拖拉机动力换挡技术研究现状及发展趋势

杜威　赵升吨　高景洲　郑臻皓

摘 要：为了适应农业生产现代化的需要，动力换挡变速箱在拖拉机中的使用越来越广泛，我国由于起步较晚，在这方面与国外仍有较大的技术差距。文章介绍了动力换挡变速箱的基本原理，分析了国内外动力换挡技术在拖拉机上应用的发展过程和技术现状，在此基础上，详细阐述了动力换挡变速箱的三项关键技术，并分析了未来的发展趋势。

关键词：拖拉机;动力换挡;变速箱;发展趋势

中图分类号：S219  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-216-04

前言

随着我国经济的快速发展，农业机械化水平不断提高，对农业机械的技术水平也提出了更高的要求[1-2]。拖拉机就是农业生产中的一种重要机械设备，承担着耕种、施肥、播种和收获等任务，在农业现代化进程中发挥着重要的作用。为适应生产需要，拖拉机正朝着高性能、智能化的方向发展[3-5]。而传动系统作为车辆的重要组成部分，是各大拖拉机厂家设计研发的主要目标之一。

和普通乘用车相比，拖拉机必须能够适应更加复杂的路况和更苛刻的工作条件[6]，拖拉机的一个主要特点是能够在低速行驶的情况下提供很大的牵引力，因此传动系统是影响拖拉机性能的关键部件之一。动力换挡式变速箱因换挡时动力不会中断，能够适应更宽的调速范围和更大的载荷变化，成为了目前拖拉机上使用的主流变速箱。这种变速箱配备的挡位比较多（通常有9～30个挡位），它允许在发动机到驱动轮之间没有动力损失的情况下换挡[7-8]。当拖拉机遇到较差的路况时，变速箱能够在保证动力传输的情况下快速降挡，当通过较差的路况后，变速箱能够及时升挡，以满足拖拉机的速度需求，并且在升降挡的过程中，完全不需要驾驶员操作。

本文介绍了动力换挡变速箱的工作原理，分析了动力换挡变速箱的国内外发展现状，并在此基础上总结了动力换挡变速箱的关键技术及发展趋势。

1 动力换挡变速箱的原理

动力换挡变速箱和传统变速箱的主要区别在于其换挡时能够实现动力不中断，在目前广泛使用的动力换挡变速箱中，都是通过多个湿式离合器来实现这一功能。典型的两挡动力换挡变速箱的原理如图1所示。输入端连接发动机，输出端连接主减速器，CLA和CLB为换挡过程中使用的湿式离合器，当CLA接合，CLB断开时为1挡;当CLA断开，CLB接合时为2挡，在变速箱从1挡切换到2挡的过程中，CLA断开，CLB接合，通过控制两个离合器的接合断开过程，使CLA的断开过程和CLB的接合过程有一段时间重合，从而实现换挡时动力不中断的功能。

2 动力换挡变速箱研究现状

2.1 国外研究现状

动力换挡变速箱最早是在1959年由美国卡特彼勒公司提出，并在其生产的D9E履带式拖拉机上首次安装，装有动力换挡变速箱的拖拉机一问世，就吸引了众多公司的关注。自那以后，美国的萨姆（Same）、凯斯（Case）、蘭蒂尼（Landini）等公司也开始研发动力换挡变速箱，这种变速箱的换挡过程完全自动化，不需要驾驶员参与，能够在动力不中断的情况下实现换挡[9]。上世纪80年代以后，动力换挡变速箱开始在拖拉机上普通使用，动力换挡变速箱也越来越被人熟知[10]。1982年，Cash-H公司在Maxxum拖拉机上使用动力换挡变速箱，在同步区段上应用4个动力换挡的挡位;而在Steiger Panther 1000拖拉机中安装的动力换挡变速箱，首次实现了12挡电子动力换挡，驾驶者操作简单，大大提高了工作效率。德国ZF公司在上世纪90年代中叶也推出了ZF T7000系列动力换挡变速箱，在实现动力换挡的同时，还安装有倒挡器。目前，国外大部分拖拉机厂商都提供带有动力换挡变速装置的拖拉机，如意大利兰蒂尼（Landini）公司的Legend系列、荷兰Ford公司的30系列，法国雷诺公司的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 国内研究现状

与国外相比，国内的动力换挡技术比较落后，最早是应用在工程机械上。如1966年广西柳工Z435装载机上使用的定轴式变速箱，1970年在ZL50装载机上安装了液力传动行星式动力换挡变速箱[13]。在80年代引入了德国ZF公司的电液控制定轴式变速箱和日本TCM叉车变速箱等先进技术，使我国在动力换挡变速箱上的水平有了较大进步。目前动力换挡变速箱主要在压路机、叉车、推土机、平地机和装载机上的应用较多。直到2010年，中国一拖集团与国外合作，研发了东方红LZ、LA、LF等系列大型动力换挡拖拉机，使我国在动力换挡拖拉机上实现了巨大的突破。目前，国内已有福田雷沃重工、山东常林、五征集团、常州东风和江苏常发等农机制造企业开展了拖拉机动力换挡技术的研究，并已有部分产品进入农机市场。但和国外相比，仍然相对落后[14-15]。

3 动力换挡变速箱的分类

根据变速箱是否所有的挡位都能实现动力换挡，可分为全动力换挡变速箱和部分动力换挡变速箱两类。

全动力换挡变速箱是指所有挡位都能实现动力换挡的变速箱。与部分动力换挡变速箱相比，全动力换挡的拖拉机性能更好，操纵更方便。如John Deere公司的9620型拖拉机，Case公司的Magnum系列拖拉机，AGCO Allis公司的9745型拖拉机，Ford公司的8770型拖拉机[16-17]。但全动力换挡变速箱由于所有的挡位都能实现动力换挡，需要安装的湿式离合器更多，对控制系统的要求更高，结构也更复杂。

部分动力换挡是由全动力换挡变速箱与非动力换挡变速箱串联组成，只有部分挡位采用动力换挡。根据农业生产的具体需求，给拖拉机设计几种工作模式，对应几个挡位区段，在同一区段内采用动力换挡，不同区段之间采用传统的同步器换挡。在进行动力换挡时，非动力换挡变速箱的离合器保持接合状态，通过控制动力换挡变速箱的离合器的接合与分离，保证动力不中断。部分动力换挡变速箱不如全动力换挡操作方便，但具有结构简单、可靠性高、成本低等优点，因此在拖拉机上的使用也很广泛。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，中国一拖集团的东方红147kW系列等[18]。

拖拉机用动力换挡变速箱按照齿轮系的结构可分为行星轮系式和定轴式两类[19]。

行星轮系式动力换挡变速箱利用了行星轮系的优点，能够同轴布置，因此径向尺寸小，结构比较紧凑。通过多排行星轮系与多个湿式离合器的组合，能够在很宽的传动比范围内设置多个挡位。并且由于行星轮系的扭矩通过多个行星轮传递，单个行星轮上承受的扭矩较小，对齿轮材料的性能要求较低。图2是安装在Ford971拖拉机上的行星轮式全动力换挡变速箱，由四排行星轮系、三个湿式离合器和三个制动器组成了10个前进挡和两个倒挡。从图上可以看出，由于采用了同轴布置，换挡机构的结构较复杂，需要多层轴嵌套，零部件轴向定位困难。为了获得较好的换挡性能，对零部件的加工和装配精度提出了很高的要求[20]。

与行星轮系式动力换挡变速箱相比，定轴式动力换挡变速箱具有结构简单，对零部件加工和装配的精度要求低，维修方便等特点。目前市场上的拖拉机动力换挡变速箱大部分都采用了这种结构，图3是New Holland公司生产的TG系列拖拉机定轴式全动力换挡变速箱的结构简图。该变速箱由一个主变速箱和一个副变速箱串联组成，共有24个前进挡和6个倒挡，还带有爬行挡。主副变速箱的换挡操作均通过摩擦式离合器实现，由于其由多级传动串联组成，传动比范围大，同样传动比范围下变速箱的尺寸和质量较小。缺点是变速箱横向尺寸大，由于传动比为多级分配，每级传动都有能量损失，总传动效率较低[21]。

从动力换挡变速箱的传动结构来看，其能够保持换挡过程中动力不中断的主要原因是采用了多个摩擦元件，即离合器与制动器。通过电液控制系统控制摩擦元件的接合与断开，大大缩短了换挡的时间。

4 动力换挡变速箱关键技术

4.1 湿式离合器摩擦片的材料

摩擦片是湿式离合器的重要组成部件，起着传递扭矩的作用。在汽车行驶过程中需要根据路况不断的切换挡位，离合器需要不断地接合与分离，主从动盘之间存在滑摩，产生热量，因此对摩擦片的材料提出了很高的性能要求。摩擦材料从最初的烧结金属摩擦材料到石棉基摩擦材料，耐高温、耐磨性能不断提高。但目前国产的湿式离合器中使用的摩擦材料多为烧结青铜粉末冶金材料，与国外相比发展水平落后。因此研发高性能的摩擦材料是动力换挡变速箱的关键技术之一。

4.2 换挡控制策略

动力换挡变速箱在换挡时需要同时控制两个离合器，在保证换挡时动力不中断的前提下，还要考虑到换挡时车辆的平穩性，以及离合器摩擦片的磨损量等。如果控制离合器接合的太急，会产生较大的起动脉动和发动机转矩的较大波动，并可能导致发动机熄火;如果追求接合平稳，且接合速度过慢，则啮合过程中离合器主动盘与从动盘之间的滑动摩擦产生的摩擦功将很大，产生大量热量，导致表明温度急剧升高，进而导致摩擦盘变形、燃烧，甚至划伤和润滑失效，并缩短离合器的使用寿命。因此换挡控制策略一直是动力换挡变速箱的关键技术之一。

4.3 基于CAN总线的通信技术

CAN总线通信目前被广泛的使用在汽车电子系统中，通过CAN总线，能够实现汽车中各个控制单元之间的信息互通。在动力换挡变速箱中，为了实现快速、准确、平稳的换挡，换挡控制器需要采集车上多个传感器的信息，如发动机转速转矩、油门踏板开度、升降挡指令等。换挡控制器通过CAN总线采集这些，同时也将变速箱的信息，如挡位、液压油温度、离合器压力等。CAN总线通信的稳定性和信号传输速率影响着换挡品质，是动力换挡变速箱的关键技术之一。

5 动力换挡变速箱的发展趋势

5.1 实现多种工作模式

拖拉机除了要满足多种农业生产的要求外，也要承担一定的运输工作。为了提高拖拉机在不同工作要求下的动力性和燃油经济性，可以根据不同的具体需求划分不同的工作模式，如为运输农作物设置专门的运输模式，为了提高爬坡时的性能设置专门的爬坡模式等。工作模式的划分为驾驶员的操作提供了便利性，提高了变速箱的整体工作效率。

5.2 优化换挡控制策略

换挡控制策略一直是动力换挡变速箱的核心技术之一，目前在动力换挡变速箱上应用较多的为多参数换挡控制策略，以油门踏板开度、发动机转速和负载需求来确定最合适的挡位。随着近年来人工智能技术的进步，变速箱的换挡控制策略也在往智能控制方向发展，其主要特点是不依赖于系统的数学模型，根据之前的驾驶行为的数据在线学习，不断的对换挡控制策略进行优化和调整，以适应当前的行驶状态。

5.3 提高系统的可靠性

影响动力换挡变速箱工作可靠性的主要零部件是电液控制系统，由于需要同时控制多个湿式离合器的接合与分离，对电液控制系统的可靠性提出了更高的要求。其中加强容错控制是提高系统可靠性的重点，通过引入智能控制策略，设置冗余执行机构等方式确保汽车在极端路况和天气的条件下也能保证系统安全稳定的运行。

6 结论

随着拖拉机对传动系统性能要求越来越高，动力换挡变速箱将逐渐成为拖拉机上使用的主流变速箱。我国对动力换挡技术的研究由于起步较晚，与国外仍有较大差距。本文在结合国内外动力换挡变速箱的发展现状的基础上，阐述了研发动力换挡变速箱的关键技术，并总结了动力换挡变速箱的发展趋势。

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