拖拉機動力換擋技術之一二
隨著我國拖拉機工業的發展，拖拉機技術水平的升級換代迫在眉睫。其中，動力換擋（也叫負載換擋）技術在國際大馬力拖拉機市場上已經是妥妥的標配了，但是在國內也有多家拖拉機主機廠搭載動力換擋變速箱，雖然國內的動力換擋變速箱是通過從國外採購得到的，但是這不妨礙動力換擋變速箱技術在國內的普及，今天小編介紹拖拉機動力換擋變速箱的工作原理，讓讀者對動力換擋技術及發展應用現狀有所了解。
1 拖拉機動力換擋技術概述
所謂動力換擋技術，就是通過濕式離合器控制變速箱換擋，通過液壓控制系統實現動力不中斷的斷換擋、換向操作。動力換擋技術是相對於傳統的機械換擋而言的。動力換擋拖拉機採用電子控制系統，實現了拖拉機不間斷換擋、換向，將複雜的操作過程簡化為簡單的按鈕操作，駕駛員可以在極其短暫的時間內輕鬆完成複雜的各種作業過程，不僅大大降低了操作難度和勞動強度，而 且還大大地提高了作業質量，從而實現了作業效 率的提升。
動力換擋可分為部分動力換擋和全動力換 擋。部分動力換擋，即機械（人力）、動力混合換擋，主要應用在定軸輪系（定軸齒輪傳動）變速箱上，全動力換擋多用在摩擦元件布置的周轉輪系（行星齒輪傳動）變速箱上。從原理上來說，動力換擋變速箱有行星輪式動力換擋變速箱，其代表就是愛科集團的動力換擋變速箱採用的是行星輪式，其技術源頭來自工程機械巨頭卡特；另外一種就是以德國ZF公司為代表的定軸式動力換擋變速箱。
2 拖拉機動力換擋變速箱工作原理
拖拉機動力換擋變速箱是利用液壓離合器或制動器實現拖拉機在載荷下換擋的機構。動力換 擋變速箱分定軸齒輪傳動和行星齒輪傳動兩種。 定軸齒輪傳動變速箱具有結構簡單、製造容易、 便於採用通用的換擋離合器等優點，因此在輪式裝載機上，至今仍是一種典型結構。行星齒輪傳 動具有結構緊湊(齒輪、換擋離合器或制動器的摩 擦元件等尺寸均小)、傳動效率高、徑向力平衡等優點，因此，大多數動力換擋變速箱均採用行星齒輪傳動。
2.1 行星齒輪傳動動力換擋變速箱
先介紹行星齒輪的工作原理。行星齒輪機構 具有四個基本元件：太陽輪、行星輪、行星輪 架、齒圈（如圖 1）。行星輪滑套在行星輪架上， 同時和太陽輪、齒圈嚙合。行星齒輪機構可以在 太陽輪、行星輪架、齒圈三個基本元件之間任選 兩個元件作為動力輸入和輸出元件，採用制動或 其他方法使另一元件固定或以給定轉速旋轉，這樣單組行星齒輪傳動變速器就以某一傳動比傳遞 動力。
A 太陽輪 B 齒圈 C 行星輪架 D 行星輪 E 離合器片
圖1 行星齒輪機構簡圖
單組行星齒輪機構具有八種傳動方案（見 圖 2、表 1）。
圖2 單組行星齒輪傳動示意圖
如果將多組行星齒輪串聯組合，將得到更多的動力輸出方案。拖拉機動力換擋變速箱正是根據行星齒輪的這種特性，通過電液控制系統控制執行元件（離合器、制動器）的結合（或分離），約束（或釋放）行星齒輪機構的相關元
件，實現多擋動力換擋。
為了提高發動機的利用功率，現代農用拖拉機上，2～4擋的動力換擋變速箱與機械換擋變速箱組成部分動力換擋變速箱。其中，兩擋動力換擋由於結構較簡單、造價較低，已獲得廣泛採用。由多個行星機構串聯成全動力換擋變速箱，其操作方便，可獲得較高的生產率，但結構較複雜，成本高，只在部分大功率拖拉機上採用。兩擋動力換擋用於部分動力換擋的變速箱中，可實現高低擋間不停車換擋。當負載增大時換入低擋，負載減小則換入高擋。這樣，能使有級變速箱增加一倍的排擋數。內嚙合行星式動力換擋機構（見圖 3所示）在輸入件齒圈轉動和制動太陽輪時，行星架轉動，輸出動力，速比大於1。放鬆制
動器，接合離合器，使太陽輪與行星架互鎖，此時行星機構成一體轉動，速比為1。外嚙合行星式動力換擋機構見圖 4所示，放鬆制動器，接合離合器，使輸入件太陽輪與行星架成一體轉動時，速比為1。放鬆離合器，制動行星架，此時行星傳動轉換成定軸傳動，速比大於1。
2.2 定軸式齒輪傳動動力換擋變速箱
定軸式動力換擋變速箱是將變速箱的換擋齒輪用離合器與其軸連接起來，通過換擋離合器的分離、接合實現換擋的。其特點是傳動中齒輪與軸的位置固定。基本原理如圖 5所示：它由動力輸入軸1、中間軸7、動力輸出軸9、離合器3和離合器4、齒輪2和齒輪5的輪轂固裝在一起。齒輪2和齒輪5滑套在動力輸入軸1上，與輸入軸各自單獨旋轉。齒輪8和齒輪10固定在動力輸出軸上，分別和齒輪6、齒輪2相嚙合。齒輪6滑套在中間軸上（中間軸在此僅起支承作用），同時和齒輪5、齒輪8相嚙合。離合器3和離合器4都處於分離狀態時，動力由輸入軸傳遞到離合器3和離合器4的主動片後再無法傳遞，變速箱處於空擋位置。離合器3結合、離合器4分離時，動力由輸入軸經離合器3、齒輪2傳遞到齒輪10，最後由輸出軸輸出。此時，齒輪5、6、8和離合器4的從動片隨輸出軸空轉，主動片隨輸入軸旋轉，互不干涉。同理，離合器3分離、離合器4結合時，變速器又實現倒擋。
3 拖拉機動力換擋技術的應用現狀
（1）動力換擋的應用功率範圍：73.5kW（100hp）以上。
（2）帶有動力換向的動力換擋傳動系是應用的主流，具有最佳的性價比，應用功率範圍逐漸加大。
（3）部分動力換擋傳動系應用範圍已擴展到了73.5 kW （100hp） 功率段， 如Massey Ferguson 6455和John Deere6330等機型。
（4）隨著液壓元件性能的提升和計算機控制技術的應用，動力換擋和動力換向技術從依靠液壓反饋控制換擋過程，發展為採用傳動系電控系統（TCU）控制換擋過程。TCU根據換擋時負荷、轉速、油溫、油壓等數據對換擋過程自動實時控制。還可實現與其他部件的綜合自動控制，進一步提高操縱舒適性和工作效率。
（5）全動力換擋傳動系由於結構複雜、成本高，正逐步退出大中功率段，主要應用在147 kW（200hp）以上的大功率段拖拉機產品，以發揮其傳動效率高的特點。
（6）隨著液壓元件性能的提升，液壓傳動效率有了明顯改善，液壓機械雙流傳動的CVT傳動系得到了更為普遍的採用。
4 動力換擋技術發展情況
4.1 國際上拖拉機傳動系發展時間表（見圖 6）
4.2 我國拖拉機變速箱換擋技術發展情況
我國拖拉機目前廣泛採用滑動齒輪和嚙合套兩種換擋方式，少部分採用同步器換擋方式，其中滑動齒輪和嚙合套是國際市場上的淘汰產品。動力換擋技術在中外合資拖拉機生產企業中得到應用，主要是在大馬力段範圍內，如凱斯、紐荷蘭、道依茨.法爾、約翰迪爾、麥賽福格森等品牌的大功率拖拉機。這些拖拉機在國內已有相當多的用戶，主要集中在東北、內蒙、新疆等地的大型農場，近些年雖然也有國產大馬力動力換擋技術拖拉機投放新疆、黑龍江和內蒙古市場，也取得了不錯的成績，但是由於動力換擋變速箱都是從國外採購的動力換擋變速箱，主機廠的整合能力尚不能將動力換擋變速箱的優勢完全發揮除了，導致其原來佔有的動力換擋變速箱市場被不斷的被國外拖拉機巨頭蠶食，造成了目前國產的大馬力動力換擋市場不斷的下滑。
然而，目前國內拖拉機企業尚無成熟的動力換擋傳動系推出，現有動力換擋變速箱均為進口產品。從公開資料來看，中國一拖等國內拖拉機龍頭企業正在進行動力換擋變速箱的相關研發。同時，國內不少拖拉機企業也在按自身計划進行研發。據業內人士分析，國內企業依靠自己的力量研發動力換擋變速箱，離成功還有很遠的路要走。其難點在於：國內目前在動力換擋技術（包括電控、液壓、機械）方面缺乏基礎性的研究；在材料材質要求、加工手段和精度等方面達不到要求，沒有解決動力換擋系統的可靠性問題；同時研發的經濟成本也是制約因素，因為國內沒有與動力換擋配套的產業鏈。
從近期來看，國內在拖拉機傳動技術的發展方向上，應首先發展為同步器換擋或者主變速為同步器換擋、副變速為嚙合套換擋。同時，應充分吸收國外先進技術，積極研製和應用動力換擋變速箱，縮短與國際拖拉機發展水平的差距。
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