指令，控制电动推杆（21）伸出，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）伸出位移，当电动推杆（21）伸出至一定的位移使得离合器彻底分离后，TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送停止指令，电动推杆（21）停止动作，之后TCU控制器（24）向二号无刷直流电机驱动板（27）发送电动机转向和转速控制指令控制二号无刷直流减速电机（9）以一定的速度转动，在此期间一号节气门开度传感器（15）实时检测主变速档位控制轴（1）的转角，当主变速档位控制轴（1）转至目标档位对应的角度时，TCU控制器（24）向二号无刷直流电机驱动板（27）发送停止指令，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，随后TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送转向和转速控制指令，控制电动推杆（21）以一定的速度缩回，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）位移，当电动推杆（21）完全缩回后，离合器接合，完成换向。

同理，当TCU控制器（24）收到变速指令时，TCU控制器（24）先根据二号节气门开度传感器（16）的角位移信号判断当前副变速档位，如果当前副变速档位不在目标档位，TCU控制器（24）将执行换档指令；如果，当前主变速档位在目标档位，TCU控制器（24）则不执行换档指令。TCU控制器（24）在执行换档指令时，先向直流电机驱动板（25）发送电动机转向控制指令和转速控制指令，控制电动推杆（21）伸出，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）伸出位移，当电动推杆（21）伸出至一定的位移使得离合器彻底分离后，TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送停止指令，电动推杆（21）停止动作，之后TCU控制器（24）向一号无刷直流电机驱动板（26）发送电动机转向和转速控制指令控制一号无刷直流减速电机（8）以一定的速度转动，在此期间二号节气门开度传感器（16）实时检测副变速档位控制轴（2）的转角，当副变速档位控制轴（2）转至目标档位对应的角度时，TCU控制器（24）向一号无刷直流电机驱动板（26）发送停止指令，一号无刷直流减速电机（8）停止转动，随后TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送转向和转速控制指令，控制电动推杆（21）以一定的速度缩回，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）位移，当电动推杆（21）完全缩回后，离合器接合，完成换档。

离合器分离时，电动推杆（21）伸出，推动离合器操纵手柄（20）移动，电动推杆（21）的作用力经过离合器操纵手柄（20）传递至离合器拨叉顶杆（19），推动离合器分离拨叉移动，当电动推杆（21）伸出一定的长度后，离合器彻底分离，电动推杆（21）停止运动；离合器接合时，电动推杆（21）以一定的速度缩回，拉动离合器操纵手柄移动（21），离合器操纵手柄（21）拉动离合器拨叉顶杆（19）反向运动，离合器以一定的速度平稳接合。

换向时，二号无刷直流减速电机（9）通过二号小带轮（11），一号同步带（3）和一号大带轮（4）带动主变速档位控制轴旋转，主变速档位控制轴（1）上的摆动杠杆带动位于变速箱内部的Ⅰ档、R档拨叉，从而带动Ⅰ档、R档拨叉轴前后移动，实现换向操纵，二号节气门开度传感器（16）用于获取主变速档位控制轴（1）旋转角度，当主变速档位控制轴（1）转至一定角度时，Ⅰ档、R档拨叉运动至对应的档位位置，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，完成换向操纵；换档时，一号无刷直流减速电机（8）通过一号小带轮（7），二号同步带（5）和二号大带轮（6）带动副变速档位控制轴旋转，副变速档位控制轴（2）上的摆动杠杆带动位于变速箱内部的高、低档拨叉，从而带动高、低档拨叉轴前后移动，实现换向操纵，一号节气门开度传感器（15）用于获取副变速档位控制轴（2）旋转角度，当副变速档位控制轴（2）转至一定角度时，高、低档拨叉运动至对应的档位位置，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，完成换档操纵。

本发明相比现有技术有如下优点：

提高机组果园作业的自动化程度，采用该系统后，作业人员可使用远程遥控操纵机组换档和换向，实现果园机组作业过程中人机完全分离，保证作业人员的安全性，提高操纵便捷性，也为后续果园多功能动力底盘加装自主导航装置，实现果园无人作业提供有利条件。

现有拖拉机动力换档变速箱多用于大中型拖拉机，考虑成本方面等因素，小型拖拉机一般采用手动变速箱，本发明提供一种果园多功能动力底盘的电控变速系统，该电控变速系统结构简单、成本低，仅需对小型拖拉机原有手动变速箱操纵机构进行简单的改造即可安装该电控变速系统，具有一定的推广价值。

附图说明：

附图1为本发明的换档执行机构总体结构示意图；

附图2为本发明的换档执行机构内部结构示意图；

附图3为本发明的换档执行机构核心机构示意图；

附图4为本发明的离合器执行机构示意图；

附图5为本发明的控制系统电路图；

其中：1-主变速档位控制轴；2-副变速档位控制轴；3-一号同步带；4-一号大带轮；5-二号同步带；6-二号大带轮；7-一号小带轮；8-一号无刷直流减速电机；9-一号无刷直流减速电机；10-电动机支架；11-二号小带轮；12-箱体；13-箱体端盖；14-车身；15-一号节气门开度传感器；16-二号节气门开度传感器；17-车架；18-一号底座；19-离合器拨叉顶杆；20-离合器操纵手柄；21-电动推杆；22-二号底座；23-CAN总线；24-TCU控制器；25-直流电机驱动板；26-一号无刷直流电机驱动板；27-二号无刷直流电机驱动板；28-电动推杆编码器。

具体实施方式

：

下面接合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示，一种果园多功能动力底盘电控变速系统，主要包括换档执行机构，离合器执行机构和控制系统，所述换档执行机构主要包括主变速档位控制轴（1），副变速档位控制轴（2），一号同步带（3），一号大带轮（4），二号同步带（5），二号大带轮（6），一号小带轮（7），一号无刷直流减速电机（8），二号无刷直流减速电机（9），电动机支架（10），二号小带轮（11），箱体（12），箱体端盖（13）；其特征在于：箱体（12）通过螺纹连接固定在车身（14）上，电动机支架（10）通过螺纹连接固定在箱体（12）上，一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）通过螺纹连接固定在电动机支架（10）上，一号小带轮（7）和二号小带轮（11）通过顶丝分别与一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）的传动轴相连接，一号大带轮（4）和二号大带轮（6）通过一号同步带（3）和二号同步带（5）与二号小带轮（11）和一号小带轮（7）相连接，一号大带轮（4）通过顶丝与主变速档位控制轴（1）连接，二号大带轮（6）通过顶丝与副变速档位控制轴（2）连接。

所述离合器执行机构主要包括车架（17），一号底座（18），离合器拨叉顶杆（19），离合器操纵手柄（20），电动推杆（21），其特征在于：二号底座（22），二号底座（22）通过螺栓固定在车架（17）上，电动推杆（21）通过销轴与二号底座（22）连接，离合器操纵手柄（20）通过销轴与电动推杆（21）连接，一号底座（18）通过螺栓固定在车架（17）上，离合器操纵手柄（20）通过销轴与一号底座（18）连接，离合器拨叉顶杆（19）通过销轴与离合器操纵手柄（20）连接。

所述控制系统主要包括CAN总线（23），TCU控制器（24），直流电机驱动板（25），一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27），一号节气门开度传感器（15），二号节气门开度传感器（16），电动推杆编码器（28）；其特征在于：CAN总线（23）与TCU控制器（24）连接，TCU控制器（24）与直流电机驱动板（25），一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27），一号节气门开度传感器（15），二号节气门开度传感器（16），电动推杆编码器（28）连接。

所述果园多功能动力底盘电控变速系统主要包括换档执行机构和控制系统，其特征在于：直流电机驱动板（25）与电动推杆（21）连接，一号无刷直流电机驱动板（26），二号无刷直流电机驱动板（27）分别与一号无刷直流减速电机（8）和二号无刷直流减速电机（9）连接，一号节气门开度传感器（15）通过螺钉固定在箱体端盖（13）上，并与主变速档位控制轴（1）连接，二号节气门开度传感器（16）通过螺钉固定在箱体端盖（13）上，与副变速挡位控制轴（2）连接。

上述的一种果园多功能动力底盘电控变速系统，TCU控制器（24）接收来自CAN总线（23）的指令，当TCU控制器（24）收到换向指令时，TCU控制器（24）先根据一号节气门开度传感器（15）的角位移信号判断当前主变速档位，如果当前主变速档位不在目标档位，TCU控制器（24）将执行换向指令；如果，当前主变速档位在目标档位，TCU控制器（24）则不执行换向指令；TCU控制器（24）在执行换向指令时，先向直流电机驱动板（25）发送电动机转向控制指令和转速控制指令，控制电动推杆（21）伸出，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）伸出位移，当电动推杆（21）伸出至一定的位移使得离合器彻底分离后，TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送停止指令，电动推杆（21）停止动作，之后TCU控制器（24）向二号无刷直流电机驱动板（27）发送电动机转向和转速控制指令控制二号无刷直流减速电机（9）以一定的速度转动，在此期间一号节气门开度传感器（15）实时检测主变速档位控制轴（1）的转角，当主变速档位控制轴（1）转至目标档位对应的角度时，TCU控制器（24）向二号无刷直流电机驱动板（27）发送停止指令，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，随后TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送转向和转速控制指令，控制电动推杆（21）以一定的速度缩回，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）位移，当电动推杆（21）完全缩回后，离合器接合，完成换向。

同理，当TCU控制器（24）收到变速指令时，TCU控制器（24）先根据二号节气门开度传感器（16）的角位移信号判断当前副变速档位，如果当前副变速档位不在目标档位，TCU控制器（24）将执行换档指令；如果，当前主变速档位在目标档位，TCU控制器（24）则不执行换档指令；TCU控制器（24）在执行换档指令时，先向直流电机驱动板（25）发送电动机转向控制指令和转速控制指令，控制电动推杆（21）伸出，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）伸出位移，当电动推杆（21）伸出至一定的位移使得离合器彻底分离后，TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送停止指令，电动推杆（21）停止动作，之后TCU控制器（24）向一号无刷直流电机驱动板（26）发送电动机转向和转速控制指令控制一号无刷直流减速电机（8）以一定的速度转动，在此期间二号节气门开度传感器（16）实时检测副变速档位控制轴（2）的转角，当副变速档位控制轴（2）转至目标档位对应的角度时，TCU控制器（24）向一号无刷直流电机驱动板（26）发送停止指令，一号无刷直流减速电机（8）停止转动，随后TCU控制器（24）向直流电机驱动板（25）发送转向和转速控制指令，控制电动推杆（21）以一定的速度缩回，在此期间电动推杆编码器（28）实时检测电动推杆（21）位移，当电动推杆（21）完全缩回后，离合器接合，完成换档。

离合器分离时，电动推杆（21）伸出，推动离合器操纵手柄（20）移动，电动推杆（21）的作用力经过离合器操纵手柄（20）传递至离合器拨叉顶杆（19），推动离合器分离拨叉移动，当电动推杆（21）伸出一定的长度后，离合器彻底分离，电动推杆（21）停止运动；离合器接合时，电动推杆（21）以一定的速度缩回，拉动离合器操纵手柄移动（21），离合器操纵手柄（21）拉动离合器拨叉顶杆（19）反向运动，离合器以一定的速度平稳接合。

换向时，二号无刷直流减速电机（9）通过二号小带轮（11），一号同步带（3）和一号大带轮（4）带动主变速档位控制轴旋转，主变速档位控制轴（1）上的摆动杠杆带动位于变速箱内部的Ⅰ档、R档拨叉，从而带动Ⅰ档、R档拨叉轴前后移动，实现换向操纵，二号节气门开度传感器（16）用于获取主变速档位控制轴（1）旋转角度，当主变速档位控制轴（1）转至一定角度时，Ⅰ档、R档拨叉运动至对应的档位位置，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，完成换向操纵。换档时，一号无刷直流减速电机（8）通过一号小带轮（7），二号同步带（5）和二号大带轮（6）带动副变速档位控制轴旋转，副变速档位控制轴（2）上的摆动杠杆带动位于变速箱内部的高、低档拨叉，从而带动高、低档拨叉轴前后移动，实现换向操纵，一号节气门开度传感器（15）用于获取副变速档位控制轴（2）旋转角度，当副变速档位控制轴（2）转至一定角度时，高、低档拨叉运动至对应的档位位置，二号无刷直流减速电机（9）停止转动，完成换档操纵。

多功能动力底盘选用1GZL-1200型履带式拖拉机，该拖拉机的主变速有四个档位，分别为为Ⅰ档，Ⅱ档，Ⅲ档，R档（倒挡），副变速有2个档位，分别为H档（高速档），L档（低速档），主变速档位分布呈H型，其中Ⅰ档和R档在同一侧，副变速H档和L档档位分布在一条直线上，由于果园作业对拖拉机行驶速度变化范围要求不高，在本发明中，主变速仅使用了Ⅰ档和R档，用于实现换向操纵，副变速通过切换H档和L档实现变速操纵，1GZL-1200型履带拖拉机的结构设计有利于本发明提出的一种果园多功能动力底盘电控变速系统的安装，1GZL-1200型履带拖拉机变速箱的设计及档位的分布与市场上常见的相同马力、规格的拖拉机基本一致，因此本发明提出的一种果园多功能动力底盘电控变速系统，在对换档操纵机构和离合器操纵机构的尺寸稍加改动即可安装在其它市场上常见的与1GZL-1200同规格，相同马力的小型拖拉机上。

通过CAN总线实现换档、换向指令的传递，有效减少了指令传递所需的线束，提高了系统的可靠性、灵活性，节省了布线成本。

选用HSC450可编程控制器作为TCU控制器，以进一步提高系统的稳定性，可靠性。

选用节气门开度传感器测量主、副变速控制轴角位移。与一般的测量用角位移传感器相比，节气门开度传感器防护性能好、成本低、测量精度较高，对工作环境恶劣的果园多功能动力底盘更具有适用性。

选用MK692型直流电机驱动板，通过两个I/O口高地电平变换即可实现电动推杆伸缩控制，通过调节PWM占空比调节电动推杆速度。

选用XD-WS37GB3650直流无刷电机驱动板，通过一个I/O口高地电平变换即可实现直流无刷电机正反转控制，通过调节PWM占空比调节电机转速。

选用YMD-608A电动推杆操纵离合器的分离接合，YMD-608A电动推杆内部集成电动推杆编码器，用于测量电动推杆位移。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权力要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是他们都将落入本发明的保护范围之内。