拖拉機變速箱動力換擋分析

車輛傳動系統(tǒng)是決定大功率車輛性能的關鍵部件。我國目前使用的拖拉機動力傳動系統(tǒng)大多采用的是固定軸式齒輪變速器，它具有效率高、成本低、結構簡單等優(yōu)點，從而獲得廣泛應用。但這種手動機械式變速器屬于非動力換擋，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化比較大，換擋時首先分離主離合器以切斷動力傳遞，然后操縱換擋同步器進行擋位變換，需要駕駛員憑經(jīng)驗決定換擋時刻，換擋時機不易把握，而且由于頻繁換擋操作，易使駕駛員疲勞，進而影響行駛安全 。此外，拖拉機作業(yè)環(huán)境惡劣，外界負荷波動頻繁，這就要求發(fā)動機和變速箱能適時地變更轉(zhuǎn)速和扭矩以適應負荷和行駛阻力的不斷變化，這些通過僅僅依靠駕駛員操縱傳統(tǒng)的機械式變速器來實現(xiàn)，難以保證拖拉機的動力性和燃油經(jīng)濟性，而且增加了勞動強度。

動力換擋自動變速器是機電液一體化的產(chǎn)品 ，由齒輪式變速器、液壓控制的換擋離合器、傳感器 、電子控制系統(tǒng)組成。它是在傳統(tǒng)定軸式或行星式動力換擋變速器的基礎上， 應用電子技術和自動變速理論 ，以電子控制單元（ ECU ） 為核 心，通過液壓執(zhí)行系統(tǒng)控制摩擦結合元件的分離與接合 、選 換擋操作以及發(fā)動機節(jié)氣門的調(diào)節(jié) ，來實現(xiàn)不切斷動力情況 下的拖拉機自動換擋控制 。

拖拉機動力換擋自動變速器工作原理

動力換擋自動變速器的基本工作原理如圖 1 所示 ，由駕 駛員通過油門踏板 ，制動踏板和換擋手柄向變速器控制器( TCU ） 表達意圖 ，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度 、擋位 、油門開度等 傳感器實時監(jiān)測拖拉機的作業(yè)狀況，并將相應的電信號輸入 TCU ,TCU 按存儲在其中的設定程序模擬熟練駕駛員的駕駛 規(guī)律（ 換擋規(guī)律 、發(fā)動機油門的自適應調(diào)節(jié)規(guī)律等） ，通過選換擋液壓執(zhí)行機構對換擋離合器的結合及分離進行控 制 ，以實現(xiàn)發(fā)動機和變速器的匹配，從而獲得優(yōu)良的作 業(yè)性能和迅速換擋能力 。

動力換擋變速器由于換擋操作簡單且動力不中斷，改善了拖拉機的操縱性能，提高了工作效率。自1959年美國卡特彼勒公司在D9D拖拉機上首次成功地應用動力換擋以來，由于其在換擋時所表現(xiàn)出的明顯優(yōu)點，吸引了許多廠家紛紛效仿 。如同時期的Ford公司在其671／771／871／971拖拉機上引入一0一Speed 10+2動力換擋變速箱，該變速器作業(yè)速度范圍0．9～30 km／h，可在作業(yè)阻力大的區(qū)域快速降擋以提升牽引力，通過后及時升擋以保證作業(yè)速度和燃油經(jīng)濟性，在此過程中不需要停車和操縱離合器，而且可保持動力輸出軸速度不變，從而顯著提升拖拉機動力輸出。隨后于1982年，Case IH公司在其Steiger Panther 1000拖拉機上首次采用12擋電子控制全動力換擋變速器，換擋機構全部由摩擦片濕式離合器控制，使駕駛員操作更加方便快捷，且提高了換擋質(zhì)量。類似的還有美國John Deere公司的9620型，AGCO Allis公司的9745型，Case公司的Magnum系列以及Ford公司的8770型等拖拉機全動力換擋變速器。

90年代中期，德國ZF公司生產(chǎn)的T7000系列拖拉機變速箱則屬于半動力換擋機構 ，主變速為6擋同步器換擋，副變速為4擋動力換擋，由6個多片濕式離合器實現(xiàn)擋位的切換，帶爬行擋，擋位最多可達到40F+40R。該變速器采用可調(diào)比例閥控制技術實現(xiàn)平滑起步，并帶有離合器摩擦監(jiān)測功能，在超過限定值時，將對駕駛員發(fā)出警告，以防止過載造成的傳動系損傷。此外手動換擋通過換擋桿上的按鈕來操控，提高了駕駛員的操作舒適性，而自動換擋適用于各種復雜的工況，并通過速度匹配來協(xié)調(diào)動力換擋與同步器擋位切換。與之相似還有Case IH公司的Puma 155型，美國AllisChalmers公司8050型，New Holland公司的T1404型拖拉機等等。目前幾乎國外所有大型拖拉機企業(yè)均有裝配動力換擋變速器的拖拉機產(chǎn)品，功率范圍涵蓋75～530馬力，且經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，技術比較成熟。

在我國，動力換擋變速器最早是在工程機械上得到應用，如1966年柳工Z435裝載機上使用的定軸式變速器，隨后在1970年開始在ZL50裝載機上使用行星式變速器。此后在80年代又先后引入了日本TCM叉車的變速器和德國ZF公司電液控制定軸式變速器等先進技術，使我國這一行業(yè)水平有了較大的提高 。目前動力換擋變速器主要在裝載機、推土機、叉車、平地機和壓路機上得到廣泛的應用，國內(nèi)以吉林大學、北京理工大學、同濟大學為主的各科研院所機構均對液力自動變速控制技術進行了研究，并取得了一些科研成果。但這些研究主要集中在汽車和工程機械上，而在農(nóng)業(yè)拖拉機上的應用研究較少。此后直到2010年，中國一拖集團公司與國外合作，逐步研發(fā)了東方紅IJz、LA、LF等系列重型動力換擋拖拉機，才實現(xiàn)我國大功率拖拉機在該項目上零的突破。到現(xiàn)在為止，國內(nèi)已有中國一拖、福田雷沃重工、山東常林、五征集團、常州東風、奇瑞重工、洛陽博馬、江蘇聯(lián)凱農(nóng)業(yè)裝備和江蘇常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備等企業(yè)開展了拖拉機動力換擋技術的科研攻關和樣機研制 ，并有部份產(chǎn)品有進入國內(nèi)農(nóng)機市場，如五征集團雷諾曼1804、2004、2104，中聯(lián)重科PL2304、PL2604、東方紅2404、2204、福田雷沃重工P2654等，但與國外相比，仍處于技術引進消化吸收的起步階段。

拖拉機主要從事田間作業(yè)和道路運輸，多擋、大傳動比范圍和長時間大負荷作業(yè)是農(nóng)業(yè)拖拉機傳動系的主要特點 。擋位的增多，一方面可以提高發(fā)動機的功率利用率，另一方面可以拓寬變速器的速比范圍，以適應各種復雜地況和特種作業(yè)要求。如果采用傳統(tǒng)的兩軸式或三軸式傳動結構，必然會使變速器結構復雜而笨重，所以拖拉機動力換擋自動變速器多采用主副變速相串聯(lián)的多級組成式傳動方案，主副變速分別由不同的操縱機構控制，其優(yōu)點在于傳動齒輪個數(shù)少，同等條件下變速箱結構尺寸和重量減小，且傳動比變化率大，使拖拉機的驅(qū)動力和行駛速度都有較寬的變化范圍。

半動力換擋自動變速器是由手動加自動聯(lián)合控制，其中主變速一般由液壓控制的換擋離合器操縱，其擋位可通過控制器依照換擋規(guī)律實現(xiàn)自動控制，如卡特彼勒公司Challeng—er 35系列拖拉機就是在其10—16擋高段范圍內(nèi)可自動換擋。而副變速各速度區(qū)段之間的切換最早是由換段桿操縱滑動齒輪來實現(xiàn)，隨后發(fā)展為嚙合套和同步器，使換段更加平順，迅速，且減小了換段沖擊。換段是由駕駛員根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗直接手動控制。如國內(nèi)福田雷沃公司的P2654以及中國一拖的LZ2404拖拉機裝配的就是以手柄操縱的同步器換段機構。

雖然半動力換擋變速器在一定程度上減輕了駕駛員的負擔，但仍需手動換段，需要駕駛員的經(jīng)驗來操作，達不到對拖拉機作業(yè)的實時準確控制，從而使作業(yè)效率ZUI大化。因此為滿足智能化作業(yè)的要求，由半動力發(fā)展為全動力換擋，從而有利于實施換擋控制策略，以使擋位切換能根據(jù)作業(yè)負荷來實時改變，提高燃油經(jīng)濟性。如紐荷蘭T7040拖拉機采用的18+6全動力換擋變速器，在技術上要大大高于一般的5區(qū)域或6區(qū)域半動力自動換擋變速箱，其主要優(yōu)勢是：可在1．9—40 km／h的全速度段范圍內(nèi)通過兩個按鈕控制改變擋位，不需要踩離合器。而且在選定自動功能后，擋位完全實現(xiàn)完全自動控制，即自動增減擋位。

全動力換擋自動變速器與一般的半動力自動換擋變速箱相比，給用戶帶來的主要好處與利益是：一是作業(yè)效率更高(發(fā)動機功率相同時)，耗油率更低；二是在田間作業(yè)條件復雜時，特別是低濕地作業(yè)時的通過性能更好；三是對于大中功率級別的拖拉機，不需要手動操縱機械式換擋，變速箱的整體可靠性更高。四是由于變速箱內(nèi)部動力傳動路線簡單，產(chǎn)生的內(nèi)耗以及熱量少，變速箱殼體可采用高強度鑄鋼材料而不是鋁質(zhì)材料，變速箱總體結構更加堅固耐用。

此外，為提高拖拉機在輕負荷作業(yè)時的經(jīng)濟性，大功率拖拉機大多在原有擋位的基礎上增加直接擋或超速擋用于提高行駛速度，比如Emiliano Brancolini將獨立PTO動力輸出通過電控液壓換擋機構引入行走系統(tǒng)，作為超速擋應用于不需要FrO輸出的道路運輸模式，使拖拉機行駛速度從原有40km／h提高到50km／h。

電液技術

電液技術在動力換擋自動變速器上的應用主要包括以下三個方面：

一是采用電子控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動換擋離合器切換擋位，如Case IH公司在其Steiger拖拉機上裝配電子脈沖寬度調(diào)節(jié)換擋電磁閥，由控制器控制自動換擋，使其在田間和公路上的換擋更加順暢，既減輕了駕駛員的疲勞程度，又延長了變速箱的壽命。

二是電子輔助功能，如(1)強制降擋功能，在高速擋運行過程中遇到大負載時或駕駛員快速踏下油門踏板時，系統(tǒng)將臨時降低至低擋位；(2)巡航功能，駕駛員無需踩油門踏板，旦設定工作速度，控制系統(tǒng)通過對油門開度、擋位變換，使拖拉機按燃油經(jīng)濟性或動力性要求保持設定的作業(yè)速度行駛，以減輕駕駛員勞動強度；(3)驅(qū)動防滑功能，拖拉機在附著系數(shù)低的作業(yè)路面起步或加速時，通過對換擋離合器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和擋位變化來控制輸出軸轉(zhuǎn)矩來控制牽引力，以達到防滑控制的目的，提高拖拉機的操縱性、穩(wěn)定性和安全性；(4)電子地頭轉(zhuǎn)向功能，在田間地頭轉(zhuǎn)向時，通過轉(zhuǎn)向開關實現(xiàn)自動換擋，懸掛農(nóng)具升降，液壓輸出與油門控制，簡化地頭轉(zhuǎn)彎操作。

三是變速器與拖拉機上其它控制器之間的數(shù)據(jù)共享通信技術。如ZF公司T7000系列拖拉機將傳動系控制系統(tǒng)與動力換擋變速器控制器通過CAN總線集成，使整個傳動系可模塊化定制，方便系統(tǒng)連接。此外通過拖拉機各設備之間的信息交換，可實現(xiàn)對發(fā)動機、傳動系和農(nóng)具作業(yè)狀態(tài)參數(shù)一體化監(jiān)測與控制，以及遠程故障診斷處理等，大大提高了拖拉機使用維護的方便性和可靠性。

總之，采用電液控制具有下列優(yōu)點：(1)可解決換擋平順性問題，避免換擋沖擊，提高換擋品質(zhì)；(2)可根據(jù)作業(yè)工況靈活制定換擋策略，以實現(xiàn)不同作業(yè)需求，比如順序換擋，插花換擋，穿梭換擋和可編程換擋等換擋邏輯 ；(3)可與其它機載設備進行聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)諸如田間巡航、電子地頭轉(zhuǎn)向、GPS導航等智能化作業(yè)需求，方便駕駛員的操作。

控制技術

換擋控制技術是拖拉機動力換擋自動變速器的核心問題，將直接影響拖拉機的動力性、燃油經(jīng)濟性以及對惡劣環(huán)境的適應能力。它主要包括換擋規(guī)律和換擋品質(zhì)兩個方面。

(1)換擋規(guī)律

換擋規(guī)律通過研究拖拉機各擋位自動換擋時刻與控制參數(shù)(如作業(yè)速度、負荷程度、滑轉(zhuǎn)率、發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等)之問的關系，并經(jīng)過性能仿真優(yōu)化后，確定換擋點 ，避免換擋循環(huán)。

目前拖拉機自動變速器換擋規(guī)律是從汽車傳動系所采用的以車速和油門開度為控制參數(shù)的“兩參數(shù)換擋規(guī)律”基礎上發(fā)展而來的。但這些傳統(tǒng)的換擋規(guī)律是建立在被控對象準確數(shù)字模型基礎上，對于拖拉機和工程車輛，由于工況復雜，負荷變化劇烈，建立其準確模型比較困難，使基于數(shù)學模型的各類控制方法難以解決這一問題。因此近年來許多研究將智能控制理論應用于換擋規(guī)律，如I．Sakai等提出了模糊換擋策略 J，K．Hayashi等提出了根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速和加速踏板位置變化量利用模糊邏輯判斷車輛負載和駕駛員意圖、根據(jù)車輛速度、負載、駕駛員意圖和加速踏板位置利用神經(jīng)網(wǎng)絡原理決策換擋位置的智能控制策略 。Jonas Fredrikson采用自適應反饋方法構建控制器，并提出將發(fā)動機作為主動控制一部分的非線性換擋控制方法 ?，F(xiàn)代控制方法的引入，并增加能夠反映具體作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的參數(shù)，使得換擋時機和擋位分布更加合理，可以大大提高了車輛的燃油經(jīng)濟性和作業(yè)效率。

在控制策略上，Case IH公司Steiger拖拉機16F／2R全動力換擋變速箱按照拖拉機作業(yè)特點，分成田間和公路兩種自動換擋模式，根據(jù)變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速、當前的擋位數(shù)和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩負載，自動選擇前進擋位，田間作業(yè)時，采用動力控制模式，以獲取ZUI大動力輸出，而在公路運輸時，采用經(jīng)濟模式，從而使燃油噴射更加準確，油耗更低。而New Holland公司則開發(fā)出拖拉機行走速度管理系統(tǒng)GSM，其不僅包括自動換擋功能，還可在田間作業(yè)負荷變化時，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與變速器擋位相匹配使拖拉機按照駕駛員設定的工作速度進行作業(yè)，在保證經(jīng)濟性的前提下能大幅提升生產(chǎn)效率。

在控制參數(shù)選擇上，由于拖拉機作業(yè)時發(fā)動機和行走機構所產(chǎn)生的動態(tài)效應，使得其性能在動態(tài)負荷下大為降低。因此要提高整機性能，就必須在對工作裝置、行走機構、傳動系、發(fā)動機進行動態(tài)參數(shù)合理匹配的基礎上，結合過程控制方式才能實現(xiàn)。通過對工作裝置的負荷控制來調(diào)節(jié)行走機構的負荷分布和滑轉(zhuǎn)率，以及對傳動系的速比控制來調(diào)節(jié)發(fā)動機的負荷分布，這兩種控制調(diào)節(jié)必須協(xié)調(diào)一致才能有效。從國外大功率拖拉機所應用的自動換擋控制策略來看，大多是以發(fā)動機油門開度、行走速度以及作業(yè)負荷作為基礎控制參數(shù)來研究，并輔以現(xiàn)代控制理論方法，將發(fā)動機、傳動系以及農(nóng)具負載結合在一起，實現(xiàn)協(xié)同控制 ，其聯(lián)合作業(yè)如圖2所示。拖拉機在道路運輸和田問作業(yè)時具有不同的負荷條件，因此研究動力換擋變速器換擋規(guī)律時，就需要綜合考慮拖拉機機組、作業(yè)環(huán)境以及駕駛員意圖，并根據(jù)不同的作業(yè)負荷來確定不同的換擋調(diào)節(jié)模式，以實現(xiàn)發(fā)動機與作業(yè)機組之間合理匹配，兼顧動力性與經(jīng)濟性。

(2)換擋品質(zhì)

動力換擋變速器是通過液壓操縱離合器的接合和分離來實現(xiàn)換擋的，但由于液體的不可壓縮性，換擋操縱液壓系統(tǒng)剛度較大，如果換擋元件接合過猛，會產(chǎn)生換擋沖擊，使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的動載荷，加劇零部件的磨損，降低使用壽命，而且易使駕駛員疲勞。良好的換擋品質(zhì)要求換擋迅速、平穩(wěn)、無沖擊，且對動力傳遞影響小，盡量使動力不中斷。

在實際換擋過程中，各擋位離合器大多是由單向開關閥控制，當開關閥打開時，離合器內(nèi)壓力只能增加，而當開關閥處于關閉位置，離合器內(nèi)液體壓力為零，因此原離合器分離的準確時間無法確定，另外離合器液壓還受溫度、離合器盤磨損以及轉(zhuǎn)速影響，不能有效測定實際的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，這些都對閉環(huán)控制形成障礙，因此Giulio Panzani等針對大功率拖拉機動力換擋變速器設計了一種開環(huán)控制器，以拖拉機速度為對象，優(yōu)化換擋調(diào)壓閥的液壓輸出，以控制離合器切換時間，從而獲得較為理想的換擋品質(zhì)。而ZF公司T7000系列拖拉機則是通過采用電子脈沖控制比例電磁閥來調(diào)節(jié)換擋離合器內(nèi)液體壓力，并增加過載保護，使換擋過程受溫度與負荷影響顯著減小。國內(nèi)用試驗的方法研究了動力換擋變速箱換擋過程中，換擋離合器壓力變化過程對旋轉(zhuǎn)速度的影響，發(fā)現(xiàn)在理想換擋點變速箱換擋最平穩(wěn) 。美國Delta Power公司則開發(fā)出一種柔性換擋技術，當控制器收到換擋手柄產(chǎn)生的某一擋位信號輸出指令后，通過程序控制，選擇合適的接合壓力曲線，根據(jù)設定的程序，啟動相應的擋位電磁換向閥和比例減壓閥，實現(xiàn)換擋離合器快速的軟接合和分離過程，從而有效提升換擋質(zhì)量。

小結

拖拉機是目前農(nóng)業(yè)機械中最重要的農(nóng)用設備，雖然我國拖拉機保有量居世界前列，但與國外相比，其技術含量不高。根據(jù)國外拖拉機近幾十年的發(fā)展趨勢而看，在拖拉機上采用電子控制技術是其未來發(fā)展的必然方向。通過采用動力換擋自動控制技術，可使駕駛員從繁重的換擋操作中解放出來，更加專注于機體所帶農(nóng)機具的操作，減少工作量，提高生產(chǎn)效率。而且換擋過程由TCU根據(jù)當前作業(yè)工況以及駕駛員意圖，采用最優(yōu)化的換擋規(guī)律與發(fā)動機進行協(xié)同控制，可保證拖拉機在理想的換擋點及時換擋，可避免換擋操作不當所引起的換擋沖擊，提高了換擋品質(zhì)，減小零部件的磨損，提高車輛的使用壽命和燃油經(jīng)濟性，降低排放污染。同時通過GPS

獲取更準確的作業(yè)信息，以及TCU與拖拉機其它附屬設備(比如發(fā)動機、農(nóng)具)之間的信息共享，可形成一體化的集成控制技術，這對于提高我國拖拉機的智能化水平，以及實現(xiàn)較為復雜的精細農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)也具有較強的理論與現(xiàn)實意義。