莫恭武 趙海瑞 魏國俊

1 拖拉機(jī)動(dòng)力換擋技術(shù)概述

動(dòng)力換擋技術(shù)，就是通過濕式離合器控制變速箱換擋，通過液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)器的不間斷換擋、換向操作。動(dòng)力換擋技術(shù)是相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械換擋而言的。動(dòng)力換擋拖拉機(jī)采用電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)不間斷換擋、換向，將復(fù)雜的操作過程簡化為簡單的按鈕操作，駕駛員可以在極其短暫的時(shí)間內(nèi)輕松完成復(fù)雜的各種作業(yè)過程，不僅大大降低了操作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還大大地提高了作業(yè)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了作業(yè)效率的提升。

動(dòng)力換擋可分為部分動(dòng)力換擋和全動(dòng)力換擋。部分動(dòng)力換擋，即機(jī)械（人力）、動(dòng)力混合換擋，主要應(yīng)用在定軸輪系（定軸齒輪傳動(dòng)）變速箱上，全動(dòng)力換擋多用在摩擦元件布置的周轉(zhuǎn)輪系（行星齒輪傳動(dòng)）變速箱上。

2 拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱工作原理

拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱是利用液壓離合器或制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在載荷下?lián)Q擋的機(jī)構(gòu)。動(dòng)力換擋變速箱分定軸齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)兩種。定軸齒輪傳動(dòng)變速箱具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、便于采用通用的換擋離合器等優(yōu)點(diǎn)，因此在輪式裝載機(jī)上，至今仍是一種典型結(jié)構(gòu)。行星齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊(齒輪、換擋離合器或制動(dòng)器的摩擦元件等尺寸均小)、傳動(dòng)效率高、徑向力平衡等優(yōu)點(diǎn)，因此，大多數(shù)動(dòng)力換擋變速箱均采用行星齒輪傳動(dòng)。

2.1 行星齒輪傳動(dòng)動(dòng)力換擋變速箱

先介紹行星齒輪的工作原理。行星齒輪機(jī)構(gòu)具有四個(gè)基本元件：太陽輪、行星輪、行星輪架、齒圈（如圖 1）。行星輪滑套在行星輪架上，同時(shí)和太陽輪、齒圈嚙合。行星齒輪機(jī)構(gòu)可以在太陽輪、行星輪架、齒圈三個(gè)基本元件之間任選兩個(gè)元件作為動(dòng)力輸入和輸出元件，采用制動(dòng)或其他方法使另一元件固定或以給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這樣單組行星齒輪傳動(dòng)變速器就以某一傳動(dòng)比傳遞動(dòng)力。

圖 1 行星齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成圖

單組行星齒輪機(jī)構(gòu)具有八種傳動(dòng)方案（見圖 2、表 1）。

圖 2 單組行星齒輪傳動(dòng)示意圖

表 1 單組行星齒輪傳動(dòng)方案

如果將多組行星齒輪串聯(lián)組合，將得到更多的動(dòng)力輸出方案。拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱正是根據(jù)行星齒輪的這種特性，通過電液控制系統(tǒng)控制執(zhí)行元件（離合器、制動(dòng)器）的結(jié)合（或分離），約束（或釋放）行星齒輪機(jī)構(gòu)的相關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)多擋動(dòng)力換擋。

圖 3 內(nèi)嚙合行星式動(dòng)力換擋機(jī)構(gòu)示意圖

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的利用功率，現(xiàn)代農(nóng)用拖拉機(jī)上，2～4擋的動(dòng)力換擋變速箱與機(jī)械換擋變速箱組成部分動(dòng)力換擋變速箱。其中，兩擋動(dòng)力換擋由于結(jié)構(gòu)較簡單、造價(jià)較低，已獲得廣泛采用。由多個(gè)行星機(jī)構(gòu)串聯(lián)成全動(dòng)力換擋變速箱，其操作方便，可獲得較高的生產(chǎn)率，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，只在部分大功率拖拉機(jī)上采用。兩擋動(dòng)力換擋用于部分動(dòng)力換擋的變速箱中，可實(shí)現(xiàn)高低擋間不停車換擋。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)換入低擋，負(fù)載減小則換入高擋。這樣，能使有級(jí)變速箱增加一倍的排擋數(shù)。內(nèi)嚙合行星式動(dòng)力換擋機(jī)構(gòu)（見圖 3所示）在輸入件齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)和制動(dòng)太陽輪時(shí)，行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出動(dòng)力，速比大于l。放松制動(dòng)器，接合離合器，使太陽輪與行星架互鎖，此時(shí)行星機(jī)構(gòu)成一體轉(zhuǎn)動(dòng)，速比為1。外嚙合行星式動(dòng)力換擋機(jī)構(gòu)見圖 4所示，放松制動(dòng)器，接合離合器，使輸入件太陽輪與行星架成一體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，速比為1。放松離合器，制動(dòng)行星架，此時(shí)行星傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成定軸傳動(dòng)，速比大于l。

2.2 定軸式齒輪傳動(dòng)動(dòng)力換擋變速箱

定軸式動(dòng)力換擋變速箱是將變速箱的換擋齒輪用離合器與其軸連接起來，通過換擋離合器的分離、接合實(shí)現(xiàn)換擋的。其特點(diǎn)是傳動(dòng)中齒輪與軸的位置固定。基本原理如圖 5所示：它由動(dòng)力輸入軸1、中間軸7、動(dòng)力輸出軸9、離合器3和離合器4、齒輪2和齒輪5的輪轂固裝在一起。齒輪2和齒輪5滑套在動(dòng)力輸入軸1上，與輸入軸各自單獨(dú)旋轉(zhuǎn)。齒輪8和齒輪10固定在動(dòng)力輸出軸上，分別和齒輪6、齒輪2相嚙合。齒輪6滑套在中間軸上（中間軸在此僅起支承作用），同時(shí)和齒輪5、齒輪8相嚙合。離合器3和離合器4都處于分離狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力由輸入軸傳遞到離合器3和離合器4的主動(dòng)片后再無法傳遞，變速箱處于空擋位置。離合器3結(jié)合、離合器4分離時(shí)，動(dòng)力由輸入軸經(jīng)離合器3、齒輪2傳遞到齒輪10，最后由輸出軸輸出。此時(shí)，齒輪5、6、8和離合器4的從動(dòng)片隨輸出軸空轉(zhuǎn)，主動(dòng)片隨輸入軸旋轉(zhuǎn)，互不干涉。同理，離合器3分離、離合器4結(jié)合時(shí)，變速器又實(shí)現(xiàn)倒擋。

圖 4 外嚙合行星式動(dòng)力換擋機(jī)構(gòu)示意圖

圖 5 定軸式動(dòng)力換擋變速箱基本原理示意圖

3 拖拉機(jī)動(dòng)力換擋技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）動(dòng)力換擋的應(yīng)用功率范圍：73.5kW（100hp）以上。

（2）帶有動(dòng)力換向的動(dòng)力換擋傳動(dòng)系是應(yīng)用的主流，具有最佳的性價(jià)比，應(yīng)用功率范圍逐漸加大。

（3）部分動(dòng)力換擋傳動(dòng)系應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到了73.5kW（100hp）功率段，如Massey Ferguson6455和John Deere6330等機(jī)型。

（4）隨著液壓元件性能的提升和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，動(dòng)力換擋和動(dòng)力換向技術(shù)從依靠液壓反饋控制換擋過程，發(fā)展為采用傳動(dòng)系電控系統(tǒng)（TCU）控制換擋過程。TCU根據(jù)換擋時(shí)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、油溫、油壓等數(shù)據(jù)對(duì)換擋過程自動(dòng)實(shí)時(shí)控制。還可實(shí)現(xiàn)與其他部件的綜合自動(dòng)控制，進(jìn)一步提高操縱舒適性和工作效率。

（5）全動(dòng)力換擋傳動(dòng)系由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，正逐步退出大中功率段，主要應(yīng)用在147 kW（200hp）以上的大功率段拖拉機(jī)產(chǎn)品，以發(fā)揮其傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。

（6）隨著液壓元件性能的提升，液壓傳動(dòng)效率有了明顯改善，液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)的CVT傳動(dòng)系得到了更為普遍的采用。

4 動(dòng)力換擋技術(shù)發(fā)展情況

4.1 國際上拖拉機(jī)傳動(dòng)系發(fā)展時(shí)間表（見圖 6）

4.2 我國拖拉機(jī)變速箱換擋技術(shù)發(fā)展情況

我國拖拉機(jī)目前廣泛采用滑動(dòng)齒輪和嚙合套兩種換擋方式，少部分采用同步器換擋方式，其中滑動(dòng)齒輪和嚙合套是國際市場上的淘汰產(chǎn)品。動(dòng)力換擋技術(shù)在中外合資拖拉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中得到應(yīng)用，主要是在大馬力段范圍內(nèi)，如凱斯、紐荷蘭、約翰迪爾、麥賽福格森等品牌的大功率拖拉機(jī)。這些拖拉機(jī)在國內(nèi)已有相當(dāng)多的用戶，主要集中在東北、內(nèi)蒙、新疆等地的大型農(nóng)場。

圖 6 國際上拖拉機(jī)傳動(dòng)系發(fā)展時(shí)間表

然而，目前國內(nèi)拖拉機(jī)企業(yè)還沒有研發(fā)出動(dòng)力換擋變速箱，現(xiàn)有動(dòng)力換擋變速箱均為進(jìn)口產(chǎn)品。從公開資料來看，中國一拖、常州東風(fēng)農(nóng)機(jī)集團(tuán)有限公司等國內(nèi)拖拉機(jī)龍頭企業(yè)正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。同時(shí)，國內(nèi)不少拖拉機(jī)企業(yè)也在按自身計(jì)劃進(jìn)行研發(fā)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，國內(nèi)企業(yè)依靠自己的力量研發(fā)動(dòng)力換擋變速箱，離成功還有很遠(yuǎn)的路要走。其難點(diǎn)在于：國內(nèi)目前在動(dòng)力換擋技術(shù)（包括電控、液壓、機(jī)械）方面缺乏基礎(chǔ)性的研究；在材料材質(zhì)要求、加工手段和精度等方面達(dá)不到要求，沒有解決動(dòng)力換擋系統(tǒng)的可靠性問題；同時(shí)研發(fā)的經(jīng)濟(jì)成本也是制約因素，因?yàn)閲鴥?nèi)沒有與動(dòng)力換擋配套的產(chǎn)業(yè)鏈。

從近期來看，國內(nèi)在拖拉機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向上，應(yīng)首先發(fā)展為同步器換擋或者主變速為同步器換擋、副變速為嚙合套換擋。同時(shí)，應(yīng)充分吸收國外先進(jìn)技術(shù)，積極研制和應(yīng)用動(dòng)力換擋變速箱，縮短與國際拖拉機(jī)發(fā)展水平的差距。

[1]趙剡水,楊為民.農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)發(fā)展觀察.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)[J]，2010(6).

[2]王祿明.拖拉機(jī)動(dòng)力換擋.中國農(nóng)業(yè)百科全書[M]農(nóng)業(yè)機(jī)械化卷.