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1、拖拉机动力换挡技术莫恭武赵海瑞魏国俊摘要：随着我国拖拉机工业的发展，拖拉机技术水平的升级换代迫在眉睫。其中，动力换挡（也叫负 载换挡）技术是国内拖拉机生产企业的研发方向。 通过介绍拖拉机动力换挡变速箱的工作原理，让读 者对动力换挡技术及发展应用现状有所了解。 关键词：拖拉机；动力换挡；变速箱优点，因此，大多数动力换挡变速箱均采用行星齿轮传动。2.1 行星齿轮传动动力换挡变速箱先介绍行星齿轮的工作原理。行星齿轮机构 具有四个基本元件：太阳轮、行星轮、行星轮 架、齿圈（如图 1）。行星轮滑套在行星轮架上， 同时和太阳轮、齿圈啮合。行星齿轮机构可以在 太阳轮、行星轮架、齿圈三个基本元件之间任选 两个
2、元件作为动力输入和输出元件，采用制动或 其他方法使另一元件固定或以给定转速旋转，这 样单组行星齿轮传动变速器就以某一传动比传递 动力。1拖拉机动力换挡技术概述动力换挡技术，就是通过湿式离合器控制变 速箱换挡，通过液压控制系统实现传动器的不间 断换挡、换向操作。动力换挡技术是相对于传统 的机械换挡而言的。动力换挡拖拉机采用电子控 制系统，实现了拖拉机不间断换挡、换向，将复 杂的操作过程简化为简单的按钮操作，驾驶员可 以在极其短暂的时间内轻松完成复杂的各种作业 过程，不仅大大降低了操作难度和劳动强度，而 且还大大地提高了作业质量，从而实现了作业效 率的提升。动力换挡可分为部分动力换挡和全动力换 挡
3、。部分动力换挡，即机械（人力）、动力混合 换挡，主要应用在定轴轮系（定轴齿轮传动）变 速箱上，全动力换挡多用在摩擦元件布置的周转 轮系（行星齿轮传动）变速箱上。2拖拉机动力换挡变速箱工作原理拖拉机动力换挡变速箱是利用液压离合器或 制动器实现拖拉机在载荷下换挡的机构。动力换 挡变速箱分定轴齿轮传动和行星齿轮传动两种。 定轴齿轮传动变速箱具有结构简单、制造容易、 便于采用通用的换挡离合器等优点，因此在轮式 装载机上，至今仍是一种典型结构。行星齿轮传 动具有结构紧凑(齿轮、换挡离合器或制动器的摩 擦元件等尺寸均小)、传动效率高、径向力平衡等A.太阳轮B.齿圈C.行星轮架D.行星轮E.离合器片图 1行
4、星齿轮机构构成图单组行星齿轮机构具有八种传动方案（见图 2、表 1）。其操作方便，可获得较高的生产率，但结构较复杂，成本高，只在部分大功率拖拉机上采用。两 挡动力换挡用于部分动力换挡的变速箱中，可实 现高低挡间不停车换挡。当负载增大时换入低 挡，负载减小则换入高挡。这样，能使有级变速 箱增加一倍的排挡数。内啮合行星式动力换挡机 构（见图 3所示）在输入件齿圈转动和制动太阳轮 时，行星架转动，输出动力，速比大于l。放松制 动器，接合离合器，使太阳轮与行星架互锁，此 时行星机构成一体转动，速比为1。外啮合行星式 动力换挡机构见图 4所示，放松制动器，接合离合 器，使输入件太阳轮与行星架成一体转动时
5、，速 比为1。放松离合器，制动行星架，此时行星传动 转换成定轴传动，速比大于l。2.2 定轴式齿轮传动动力换挡变速箱定轴式动力换挡变速箱是将变速箱的换挡齿 轮用离合器与其轴连接起来，通过换挡离合器的 分离、接合实现换挡的。其特点是传动中齿轮与 轴的位置固定。基本原理如图 5所示：它由动力 输入轴1、中间轴7、动力输出轴9、离合器3和离 合器4、齿轮2和齿轮5的轮毂固装在一起。齿轮2 和齿轮5滑套在动力输入轴1上，与输入轴各自单 独旋转。齿轮8和齿轮10固定在动力输出轴上，分 别和齿轮6、齿轮2相啮合。齿轮6滑套在中间轴上（中间轴在此仅起支承作用），同时和齿轮5、齿 轮8相啮合。离合器3和离合器
6、4都处于分离状态 时，动力由输入轴传递到离合器3和离合器4的主 动片后再无法传递，变速箱处于空挡位置。离合 器3结合、离合器4分离时，动力由输入轴经离合 器3、齿轮2传递到齿轮10，最后由输出轴输出。 此时，齿轮5、6、8和离合器4的从动片随输出轴 空转，主动片随输入轴旋转，互不干涉。同理， 离合器3分离、离合器4结合时，变速器又实现倒图 2单组行星齿轮传动示意图表 1单组行星齿轮传动方案方案主动件被动件固定件传动比性能1(图 2中)2(图 2中)3(图 2中)4(图 2中)5(图 2中)6(图 2中)7太阳轮齿圈 太阳轮 行星架 行星架 齿圈行星架行星架 齿圈 齿圈 太阳轮 太阳轮齿圈太阳轮
7、 行星架 太阳轮 齿圈 行星架1+k（1+k）/k-k k/（1+k）1/（1+k）-1/k1减速增扭增速减扭任意两个连成一体直接挡8 无任意元件制动又无任二元件连成一体 三元件自由转 空挡备注：k为行星排的特性参数。如果将多组行星齿轮串联组合，将得到更 多的动力输出方案。拖拉机动力换挡变速箱正 是根据行星齿轮的这种特性，通过电液控制系统 控制执行元件（离合器、制动器）的结合（或分 离），约束（或释放）行星齿轮机构的相关元 件，实现多挡动力换挡。为了提高发动机的利用功率，现代农用拖拉 机上，24挡的动力换挡变速箱与机械换挡变速 箱组成部分动力换挡变速箱。其中，两挡动力换 挡由于结构较简单、造价
8、较低，已获得广泛采 用。由多个行星机构串联成全动力换挡变速箱，图 3 内啮合行星式动力换挡机构示意图图 4 外啮合行星式动力换挡机构示意图48 江苏农机化 2012.5统（TCU）控制换挡过程。TCU根据换挡时负荷、转速、油温、油压等数据对换挡过程自动实时控 制。还可实现与其他部件的综合自动控制，进一 步提高操纵舒适性和工作效率。（5）全动力换挡传动系由于结构复杂、成本 高，正逐步退出大中功率段，主要应用在147 kW（200hp）以上的大功率段拖拉机产品，以发挥其 传动效率高的特点。（6）随着液压元件性能的提升，液压传动效 率有了明显改善，液压机械双流传动的CVT传动系 得到了更为普遍的采用
9、。4 动力换挡技术发展情况4.1 国际上拖拉机传动系发展时间表（见图 6）4.2 我国拖拉机变速箱换挡技术发展情况我国拖拉机目前广泛采用滑动齿轮和啮合套 两种换挡方式，少部分采用同步器换挡方式，其 中滑动齿轮和啮合套是国际市场上的淘汰产品。 动力换挡技术在中外合资拖拉机生产企业中得到 应用，主要是在大马力段范围内，如凯斯、纽荷 兰、约翰迪尔、麦赛福格森等品牌的大功率拖拉 机。这些拖拉机在国内已有相当多的用户，主要 集中在东北、内蒙、新疆等地的大型农场。然而，目前国内拖拉机企业还没有研发出动 力换挡变速箱，现有动力换挡变速箱均为进口产 品。从公开资料来看，中国一拖、常州东风农机 集团有限公司等国
10、内拖拉机龙头企业正在进行相 关研发。同时，国内不少拖拉机企业也在按自身234516798101.动力输入轴 2.齿轮 3.离合器 4.离合器5.齿轮6.齿轮 7.中间轴 8.齿轮 9.动力输出轴 10.齿轮图 5 定轴式动力换挡变速箱基本原理示意图挡。3拖拉机动力换挡技术的应用现状（1）动力换挡的应用功率范围：73.5kW（100hp）以上。（2）带有动力换向的动力换挡传动系是应用 的主流，具有最佳的性价比，应用功率范围逐渐 加大。（3）部分动力换挡传动系应用范围已扩 展到了73.5kW（100hp）功率段，如Massey Ferguson6455和John Deere6330等机型。（4）随
11、着液压元件性能的提升和计算机控制 技术的应用，动力换挡和动力换向技术从依靠液 压反馈控制换挡过程，发展为采用传动系电控系滑动齿轮啮合套同步器动力换挡全动力换挡CVT（机械液压双流传动）图 6国际上拖拉机传动系发展时间表江苏农机化 2012.549实施五大工程突出五大保障确保率先基本实现农业机械化柳民强张 锦农业机械是发展现代农业的重要物质基础，也是农业现代化的重要标志。我国目前正处于传 统农业向现代农业转变的关键时期，农业机械化 发展从高级阶段向基本实现农业机械化过渡的关 键阶段。加快推进农业机械化，对于提高农业装 备水平、改善农业生产条件、增强农业综合生产 能力、拉动农村消费需求等具有重要意
12、义。金坛 市作为江苏省农机化综合示范县（市）和全国农 机化示范区，现有农机总动力40.31kW，农机化综 合水平达82.06%，在全国处于领先水平。该市计 划于2013年在全省率先基本实现农业机械化，为 此将实施五大工程，落实五大保障措施，确保目 标顺利实现。1 实施五大工程1.1 优化农机装备结构布局工程加快推进农机化发展方式转变，优化农机装 备结构布局，是深入贯彻落实科学发展观，促进农机化事业又好又快发展的重要举措和必然要求。抓住农业部拟在全国100个农业机械化示范 区开展农机装备结构调整示范工作的契机，把转 变农机化发展方式，实施优化农机装备结构布局 工程作为全市农机化发展的主线。坚持数
13、量增长 与结构优化并举，以增量调整带动存量优化，以 存量优化促进结构升级。重点促进大马力、高性 能、复式作业机械的发展，加快老旧农机的报废 更新，促进农机节能减排，降低单位能耗，加快 绿色、低碳农业机械发展，提高资源能源利用 率。1.2 农机服务组织建设工程大力发展农机专业合作社，培育发展一批设 施完备、功能齐全、特色鲜明的示范农机合作 社，带动大型、复式、高性能农机和先进农业技 术的推广应用。充分运用农机购置补贴、合作社 场库棚建设扶持、信贷支持、税费优惠等政策，计划进行研发。据业内人士分析，国内企业依靠自己的力量研发动力换挡变速箱，离成功还有很 远的路要走。其难点在于：国内目前在动力换挡
14、技术（包括电控、液压、机械）方面缺乏基础性 的研究；在材料材质要求、加工手段和精度等方 面达不到要求，没有解决动力换挡系统的可靠性 问题；同时研发的经济成本也是制约因素，因为 国内没有与动力换挡配套的产业链。从近期来看，国内在拖拉机传动技术的发展 方向上，应首先发展为同步器换挡或者主变速为 同步器换挡、副变速为啮合套换挡。同时，应充分吸收国外先进技术，积极研制和应用动力换挡变速箱，缩短与国际拖拉机发展水平的差距。参考文献：1赵剡水,杨为民.农业拖拉机发展观察.农业机械 学报J，2010(6). 2王禄明.拖拉机动力换挡.中国农业百科全书M 农业机械化卷.（作者单位：江苏省农业机械试验鉴定站）(收稿日期：2012-08-10）50 江苏农机化 2012.5
