拖拉机变速箱动力换挡分析

车辆传动系统是决定大功率车辆性能的关键部件。我国目前使用的拖拉机动力传动系统大多采用的是固定轴式齿轮变速器，它具有效率高、成本低、结构简单等优点，从而获得广泛应用。但这种手动机械式变速器属于非动力换挡，输出转矩与转速变化比较大，换挡时首先分离主离合器以切断动力传递，然后操纵换挡同步器进行挡位变换，需要驾驶员凭经验决定换挡时刻，换挡时机不易把握，而且由于频繁换挡操作，易使驾驶员疲劳，进而影响行驶安全 。此外，拖拉机作业环境恶劣，外界负荷波动频繁，这就要求发动机和变速箱能适时地变更转速和扭矩以适应负荷和行驶阻力的不断变化，这些通过仅仅依靠驾驶员操纵传统的机械式变速器来实现，难以保证拖拉机的动力性和燃油经济性，而且增加了劳动强度。

动力换挡自动变速器是机电液一体化的产品 ，由齿轮式变速器、液压控制的换挡离合器、传感器 、电子控制系统组成。它是在传统定轴式或行星式动力换挡变速器的基础上， 应用电子技术和自动变速理论 ，以电子控制单元（ ECU ） 为核 心，通过液压执行系统控制摩擦结合元件的分离与接合 、选 换挡操作以及发动机节气门的调节 ，来实现不切断动力情况 下的拖拉机自动换挡控制 。

拖拉机动力换挡自动变速器工作原理

动力换挡自动变速器的基本工作原理如图 1 所示 ，由驾 驶员通过油门踏板 ，制动踏板和换挡手柄向变速器控制器( TCU ） 表达意图 ，发动机转速、作业速度 、挡位 、油门开度等 传感器实时监测拖拉机的作业状况，并将相应的电信号输入 TCU ,TCU 按存储在其中的设定程序模拟熟练驾驶员的驾驶 规律（ 换挡规律 、发动机油门的自适应调节规律等） ，通过选换挡液压执行机构对换挡离合器的结合及分离进行控 制 ，以实现发动机和变速器的匹配，从而获得优良的作 业性能和迅速换挡能力 。

动力换挡变速器由于换挡操作简单且动力不中断，改善了拖拉机的操纵性能，提高了工作效率。自1959年美国卡特彼勒公司在D9D拖拉机上首次成功地应用动力换挡以来，由于其在换挡时所表现出的明显优点，吸引了许多厂家纷纷效仿 。如同时期的Ford公司在其671／771／871／971拖拉机上引入一0一Speed 10+2动力换挡变速箱，该变速器作业速度范围0．9～30 km／h，可在作业阻力大的区域快速降挡以提升牵引力，通过后及时升挡以保证作业速度和燃油经济性，在此过程中不需要停车和操纵离合器，而且可保持动力输出轴速度不变，从而显著提升拖拉机动力输出。随后于1982年，Case IH公司在其Steiger Panther 1000拖拉机上首次采用12挡电子控制全动力换挡变速器，换挡机构全部由摩擦片湿式离合器控制，使驾驶员操作更加方便快捷，且提高了换挡质量。类似的还有美国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型等拖拉机全动力换挡变速器。

90年代中期，德国ZF公司生产的T7000系列拖拉机变速箱则属于半动力换挡机构 ，主变速为6挡同步器换挡，副变速为4挡动力换挡，由6个多片湿式离合器实现挡位的切换，带爬行挡，挡位最多可达到40F+40R。该变速器采用可调比例阀控制技术实现平滑起步，并带有离合器摩擦监测功能，在超过限定值时，将对驾驶员发出警告，以防止过载造成的传动系损伤。此外手动换挡通过换挡杆上的按钮来操控，提高了驾驶员的操作舒适性，而自动换挡适用于各种复杂的工况，并通过速度匹配来协调动力换挡与同步器挡位切换。与之相似还有Case IH公司的Puma 155型，美国AllisChalmers公司8050型，New Holland公司的T1404型拖拉机等等。目前几乎国外所有大型拖拉机企业均有装配动力换挡变速器的拖拉机产品，功率范围涵盖75～530马力，且经过近几十年的发展，技术比较成熟。

在我国，动力换挡变速器最早是在工程机械上得到应用，如1966年柳工Z435装载机上使用的定轴式变速器，随后在1970年开始在ZL50装载机上使用行星式变速器。此后在80年代又先后引入了日本TCM叉车的变速器和德国ZF公司电液控制定轴式变速器等先进技术，使我国这一行业水平有了较大的提高 。目前动力换挡变速器主要在装载机、推土机、叉车、平地机和压路机上得到广泛的应用，国内以吉林大学、北京理工大学、同济大学为主的各科研院所机构均对液力自动变速控制技术进行了研究，并取得了一些科研成果。但这些研究主要集中在汽车和工程机械上，而在农业拖拉机上的应用研究较少。此后直到2010年，中国一拖集团公司与国外合作，逐步研发了东方红IJz、LA、LF等系列重型动力换挡拖拉机，才实现我国大功率拖拉机在该项目上零的突破。到现在为止，国内已有中国一拖、福田雷沃重工、山东常林、五征集团、常州东风、奇瑞重工、洛阳博马、江苏联凯农业装备和江苏常发农业装备等企业开展了拖拉机动力换挡技术的科研攻关和样机研制 ，并有部份产品有进入国内农机市场，如五征集团雷诺曼1804、2004、2104，中联重科PL2304、PL2604、东方红2404、2204、福田雷沃重工P2654等，但与国外相比，仍处于技术引进消化吸收的起步阶段。

拖拉机主要从事田间作业和道路运输，多挡、大传动比范围和长时间大负荷作业是农业拖拉机传动系的主要特点 。挡位的增多，一方面可以提高发动机的功率利用率，另一方面可以拓宽变速器的速比范围，以适应各种复杂地况和特种作业要求。如果采用传统的两轴式或三轴式传动结构，必然会使变速器结构复杂而笨重，所以拖拉机动力换挡自动变速器多采用主副变速相串联的多级组成式传动方案，主副变速分别由不同的操纵机构控制，其优点在于传动齿轮个数少，同等条件下变速箱结构尺寸和重量减小，且传动比变化率大，使拖拉机的驱动力和行驶速度都有较宽的变化范围。

半动力换挡自动变速器是由手动加自动联合控制，其中主变速一般由液压控制的换挡离合器操纵，其挡位可通过控制器依照换挡规律实现自动控制，如卡特彼勒公司Challeng—er 35系列拖拉机就是在其10—16挡高段范围内可自动换挡。而副变速各速度区段之间的切换最早是由换段杆操纵滑动齿轮来实现，随后发展为啮合套和同步器，使换段更加平顺，迅速，且减小了换段冲击。换段是由驾驶员根据作业经验直接手动控制。如国内福田雷沃公司的P2654以及中国一拖的LZ2404拖拉机装配的就是以手柄操纵的同步器换段机构。

虽然半动力换挡变速器在一定程度上减轻了驾驶员的负担，但仍需手动换段，需要驾驶员的经验来操作，达不到对拖拉机作业的实时准确控制，从而使作业效率ZUI大化。因此为满足智能化作业的要求，由半动力发展为全动力换挡，从而有利于实施换挡控制策略，以使挡位切换能根据作业负荷来实时改变，提高燃油经济性。如纽荷兰T7040拖拉机采用的18+6全动力换挡变速器，在技术上要大大高于一般的5区域或6区域半动力自动换挡变速箱，其主要优势是：可在1．9—40 km／h的全速度段范围内通过两个按钮控制改变挡位，不需要踩离合器。而且在选定自动功能后，挡位完全实现完全自动控制，即自动增减挡位。

全动力换挡自动变速器与一般的半动力自动换挡变速箱相比，给用户带来的主要好处与利益是：一是作业效率更高(发动机功率相同时)，耗油率更低；二是在田间作业条件复杂时，特别是低湿地作业时的通过性能更好；三是对于大中功率级别的拖拉机，不需要手动操纵机械式换挡，变速箱的整体可靠性更高。四是由于变速箱内部动力传动路线简单，产生的内耗以及热量少，变速箱壳体可采用高强度铸钢材料而不是铝质材料，变速箱总体结构更加坚固耐用。

此外，为提高拖拉机在轻负荷作业时的经济性，大功率拖拉机大多在原有挡位的基础上增加直接挡或超速挡用于提高行驶速度，比如Emiliano Brancolini将独立PTO动力输出通过电控液压换挡机构引入行走系统，作为超速挡应用于不需要FrO输出的道路运输模式，使拖拉机行驶速度从原有40km／h提高到50km／h。

电液技术

电液技术在动力换挡自动变速器上的应用主要包括以下三个方面：

一是采用电子控制液压系统驱动换挡离合器切换挡位，如Case IH公司在其Steiger拖拉机上装配电子脉冲宽度调节换挡电磁阀，由控制器控制自动换挡，使其在田间和公路上的换挡更加顺畅，既减轻了驾驶员的疲劳程度，又延长了变速箱的寿命。

二是电子辅助功能，如(1)强制降挡功能，在高速挡运行过程中遇到大负载时或驾驶员快速踏下油门踏板时，系统将临时降低至低挡位；(2)巡航功能，驾驶员无需踩油门踏板，旦设定工作速度，控制系统通过对油门开度、挡位变换，使拖拉机按燃油经济性或动力性要求保持设定的作业速度行驶，以减轻驾驶员劳动强度；(3)驱动防滑功能，拖拉机在附着系数低的作业路面起步或加速时，通过对换挡离合器、发动机转速和挡位变化来控制输出轴转矩来控制牵引力，以达到防滑控制的目的，提高拖拉机的操纵性、稳定性和安全性；(4)电子地头转向功能，在田间地头转向时，通过转向开关实现自动换挡，悬挂农具升降，液压输出与油门控制，简化地头转弯操作。

三是变速器与拖拉机上其它控制器之间的数据共享通信技术。如ZF公司T7000系列拖拉机将传动系控制系统与动力换挡变速器控制器通过CAN总线集成，使整个传动系可模块化定制，方便系统连接。此外通过拖拉机各设备之间的信息交换，可实现对发动机、传动系和农具作业状态参数一体化监测与控制，以及远程故障诊断处理等，大大提高了拖拉机使用维护的方便性和可靠性。

总之，采用电液控制具有下列优点：(1)可解决换挡平顺性问题，避免换挡冲击，提高换挡品质；(2)可根据作业工况灵活制定换挡策略，以实现不同作业需求，比如顺序换挡，插花换挡，穿梭换挡和可编程换挡等换挡逻辑 ；(3)可与其它机载设备进行联合作业，实现诸如田间巡航、电子地头转向、GPS导航等智能化作业需求，方便驾驶员的操作。

控制技术

换挡控制技术是拖拉机动力换挡自动变速器的核心问题，将直接影响拖拉机的动力性、燃油经济性以及对恶劣环境的适应能力。它主要包括换挡规律和换挡品质两个方面。

(1)换挡规律

换挡规律通过研究拖拉机各挡位自动换挡时刻与控制参数(如作业速度、负荷程度、滑转率、发动机输出转速转矩等)之问的关系，并经过性能仿真优化后，确定换挡点 ，避免换挡循环。

目前拖拉机自动变速器换挡规律是从汽车传动系所采用的以车速和油门开度为控制参数的“两参数换挡规律”基础上发展而来的。但这些传统的换挡规律是建立在被控对象准确数字模型基础上，对于拖拉机和工程车辆，由于工况复杂，负荷变化剧烈，建立其准确模型比较困难，使基于数学模型的各类控制方法难以解决这一问题。因此近年来许多研究将智能控制理论应用于换挡规律，如I．Sakai等提出了模糊换挡策略 J，K．Hayashi等提出了根据输入转速和加速踏板位置变化量利用模糊逻辑判断车辆负载和驾驶员意图、根据车辆速度、负载、驾驶员意图和加速踏板位置利用神经网络原理决策换挡位置的智能控制策略 。Jonas Fredrikson采用自适应反馈方法构建控制器，并提出将发动机作为主动控制一部分的非线性换挡控制方法 。现代控制方法的引入，并增加能够反映具体作业状态和环境状态的参数，使得换挡时机和挡位分布更加合理，可以大大提高了车辆的燃油经济性和作业效率。

在控制策略上，Case IH公司Steiger拖拉机16F／2R全动力换挡变速箱按照拖拉机作业特点，分成田间和公路两种自动换挡模式，根据变速箱输出轴转速、当前的挡位数和发动机转矩负载，自动选择前进挡位，田间作业时，采用动力控制模式，以获取ZUI大动力输出，而在公路运输时，采用经济模式，从而使燃油喷射更加准确，油耗更低。而New Holland公司则开发出拖拉机行走速度管理系统GSM，其不仅包括自动换挡功能，还可在田间作业负荷变化时，自动调节发动机转速与变速器挡位相匹配使拖拉机按照驾驶员设定的工作速度进行作业，在保证经济性的前提下能大幅提升生产效率。

在控制参数选择上，由于拖拉机作业时发动机和行走机构所产生的动态效应，使得其性能在动态负荷下大为降低。因此要提高整机性能，就必须在对工作装置、行走机构、传动系、发动机进行动态参数合理匹配的基础上，结合过程控制方式才能实现。通过对工作装置的负荷控制来调节行走机构的负荷分布和滑转率，以及对传动系的速比控制来调节发动机的负荷分布，这两种控制调节必须协调一致才能有效。从国外大功率拖拉机所应用的自动换挡控制策略来看，大多是以发动机油门开度、行走速度以及作业负荷作为基础控制参数来研究，并辅以现代控制理论方法，将发动机、传动系以及农具负载结合在一起，实现协同控制 ，其联合作业如图2所示。拖拉机在道路运输和田问作业时具有不同的负荷条件，因此研究动力换挡变速器换挡规律时，就需要综合考虑拖拉机机组、作业环境以及驾驶员意图，并根据不同的作业负荷来确定不同的换挡调节模式，以实现发动机与作业机组之间合理匹配，兼顾动力性与经济性。

(2)换挡品质

动力换挡变速器是通过液压操纵离合器的接合和分离来实现换挡的，但由于液体的不可压缩性，换挡操纵液压系统刚度较大，如果换挡元件接合过猛，会产生换挡冲击，使传动系统产生较大的动载荷，加剧零部件的磨损，降低使用寿命，而且易使驾驶员疲劳。良好的换挡品质要求换挡迅速、平稳、无冲击，且对动力传递影响小，尽量使动力不中断。

在实际换挡过程中，各挡位离合器大多是由单向开关阀控制，当开关阀打开时，离合器内压力只能增加，而当开关阀处于关闭位置，离合器内液体压力为零，因此原离合器分离的准确时间无法确定，另外离合器液压还受温度、离合器盘磨损以及转速影响，不能有效测定实际的驱动转矩，这些都对闭环控制形成障碍，因此Giulio Panzani等针对大功率拖拉机动力换挡变速器设计了一种开环控制器，以拖拉机速度为对象，优化换挡调压阀的液压输出，以控制离合器切换时间，从而获得较为理想的换挡品质。而ZF公司T7000系列拖拉机则是通过采用电子脉冲控制比例电磁阀来调节换挡离合器内液体压力，并增加过载保护，使换挡过程受温度与负荷影响显著减小。国内用试验的方法研究了动力换挡变速箱换挡过程中，换挡离合器压力变化过程对旋转速度的影响，发现在理想换挡点变速箱换挡最平稳 。美国Delta Power公司则开发出一种柔性换挡技术，当控制器收到换挡手柄产生的某一挡位信号输出指令后，通过程序控制，选择合适的接合压力曲线，根据设定的程序，启动相应的挡位电磁换向阀和比例减压阀，实现换挡离合器快速的软接合和分离过程，从而有效提升换挡质量。

小结

拖拉机是目前农业机械中最重要的农用设备，虽然我国拖拉机保有量居世界前列，但与国外相比，其技术含量不高。根据国外拖拉机近几十年的发展趋势而看，在拖拉机上采用电子控制技术是其未来发展的必然方向。通过采用动力换挡自动控制技术，可使驾驶员从繁重的换挡操作中解放出来，更加专注于机体所带农机具的操作，减少工作量，提高生产效率。而且换挡过程由TCU根据当前作业工况以及驾驶员意图，采用最优化的换挡规律与发动机进行协同控制，可保证拖拉机在理想的换挡点及时换挡，可避免换挡操作不当所引起的换挡冲击，提高了换挡品质，减小零部件的磨损，提高车辆的使用寿命和燃油经济性，降低排放污染。同时通过GPS

获取更准确的作业信息，以及TCU与拖拉机其它附属设备(比如发动机、农具)之间的信息共享，可形成一体化的集成控制技术，这对于提高我国拖拉机的智能化水平，以及实现较为复杂的精细农业管理系统也具有较强的理论与现实意义。