拖拉機在農田作業,農田基本建設,農業運輸以在抽水、脫粒、農產品加工等固定作業中用途十分廣泛。因此,拖拉機技術的發展對全面實現農業機械化起著至關重要的作用。變速器是實現拖拉機性能的關鍵部分,不僅決定拖拉機的動力性和燃油經濟性,而且決定作業效率。變速器可分為有級變速器和無級變速器,傳統的機械式有級變速器採用多對齒輪變速很難保證發動機工作在最佳動力性和最佳燃油經濟性工作區,換擋時會產生衝擊和噪聲,降低舒適性,但其效率高,成本低,應用廣泛。
機械式有級變速器可通過電控換擋(AMT) 使發動機工作在靠近最佳動力性及最佳燃油經濟性工作區。電控自動換擋變速器在汽車上已成熟實現,但國內拖拉機上基本沒有應用,國外主要的拖拉機公司在大中型拖拉機已廣泛應用。如從20 世紀80 年代後期到90 年代中後期,德國在大中型拖拉機上廣泛運用動力換擋,90 年代中期,德國的專業變速器製造公司ZF Fridrichshafen 成功推出ZFT7000 系列動力換擋變速器。
採用電子控制技術的無級變速器是傳動比可在一定範圍內連續變化的變速器,簡稱CVT(Continuously Variably Transmission) ,可保證車輛始終工作在最佳動力性和最佳燃油經濟性工作區,可提高車輛動力性、經濟性、生產效率和操作自動化,簡化駕駛員操作,也為綜合控制拖拉機傳動系提供可能。
ZF CVT拖拉機變速箱技術方案
無級變速器可分為3 大類,即①機械式; ②液體式,又分為液力式和液壓式; ③電動式。機械式無級變速器的主要結構型式有:磨擦盤式、滾輪式、傳動帶式、齒輪式,已實用化的為滾輪式和傳動帶式,液體式主要有液力機械式變速器(AT) 和液壓機械無級變速器(HMT) 及靜液壓傳動。
液力機械式變速器(AT) 及其應用分析
液力機械式變速器(AT) 由液力變矩器和多擋機械變速箱組成。液力變矩器有多種形式,機械變速箱採用定軸式和行星齒輪變速機構的都有。液力機械變速器目前技術比較成熟,上世紀50 年代開始在工業拖拉機上應用的是動力換擋的液力傳動裝置,主要由主離合器、液力變矩器和機械變速箱組成。上世紀50 年代末動力換擋的液力機械變速器開始推廣。
液力機械變速器在農業用及小功率拖拉機上應用較少,主要原因為：
①農業耕作負荷較小,所需功率較小,一般機械變速器就可滿足要求。
②儘管採用帶閉鎖離合器或耦合器,其傳動效率仍低於機械傳動,因而經濟性差。
③液力機械變速器製造、使用及維護成本較高,遠高於目前的普通機械變速箱。
目前國外在工業履帶拖拉機有所應用,如凱斯廠生產的600 ,750 ,800 ,1000 系列工業履帶拖拉機,發動機功率在60～100 馬力,愛姆科105 型工業拖拉機(功率98 馬力) ,均採用液力機械變速器。儘管造價較高,但使用後的高生產率和延長機器壽命足以補償這一缺點。特別在大功率拖拉機和工程機械上優越性更為突出。
因此,國外中等功率(100～250 馬力) 以上的拖拉機,液力機械變速器應用比較多。如義大利菲亞特艾利斯廠的BD8 履帶推土機(功率91 馬力/ 2100r/ min) ,可裝機械或液力機械變速機構,採用單級單相液力變矩器配3 個前進擋和3 個倒擋的定軸機械變速箱。又如美國卡特彼勒公司生產的履帶拖拉機,從75～300 馬力都可裝機械變速機構或液力機械變速器,如D4E(75 馬力) 、D5B(105 馬力) 、D6D(140 馬力)D7G(200 馬力) D8K(300 馬力) 等。
較大功率的拖拉機則應用更為普遍,如D9H(410 馬力) D10 (700 馬力) 只裝液力機械變速器,另外如美國的艾利斯- 查爾默斯廠的大功率(250～600 馬力) 履帶拖拉機也只裝液力機械變速器。在特大功率(600 馬力以上) 履帶拖拉機上裝兩套液力傳動系統,兩側履帶分別驅動,可利用原有型號傳動,不必設計生產大功率的動力傳動裝置,同時採用兩側驅動可省去轉向機構。履帶拖拉機的液力機械變速器一般有兩種型種是高變矩比的三級渦輪變矩器,K0 = 5 左右,後配二擋機械變速箱。一種是中變矩比高效率的單級液力變矩器配3～4 擋機械變速箱,以後者居多。
機械變速箱結構型式,定軸和行星式都有採用。輪式拖拉機的液力機械變速器一般採用高效率的單級液力變矩器配機械變速箱。國內關於液力機械變速器在拖拉機上的研究和應用很少,處於起步階段,如西北農林科技大學曾對上海50 型拖拉機應用液力機械變速器作過研究。國內中功率拖拉機如中國一拖、天拖等公司的系列拖拉機上基本沒有應用。
液壓機械無級變速器(HMT) 及應用分析
液壓機械無級變速器(HMT) 由液壓調速機構和機械變速機構及分、匯流機構組成,是一種液壓功率流與機械功率流並聯的傳動形式,通過機械傳動實現傳動高效率,通過液壓傳動與機械傳動相結合實現無級變速。
國外CASE拖拉機CVT技術方案
其原理如圖1 所示,輸入功率經分流機構分流為兩路,一路經液壓調速機構流至匯流機構,另一路經機械變速機構傳至匯流機構,由於液壓調速機構具有無級調速特性(通過控制系統控制變量泵斜盤傾角的變化使排量改變來實現) ,與機械變速機構經匯流機構匯流後,使HMT 實現無級變速。液壓調速機構有變量泵- 定量馬達,定量泵- 變量馬達,變量泵- 變量馬達3種形式,第一種應用較多。機械變速機構為自動有級變速器。
分、匯流機構為定軸齒輪傳動或行星齒輪傳動,從成本及實現難易來講,分流機構以定軸齒輪傳動居多,匯流機構以行星齒輪傳動居多,在拖拉機上用這種的較多。與傳統的機械式有級變速器相比,液壓機械無級變速器有以下特點:
①能自動適應負荷和行駛阻力的變化,實現無級變速,保證發動機工作在最佳工作點,有利於提高拖拉機動力性、燃油經濟性和工作效率。
②以液體為傳力介質,大大減輕傳動系動載,易防止發動機超載和熄火,可提高有關零部件的壽命,對工作條件惡劣的農業機械和工程機械尤為重要。
③行駛平穩,能吸收衰減振動,減少衝擊和噪聲,提高乘坐舒適性。
④有很低的穩定行駛車速,可提高拖拉機在壞路上的通過性和低速作業質量。
⑤操作輕便,便於實現換檔自動化,降低駕駛員勞動強度。
⑥與純機械傳動相比,傳動效率不很高,對變量泵和定量馬達及液壓系統要求較高,製造及使用成本較高。
圖1、液壓機械無極變速器原理
液壓機械無級變速器因其性能佳,上世紀60 年代開始在軍用坦克和裝甲車上應用,如上世紀60 年代美國通用公司研製的HMPT 系列,上世紀70 年代美國Sundstand 公司研製的DMT 系列,速度高,功率大。但由於其製造成本高,直到20 世紀90 年代,發達國家主要的拖拉機和工程機械製造公司開始在大、中型拖拉機上開發和裝備液壓機械無級變速器,如德國芬德(Fendt) 公司1996 年推出功率P = 191kW 的Favorit926系列拖拉機及Vario 系列拖拉機, 採用ML200 型液壓機械功率分流式變速器,實現無級變速。
上世紀90 年代中期德國專業生產變速器的ZF Fridrichshafen 公司的S - Matic 系列、ZF Eccom 系列液壓機械無級自動變速器,已在道依茲. 法爾(Deutz - Fahr) 和斯特爾(Steyr)等公司的拖拉機上應用。此外德國Ford 和J . 迪爾(J .Deere) 公司, 英國工程機械製造公司(JCB) ,義大利Caterpillar 公司,日本小松( Komatsu) 公司,前蘇聯T -130 拖拉機等也在其產品中應用了HMT。
國內在拖拉機上基本沒有應用, 目前中國一拖集團的4004拖拉機研製成功，但是目前尚未形成批產。國內的變速箱巨頭陝西法士特集團目前也在推薦拖拉機CVT變速箱的研製，但是要形成大規模的批產，還需要一段時間；要使其廣泛應用,必須提高傳動效率和降低成本,解決大功率變量泵和定量馬達關鍵製造技術的突破。由於製造和使用成本的制約,液壓機械無級變速器在小型拖拉機上應用不會很多。
靜液壓無級變速器(HST) 及其應用分析
靜壓動力變速箱傳遞方案（ZF）
靜液壓無級變速器(HST) 依靠液壓變量馬達實現純液壓無級變速,效率較AT 高,但較齒輪變速器低許多,傳遞功率不大,但傳遞動力時無衝擊和噪聲,提高了舒適性。另外,易於布置,容易與制動系統和懸架系統及懸掛系統共用一套液壓管路,降低成本,易於實現對拖拉機傳動系統的綜合控制。國外主要應用於小型拖拉機上,如日本的手扶拖拉機和小型園林用拖拉機上已有應用。當傳遞大功率時,需要專門的大功率變量馬達,要求馬達有很高的可靠性和極高的控制精度,對液壓管路系統也有很高的要求,研製符合這些要求的大功率液壓變量馬達的很多關鍵技術還沒有解決,故其在大中型拖拉機上短期內不會有應用。
ZF 拖拉機CVT變速箱
金屬帶式無級變速器及其應用分析
金屬帶式無級變速器依靠金屬帶與液壓系統相結合實現無級變速,其原理如圖2 所示,工作時通過主動帶輪與從動帶輪的可動錐盤作軸向移動來改變主動帶輪、從動帶輪錐面與V 型金屬帶嚙合的工作半徑,從而改變傳動比。可動盤的軸向移動量是由駕駛者根據需要通過控制系統調節主動帶輪、從動帶輪油缸壓力來實現的。由於主動帶輪和從動帶輪的工作半徑可以實現連續調節,從而實現了無級變速。其效率高,運轉平穩,加速性能好,技術逐漸趨於成熟,但傳遞功率不高,開始應用於轎車。金屬帶式無級變速器對金屬帶與液壓控制系統技術和製造精度要求很高,製造和使用成本因而很高。
另外,拖拉機由於要拖帶農機具,其運行工況極為複雜,要求有更高的可靠性及輸出功率和輸出扭矩變化範圍廣,這對其使用壽命將用較大影響。因此,短期內金屬帶式無級變速器在拖拉機上的應用可能性不大。
圖2 金屬帶式無極變速器原理
齒輪無級變速器及其應用分析
齒輪無級變速器(Gear Continuously Variable Transmmission 簡稱「G- CVT」) 是利用齒輪傳動實現高效率、大功率的無級變速傳動,傳動原理為一錐體螺旋齒輪與一變位螺旋齒輪相嚙合,通過改變中心距及變位螺旋齒輪的軸向位置來實現無級變速,如圖3 所示。
圖3、齒輪無極變速器原理
Ⅱ軸裝於支承架2 的橢圓齒輪3 內,支承架2 空套在I 軸上,蝸輪7 固定在支承架2 上,中心輪8 與蝸杆6 固定在變速器外殼上,絲杆10 通過變速盤5 ,螺母11 裝於支承架2 ,行星齒輪9 固定在絲仟杆10 上。當轉動蝸杆6 使蝸輪7 轉動,帶動支承架2 轉動,使Ⅱ軸繞I 軸轉動;同時,行星齒輪9 繞中心輪8 自轉和公轉,使絲杆10 旋轉通過螺母11 推動變速盤5 移動,改變疊加齒輪4 與三維齒輪12 的嚙合位置,達到無級變速的目的。G- CVT 有如下優點,有望在拖拉機和汽車上大量應用: ①傳遞功率大,200kW 以上的功率是很容易達到的。②傳動效率高,容易達到90 %以上的效率。③結構簡單,生產成本大幅降低,相當於自動變速箱的1/ 10。④使發動機在理想狀態下工作,燃燒完全,排放乾淨,極大減少大氣汙染。
另外,電動無級變速器依靠電動機組實現無級變速,控制方便,傳遞功率大,但單位功率體積大質量大,應用受到限制,近期內不會在拖拉機上應用。
經對上述幾種無級變速器的綜合分析後認為:
1.在大、中型拖拉機上,液力機械變速器和液壓機械無級變速器將會有更廣泛的應用,但在提高傳動效率和降低成本方面還需做更多研究，在國內來說，基本的齒輪加工像法士特這樣的企業完全能夠勝任，但是難點就在於高壓液壓傳動單元目前在國內加工滿足不了需求，若是變速箱企業自行開發意味著周期較長，並且將投入巨額資金進行研發，而從國外採購，也面臨著各大變速器企業的專利阻礙，即便你花了大價錢，也買不來核心技術，現在法士特也在加大這方面的研究，希望不久的將來，能帶來好消息。
2. 在小型拖拉機上,靜液壓無級變速器將會逐漸到的推廣。
3. 齒輪無級變速器可能是今後拖拉機與汽車無級變速器發展的一個方向,但需在簡化機構和降低成本上做更多研究。