拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

蔡世春

（哈密職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 哈密 839001）

近年來，隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐的不斷加快，作為其重要標(biāo)志的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平也得到了不斷提高，其中，拖拉機(jī)作為最常用的農(nóng)用動力機(jī)械，它的技術(shù)更新更是直接反映了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平。縱觀拖拉機(jī)100 多年的發(fā)展歷史，當(dāng)前被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的拖拉機(jī)不僅是一個簡單的動力機(jī)械，它更像是一個動力平臺，其可以與不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合以進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)操作。拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的動力要經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳給車輪，而變速器就是傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其性能直接決定了拖拉機(jī)的工作性能。

目前，拖拉機(jī)的變速傳動技術(shù)主要包括機(jī)械式變速傳動、液壓式變速傳動和混合式變速傳動。為了對國內(nèi)外近年來所使用的拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展有更清晰的了解，文章將分別對3 種類型的變速傳動技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點、傳動機(jī)理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真梳理。

1 機(jī)械式變速傳動技術(shù)

1.1 手動變速

在拖拉機(jī)開發(fā)的早期階段，主要使用手動變速箱，其具有結(jié)構(gòu)簡單的特點。從技術(shù)上講，它可以分為3種模式：滑動換擋、嚙合套換擋和同步器換擋[1]?；瑒訐Q擋是最基礎(chǔ)的傳輸模式，是通過來回滑動主動齒輪，和不同位置上的從動齒輪嚙合進(jìn)行傳動。嚙合套換擋是通過移動嚙合套筒使其同時與花鍵轂和從動軸上的齒圈嚙合，從而輸出動力。同步器擋檔依靠摩擦力實現(xiàn)同步，并在其上設(shè)置特殊機(jī)構(gòu)，保證在實現(xiàn)同步之前，接合套與待接合的花鍵齒環(huán)不會接觸，從而縮短了變速器的換擋時間，消除了換擋時的沖擊[2]。

1.2 電控機(jī)械式自動變速

電控機(jī)械式自動變速器取代了離合器分離與接合、選擇與換檔、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等手動操作，實現(xiàn)了操作的自動選擇與切換，增加了由微型計算機(jī)控制的機(jī)構(gòu)[3]。電控機(jī)械式自動變速器有電子控制液壓傳動、電子控制氣壓傳動、電子控制電力傳動3 種形式。其中，電子控制液壓傳動在目前拖拉機(jī)中使用最普遍[4]。拖拉機(jī)采用自動變速器控制技術(shù)，能平穩(wěn)地自動適應(yīng)驅(qū)動輪的負(fù)荷變化，提高了動力性、平穩(wěn)性和舒適性，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率。同時由于采用液壓傳動控制換擋，從而減輕了駕駛員的操作復(fù)雜性和勞動強(qiáng)度。

1.3 動力換擋技術(shù)

動力換擋技術(shù)就是在不切斷動力輸出的前提下，實現(xiàn)變速器擋位的轉(zhuǎn)換，它綜合了電子控制、液壓控制和機(jī)械傳動，由電子液壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn)變速器擋位的不間斷轉(zhuǎn)換，多片濕式離合器作為換擋的執(zhí)行元件，液壓控制系統(tǒng)則控制分離與結(jié)合[5]。多片濕式離合器受到多個液壓系統(tǒng)的控制，可以在拖拉機(jī)變速器處于負(fù)荷狀態(tài)下分離或結(jié)合。動力換擋變速器有傳統(tǒng)的定軸式齒輪傳動和行星式齒輪傳動2 種形式，前者結(jié)構(gòu)簡單維修方便，后者結(jié)構(gòu)緊湊效率高[6]。其基本工作原理是通過節(jié)氣門、變速器控制按鈕等傳遞駕駛員意圖，各傳感器檢測不同工況不同負(fù)荷下的信號并將這些信號傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?，由電子控制單元通過液壓控制系統(tǒng)控制離合器的分離與結(jié)合，從而實現(xiàn)動力換擋。動力換擋技術(shù)在擋位轉(zhuǎn)換時動力輸出不中斷，有工作效率高、換擋時間短、部件使用壽命長、操縱性和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。

1.4 無級變速

無級變速技術(shù)是通過控制傳動帶和主動輪、從動輪之間的壓緊力來傳遞動力，其中主、從動輪的工作直徑是可變的，由壓緊力的逐漸變化來實現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變，從而得到傳動系與發(fā)動機(jī)工況的最佳配比。無級變速器在拖拉機(jī)上的應(yīng)用主要有靜液式和液壓機(jī)械式2種。靜液式無極變速器是通過變量馬達(dá)來實現(xiàn)液壓無極變速，其傳動效率比傳統(tǒng)的齒輪傳動低，但因其噪聲和沖擊小，故主要應(yīng)用于小型拖拉機(jī)上。液壓機(jī)械無級變速器將液壓傳動和機(jī)械傳動結(jié)合起來，通過液壓調(diào)速機(jī)構(gòu)、機(jī)械變速機(jī)構(gòu)及分、匯流機(jī)構(gòu)實現(xiàn)無極變速，采用這種類型無級變速器的拖拉機(jī)動力性和燃油性好，可防止發(fā)動機(jī)超載，操作輕便，行駛平穩(wěn)，但對液壓系統(tǒng)要求較高[7]。

2 液壓式變速傳動技術(shù)

液壓變速傳動技術(shù)是指以液體為工作介質(zhì)，實現(xiàn)能量傳遞和控制的一種傳動方式。由于其具有實現(xiàn)大范圍內(nèi)無級調(diào)速的特性，液壓傳動技術(shù)廣泛應(yīng)用在拖拉機(jī)變速器中。按所采取的傳動形式不同，拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)可分為液力式變速傳動系統(tǒng)和靜液壓式變速傳動系統(tǒng)。

2.1 液力式變速傳動

液力機(jī)械自動變速器主要是由液力變矩器和機(jī)械式變速器組成。液力變矩器可以在一定范圍內(nèi)自動和無級地改變傳動比和轉(zhuǎn)矩比，但是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時不能改變所傳遞的扭矩，不能滿足車輛使用工況要求，所以液力變矩器一般與機(jī)械式變速器組合。機(jī)械式變速器多采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，也有采用普通齒輪結(jié)構(gòu)。目前，液力機(jī)械自動變速器技術(shù)已經(jīng)成熟，具有各種性能優(yōu)良的行星齒輪結(jié)構(gòu)布置方式。

2.2 靜液壓式變速傳動

靜液壓無級自動變速器主要是由液壓傳動裝置和機(jī)械式變速器串聯(lián)組成的，液壓傳動裝置可采用節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速，由于節(jié)流調(diào)速采用控制節(jié)流閥控制流量大小，因此會損耗部分流量，所以多采用變量泵與變量馬達(dá)組成的容積調(diào)速回路，在低速與中速之間采用變量泵進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，中速與高速之間用變量馬達(dá)進(jìn)行恒功率調(diào)節(jié)[8]。隨著液壓元件精度的提高與電子控制技術(shù)的結(jié)合，將大量運用于中小型拖拉機(jī)上。

3 混合動力變速傳動技術(shù)

混合動力變速傳動是指包含主能源和輔助能源2種以上動力形式的一種傳動方式，可以實現(xiàn)多種能源管理和組合運行的模式。目前拖拉機(jī)混合動力主要是發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)和動力電池組——電動機(jī)動力系統(tǒng)2種動力模式?；旌蟿恿ν侠瓩C(jī)具有內(nèi)燃機(jī)車輛和純電動車輛二者的優(yōu)點，既可以保證動力輸出的持續(xù)性又可以達(dá)到節(jié)能減排的效果。根據(jù)耦合方式的不同，混合動力拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)分為串聯(lián)式（電耦合）、并聯(lián)式（機(jī)械耦合）和混聯(lián)式（機(jī)械、電耦合）[9]。

3.1 串聯(lián)式混合動力變速傳動

串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)見圖1。2 種能源向電動裝置供能驅(qū)動車輛行駛。油箱為單向能源，電耦合器通常由整流器、DC-DC變換器以及電動機(jī)控制器組成。發(fā)電機(jī)輸出通過整流器連接到電力總線。蓄電池作為雙向能源，可以實現(xiàn)同驅(qū)動系統(tǒng)、電網(wǎng)及柴油機(jī)/發(fā)電機(jī)組間的電力交互作用[10]。DC-DC 變換器作為可控雙向電力電子變換器，連接蓄電池與電力總線。電機(jī)控制器的作用在于根據(jù)相關(guān)控制指令控制電機(jī)電力特性的峰值、頻率及相位，進(jìn)行調(diào)試控制。根據(jù)電機(jī)選型不同，電機(jī)控制器的電子結(jié)構(gòu)與控制算法亦有所不同，電動機(jī)在相應(yīng)控制下可以實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)動。

圖1 串聯(lián)式混合動力變速傳動原理Fig.1 The principle of tandem hybrid variable speed transmission

3.2 并聯(lián)式混合動力變速傳動

并聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)見圖2。以蓄電池/電動機(jī)系統(tǒng)作為主要能源，內(nèi)燃機(jī)作為輔助能源。區(qū)別于串聯(lián)模式，其耦合方式在于將內(nèi)燃機(jī)輸出的機(jī)械能與電動機(jī)輸出的機(jī)械能經(jīng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)耦合后輸出。起耦合作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)通常為機(jī)械聯(lián)軸器，常見類型為行星輪系和齒輪分動箱，并以此將耦合模式進(jìn)一步分為轉(zhuǎn)速耦合和轉(zhuǎn)矩耦合[11]。

圖2 主程序流程圖Fig.2 The main program flow chart

圖2 并聯(lián)式混合動力變速傳動原理Fig.2. The parallel hybrid variable speed transmission principle

3.3 混聯(lián)式混合動力變速傳動

混聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)變速傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在2臺電機(jī)，其中一臺作為發(fā)電機(jī)，另一臺作為電動機(jī)推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)，見圖3。當(dāng)電機(jī)I作為發(fā)電機(jī)時，此時能源系統(tǒng)采取串聯(lián)運行模式，機(jī)械耦合器的作用僅僅在于傳遞動力或者分動，而電耦合器成為主要能量耦合器；電機(jī)II 此時用作電動機(jī)，單獨驅(qū)動傳動系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)I 作為電動機(jī)時，系統(tǒng)采取并聯(lián)運行模式，兩路機(jī)械功率流經(jīng)過機(jī)械耦合器匯合輸入驅(qū)動系統(tǒng)；電機(jī)Ⅱ作為發(fā)電機(jī)將多余的機(jī)械能和再生制動回收的機(jī)械能經(jīng)電耦合器充入蓄電池存儲[12]。

圖3 混聯(lián)式混合動力變速傳動原理Fig.3. The principle of hybrid hybrid variable speed transmission

4 結(jié)語

綜上所述，機(jī)械式變速器傳動效率高，成本低，其中動力換擋變速器在換擋過程中動力不中斷，還可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，所以在大功率拖拉機(jī)中可以廣泛采用。液壓式變速傳動平穩(wěn)，可以防止過載，但傳動效率較低，成本較高，使其應(yīng)用受到限制?；旌蟿恿ψ鰹橼厔莶⒁言跉W洲開始小批量運用。綜合以上3 種拖拉機(jī)變速傳動技術(shù)的優(yōu)缺點，結(jié)合中國拖拉機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用的實際情況，文章認(rèn)為現(xiàn)階段應(yīng)大力發(fā)展動力換擋技術(shù)和機(jī)械液壓式變速技術(shù)，這既是中國拖拉機(jī)變速器技術(shù)水平發(fā)展的必然趨勢，也是中國拖拉機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用的題中之義。