拖拉機(jī)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(guān)鍵部件。我國目前使用的拖拉機(jī)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(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，從而獲得廣泛應(yīng)用。但這種手動機(jī)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(jìn)行擋位變換，需要駕駛員憑經(jīng)驗決定換擋時刻，換擋時機(jī)不易把握，而且由于頻繁換擋操作，易使駕駛員疲勞，進(jìn)而影響行駛安全 。此外，拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，外界負(fù)荷波動頻繁，這就要求發(fā)動機(jī)和變速箱能適時地變更轉(zhuǎn)速和扭矩以適應(yīng)負(fù)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(jī)械式變速器來實現(xiàn)，難以保證拖拉機(jī)的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，而且增加了勞動強(qiáng)度。

動力換擋自動變速器是機(jī)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(chǔ)上， 應(yīng)用電子技術(shù)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(jié)合元件的分離與接合 、選 換擋操作以及發(fā)動機(jī)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(jī)自動換擋控制 。

拖拉機(jī)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(dá)意圖 ，發(fā)動機(jī)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(jī)的作業(yè)狀況，并將相應(yīng)的電信號輸入 TCU ,TCU 按存儲在其中的設(shè)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(jī)油門的自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律等） ，通過選換擋液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)對換擋離合器的結(jié)合及分離進(jìn)行控 制 ，以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)上首次成功地應(yīng)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(jī)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(jì)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(jī)動力輸出。隨后于1982年，Case IH公司在其Steiger Panther 1000拖拉機(jī)上首次采用12擋電子控制全動力換擋變速器，換擋機(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)變速箱則屬于半動力換擋機(jī)構(gòu) ，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(dá)到40F+40R。該變速器采用可調(diào)比例閥控制技術(shù)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(fù)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(jī)等等。目前幾乎國外所有大型拖拉機(jī)企業(yè)均有裝配動力換擋變速器的拖拉機(jī)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(shù)比較成熟。

在我國，動力換擋變速器最早是在工程機(jī)械上得到應(yīng)用，如1966年柳工Z435裝載機(jī)上使用的定軸式變速器，隨后在1970年開始在ZL50裝載機(jī)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(jìn)技術(shù)，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(jī)、推土機(jī)、叉車、平地機(jī)和壓路機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)以吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)為主的各科研院所機(jī)構(gòu)均對液力自動變速控制技術(shù)進(jìn)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(jī)械上，而在農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)上的應(yīng)用研究較少。此后直到2010年，中國一拖集團(tuán)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(jī)，才實現(xiàn)我國大功率拖拉機(jī)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(tuán)、常州東風(fēng)、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(jī)動力換擋技術(shù)的科研攻關(guān)和樣機(jī)研制 ，并有部份產(chǎn)品有進(jìn)入國內(nèi)農(nóng)機(jī)市場，如五征集團(tuán)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(shù)引進(jìn)消化吸收的起步階段。

拖拉機(jī)主要從事田間作業(yè)和道路運(yùn)輸，多擋、大傳動比范圍和長時間大負(fù)荷作業(yè)是農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)傳動系的主要特點 。擋位的增多，一方面可以提高發(fā)動機(jī)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(yīng)各種復(fù)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(jié)構(gòu)，必然會使變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而笨重，所以拖拉機(jī)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(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸和重量減小，且傳動比變化率大，使拖拉機(jī)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(jī)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(jī)裝配的就是以手柄操縱的同步器換段機(jī)構(gòu)。

雖然半動力換擋變速器在一定程度上減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，但仍需手動換段，需要駕駛員的經(jīng)驗來操作，達(dá)不到對拖拉機(jī)作業(yè)的實時準(zhǔn)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(fù)荷來實時改變，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。如紐荷蘭T7040拖拉機(jī)采用的18+6全動力換擋變速器，在技術(shù)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(jī)功率相同時)，耗油率更低；二是在田間作業(yè)條件復(fù)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(jī)，不需要手動操縱機(jī)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(qiáng)度鑄鋼材料而不是鋁質(zhì)材料，變速箱總體結(jié)構(gòu)更加堅固耐用。

此外，為提高拖拉機(jī)在輕負(fù)荷作業(yè)時的經(jīng)濟(jì)性，大功率拖拉機(jī)大多在原有擋位的基礎(chǔ)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(jī)構(gòu)引入行走系統(tǒng)，作為超速擋應(yīng)用于不需要FrO輸出的道路運(yùn)輸模式，使拖拉機(jī)行駛速度從原有40km／h提高到50km／h。

電液技術(shù)

電液技術(shù)在動力換擋自動變速器上的應(yīng)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(jī)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(qiáng)制降擋功能，在高速擋運(yùn)行過程中遇到大負(fù)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(shè)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(jī)按燃油經(jīng)濟(jì)性或動力性要求保持設(shè)定的作業(yè)速度行駛，以減輕駕駛員勞動強(qiáng)度；(3)驅(qū)動防滑功能，拖拉機(jī)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(jī)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(dá)到防滑控制的目的，提高拖拉機(jī)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(guān)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(jī)上其它控制器之間的數(shù)據(jù)共享通信技術(shù)。如ZF公司T7000系列拖拉機(jī)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(jī)各設(shè)備之間的信息交換，可實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)、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(yuǎn)程故障診斷處理等，大大提高了拖拉機(jī)使用維護(hù)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(jī)載設(shè)備進(jìn)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(dǎo)航等智能化作業(yè)需求，方便駕駛員的操作。

控制技術(shù)

換擋控制技術(shù)是拖拉機(jī)動力換擋自動變速器的核心問題，將直接影響拖拉機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及對惡劣環(huán)境的適應(yīng)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(jī)各擋位自動換擋時刻與控制參數(shù)(如作業(yè)速度、負(fù)荷程度、滑轉(zhuǎn)率、發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等)之問的關(guān)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(jī)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(chǔ)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(zhǔn)確數(shù)字模型基礎(chǔ)上，對于拖拉機(jī)和工程車輛，由于工況復(fù)雜，負(fù)荷變化劇烈，建立其準(zhǔn)確模型比較困難，使基于數(shù)學(xué)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(yīng)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(fù)載和駕駛員意圖、根據(jù)車輛速度、負(fù)載、駕駛員意圖和加速踏板位置利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理決策換擋位置的智能控制策略 。Jonas Fredrikson采用自適應(yīng)反饋方法構(gòu)建控制器，并提出將發(fā)動機(jī)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(jī)和擋位分布更加合理，可以大大提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)效率。

在控制策略上，Case IH公司Steiger拖拉機(jī)16F／2R全動力換擋變速箱按照拖拉機(jī)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(dāng)前的擋位數(shù)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載，自動選擇前進(jìn)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(yùn)輸時，采用經(jīng)濟(jì)模式，從而使燃油噴射更加準(zhǔn)確，油耗更低。而New Holland公司則開發(fā)出拖拉機(jī)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(fù)荷變化時，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與變速器擋位相匹配使拖拉機(jī)按照駕駛員設(shè)定的工作速度進(jìn)行作業(yè)，在保證經(jīng)濟(jì)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(jī)作業(yè)時發(fā)動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)，使得其性能在動態(tài)負(fù)荷下大為降低。因此要提高整機(jī)性能，就必須在對工作裝置、行走機(jī)構(gòu)、傳動系、發(fā)動機(jī)進(jìn)行動態(tài)參數(shù)合理匹配的基礎(chǔ)上，結(jié)合過程控制方式才能實現(xiàn)。通過對工作裝置的負(fù)荷控制來調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)的負(fù)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(jī)的負(fù)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(jī)所應(yīng)用的自動換擋控制策略來看，大多是以發(fā)動機(jī)油門開度、行走速度以及作業(yè)負(fù)荷作為基礎(chǔ)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(jī)、傳動系以及農(nóng)具負(fù)載結(jié)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(jī)在道路運(yùn)輸和田問作業(yè)時具有不同的負(fù)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(jī)機(jī)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(fù)荷來確定不同的換擋調(diào)節(jié)模式，以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與作業(yè)機(jī)組之間合理匹配，兼顧動力性與經(jīng)濟(jì)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(guān)閥控制，當(dāng)開關(guān)閥打開時，離合器內(nèi)壓力只能增加，而當(dāng)開關(guān)閥處于關(guān)閉位置，離合器內(nèi)液體壓力為零，因此原離合器分離的準(zhǔn)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(jī)動力換擋變速器設(shè)計了一種開環(huán)控制器，以拖拉機(jī)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(jī)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(hù)，使換擋過程受溫度與負(fù)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(shù)，當(dāng)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(shè)定的程序，啟動相應(yīng)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(jié)

拖拉機(jī)是目前農(nóng)業(yè)機(jī)械中最重要的農(nóng)用設(shè)備，雖然我國拖拉機(jī)保有量居世界前列，但與國外相比，其技術(shù)含量不高。根據(jù)國外拖拉機(jī)近幾十年的發(fā)展趨勢而看，在拖拉機(jī)上采用電子控制技術(shù)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(shù)，可使駕駛員從繁重的換擋操作中解放出來，更加專注于機(jī)體所帶農(nóng)機(jī)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(dāng)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(jī)進(jìn)行協(xié)同控制，可保證拖拉機(jī)在理想的換擋點及時換擋，可避免換擋操作不當(dāng)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(jì)性，降低排放污染。同時通過GPS

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