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拖拉机在农田作业,农田基本建设,农业运输以在抽水、脱粒、农产品加工等固定作业中用途十分广泛。因此,拖拉机技术的发展对全面实现农业机械化起着至关重要的作用。变速器是实现拖拉机性能的关键部分,不仅决定拖拉机的动力性和燃油经济性,而且决定作业效率。变速器可分为有级变速器和无级变速器,传统的机械式有级变速器采用多对齿轮变速很难保证发动机工作在最佳动力性和最佳燃油经济性工作区,换挡时会产生冲击和噪声,降低舒适性,但其效率高,成本低,应用广泛。
机械式有级变速器可通过电控换挡(AMT) 使发动机工作在靠近最佳动力性及最佳燃油经济性工作区。电控自动换挡变速器在汽车上已成熟实现,但国内拖拉机上基本没有应用,国外主要的拖拉机公司在大中型拖拉机已广泛应用。如从20 世纪80 年代后期到90 年代中后期,德国在大中型拖拉机上广泛运用动力换挡,90 年代中期,德国的专业变速器制造公司ZF Fridrichshafen 成功推出ZFT7000 系列动力换挡变速器。
采用电子控制技术的无级变速器是传动比可在一定范围内连续变化的变速器,简称CVT(Continuously Variably Transmission) ,可保证车辆始终工作在最佳动力性和最佳燃油经济性工作区,可提高车辆动力性、经济性、生产效率和操作自动化,简化驾驶员操作,也为综合控制拖拉机传动系提供可能。
ZF CVT拖拉机变速箱技术方案
无级变速器可分为3 大类,即①机械式; ②液体式,又分为液力式和液压式; ③电动式。机械式无级变速器的主要结构型式有:磨擦盘式、滚轮式、传动带式、齿轮式,已实用化的为滚轮式和传动带式,液体式主要有液力机械式变速器(AT) 和液压机械无级变速器(HMT) 及静液压传动。
液力机械式变速器(AT) 及其应用分析
液力机械式变速器(AT) 由液力变矩器和多挡机械变速箱组成。液力变矩器有多种形式,机械变速箱采用定轴式和行星齿轮变速机构的都有。液力机械变速器目前技术比较成熟,上世纪50 年代开始在工业拖拉机上应用的是动力换挡的液力传动装置,主要由主离合器、液力变矩器和机械变速箱组成。上世纪50 年代末动力换挡的液力机械变速器开始推广。
液力机械变速器在农业用及小功率拖拉机上应用较少,主要原因为：
①农业耕作负荷较小,所需功率较小,一般机械变速器就可满足要求。
②尽管采用带闭锁离合器或耦合器,其传动效率仍低于机械传动,因而经济性差。
③液力机械变速器制造、使用及维护成本较高,远高于目前的普通机械变速箱。拖拉机液压机械无级变速视频
目前国外在工业履带拖拉机有所应用,如凯斯厂生产的600 ,750 ,800 ,1000 系列工业履带拖拉机,发动机功率在60～100 马力,爱姆科105 型工业拖拉机(功率98 马力) ,均采用液力机械变速器。尽管造价较高,但使用后的高生产率和延长机器寿命足以补偿这一缺点。特别在大功率拖拉机和工程机械上优越性更为突出。
因此,国外中等功率(100～250 马力) 以上的拖拉机,液力机械变速器应用比较多。如意大利菲亚特艾利斯厂的BD8 履带推土机(功率91 马力/ 2100r/ min) ,可装机械或液力机械变速机构,采用单级单相液力变矩器配3 个前进挡和3 个倒挡的定轴机械变速箱。又如美国卡特彼勒公司生产的履带拖拉机,从75～300 马力都可装机械变速机构或液力机械变速器,如D4E(75 马力) 、D5B(105 马力) 、D6D(140 马力)D7G(200 马力) D8K(300 马力) 等。
较大功率的拖拉机则应用更为普遍,如D9H(410 马力) D10 (700 马力) 只装液力机械变速器,另外如美国的艾利斯- 查尔默斯厂的大功率(250～600 马力) 履带拖拉机也只装液力机械变速器。在特大功率(600 马力以上) 履带拖拉机上装两套液力传动系统,两侧履带分别驱动,可利用原有型号传动,不必设计生产大功率的动力传动装置,同时采用两侧驱动可省去转向机构。履带拖拉机的液力机械变速器一般有两种型种是高变矩比的三级涡轮变矩器,K0 = 5 左右,后配二挡机械变速箱。一种是中变矩比高效率的单级液力变矩器配3～4 挡机械变速箱,以后者居多。
机械变速箱结构型式,定轴和行星式都有采用。轮式拖拉机的液力机械变速器一般采用高效率的单级液力变矩器配机械变速箱。国内关于液力机械变速器在拖拉机上的研究和应用很少,处于起步阶段,如西北农林科技大学曾对上海50 型拖拉机应用液力机械变速器作过研究。国内中功率拖拉机如中国一拖、天拖等公司的系列拖拉机上基本没有应用。
液压机械无级变速器(HMT) 及应用分析
液压机械无级变速器(HMT) 由液压调速机构和机械变速机构及分、汇流机构组成,是一种液压功率流与机械功率流并联的传动形式,通过机械传动实现传动高效率,通过液压传动与机械传动相结合实现无级变速。
国外CASE拖拉机CVT技术方案
其原理如图1 所示,输入功率经分流机构分流为两路,一路经液压调速机构流至汇流机构,另一路经机械变速机构传至汇流机构,由于液压调速机构具有无级调速特性(通过控制系统控制变量泵斜盘倾角的变化使排量改变来实现) ,与机械变速机构经汇流机构汇流后,使HMT 实现无级变速。液压调速机构有变量泵- 定量马达,定量泵- 变量马达,变量泵- 变量马达3种形式,第一种应用较多。机械变速机构为自动有级变速器。
分、汇流机构为定轴齿轮传动或行星齿轮传动,从成本及实现难易来讲,分流机构以定轴齿轮传动居多,汇流机构以行星齿轮传动居多,在拖拉机上用这种的较多。与传统的机械式有级变速器相比,液压机械无级变速器有以下特点:
①能自动适应负荷和行驶阻力的变化,实现无级变速,保证发动机工作在最佳工作点,有利于提高拖拉机动力性、燃油经济性和工作效率。
②以液体为传力介质,大大减轻传动系动载,易防止发动机超载和熄火,可提高有关零部件的寿命,对工作条件恶劣的农业机械和工程机械尤为重要。
③行驶平稳,能吸收衰减振动,减少冲击和噪声,提高乘坐舒适性。
④有很低的稳定行驶车速,可提高拖拉机在坏路上的通过性和低速作业质量。
⑤操作轻便,便于实现换档自动化,降低驾驶员劳动强度。
⑥与纯机械传动相比,传动效率不很高,对变量泵和定量马达及液压系统要求较高,制造及使用成本较高。
图1、液压机械无极变速器原理
液压机械无级变速器因其性能佳,上世纪60 年代开始在军用坦克和装甲车上应用,如上世纪60 年代美国通用公司研制的HMPT 系列,上世纪70 年代美国Sundstand 公司研制的DMT 系列,速度高,功率大。但由于其制造成本高,直到20 世纪90 年代,发达国家主要的拖拉机和工程机械制造公司开始在大、中型拖拉机上开发和装备液压机械无级变速器,如德国芬德(Fendt) 公司1996 年推出功率P = 191kW 的Favorit926系列拖拉机及Vario 系列拖拉机, 采用ML200 型液压机械功率分流式变速器,实现无级变速。
上世纪90 年代中期德国专业生产变速器的ZF Fridrichshafen 公司的S - Matic 系列、ZF Eccom 系列液压机械无级自动变速器,已在道依兹. 法尔(Deutz - Fahr) 和斯特尔(Steyr)等公司的拖拉机上应用。此外德国Ford 和J . 迪尔(J .Deere) 公司, 英国工程机械制造公司(JCB) ,意大利Caterpillar 公司,日本小松( Komatsu) 公司,前苏联T -130 拖拉机等也在其产品中应用了HMT。
国内在拖拉机上基本没有应用, 目前中国一拖集团的4004拖拉机研制成功，但是目前尚未形成批产。国内的变速箱巨头陕西法士特集团目前也在推荐拖拉机CVT变速箱的研制，但是要形成大规模的批产，还需要一段时间；要使其广泛应用,必须提高传动效率和降低成本,解决大功率变量泵和定量马达关键制造技术的突破。由于制造和使用成本的制约,液压机械无级变速器在小型拖拉机上应用不会很多。
静液压无级变速器(HST) 及其应用分析
静压动力变速箱传递方案（ZF）
静液压无级变速器(HST) 依靠液压变量马达实现纯液压无级变速,效率较AT 高,但较齿轮变速器低许多,传递功率不大,但传递动力时无冲击和噪声,提高了舒适性。另外,易于布置,容易与制动系统和悬架系统及悬挂系统共用一套液压管路,降低成本,易于实现对拖拉机传动系统的综合控制。国外主要应用于小型拖拉机上,如日本的手扶拖拉机和小型园林用拖拉机上已有应用。当传递大功率时,需要专门的大功率变量马达,要求马达有很高的可靠性和极高的控制精度,对液压管路系统也有很高的要求,研制符合这些要求的大功率液压变量马达的很多关键技术还没有解决,故其在大中型拖拉机上短期内不会有应用。
ZF 拖拉机CVT变速箱
金属带式无级变速器及其应用分析
金属带式无级变速器依靠金属带与液压系统相结合实现无级变速,其原理如图2 所示,工作时通过主动带轮与从动带轮的可动锥盘作轴向移动来改变主动带轮、从动带轮锥面与V 型金属带啮合的工作半径,从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动带轮、从动带轮油缸压力来实现的。由于主动带轮和从动带轮的工作半径可以实现连续调节,从而实现了无级变速。其效率高,运转平稳,加速性能好,技术逐渐趋于成熟,但传递功率不高,开始应用于轿车。金属带式无级变速器对金属带与液压控制系统技术和制造精度要求很高,制造和使用成本因而很高。
另外,拖拉机由于要拖带农机具,其运行工况极为复杂,要求有更高的可靠性及输出功率和输出扭矩变化范围广,这对其使用寿命将用较大影响。因此,短期内金属带式无级变速器在拖拉机上的应用可能性不大。
图2 金属带式无极变速器原理
齿轮无级变速器及其应用分析
齿轮无级变速器(Gear Continuously Variable Transmmission 简称“G- CVT”) 是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动,传动原理为一锥体螺旋齿轮与一变位螺旋齿轮相啮合,通过改变中心距及变位螺旋齿轮的轴向位置来实现无级变速,如图3 所示。
图3、齿轮无极变速器原理
Ⅱ轴装于支承架2 的椭圆齿轮3 内,支承架2 空套在I 轴上,蜗轮7 固定在支承架2 上,中心轮8 与蜗杆6 固定在变速器外壳上,丝杆10 通过变速盘5 ,螺母11 装于支承架2 ,行星齿轮9 固定在丝仟杆10 上。当转动蜗杆6 使蜗轮7 转动,带动支承架2 转动,使Ⅱ轴绕I 轴转动;同时,行星齿轮9 绕中心轮8 自转和公转,使丝杆10 旋转通过螺母11 推动变速盘5 移动,改变叠加齿轮4 与三维齿轮12 的啮合位置,达到无级变速的目的。G- CVT 有如下优点,有望在拖拉机和汽车上大量应用: ①传递功率大,200kW 以上的功率是很容易达到的。②传动效率高,容易达到90 %以上的效率。③结构简单,生产成本大幅降低,相当于自动变速箱的1/ 10。④使发动机在理想状态下工作,燃烧完全,排放干净,极大减少大气污染。
另外,电动无级变速器依靠电动机组实现无级变速,控制方便,传递功率大,但单位功率体积大质量大,应用受到限制,近期内不会在拖拉机上应用。
经对上述几种无级变速器的综合分析后认为:
1.在大、中型拖拉机上,液力机械变速器和液压机械无级变速器将会有更广泛的应用,但在提高传动效率和降低成本方面还需做更多研究，在国内来说，基本的齿轮加工像法士特这样的企业完全能够胜任，但是难点就在于高压液压传动单元目前在国内加工满足不了需求，若是变速箱企业自行开发意味着周期较长，并且将投入巨额资金进行研发，而从国外采购，也面临着各大变速器企业的专利阻碍，即便你花了大价钱，也买不来核心技术，现在法士特也在加大这方面的研究，希望不久的将来，能带来好消息。
2. 在小型拖拉机上,静液压无级变速器将会逐渐到的推广。
3. 齿轮无级变速器可能是今后拖拉机与汽车无级变速器发展的一个方向,但需在简化机构和降低成本上做更多研究。