拖拉機(jī)變速器換擋技術(shù)及使用維護(hù)要點(diǎn)

秦春雷　溫健　李易　許凱

自1917年美國FORD公司生產(chǎn)出來第一臺接近現(xiàn)代傳動結(jié)構(gòu)的拖拉機(jī)以來，拖拉機(jī)歷經(jīng)了100多年的發(fā)展和進(jìn)步，其變速器換擋技術(shù)也由機(jī)械有級變速器向無級變速器逐漸演變并推廣應(yīng)用。本文就對目前國內(nèi)存在的幾種拖拉機(jī)換擋技術(shù)以及使用維護(hù)要點(diǎn)進(jìn)行簡要分析。

一、拖拉機(jī)變速器換擋技術(shù)

拖拉機(jī)變速器換擋技術(shù)分為有級換擋和無級換擋。有級換擋具體類型有：滑動（滑移）齒輪換擋、嚙合套換擋、同步器換擋、負(fù)載換擋（動力換擋）。無級換擋具體類型有：機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）、純液壓式變速換擋、電傳動式無級變速換擋。

滑動（滑移）齒輪換擋是主動齒輪在驅(qū)動軸（常指拖拉機(jī)Ⅰ軸）上滑動，使其與從動齒輪相嚙合。主動齒輪和從動齒輪間無任何套件或輔助機(jī)構(gòu)，齒輪通過軸向間滑動實(shí)現(xiàn)換擋。嚙合套換擋是從動軸上的齒輪和主動軸上的空套齒輪經(jīng)常處于嚙合狀態(tài)，移動主動軸花鍵上的嚙合套，使空套齒輪與驅(qū)動軸上的主動齒輪嚙合從而實(shí)現(xiàn)換擋。主動齒輪和從動齒輪之間有了一個嚙合套裝置。同步器換擋是變速器采用同步器摩擦原理，使相嚙合的齒輪的圓周速度迅速地相等后再掛擋，其換擋平順，減少了齒輪嚙合時的互相撞擊，延長了齒輪的使用壽命。較之于滑動（滑移）齒輪換擋和嚙合套換擋，同步器換擋比較容易和平順，可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)行進(jìn)中換擋。滑動（滑移）齒輪換擋、嚙合套換擋、同步器換擋這三種機(jī)械有級換擋技術(shù)目前仍廣泛應(yīng)用于國內(nèi)拖拉機(jī)變速箱之中。

滑動（滑移）齒輪換擋多用于36.75千瓦以下的皮帶傳動及直聯(lián)傳動輪式拖拉機(jī)。常見的TS底盤、TY底盤、TE底盤、寧波型底盤仍有應(yīng)用。嚙合套換擋多用于36.75～117.7千瓦之間，甚至在117.7千瓦以上仍有應(yīng)用，常見的底盤有TB、TD、大寧波、加強(qiáng)TE、TC、TF等。同步器換擋因?yàn)槠漭^為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的價格，多用于132千瓦以上機(jī)型及部分配置高端的中馬力段機(jī)型之中，在部分常規(guī)機(jī)型的副變速中也逐漸向同步器換擋轉(zhuǎn)變。以上三種變速器換擋方式都需要手動操作，機(jī)構(gòu)較為簡單，但是憑借效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單容易維修、性能可靠等優(yōu)勢，目前還在廣泛應(yīng)用。

這些換擋方式都會產(chǎn)生動力中斷即需要操控?fù)Q擋主離合器，從而會使機(jī)組速度減慢，錯失最佳換擋時機(jī)，降低工作效率。而且頻繁換擋導(dǎo)致駕駛員容易疲勞，影響行駛安全，降低作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)率。因此，變速器自動換擋技術(shù)能夠克服手動換擋技術(shù)的不足，被越來越多的拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家和實(shí)際使用者青睞和關(guān)注。

二、負(fù)載換擋（動力換擋）和機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）技術(shù)分析對比

負(fù)載換擋（動力換擋）和機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）是拖拉機(jī)自動換擋應(yīng)用最廣泛的兩種技術(shù)方式，換擋平穩(wěn)、快捷、準(zhǔn)確且不切斷動力，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)很好的動力和經(jīng)濟(jì)性能，降低了勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

（一）負(fù)載換擋（動力換擋）技術(shù)

負(fù)載換擋（動力換擋）變速箱可以在拖拉機(jī)帶著負(fù)載一邊工作，一邊變換擋位，換擋過程中動力不中斷的一種有級變速箱。其主要工作原理是采用摩擦離合器（多為濕式、多片結(jié)構(gòu)）作為動力換擋執(zhí)行元件的負(fù)載換擋機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。換擋時，原來接合的離合器逐漸分離，它所傳遞的動力逐漸減小，而原來分離的離合器逐漸接合，傳遞的動力從零開始逐漸增加直到傳遞全部動力，從而實(shí)現(xiàn)了換擋和動力傳遞。兩擋傳遞的動力在換擋過程中有一定的重疊，所以動力在換擋過程中并未中斷。

實(shí)現(xiàn)負(fù)載換擋（動力換擋）的主要控制元件有動力換擋變速箱、拖拉機(jī)電液控制單元、液壓系統(tǒng)三大部分。變速箱的液壓控制系統(tǒng)除對變速箱強(qiáng)制潤滑外，還控制換擋離合器、主離合器、PTO和前橋驅(qū)動的分離和結(jié)合以及制動器的制動。變速箱的主要性能參數(shù)包括發(fā)動機(jī)輸入轉(zhuǎn)速、變速箱輸入轉(zhuǎn)速、主離合器轉(zhuǎn)速、離合器踏板位置、離合器位置、主變速箱擋位、PTO轉(zhuǎn)速、變速箱溫度、潤滑系統(tǒng)油壓等，通過各類傳感器傳遞至變速箱電子控制單元（TCU），TCU根據(jù)駕駛員輸入指令，控制液壓系統(tǒng)中的電磁閥和對應(yīng)的換擋離合器實(shí)現(xiàn)換擋，同時對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力、流量、溫度等進(jìn)行監(jiān)測。

動力換擋變速箱由于換擋過程簡單，且動力不中斷，改善了拖拉機(jī)的操縱性能，提高了工作效率。自1959年Caterpillar公司在D9D拖拉機(jī)上首次成功地應(yīng)用動力換擋以來，由于這種機(jī)構(gòu)在換擋時表現(xiàn)出的明顯優(yōu)點(diǎn)，引起了許多廠家紛紛效仿。從生產(chǎn)動力換擋增扭器、Hi-Lo動力換擋機(jī)構(gòu)和逆向機(jī)構(gòu)（動力換向），到部分排擋動力換擋，再到全部排擋動力換擋，發(fā)展到今天的多排擋全動力換擋（12個前進(jìn)擋以上），其在國外技術(shù)已非常成熟，并被很多拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家所應(yīng)用。

國內(nèi)負(fù)載換擋（動力換擋）技術(shù)起步較晚。五征集團(tuán)2009年開始與ZF公司進(jìn)行合作，購買負(fù)載換擋（動力換擋）變速箱及后橋總成，在國內(nèi)進(jìn)行組裝，拉開了負(fù)載換擋（動力換擋）技術(shù)國產(chǎn)化的進(jìn)程。中國一拖、濰柴雷沃、中聯(lián)重科等大型生產(chǎn)企業(yè)相繼與AVL公司、阿波斯公司等國外知名企業(yè)合作進(jìn)行動力換擋技術(shù)的開發(fā)，并且均實(shí)現(xiàn)了小批量的試制和市場投放。但是受限于國內(nèi)原材料、處理技術(shù)、液壓電氣等元器件的實(shí)際生產(chǎn)制造水平，國內(nèi)企業(yè)在負(fù)載換擋（動力換擋）技術(shù)核心部件濕式離合器方面均沒有取得較大突破。甚至有些企業(yè)開發(fā)純機(jī)械式的換擋離合器，通過換擋凸輪和特殊滑道的方式來實(shí)現(xiàn)動力換擋，最終也因?yàn)殛P(guān)鍵部件難以加工和可靠性差的問題擱淺。目前國內(nèi)負(fù)載換擋（動力換擋）拖拉機(jī)還是以國外大型企業(yè)進(jìn)口機(jī)型占據(jù)主流，國內(nèi)企業(yè)多在副變速Hi-Lo動力換擋機(jī)構(gòu)和逆向機(jī)構(gòu)（動力換向）方面做文章。

（二）機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）技術(shù)

眾所周知，CVT傳動系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)的終極目標(biāo)，也是國家科研機(jī)構(gòu)及制造企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。區(qū)別于汽車行業(yè)，拖拉機(jī)傳動系，尤其是大馬力拖拉機(jī)傳動系特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、大扭矩，且要適應(yīng)變化復(fù)雜的田間耕作環(huán)境及惡劣的作業(yè)條件，這就要求拖拉機(jī)CVT傳動系統(tǒng)在傳遞較大扭矩的同時，還要能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定靈敏的變速操控以及較好的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性?，F(xiàn)在國內(nèi)研發(fā)能力較強(qiáng)的科研機(jī)構(gòu)和拖拉機(jī)專業(yè)制造企業(yè)，諸如中國一拖、濰柴雷沃、濰坊魯中等，均已經(jīng)有了相對成熟的技術(shù)路線及整體設(shè)計(jì)方案，并且也進(jìn)行了小批量的試制及銷售。

現(xiàn)在拖拉機(jī)主流CVT（Continuously Variable Transmission）傳動系統(tǒng)，即無級變速傳動系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)拖拉機(jī)在設(shè)定的速度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行速度無限可調(diào)。目前最多的采用機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式無級變速系統(tǒng)，即HMCVT（Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission），該系統(tǒng)由機(jī)械變速機(jī)構(gòu)、泵—馬達(dá)液壓無級變速系統(tǒng)、動力分流或匯流行星齒輪機(jī)構(gòu)、電子控制裝置及驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成，既保留了機(jī)械傳動的高效率，又通過液壓傳動與機(jī)械傳動的結(jié)合實(shí)現(xiàn)無級變速。傳動系統(tǒng)在TCU的精準(zhǔn)控制下，與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)ECU緊密配合貼合，匯集多區(qū)段機(jī)械液壓行星匯流高效傳動系技術(shù)、一體式泵馬達(dá)液壓變速單元高效傳動技術(shù)、CVT動力總成控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，針對拖拉機(jī)田間作業(yè)復(fù)雜多變的情況，傳動系和發(fā)動機(jī)配比出最優(yōu)的工作參數(shù)，TCU采集發(fā)動機(jī)油門位置和輸出轉(zhuǎn)速大小信號，根據(jù)發(fā)動機(jī)輸出特性，確定發(fā)動機(jī)的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和工作點(diǎn)。依據(jù)駕駛員的設(shè)定，控制器內(nèi)置的調(diào)速和換擋策略，自動連續(xù)改變變速器的傳動比，從而改變行車速度和發(fā)動機(jī)的負(fù)載大小，保證發(fā)動機(jī)工作在最佳動力性或最佳燃油消耗率狀態(tài)。加之CVT傳動系拖拉機(jī)在整機(jī)配置上要高于普通機(jī)械換擋拖拉機(jī)，駕駛舒適性和操作方便性大大提升，駕駛員能夠更加專注于作業(yè)安全性和作業(yè)質(zhì)量，故而能全方位提升作業(yè)效率和降低單位作業(yè)面積的油耗量。

圖一即為機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）傳動簡圖。

在國內(nèi)，中國一拖、濰柴雷沃、濰坊魯中等企業(yè)，均對機(jī)械液壓雙功率合流并聯(lián)式換擋（HMCVT）技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)，濰柴雷沃在176.52～191.23千瓦區(qū)段，濰坊魯中在102.97～117.7千瓦區(qū)段，均進(jìn)行了產(chǎn)品小批量投放市場，目前市場反饋比較好。

（三）技術(shù)對比

兩種換擋技術(shù)，在結(jié)構(gòu)綜合布置和變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于負(fù)載換擋（動力換擋）要在每個擋位上安裝換擋離合器，故而HMCVT優(yōu)于負(fù)載換擋（動力換擋）。在換擋執(zhí)行元件設(shè)計(jì)和液壓閥體等液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，負(fù)載換擋（動力換擋）優(yōu)于HMCVT。從制造成本和使用經(jīng)濟(jì)性方面看，HMCVT要優(yōu)于負(fù)載換擋。

三、使用維護(hù)要點(diǎn)

（一）有級換擋變速箱的維護(hù)和使用

定期更換變速箱油，在日常使用過程中，做好變速箱的維護(hù)工作。

冬季在出發(fā)前需要先“熱車”一段時間，也就是提前啟動車輛，讓變速箱油的黏度逐漸升高，從而達(dá)到良好的潤滑效果。

換擋時需要保證速度與擋位的匹配，并保持換擋過程的順暢，以減小變速箱負(fù)荷。

在駕駛過程中，需要根據(jù)作業(yè)負(fù)載的變化，選擇合適的擋位和油門，避免過度加速或是過度減速，從而延長變速箱的使用壽命。

在帶動力輸出機(jī)具作業(yè)時，通過擋位的選擇，匹配合適的作業(yè)速度，從而達(dá)到最好的作業(yè)效果。

（二）負(fù)載換擋

負(fù)載換擋（動力換擋）相對于有級換擋操作更加方便，但大部分換擋操作過程類似于有級換擋，平時操作使用注意要點(diǎn)可借鑒有級換擋使用方法，而且要注意對離合器總成的保養(yǎng)，勤觀察離合器的散熱機(jī)油情況，做到定期更換散熱機(jī)油。

（三）CVT換擋

CVT換擋相對于有級換擋和動力換擋操作大大地簡化，在TCU的控制下針對拖拉機(jī)田間作業(yè)復(fù)雜多變的工況，傳動系和發(fā)動機(jī)做出最優(yōu)匹配，節(jié)省了機(jī)手的大量精力。由于CVT變速箱結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，出現(xiàn)問題維修資金和時間成本較大，所以對于CVT變速箱我們要做好平時的維護(hù)保養(yǎng)，具體工作如下：

定期檢查變速器各處側(cè)蓋和軸承蓋的緊固螺栓，查看是否有松動及滲漏油情況。

定期檢查潤滑油，如油量不足，應(yīng)加足原車規(guī)定的潤滑油；還應(yīng)定期更換潤滑油。

檢查通氣螺塞通氣孔的通氣情況，經(jīng)常清洗通氣螺塞，保持通氣孔的通氣狀態(tài)。

在駕駛過程中注意拖拉機(jī)的故障顯示，對照說明書的故障代碼，提早解決，避免出現(xiàn)更大的故障。