拖拉机动力换挡技术

莫恭武 赵海瑞 魏国俊

1 拖拉机动力换挡技术概述

动力换挡技术，就是通过湿式离合器控制变速箱换挡，通过液压控制系统实现传动器的不间断换挡、换向操作。动力换挡技术是相对于传统的机械换挡而言的。动力换挡拖拉机采用电子控制系统，实现了拖拉机不间断换挡、换向，将复杂的操作过程简化为简单的按钮操作，驾驶员可以在极其短暂的时间内轻松完成复杂的各种作业过程，不仅大大降低了操作难度和劳动强度，而且还大大地提高了作业质量，从而实现了作业效率的提升。

动力换挡可分为部分动力换挡和全动力换挡。部分动力换挡，即机械（人力）、动力混合换挡，主要应用在定轴轮系（定轴齿轮传动）变速箱上，全动力换挡多用在摩擦元件布置的周转轮系（行星齿轮传动）变速箱上。

2 拖拉机动力换挡变速箱工作原理

拖拉机动力换挡变速箱是利用液压离合器或制动器实现拖拉机在载荷下换挡的机构。动力换挡变速箱分定轴齿轮传动和行星齿轮传动两种。定轴齿轮传动变速箱具有结构简单、制造容易、便于采用通用的换挡离合器等优点，因此在轮式装载机上，至今仍是一种典型结构。行星齿轮传动具有结构紧凑(齿轮、换挡离合器或制动器的摩擦元件等尺寸均小)、传动效率高、径向力平衡等优点，因此，大多数动力换挡变速箱均采用行星齿轮传动。

2.1 行星齿轮传动动力换挡变速箱

先介绍行星齿轮的工作原理。行星齿轮机构具有四个基本元件：太阳轮、行星轮、行星轮架、齿圈（如图 1）。行星轮滑套在行星轮架上，同时和太阳轮、齿圈啮合。行星齿轮机构可以在太阳轮、行星轮架、齿圈三个基本元件之间任选两个元件作为动力输入和输出元件，采用制动或其他方法使另一元件固定或以给定转速旋转，这样单组行星齿轮传动变速器就以某一传动比传递动力。

图 1 行星齿轮机构构成图

单组行星齿轮机构具有八种传动方案（见图 2、表 1）。

图 2 单组行星齿轮传动示意图

表 1 单组行星齿轮传动方案

如果将多组行星齿轮串联组合，将得到更多的动力输出方案。拖拉机动力换挡变速箱正是根据行星齿轮的这种特性，通过电液控制系统控制执行元件（离合器、制动器）的结合（或分离），约束（或释放）行星齿轮机构的相关元件，实现多挡动力换挡。

图 3 内啮合行星式动力换挡机构示意图

为了提高发动机的利用功率，现代农用拖拉机上，2～4挡的动力换挡变速箱与机械换挡变速箱组成部分动力换挡变速箱。其中，两挡动力换挡由于结构较简单、造价较低，已获得广泛采用。由多个行星机构串联成全动力换挡变速箱，其操作方便，可获得较高的生产率，但结构较复杂，成本高，只在部分大功率拖拉机上采用。两挡动力换挡用于部分动力换挡的变速箱中，可实现高低挡间不停车换挡。当负载增大时换入低挡，负载减小则换入高挡。这样，能使有级变速箱增加一倍的排挡数。内啮合行星式动力换挡机构（见图 3所示）在输入件齿圈转动和制动太阳轮时，行星架转动，输出动力，速比大于l。放松制动器，接合离合器，使太阳轮与行星架互锁，此时行星机构成一体转动，速比为1。外啮合行星式动力换挡机构见图 4所示，放松制动器，接合离合器，使输入件太阳轮与行星架成一体转动时，速比为1。放松离合器，制动行星架，此时行星传动转换成定轴传动，速比大于l。

2.2 定轴式齿轮传动动力换挡变速箱

定轴式动力换挡变速箱是将变速箱的换挡齿轮用离合器与其轴连接起来，通过换挡离合器的分离、接合实现换挡的。其特点是传动中齿轮与轴的位置固定。基本原理如图 5所示：它由动力输入轴1、中间轴7、动力输出轴9、离合器3和离合器4、齿轮2和齿轮5的轮毂固装在一起。齿轮2和齿轮5滑套在动力输入轴1上，与输入轴各自单独旋转。齿轮8和齿轮10固定在动力输出轴上，分别和齿轮6、齿轮2相啮合。齿轮6滑套在中间轴上（中间轴在此仅起支承作用），同时和齿轮5、齿轮8相啮合。离合器3和离合器4都处于分离状态时，动力由输入轴传递到离合器3和离合器4的主动片后再无法传递，变速箱处于空挡位置。离合器3结合、离合器4分离时，动力由输入轴经离合器3、齿轮2传递到齿轮10，最后由输出轴输出。此时，齿轮5、6、8和离合器4的从动片随输出轴空转，主动片随输入轴旋转，互不干涉。同理，离合器3分离、离合器4结合时，变速器又实现倒挡。

图 4 外啮合行星式动力换挡机构示意图

图 5 定轴式动力换挡变速箱基本原理示意图

3 拖拉机动力换挡技术的应用现状

（1）动力换挡的应用功率范围：73.5kW（100hp）以上。

（2）带有动力换向的动力换挡传动系是应用的主流，具有最佳的性价比，应用功率范围逐渐加大。

（3）部分动力换挡传动系应用范围已扩展到了73.5kW（100hp）功率段，如Massey Ferguson6455和John Deere6330等机型。

（4）随着液压元件性能的提升和计算机控制技术的应用，动力换挡和动力换向技术从依靠液压反馈控制换挡过程，发展为采用传动系电控系统（TCU）控制换挡过程。TCU根据换挡时负荷、转速、油温、油压等数据对换挡过程自动实时控制。还可实现与其他部件的综合自动控制，进一步提高操纵舒适性和工作效率。

（5）全动力换挡传动系由于结构复杂、成本高，正逐步退出大中功率段，主要应用在147 kW（200hp）以上的大功率段拖拉机产品，以发挥其传动效率高的特点。

（6）随着液压元件性能的提升，液压传动效率有了明显改善，液压机械双流传动的CVT传动系得到了更为普遍的采用。

4 动力换挡技术发展情况

4.1 国际上拖拉机传动系发展时间表（见图 6）

4.2 我国拖拉机变速箱换挡技术发展情况

我国拖拉机目前广泛采用滑动齿轮和啮合套两种换挡方式，少部分采用同步器换挡方式，其中滑动齿轮和啮合套是国际市场上的淘汰产品。动力换挡技术在中外合资拖拉机生产企业中得到应用，主要是在大马力段范围内，如凯斯、纽荷兰、约翰迪尔、麦赛福格森等品牌的大功率拖拉机。这些拖拉机在国内已有相当多的用户，主要集中在东北、内蒙、新疆等地的大型农场。

图 6 国际上拖拉机传动系发展时间表

然而，目前国内拖拉机企业还没有研发出动力换挡变速箱，现有动力换挡变速箱均为进口产品。从公开资料来看，中国一拖、常州东风农机集团有限公司等国内拖拉机龙头企业正在进行相关研发。同时，国内不少拖拉机企业也在按自身计划进行研发。据业内人士分析，国内企业依靠自己的力量研发动力换挡变速箱，离成功还有很远的路要走。其难点在于：国内目前在动力换挡技术（包括电控、液压、机械）方面缺乏基础性的研究；在材料材质要求、加工手段和精度等方面达不到要求，没有解决动力换挡系统的可靠性问题；同时研发的经济成本也是制约因素，因为国内没有与动力换挡配套的产业链。

从近期来看，国内在拖拉机传动技术的发展方向上，应首先发展为同步器换挡或者主变速为同步器换挡、副变速为啮合套换挡。同时，应充分吸收国外先进技术，积极研制和应用动力换挡变速箱，缩短与国际拖拉机发展水平的差距。

[1]赵剡水,杨为民.农业拖拉机发展观察.农业机械学报[J]，2010(6).

[2]王禄明.拖拉机动力换挡.中国农业百科全书[M]农业机械化卷.