拖拉機動力換擋技術研究現狀及發展趨勢

杜威　趙升噸　高景洲　鄭臻皓

摘 要：為了適應農業生產現代化的需要，動力換擋變速箱在拖拉機中的使用越來越廣泛，我國由于起步較晚，在這方面與國外仍有較大的技術差距。文章介紹了動力換擋變速箱的基本原理，分析了國內外動力換擋技術在拖拉機上應用的發展過程和技術現狀，在此基礎上，詳細闡述了動力換擋變速箱的三項關鍵技術，并分析了未來的發展趨勢。

關鍵詞：拖拉機;動力換擋;變速箱;發展趨勢

中圖分類號：S219 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）03-216-04

前言

隨著我國經濟的快速發展，農業機械化水平不斷提高，對農業機械的技術水平也提出了更高的要求[1-2]。拖拉機就是農業生產中的一種重要機械設備，承擔著耕種、施肥、播種和收獲等任務，在農業現代化進程中發揮著重要的作用。為適應生產需要，拖拉機正朝著高性能、智能化的方向發展[3-5]。而傳動系統作為車輛的重要組成部分，是各大拖拉機廠家設計研發的主要目標之一。

和普通乘用車相比，拖拉機必須能夠適應更加復雜的路況和更苛刻的工作條件[6]，拖拉機的一個主要特點是能夠在低速行駛的情況下提供很大的牽引力，因此傳動系統是影響拖拉機性能的關鍵部件之一。動力換擋式變速箱因換擋時動力不會中斷，能夠適應更寬的調速范圍和更大的載荷變化，成為了目前拖拉機上使用的主流變速箱。這種變速箱配備的擋位比較多（通常有9～30個擋位），它允許在發動機到驅動輪之間沒有動力損失的情況下換擋[7-8]。當拖拉機遇到較差的路況時，變速箱能夠在保證動力傳輸的情況下快速降擋，當通過較差的路況后，變速箱能夠及時升擋，以滿足拖拉機的速度需求，并且在升降擋的過程中，完全不需要駕駛員操作。

本文介紹了動力換擋變速箱的工作原理，分析了動力換擋變速箱的國內外發展現狀，并在此基礎上總結了動力換擋變速箱的關鍵技術及發展趨勢。

1 動力換擋變速箱的原理

動力換擋變速箱和傳統變速箱的主要區別在于其換擋時能夠實現動力不中斷，在目前廣泛使用的動力換擋變速箱中，都是通過多個濕式離合器來實現這一功能。典型的兩擋動力換擋變速箱的原理如圖1所示。輸入端連接發動機，輸出端連接主減速器，CLA和CLB為換擋過程中使用的濕式離合器，當CLA接合，CLB斷開時為1擋;當CLA斷開，CLB接合時為2擋，在變速箱從1擋切換到2擋的過程中，CLA斷開，CLB接合，通過控制兩個離合器的接合斷開過程，使CLA的斷開過程和CLB的接合過程有一段時間重合，從而實現換擋時動力不中斷的功能。

2 動力換擋變速箱研究現狀

2.1 國外研究現狀

動力換擋變速箱最早是在1959年由美國卡特彼勒公司提出，并在其生產的D9E履帶式拖拉機上首次安裝，裝有動力換擋變速箱的拖拉機一問世，就吸引了眾多公司的關注。自那以后，美國的薩姆（Same）、凱斯（Case）、蘭蒂尼（Landini）等公司也開始研發動力換擋變速箱，這種變速箱的換擋過程完全自動化，不需要駕駛員參與，能夠在動力不中斷的情況下實現換擋[9]。上世紀80年代以后，動力換擋變速箱開始在拖拉機上普通使用，動力換擋變速箱也越來越被人熟知[10]。1982年，Cash-H公司在Maxxum拖拉機上使用動力換擋變速箱，在同步區段上應用4個動力換擋的擋位;而在Steiger Panther 1000拖拉機中安裝的動力換擋變速箱，首次實現了12擋電子動力換擋，駕駛者操作簡單，大大提高了工作效率。德國ZF公司在上世紀90年代中葉也推出了ZF T7000系列動力換擋變速箱，在實現動力換擋的同時，還安裝有倒擋器。目前，國外大部分拖拉機廠商都提供帶有動力換擋變速裝置的拖拉機，如意大利蘭蒂尼（Landini）公司的Legend系列、荷蘭Ford公司的30系列，法國雷諾公司的175-74T2系列，Caterpillar公司的Challenger65系列，Case公司的CX系列、Maxxum系列、Magnum系列，Same公司的Silver系列等[11-12]。

2.2 國內研究現狀

與國外相比，國內的動力換擋技術比較落后，最早是應用在工程機械上。如1966年廣西柳工Z435裝載機上使用的定軸式變速箱，1970年在ZL50裝載機上安裝了液力傳動行星式動力換擋變速箱[13]。在80年代引入了德國ZF公司的電液控制定軸式變速箱和日本TCM叉車變速箱等先進技術，使我國在動力換擋變速箱上的水平有了較大進步。目前動力換擋變速箱主要在壓路機、叉車、推土機、平地機和裝載機上的應用較多。直到2010年，中國一拖集團與國外合作，研發了東方紅LZ、LA、LF等系列大型動力換擋拖拉機，使我國在動力換擋拖拉機上實現了巨大的突破。目前，國內已有福田雷沃重工、山東常林、五征集團、常州東風和江蘇常發等農機制造企業開展了拖拉機動力換擋技術的研究，并已有部分產品進入農機市場。但和國外相比，仍然相對落后[14-15]。

3 動力換擋變速箱的分類

根據變速箱是否所有的擋位都能實現動力換擋，可分為全動力換擋變速箱和部分動力換擋變速箱兩類。

全動力換擋變速箱是指所有擋位都能實現動力換擋的變速箱。與部分動力換擋變速箱相比，全動力換擋的拖拉機性能更好，操縱更方便。如John Deere公司的9620型拖拉機，Case公司的Magnum系列拖拉機，AGCO Allis公司的9745型拖拉機，Ford公司的8770型拖拉機[16-17]。但全動力換擋變速箱由于所有的擋位都能實現動力換擋，需要安裝的濕式離合器更多，對控制系統的要求更高，結構也更復雜。

部分動力換擋是由全動力換擋變速箱與非動力換擋變速箱串聯組成，只有部分擋位采用動力換擋。根據農業生產的具體需求，給拖拉機設計幾種工作模式，對應幾個擋位區段，在同一區段內采用動力換擋，不同區段之間采用傳統的同步器換擋。在進行動力換擋時，非動力換擋變速箱的離合器保持接合狀態，通過控制動力換擋變速箱的離合器的接合與分離，保證動力不中斷。部分動力換擋變速箱不如全動力換擋操作方便，但具有結構簡單、可靠性高、成本低等優點，因此在拖拉機上的使用也很廣泛。如Deuzt-Fahr公司的Agrotron系列，John Deere公司的6000/7000系列，Landini公司的Legend系列，Case公司的CX系列、Maxxum系列，中國一拖集團的東方紅147kW系列等[18]。

拖拉機用動力換擋變速箱按照齒輪系的結構可分為行星輪系式和定軸式兩類[19]。

行星輪系式動力換擋變速箱利用了行星輪系的優點，能夠同軸布置，因此徑向尺寸小，結構比較緊湊。通過多排行星輪系與多個濕式離合器的組合，能夠在很寬的傳動比范圍內設置多個擋位。并且由于行星輪系的扭矩通過多個行星輪傳遞，單個行星輪上承受的扭矩較小，對齒輪材料的性能要求較低。圖2是安裝在Ford971拖拉機上的行星輪式全動力換擋變速箱，由四排行星輪系、三個濕式離合器和三個制動器組成了10個前進擋和兩個倒擋。從圖上可以看出，由于采用了同軸布置，換擋機構的結構較復雜，需要多層軸嵌套，零部件軸向定位困難。為了獲得較好的換擋性能，對零部件的加工和裝配精度提出了很高的要求[20]。

與行星輪系式動力換擋變速箱相比，定軸式動力換擋變速箱具有結構簡單，對零部件加工和裝配的精度要求低，維修方便等特點。目前市場上的拖拉機動力換擋變速箱大部分都采用了這種結構，圖3是New Holland公司生產的TG系列拖拉機定軸式全動力換擋變速箱的結構簡圖。該變速箱由一個主變速箱和一個副變速箱串聯組成，共有24個前進擋和6個倒擋，還帶有爬行擋。主副變速箱的換擋操作均通過摩擦式離合器實現，由于其由多級傳動串聯組成，傳動比范圍大，同樣傳動比范圍下變速箱的尺寸和質量較小。缺點是變速箱橫向尺寸大，由于傳動比為多級分配，每級傳動都有能量損失，總傳動效率較低[21]。

從動力換擋變速箱的傳動結構來看，其能夠保持換擋過程中動力不中斷的主要原因是采用了多個摩擦元件，即離合器與制動器。通過電液控制系統控制摩擦元件的接合與斷開，大大縮短了換擋的時間。

4 動力換擋變速箱關鍵技術

4.1 濕式離合器摩擦片的材料

摩擦片是濕式離合器的重要組成部件，起著傳遞扭矩的作用。在汽車行駛過程中需要根據路況不斷的切換擋位，離合器需要不斷地接合與分離，主從動盤之間存在滑摩，產生熱量，因此對摩擦片的材料提出了很高的性能要求。摩擦材料從最初的燒結金屬摩擦材料到石棉基摩擦材料，耐高溫、耐磨性能不斷提高。但目前國產的濕式離合器中使用的摩擦材料多為燒結青銅粉末冶金材料，與國外相比發展水平落后。因此研發高性能的摩擦材料是動力換擋變速箱的關鍵技術之一。

4.2 換擋控制策略

動力換擋變速箱在換擋時需要同時控制兩個離合器，在保證換擋時動力不中斷的前提下，還要考慮到換擋時車輛的平穩性，以及離合器摩擦片的磨損量等。如果控制離合器接合的太急，會產生較大的起動脈動和發動機轉矩的較大波動，并可能導致發動機熄火;如果追求接合平穩，且接合速度過慢，則嚙合過程中離合器主動盤與從動盤之間的滑動摩擦產生的摩擦功將很大，產生大量熱量，導致表明溫度急劇升高，進而導致摩擦盤變形、燃燒，甚至劃傷和潤滑失效，并縮短離合器的使用壽命。因此換擋控制策略一直是動力換擋變速箱的關鍵技術之一。

4.3 基于CAN總線的通信技術

CAN總線通信目前被廣泛的使用在汽車電子系統中，通過CAN總線，能夠實現汽車中各個控制單元之間的信息互通。在動力換擋變速箱中，為了實現快速、準確、平穩的換擋，換擋控制器需要采集車上多個傳感器的信息，如發動機轉速轉矩、油門踏板開度、升降擋指令等。換擋控制器通過CAN總線采集這些，同時也將變速箱的信息，如擋位、液壓油溫度、離合器壓力等。CAN總線通信的穩定性和信號傳輸速率影響著換擋品質，是動力換擋變速箱的關鍵技術之一。

5 動力換擋變速箱的發展趨勢

5.1 實現多種工作模式

拖拉機除了要滿足多種農業生產的要求外，也要承擔一定的運輸工作。為了提高拖拉機在不同工作要求下的動力性和燃油經濟性，可以根據不同的具體需求劃分不同的工作模式，如為運輸農作物設置專門的運輸模式，為了提高爬坡時的性能設置專門的爬坡模式等。工作模式的劃分為駕駛員的操作提供了便利性，提高了變速箱的整體工作效率。

5.2 優化換擋控制策略

換擋控制策略一直是動力換擋變速箱的核心技術之一，目前在動力換擋變速箱上應用較多的為多參數換擋控制策略，以油門踏板開度、發動機轉速和負載需求來確定最合適的擋位。隨著近年來人工智能技術的進步，變速箱的換擋控制策略也在往智能控制方向發展，其主要特點是不依賴于系統的數學模型，根據之前的駕駛行為的數據在線學習，不斷的對換擋控制策略進行優化和調整，以適應當前的行駛狀態。

5.3 提高系統的可靠性

影響動力換擋變速箱工作可靠性的主要零部件是電液控制系統，由于需要同時控制多個濕式離合器的接合與分離，對電液控制系統的可靠性提出了更高的要求。其中加強容錯控制是提高系統可靠性的重點，通過引入智能控制策略，設置冗余執行機構等方式確保汽車在極端路況和天氣的條件下也能保證系統安全穩定的運行。

6 結論

隨著拖拉機對傳動系統性能要求越來越高，動力換擋變速箱將逐漸成為拖拉機上使用的主流變速箱。我國對動力換擋技術的研究由于起步較晚，與國外仍有較大差距。本文在結合國內外動力換擋變速箱的發展現狀的基礎上，闡述了研發動力換擋變速箱的關鍵技術，并總結了動力換擋變速箱的發展趨勢。

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