拖拉机变速箱动力换挡技术特点及方式研究

    祁亚兰

    摘 要：动力换挡技术是先进拖拉机变速箱广泛使用的关键技术，能够有效解决传统变速箱在换挡过程中动力中断的问题，实现拖拉机在牵引农机具换挡过程中行驶速度的稳定性，能够有效保证农机具作业的实际需求，通过对拖拉机动力换挡技术的发展过程及基本原理的介绍，说明了其关键技术的实施及常用解决方案。

    关键词：拖拉机；变速箱；动力换挡；技术特点

    中图分类号：S219.03 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.03.007

    拖拉机在农业生产中起着牵引农机具和运输农产品的重要作用，但拖拉机牵引农机具进行作业时，由于耕地、播种、收获等不同作业要求，拖拉机的行驶方式受到了农机具特点的制约。拖拉机的变速器是控制行驶速度和换挡逻辑的关键部件，变速器功能的合理性直接决定了农机具的工作状态和工作效率。传统的换挡方式多通过滑动齿轮、啮合套等方式实现，在换挡的过程中拖拉机的动力会出现短暂的中断现象。此时若拖拉机负载较大或受阻力很大，就会使原有的行驶速度大幅降低甚至出现停车现象，不仅会因为动力的反复连接而影响工作效率，导致油耗增加，还容易引起重复播种或翻耕土壤不均匀等问题。随着机械技术的不断进步，采用动力换挡的变速箱有效地解决了动力中断的问题，显著提高了作业质量和效果，并降低了使用过程中的能源消耗。

    1 动力换挡的发展过程

    当传统机械式换挡难以满足现代化农业生产对拖拉机的使用要求，动力换挡被开发并应用于农用拖拉机上，以达到优化传动过程和改善拖拉机牵引农机具作业效果的作用。动力换挡的发展大体经过了两个阶段：一是半动力换挡阶段，采用的是手動和自动联合的方式，其主要的变速过程通过液压控制换挡离合器来实现，挡位能够通过控制器按照预定好的规律实现自动换挡，但是对于换挡的操作仍需驾驶员手动进行控制，尽管半动力换挡在一定程度上减轻了驾驶的驾驶负担，但仍需要依靠驾驶员的经验进行操作，达不到全面的精确控制与传动的优化。经过对动力换挡的不断优化与改进，半动力换挡逐渐向全动力换挡转变，在先进的控制技术支持下，挡位变换完全实现了自动控制，给拖拉机的操作者带来了极大的便利，并提高了拖拉机的作业效率。

    2 动力换挡的技术特点

    2.1 基本原理介绍

    动力换挡的要求就是要在拖拉机工作的过程中实现换挡时动力不中断，通常是采用摩擦离合器做为换挡过程的执行元件。在如图所示的传动系统中A为动力输入端，B为动力输出端，C为过渡传动轴，采用动力换挡的变速器能够通过电液压操控机构来控制不同位置的离合器的接触和分离。假设换挡过程中图中左侧位置的传动结构处于结合状态，而右侧的位置处于断开状态，在进行换挡的过程中，在右侧动力结合与左侧动力断开过程中有一定的时间重合，这就在理论上实现了换挡过程的动力不中断要求。动力换挡的主要的工作部件包括了具有动力换挡结构的变速箱、电液控制系统以及液压系统三大部分。其中液压系统是为离合器提供分离结合动力的装置，并能为变速箱提供强制的润滑保障。电液控制系统采用了先进的控制单元，能够在满足换挡要求的同时实现对转数、扭距、压力、温度等数据的监测。

    2.2 重点问题分析

    2.2.1 动力换挡规律

    由于越来越多的大型拖拉机采用了自动变速箱技术，换挡规律就成为了拖拉机性能的直接影响因素。换挡时机主要是拖拉机根据车辆的行驶状态、工作环境以及驾驶员的思想意图来分析和判断恰当的升挡和降挡时机。由于拖拉机的结构及其设计理念跟普通车辆存在较大差距，且其工作环境复杂，影响因素较多，在牵引不同农机工作的同时还要实现不同的行驶方式。因此，拖拉机的换挡规律与普通的机动车相比具有自身特点和实际需求，在对拖拉机换挡规律设计的过程中要考虑其参与农业生产不同农机具的相关要求，避免出现换挡与农业生产规律不符合的问题，并利用现代化的神经网络控制技术和模糊控制技术等对拖拉机的换挡过程进行优化和修正，以保证驾驶过程中优秀的控制效果。

    2.2.2 动力换挡离合器的结合规律

    相对于传统的机械式换挡方式，动力换挡的过程更为柔合，能够显著降低传动零件在换挡过程中的冲击和磨损问题，但要进一步提高换挡品质，也还必须要使离合器的结合规律更加的科学合理。首先，离合器为满足高效工作的要求，其对应的分离和结合的过程必须要足够快，这样不仅能够减少换挡过程中的动力损失，还能够缩小滑动摩擦过多导致的零部件寿命缩短的问题。其次，为避免过大的冲击和载荷，离合器的科学平稳换挡能够有效减少零件瞬时加速度过大的问题，保证换挡过程中的平稳性。最后，离合器的换挡还要保证其功能的可靠性，尽量避免在使用寿命期限内出现跳挡、脱挡或双挡并行等故障问题。

    2.2.3 动力换挡的控制技术要求

    先进的动力换挡采用了电液控制的方式来实现，在进行电子化控制的过程中，自动换挡的稳定性和可靠性是前提。因此，有效地实现电子控制过程中的抗干抗技术、故障诊断技术、错误修正技术是提高动力换挡设备科学化的基本要求。

    3 关键技术的实施及解决过程

    对于农业机械变速箱的优化与改良，无论是用哪种技术，其最终的目的都是优化变速箱对驾驶意图的合理化判断，将原本复杂的操作过程尽力简化，同时更加适应农业生产的技术要求。

    3.1 电液控制技术的实施

    电液控制技术主要用于提高变速箱换挡的便捷程度及实现传统变速箱难以实现的功能。电液控制技术的实施能够通过传感器及电磁阀等电子设备提升传动过程的智能化程度，并为拖拉机实现一些必须的功能，主要包括：（1）强制降挡功能。在拖拉机已挂入较高挡位行驶时，当驾驶员深踩油门以希望获得动力时，系统能够实现自动降挡增加扭距的功能。（2）防滑功能。当拖拉机在田间作业遇到泥泞路段时，容易出现轮胎打滑的问题，导致行进困难。通过优化拖拉机牵引力控制的方式，综合调节发动机转数及挡位、离合器之间的配合关系，有利于更好的解决拖拉机在附着力较低情况下起步和加速的难题。（3）定速巡行功能，在生产力较好的大规模经营地区，拖拉机作业时常需要以稳定的速度行进，以保证农机作业的均匀和合理性，定速巡行功能能够有效降低驾驶员在匀速行驶过程中的疲劳问题并减少农机行驶过程中的燃油消耗。

    通过电液控制系统实现对离合器挡位的切换，能够有效提升换挡过程的流畅程度。例如，凯斯公司生产的拖拉机所使用的电子脉冲宽度调节换挡电磁阀，能够通过控制器来控制自动换挡，有效优化了换挡过程的合理性，延长了变速箱的使用寿命，电液系统还能实现变速箱与拖拉机其它结构之间的数据共享。通过总线集成技术，能够实现拖拉机各个设备之间的信息交换，并有利于对发动机换挡系统以及牵引农机具进行实时监控，显著提高拖拉机的故障归避能力及可靠程度。

    3.2 自动换挡技术的实施

    为拖拉机而设计的自动变送器，换挡技术的好坏直接关系到拖拉机整体的适应能力以及动力响应速度和燃油经济性等问题。换挡的最关键技术在于换挡规律的设定，现阶段所使用的农用变速箱多是汽車自动变速箱演变而来，但是汽车变速箱所考虑的换挡时机的参数较少，由于拖拉机的复杂工况和载荷变化频繁，原有换挡模型不能合理实施。只有通过现代化的手段，利用数学模型技术以及模糊控制技术，对于拖拉机的复杂情况、驾驶员意图、车辆的行驶速度、油门踏板的位置变化程度等因素进行综合的方法构建，并利用现代化的控制方法实现部分换挡控制的非线性转换，利用对拖拉机具体工作过程的参数采集和环境影响的研究，使其在农业生产过程中挡位更换更为合理。

    进口先进拖拉机自动换挡的逻辑分为两种模式，分别供拖拉机在田间作业和公路行驶使用。在田间作业的过程中，更多的使用动力控制模式，以满足牵引农机具过程中的动力输出要求；在道路行驶时通常使用经济模式，在保证合理行驶速度的同时，尽可能降低燃油的使用量。由于使用电液方式进行的动力换挡是通过液压来实现离合器的分离和结合，因液压传动的迅速性，容易出现换挡过程冲击较大、零部件磨损等问题。因此，先进的拖拉机电液控制换挡技术会使用比例电磁阀来调整离合器结合时的液压强度，并结合过载保护装置减小换挡过程中的冲击和动载荷，达到变速箱平稳的要求，有效提高换挡的质量。

    4 结语

    现阶段我国的大中马力拖拉机保有量仍相对较低，对于动力换挡技术的普及程度也相对不足，这在一定程度上影响了农业生产的实际作业过程与效率。但随着自主农机技术研究的不断进步，动力换挡及自动变速箱会越来越多的应用于不同规格的拖拉机之上，显著提高农业生产的效率和作业质量。

    参考文献：

    [1] 席志强， 周志立， 张明柱，等. 拖拉机动力换挡变速器换挡特性与控制策略研究[J]. 农业机械学报， 2016， 47（11）：350-357.

    [2] 夏光， 施信信， 唐希雯，等. 负载状态下大马力拖拉机动力换挡控制研究[J]. 机械传动， 2018（2）.

    [3] 王晓华. 动力换挡拖拉机的优势[J]. 农村牧区机械化， 2017（5）.