必威app官网登陆入口動力換擋分析

車輛傳(chuan) 動係統是決(jue) 定大功率車輛性能的關(guan) 鍵部件。我國目前使用的拖拉機動力傳(chuan) 動係統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(you) 點，從(cong) 而獲得廣泛應用。但這種手動機械式變速器屬於(yu) 非動力換擋，輸出轉矩與(yu) 轉速變化比較大，換擋時首先分離主離合器以切斷動力傳(chuan) 遞，然後操縱換擋同步器進行擋位變換，需要駕駛員憑經驗決(jue) 定換擋時刻，換擋時機不易把握，而且由於(yu) 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(ye) 環境惡劣，外界負荷波動頻繁，這就要求發動機和變速箱能適時地變更轉速和扭矩以適應負荷和行駛阻力的不斷變化，這些通過僅(jin) 僅(jin) 依靠駕駛員操縱傳(chuan) 統的機械式變速器來實現，難以保證拖拉機的動力性和燃油經濟性，而且增加了勞動強度。

動力換擋自動變速器是機電液一體(ti) 化的產(chan) 品 ，由齒輪式變速器、液壓控製的換擋離合器、傳(chuan) 感器 、電子控製係統組成。它是在傳(chuan) 統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 ，以電子控製單元（ ECU ） 為(wei) 核 心，通過液壓執行係統控製摩擦結合元件的分離與(yu) 接合 、選 換擋操作以及發動機節氣門的調節 ，來實現不切斷動力情況 下的拖拉機自動換擋控製 。

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 ，製動踏板和換擋手柄向變速器控製器( TCU ） 表達意圖 ，發動機轉速、作業(ye) 速度 、擋位 、油門開度等 傳(chuan) 感器實時監測拖拉機的作業(ye) 狀況，並將相應的電信號輸入 TCU ,TCU 按存儲(chu) 在其中的設定程序模擬熟練駕駛員的駕駛 規律（ 換擋規律 、發動機油門的自適應調節規律等） ，通過選換擋液壓執行機構對換擋離合器的結合及分離進行控 製 ，以實現發動機和變速器的匹配，從(cong) 而獲得優(you) 良的作 業(ye) 性能和迅速換擋能力 。

動力換擋變速器由於(yu) 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，由於(yu) 其在換擋時所表現出的明顯優(you) 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(ye) 速度範圍0．9～30 km／h，可在作業(ye) 阻力大的區域快速降擋以提升牽引力，通過後及時升擋以保證作業(ye) 速度和燃油經濟性，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(cong) 而顯著提升拖拉機動力輸出。隨後於(yu) 1982年，Case IH公司在其Steiger Panther 1000拖拉機上首次采用12擋電子控製全動力換擋變速器，換擋機構全部由摩擦片濕式離合器控製，使駕駛員操作更加方便快捷，且提高了換擋質量。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係列以及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(chan) 的T7000係列必威app官网登陆入口則屬於(yu) 半動力換擋機構 ，主變速為(wei) 6擋同步器換擋，副變速為(wei) 4擋動力換擋，由6個(ge) 多片濕式離合器實現擋位的切換，帶爬行擋，擋位最多可達到40F+40R。該變速器采用可調比例閥控製技術實現平滑起步，並帶有離合器摩擦監測功能，在超過限定值時，將對駕駛員發出警告，以防止過載造成的傳(chuan) 動係損傷(shang) 。此外手動換擋通過換擋杆上的按鈕來操控，提高了駕駛員的操作舒適性，而自動換擋適用於(yu) 各種複雜的工況，並通過速度匹配來協調動力換擋與(yu) 同步器擋位切換。與(yu) 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(ye) 均有裝配動力換擋變速器的拖拉機產(chan) 品，功率範圍涵蓋75～530馬力，且經過近幾十年的發展，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，隨後在1970年開始在ZL50裝載機上使用行星式變速器。此後在80年代又先後引入了日本TCM叉車的變速器和德國ZF公司電液控製定軸式變速器等先進技術，使我國這一行業(ye) 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(nei) 以吉林大學、北京理工大學、同濟大學為(wei) 主的各科研院所機構均對液力自動變速控製技術進行了研究，並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(nong) 業(ye) 拖拉機上的應用研究較少。此後直到2010年，中國一拖集團公司與(yu) 國外合作，逐步研發了東(dong) 方紅IJz、LA、LF等係列重型動力換擋拖拉機，才實現我國大功率拖拉機在該項目上零的突破。到現在為(wei) 止，國內(nei) 已有中國一拖、福田雷沃重工、山東(dong) 常林、五征集團、常州東(dong) 風、奇瑞重工、洛陽博馬、江蘇聯凱農(nong) 業(ye) 裝備和江蘇常發農(nong) 業(ye) 裝備等企業(ye) 開展了拖拉機動力換擋技術的科研攻關(guan) 和樣機研製 ，並有部份產(chan) 品有進入國內(nei) 農(nong) 機市場，如五征集團雷諾曼1804、2004、2104，中聯重科PL2304、PL2604、東(dong) 方紅2404、2204、福田雷沃重工P2654等，但與(yu) 國外相比，仍處於(yu) 技術引進消化吸收的起步階段。

拖拉機主要從(cong) 事田間作業(ye) 和道路運輸，多擋、大傳(chuan) 動比範圍和長時間大負荷作業(ye) 是農(nong) 業(ye) 拖拉機傳(chuan) 動係的主要特點 。擋位的增多，一方麵可以提高發動機的功率利用率，另一方麵可以拓寬變速器的速比範圍，以適應各種複雜地況和特種作業(ye) 要求。如果采用傳(chuan) 統的兩(liang) 軸式或三軸式傳(chuan) 動結構，必然會(hui) 使變速器結構複雜而笨重，所以拖拉機動力換擋自動變速器多采用主副變速相串聯的多級組成式傳(chuan) 動方案，主副變速分別由不同的操縱機構控製，其優(you) 點在於(yu) 傳(chuan) 動齒輪個(ge) 數少，同等條件下變速箱結構尺寸和重量減小，且傳(chuan) 動比變化率大，使拖拉機的驅動力和行駛速度都有較寬的變化範圍。

半動力換擋自動變速器是由手動加自動聯合控製，其中主變速一般由液壓控製的換擋離合器操縱，其擋位可通過控製器依照換擋規律實現自動控製，如卡特彼勒公司Challeng—er 35係列拖拉機就是在其10—16擋高段範圍內(nei) 可自動換擋。而副變速各速度區段之間的切換最早是由換段杆操縱滑動齒輪來實現，隨後發展為(wei) 齧合套和同步器，使換段更加平順，迅速，且減小了換段衝(chong) 擊。換段是由駕駛員根據作業(ye) 經驗直接手動控製。如國內(nei) 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，需要駕駛員的經驗來操作，達不到對拖拉機作業(ye) 的實時準確控製，從(cong) 而使作業(ye) 效率ZUI大化。因此為(wei) 滿足智能化作業(ye) 的要求，由半動力發展為(wei) 全動力換擋，從(cong) 而有利於(yu) 實施換擋控製策略，以使擋位切換能根據作業(ye) 負荷來實時改變，提高燃油經濟性。如紐荷蘭(lan) T7040拖拉機采用的18+6全動力換擋變速器，在技術上要大大高於(yu) 一般的5區域或6區域半動力自動換擋變速箱，其主要優(you) 勢是：可在1．9—40 km／h的全速度段範圍內(nei) 通過兩(liang) 個(ge) 按鈕控製改變擋位，不需要踩離合器。而且在選定自動功能後，擋位完全實現完全自動控製，即自動增減擋位。

全動力換擋自動變速器與(yu) 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(yu) 利益是：一是作業(ye) 效率更高(發動機功率相同時)，耗油率更低；二是在田間作業(ye) 條件複雜時，特別是低濕地作業(ye) 時的通過性能更好；三是對於(yu) 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(ti) 可靠性更高。四是由於(yu) 變速箱內(nei) 部動力傳(chuan) 動路線簡單，產(chan) 生的內(nei) 耗以及熱量少，變速箱殼體(ti) 可采用高強度鑄鋼材料而不是鋁質材料，變速箱總體(ti) 結構更加堅固耐用。

此外，為(wei) 提高拖拉機在輕負荷作業(ye) 時的經濟性，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於(yu) 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係統，作為(wei) 超速擋應用於(yu) 不需要FrO輸出的道路運輸模式，使拖拉機行駛速度從(cong) 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(ge) 方麵：

一是采用電子控製液壓係統驅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衝(chong) 寬度調節換擋電磁閥，由控製器控製自動換擋，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)強製降擋功能，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，係統將臨(lin) 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，控製係統通過對油門開度、擋位變換，使拖拉機按燃油經濟性或動力性要求保持設定的作業(ye) 速度行駛，以減輕駕駛員勞動強度；(3)驅動防滑功能，拖拉機在附著係數低的作業(ye) 路麵起步或加速時，通過對換擋離合器、發動機轉速和擋位變化來控製輸出軸轉矩來控製牽引力，以達到防滑控製的目的，提高拖拉機的操縱性、穩定性和安全性；(4)電子地頭轉向功能，在田間地頭轉向時，通過轉向開關(guan) 實現自動換擋，懸掛農(nong) 具升降，液壓輸出與(yu) 油門控製，簡化地頭轉彎操作。

三是變速器與(yu) 拖拉機上其它控製器之間的數據共享通信技術。如ZF公司T7000係列拖拉機將傳(chuan) 動係控製係統與(yu) 動力換擋變速器控製器通過CAN總線集成，使整個(ge) 傳(chuan) 動係可模塊化定製，方便係統連接。此外通過拖拉機各設備之間的信息交換，可實現對發動機、傳(chuan) 動係和農(nong) 具作業(ye) 狀態參數一體(ti) 化監測與(yu) 控製，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，采用電液控製具有下列優(you) 點：(1)可解決(jue) 換擋平順性問題，避免換擋衝(chong) 擊，提高換擋品質；(2)可根據作業(ye) 工況靈活製定換擋策略，以實現不同作業(ye) 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(yu) 其它機載設備進行聯合作業(ye) ，實現諸如田間巡航、電子地頭轉向、GPS導航等智能化作業(ye) 需求，方便駕駛員的操作。

控製技術

換擋控製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、燃油經濟性以及對惡劣環境的適應能力。它主要包括換擋規律和換擋品質兩(liang) 個(ge) 方麵。

(1)換擋規律

換擋規律通過研究拖拉機各擋位自動換擋時刻與(yu) 控製參數(如作業(ye) 速度、負荷程度、滑轉率、發動機輸出轉速轉矩等)之問的關(guan) 係，並經過性能仿真優(you) 化後，確定換擋點 ，避免換擋循環。

目前拖拉機自動變速器換擋規律是從(cong) 汽車傳(chuan) 動係所采用的以車速和油門開度為(wei) 控製參數的“兩(liang) 參數換擋規律”基礎上發展而來的。但這些傳(chuan) 統的換擋規律是建立在被控對象準確數字模型基礎上，對於(yu) 拖拉機和工程車輛，由於(yu) 工況複雜，負荷變化劇烈，建立其準確模型比較困難，使基於(yu) 數學模型的各類控製方法難以解決(jue) 這一問題。因此近年來許多研究將智能控製理論應用於(yu) 換擋規律，如I．Sakai等提出了模糊換擋策略 J，K．Hayashi等提出了根據輸入轉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、根據車輛速度、負載、駕駛員意圖和加速踏板位置利用神經網絡原理決(jue) 策換擋位置的智能控製策略 。Jonas Fredrikson采用自適應反饋方法構建控製器，並提出將發動機作為(wei) 主動控製一部分的非線性換擋控製方法 。現代控製方法的引入，並增加能夠反映具體(ti) 作業(ye) 狀態和環境狀態的參數，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濟性和作業(ye) 效率。

在控製策略上，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(ye) 特點，分成田間和公路兩(liang) 種自動換擋模式，根據變速箱輸出軸轉速、當前的擋位數和發動機轉矩負載，自動選擇前進擋位，田間作業(ye) 時，采用動力控製模式，以獲取ZUI大動力輸出，而在公路運輸時，采用經濟模式，從(cong) 而使燃油噴射更加準確，油耗更低。而New Holland公司則開發出拖拉機行走速度管理係統GSM，其不僅(jin) 包括自動換擋功能，還可在田間作業(ye) 負荷變化時，自動調節發動機轉速與(yu) 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(ye) ，在保證經濟性的前提下能大幅提升生產(chan) 效率。

在控製參數選擇上，由於(yu) 拖拉機作業(ye) 時發動機和行走機構所產(chan) 生的動態效應，使得其性能在動態負荷下大為(wei) 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(chuan) 動係、發動機進行動態參數合理匹配的基礎上，結合過程控製方式才能實現。通過對工作裝置的負荷控製來調節行走機構的負荷分布和滑轉率，以及對傳(chuan) 動係的速比控製來調節發動機的負荷分布，這兩(liang) 種控製調節必須協調一致才能有效。從(cong) 國外大功率拖拉機所應用的自動換擋控製策略來看，大多是以發動機油門開度、行走速度以及作業(ye) 負荷作為(wei) 基礎控製參數來研究，並輔以現代控製理論方法，將發動機、傳(chuan) 動係以及農(nong) 具負載結合在一起，實現協同控製 ，其聯合作業(ye) 如圖2所示。拖拉機在道路運輸和田問作業(ye) 時具有不同的負荷條件，因此研究動力換擋變速器換擋規律時，就需要綜合考慮拖拉機機組、作業(ye) 環境以及駕駛員意圖，並根據不同的作業(ye) 負荷來確定不同的換擋調節模式，以實現發動機與(yu) 作業(ye) 機組之間合理匹配，兼顧動力性與(yu) 經濟性。

(2)換擋品質

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換擋的，但由於(yu) 液體(ti) 的不可壓縮性，換擋操縱液壓係統剛度較大，如果換擋元件接合過猛，會(hui) 產(chan) 生換擋衝(chong) 擊，使傳(chuan) 動係統產(chan) 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。良好的換擋品質要求換擋迅速、平穩、無衝(chong) 擊，且對動力傳(chuan) 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(guan) 閥控製，當開關(guan) 閥打開時，離合器內(nei) 壓力隻能增加，而當開關(guan) 閥處於(yu) 關(guan) 閉位置，離合器內(nei) 液體(ti) 壓力為(wei) 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速影響，不能有效測定實際的驅動轉矩，這些都對閉環控製形成障礙，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控製器，以拖拉機速度為(wei) 對象，優(you) 化換擋調壓閥的液壓輸出，以控製離合器切換時間，從(cong) 而獲得較為(wei) 理想的換擋品質。而ZF公司T7000係列拖拉機則是通過采用電子脈衝(chong) 控製比例電磁閥來調節換擋離合器內(nei) 液體(ti) 壓力，並增加過載保護，使換擋過程受溫度與(yu) 負荷影響顯著減小。國內(nei) 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速度的影響，發現在理想換擋點變速箱換擋最平穩 。美國Delta Power公司則開發出一種柔性換擋技術，當控製器收到換擋手柄產(chan) 生的某一擋位信號輸出指令後，通過程序控製，選擇合適的接合壓力曲線，根據設定的程序，啟動相應的擋位電磁換向閥和比例減壓閥，實現換擋離合器快速的軟接合和分離過程，從(cong) 而有效提升換擋質量。

小結

拖拉機是目前農(nong) 業(ye) 機械中最重要的農(nong) 用設備，雖然我國拖拉機保有量居世界前列，但與(yu) 國外相比，其技術含量不高。根據國外拖拉機近幾十年的發展趨勢而看，在拖拉機上采用電子控製技術是其未來發展的必然方向。通過采用動力換擋自動控製技術，可使駕駛員從(cong) 繁重的換擋操作中解放出來，更加專(zhuan) 注於(yu) 機體(ti) 所帶農(nong) 機具的操作，減少工作量，提高生產(chan) 效率。而且換擋過程由TCU根據當前作業(ye) 工況以及駕駛員意圖，采用最優(you) 化的換擋規律與(yu) 發動機進行協同控製，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衝(chong) 擊，提高了換擋品質，減小零部件的磨損，提高車輛的使用壽命和燃油經濟性，降低排放汙染。同時通過GPS

獲取更準確的作業(ye) 信息，以及TCU與(yu) 拖拉機其它附屬設備(比如發動機、農(nong) 具)之間的信息共享，可形成一體(ti) 化的集成控製技術，這對於(yu) 提高我國拖拉機的智能化水平，以及實現較為(wei) 複雜的精細農(nong) 業(ye) 管理係統也具有較強的理論與(yu) 現實意義(yi) 。