拖拉機(jī)動(dòng)力換擋技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

杜威　趙升噸　高景洲　鄭臻皓

摘 要：為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的需要，動(dòng)力換擋變速箱在拖拉機(jī)中的使用越來(lái)越廣泛，我國(guó)由于起步較晚，在這方面與國(guó)外仍有較大的技術(shù)差距。文章介紹了動(dòng)力換擋變速箱的基本原理，分析了國(guó)內(nèi)外動(dòng)力換擋技術(shù)在拖拉機(jī)上應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程和技術(shù)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了動(dòng)力換擋變速箱的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并分析了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī);動(dòng)力換擋;變速箱;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S219 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-216-04

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)水平也提出了更高的要求[1-2]。拖拉機(jī)就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種重要機(jī)械設(shè)備，承擔(dān)著耕種、施肥、播種和收獲等任務(wù)，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用。為適應(yīng)生產(chǎn)需要，拖拉機(jī)正朝著高性能、智能化的方向發(fā)展[3-5]。而傳動(dòng)系統(tǒng)作為車(chē)輛的重要組成部分，是各大拖拉機(jī)廠家設(shè)計(jì)研發(fā)的主要目標(biāo)之一。

和普通乘用車(chē)相比，拖拉機(jī)必須能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的路況和更苛刻的工作條件[6]，拖拉機(jī)的一個(gè)主要特點(diǎn)是能夠在低速行駛的情況下提供很大的牽引力，因此傳動(dòng)系統(tǒng)是影響拖拉機(jī)性能的關(guān)鍵部件之一。動(dòng)力換擋式變速箱因換擋時(shí)動(dòng)力不會(huì)中斷，能夠適應(yīng)更寬的調(diào)速范圍和更大的載荷變化，成為了目前拖拉機(jī)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(gè)擋位），它允許在發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有動(dòng)力損失的情況下?lián)Q擋[7-8]。當(dāng)拖拉機(jī)遇到較差的路況時(shí)，變速箱能夠在保證動(dòng)力傳輸?shù)那闆r下快速降擋，當(dāng)通過(guò)較差的路況后，變速箱能夠及時(shí)升擋，以滿足拖拉機(jī)的速度需求，并且在升降擋的過(guò)程中，完全不需要駕駛員操作。

本文介紹了動(dòng)力換擋變速箱的工作原理，分析了動(dòng)力換擋變速箱的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了動(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。

1 動(dòng)力換擋變速箱的原理

動(dòng)力換擋變速箱和傳統(tǒng)變速箱的主要區(qū)別在于其換擋時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力不中斷，在目前廣泛使用的動(dòng)力換擋變速箱中，都是通過(guò)多個(gè)濕式離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。典型的兩擋動(dòng)力換擋變速箱的原理如圖1所示。輸入端連接發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出端連接主減速器，CLA和CLB為換擋過(guò)程中使用的濕式離合器，當(dāng)CLA接合，CLB斷開(kāi)時(shí)為1擋;當(dāng)CLA斷開(kāi)，CLB接合時(shí)為2擋，在變速箱從1擋切換到2擋的過(guò)程中，CLA斷開(kāi)，CLB接合，通過(guò)控制兩個(gè)離合器的接合斷開(kāi)過(guò)程，使CLA的斷開(kāi)過(guò)程和CLB的接合過(guò)程有一段時(shí)間重合，從而實(shí)現(xiàn)換擋時(shí)動(dòng)力不中斷的功能。

2 動(dòng)力換擋變速箱研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

動(dòng)力換擋變速箱最早是在1959年由美國(guó)卡特彼勒公司提出，并在其生產(chǎn)的D9E履帶式拖拉機(jī)上首次安裝，裝有動(dòng)力換擋變速箱的拖拉機(jī)一問(wèn)世，就吸引了眾多公司的關(guān)注。自那以后，美國(guó)的薩姆（Same）、凱斯（Case）、蘭蒂尼（Landini）等公司也開(kāi)始研發(fā)動(dòng)力換擋變速箱，這種變速箱的換擋過(guò)程完全自動(dòng)化，不需要駕駛員參與，能夠在動(dòng)力不中斷的情況下實(shí)現(xiàn)換擋[9]。上世紀(jì)80年代以后，動(dòng)力換擋變速箱開(kāi)始在拖拉機(jī)上普通使用，動(dòng)力換擋變速箱也越來(lái)越被人熟知[10]。1982年，Cash-H公司在Maxxum拖拉機(jī)上使用動(dòng)力換擋變速箱，在同步區(qū)段上應(yīng)用4個(gè)動(dòng)力換擋的擋位;而在Steiger Panther 1000拖拉機(jī)中安裝的動(dòng)力換擋變速箱，首次實(shí)現(xiàn)了12擋電子動(dòng)力換擋，駕駛者操作簡(jiǎn)單，大大提高了工作效率。德國(guó)ZF公司在上世紀(jì)90年代中葉也推出了ZF T7000系列動(dòng)力換擋變速箱，在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋的同時(shí)，還安裝有倒擋器。目前，國(guó)外大部分拖拉機(jī)廠商都提供帶有動(dòng)力換擋變速裝置的拖拉機(jī)，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(guó)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的動(dòng)力換擋技術(shù)比較落后，最早是應(yīng)用在工程機(jī)械上。如1966年廣西柳工Z435裝載機(jī)上使用的定軸式變速箱，1970年在ZL50裝載機(jī)上安裝了液力傳動(dòng)行星式動(dòng)力換擋變速箱[13]。在80年代引入了德國(guó)ZF公司的電液控制定軸式變速箱和日本TCM叉車(chē)變速箱等先進(jìn)技術(shù)，使我國(guó)在動(dòng)力換擋變速箱上的水平有了較大進(jìn)步。目前動(dòng)力換擋變速箱主要在壓路機(jī)、叉車(chē)、推土機(jī)、平地機(jī)和裝載機(jī)上的應(yīng)用較多。直到2010年，中國(guó)一拖集團(tuán)與國(guó)外合作，研發(fā)了東方紅LZ、LA、LF等系列大型動(dòng)力換擋拖拉機(jī)，使我國(guó)在動(dòng)力換擋拖拉機(jī)上實(shí)現(xiàn)了巨大的突破。目前，國(guó)內(nèi)已有福田雷沃重工、山東常林、五征集團(tuán)、常州東風(fēng)和江蘇常發(fā)等農(nóng)機(jī)制造企業(yè)開(kāi)展了拖拉機(jī)動(dòng)力換擋技術(shù)的研究，并已有部分產(chǎn)品進(jìn)入農(nóng)機(jī)市場(chǎng)。但和國(guó)外相比，仍然相對(duì)落后[14-15]。

3 動(dòng)力換擋變速箱的分類(lèi)

根據(jù)變速箱是否所有的擋位都能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋，可分為全動(dòng)力換擋變速箱和部分動(dòng)力換擋變速箱兩類(lèi)。

全動(dòng)力換擋變速箱是指所有擋位都能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋的變速箱。與部分動(dòng)力換擋變速箱相比，全動(dòng)力換擋的拖拉機(jī)性能更好，操縱更方便。如John Deere公司的9620型拖拉機(jī)，Case公司的Magnum系列拖拉機(jī)，AGCO Allis公司的9745型拖拉機(jī)，F(xiàn)ord公司的8770型拖拉機(jī)[16-17]。但全動(dòng)力換擋變速箱由于所有的擋位都能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換擋，需要安裝的濕式離合器更多，對(duì)控制系統(tǒng)的要求更高，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。

部分動(dòng)力換擋是由全動(dòng)力換擋變速箱與非動(dòng)力換擋變速箱串聯(lián)組成，只有部分擋位采用動(dòng)力換擋。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體需求，給拖拉機(jī)設(shè)計(jì)幾種工作模式，對(duì)應(yīng)幾個(gè)擋位區(qū)段，在同一區(qū)段內(nèi)采用動(dòng)力換擋，不同區(qū)段之間采用傳統(tǒng)的同步器換擋。在進(jìn)行動(dòng)力換擋時(shí)，非動(dòng)力換擋變速箱的離合器保持接合狀態(tài)，通過(guò)控制動(dòng)力換擋變速箱的離合器的接合與分離，保證動(dòng)力不中斷。部分動(dòng)力換擋變速箱不如全動(dòng)力換擋操作方便，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在拖拉機(jī)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(guó)一拖集團(tuán)的東方紅147kW系列等[18]。

拖拉機(jī)用動(dòng)力換擋變速箱按照齒輪系的結(jié)構(gòu)可分為行星輪系式和定軸式兩類(lèi)[19]。

行星輪系式動(dòng)力換擋變速箱利用了行星輪系的優(yōu)點(diǎn)，能夠同軸布置，因此徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)比較緊湊。通過(guò)多排行星輪系與多個(gè)濕式離合器的組合，能夠在很寬的傳動(dòng)比范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)擋位。并且由于行星輪系的扭矩通過(guò)多個(gè)行星輪傳遞，單個(gè)行星輪上承受的扭矩較小，對(duì)齒輪材料的性能要求較低。圖2是安裝在Ford971拖拉機(jī)上的行星輪式全動(dòng)力換擋變速箱，由四排行星輪系、三個(gè)濕式離合器和三個(gè)制動(dòng)器組成了10個(gè)前進(jìn)擋和兩個(gè)倒擋。從圖上可以看出，由于采用了同軸布置，換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)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(duì)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(dòng)力換擋變速箱相比，定軸式動(dòng)力換擋變速箱具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)零部件加工和裝配的精度要求低，維修方便等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的拖拉機(jī)動(dòng)力換擋變速箱大部分都采用了這種結(jié)構(gòu)，圖3是New Holland公司生產(chǎn)的TG系列拖拉機(jī)定軸式全動(dòng)力換擋變速箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該變速箱由一個(gè)主變速箱和一個(gè)副變速箱串聯(lián)組成，共有24個(gè)前進(jìn)擋和6個(gè)倒擋，還帶有爬行擋。主副變速箱的換擋操作均通過(guò)摩擦式離合器實(shí)現(xiàn)，由于其由多級(jí)傳動(dòng)串聯(lián)組成，傳動(dòng)比范圍大，同樣傳動(dòng)比范圍下變速箱的尺寸和質(zhì)量較小。缺點(diǎn)是變速箱橫向尺寸大，由于傳動(dòng)比為多級(jí)分配，每級(jí)傳動(dòng)都有能量損失，總傳動(dòng)效率較低[21]。

從動(dòng)力換擋變速箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，其能夠保持換擋過(guò)程中動(dòng)力不中斷的主要原因是采用了多個(gè)摩擦元件，即離合器與制動(dòng)器。通過(guò)電液控制系統(tǒng)控制摩擦元件的接合與斷開(kāi)，大大縮短了換擋的時(shí)間。

4 動(dòng)力換擋變速箱關(guān)鍵技術(shù)

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(chē)行駛過(guò)程中需要根據(jù)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(dòng)盤(pán)之間存在滑摩，產(chǎn)生熱量，因此對(duì)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(jié)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(guó)產(chǎn)的濕式離合器中使用的摩擦材料多為燒結(jié)青銅粉末冶金材料，與國(guó)外相比發(fā)展水平落后。因此研發(fā)高性能的摩擦材料是動(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.2 換擋控制策略

動(dòng)力換擋變速箱在換擋時(shí)需要同時(shí)控制兩個(gè)離合器，在保證換擋時(shí)動(dòng)力不中斷的前提下，還要考慮到換擋時(shí)車(chē)輛的平穩(wěn)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(huì)產(chǎn)生較大的起動(dòng)脈動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的較大波動(dòng)，并可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火;如果追求接合平穩(wěn)，且接合速度過(guò)慢，則嚙合過(guò)程中離合器主動(dòng)盤(pán)與從動(dòng)盤(pán)之間的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的摩擦功將很大，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致表明溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦盤(pán)變形、燃燒，甚至劃傷和潤(rùn)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(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.3 基于CAN總線的通信技術(shù)

CAN總線通信目前被廣泛的使用在汽車(chē)電子系統(tǒng)中，通過(guò)CAN總線，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)中各個(gè)控制單元之間的信息互通。在動(dòng)力換擋變速箱中，為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的換擋，換擋控制器需要采集車(chē)上多個(gè)傳感器的信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、油門(mén)踏板開(kāi)度、升降擋指令等。換擋控制器通過(guò)CAN總線采集這些，同時(shí)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(wěn)定性和信號(hào)傳輸速率影響著換擋品質(zhì)，是動(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)之一。

5 動(dòng)力換擋變速箱的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 實(shí)現(xiàn)多種工作模式

拖拉機(jī)除了要滿足多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求外，也要承擔(dān)一定的運(yùn)輸工作。為了提高拖拉機(jī)在不同工作要求下的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，可以根據(jù)不同的具體需求劃分不同的工作模式，如為運(yùn)輸農(nóng)作物設(shè)置專門(mén)的運(yùn)輸模式，為了提高爬坡時(shí)的性能設(shè)置專門(mén)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(yōu)化換擋控制策略

換擋控制策略一直是動(dòng)力換擋變速箱的核心技術(shù)之一，目前在動(dòng)力換擋變速箱上應(yīng)用較多的為多參數(shù)換擋控制策略，以油門(mén)踏板開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載需求來(lái)確定最合適的擋位。隨著近年來(lái)人工智能技術(shù)的進(jìn)步，變速箱的換擋控制策略也在往智能控制方向發(fā)展，其主要特點(diǎn)是不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)之前的駕駛行為的數(shù)據(jù)在線學(xué)習(xí)，不斷的對(duì)換擋控制策略進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)前的行駛狀態(tài)。

5.3 提高系統(tǒng)的可靠性

影響動(dòng)力換擋變速箱工作可靠性的主要零部件是電液控制系統(tǒng)，由于需要同時(shí)控制多個(gè)濕式離合器的接合與分離，對(duì)電液控制系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。其中加強(qiáng)容錯(cuò)控制是提高系統(tǒng)可靠性的重點(diǎn)，通過(guò)引入智能控制策略，設(shè)置冗余執(zhí)行機(jī)構(gòu)等方式確保汽車(chē)在極端路況和天氣的條件下也能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

6 結(jié)論

隨著拖拉機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)性能要求越來(lái)越高，動(dòng)力換擋變速箱將逐漸成為拖拉機(jī)上使用的主流變速箱。我國(guó)對(duì)動(dòng)力換擋技術(shù)的研究由于起步較晚，與國(guó)外仍有較大差距。本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)外動(dòng)力換擋變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，闡述了研發(fā)動(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)，并總結(jié)了動(dòng)力換擋變速箱的發(fā)展趨勢(shì)。

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