拖拉機變速器換擋技術及使用維護要點

秦春雷　溫健　李易　許凱

自1917年美國FORD公司生產出來第一臺接近現代傳動結構的拖拉機以來，拖拉機歷經了100多年的發展和進步，其變速器換擋技術也由機械有級變速器向無級變速器逐漸演變并推廣應用。本文就對目前國內存在的幾種拖拉機換擋技術以及使用維護要點進行簡要分析。

一、拖拉機變速器換擋技術

拖拉機變速器換擋技術分為有級換擋和無級換擋。有級換擋具體類型有：滑動（滑移）齒輪換擋、嚙合套換擋、同步器換擋、負載換擋（動力換擋）。無級換擋具體類型有：機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）、純液壓式變速換擋、電傳動式無級變速換擋。

滑動（滑移）齒輪換擋是主動齒輪在驅動軸（常指拖拉機Ⅰ軸）上滑動，使其與從動齒輪相嚙合。主動齒輪和從動齒輪間無任何套件或輔助機構，齒輪通過軸向間滑動實現換擋。嚙合套換擋是從動軸上的齒輪和主動軸上的空套齒輪經常處于嚙合狀態，移動主動軸花鍵上的嚙合套，使空套齒輪與驅動軸上的主動齒輪嚙合從而實現換擋。主動齒輪和從動齒輪之間有了一個嚙合套裝置。同步器換擋是變速器采用同步器摩擦原理，使相嚙合的齒輪的圓周速度迅速地相等后再掛擋，其換擋平順，減少了齒輪嚙合時的互相撞擊，延長了齒輪的使用壽命。較之于滑動（滑移）齒輪換擋和嚙合套換擋，同步器換擋比較容易和平順，可以實現拖拉機行進中換擋。滑動（滑移）齒輪換擋、嚙合套換擋、同步器換擋這三種機械有級換擋技術目前仍廣泛應用于國內拖拉機變速箱之中。

滑動（滑移）齒輪換擋多用于36.75千瓦以下的皮帶傳動及直聯傳動輪式拖拉機。常見的TS底盤、TY底盤、TE底盤、寧波型底盤仍有應用。嚙合套換擋多用于36.75～117.7千瓦之間，甚至在117.7千瓦以上仍有應用，常見的底盤有TB、TD、大寧波、加強TE、TC、TF等。同步器換擋因為其較為復雜的結構和較高的價格，多用于132千瓦以上機型及部分配置高端的中馬力段機型之中，在部分常規機型的副變速中也逐漸向同步器換擋轉變。以上三種變速器換擋方式都需要手動操作，機構較為簡單，但是憑借效率高、成本低、結構簡單容易維修、性能可靠等優勢，目前還在廣泛應用。

這些換擋方式都會產生動力中斷即需要操控換擋主離合器，從而會使機組速度減慢，錯失最佳換擋時機，降低工作效率。而且頻繁換擋導致駕駛員容易疲勞，影響行駛安全，降低作業質量和生產率。因此，變速器自動換擋技術能夠克服手動換擋技術的不足，被越來越多的拖拉機生產廠家和實際使用者青睞和關注。

二、負載換擋（動力換擋）和機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）技術分析對比

負載換擋（動力換擋）和機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）是拖拉機自動換擋應用最廣泛的兩種技術方式，換擋平穩、快捷、準確且不切斷動力，實現了拖拉機很好的動力和經濟性能，降低了勞動強度，提高了作業效率和作業質量。

（一）負載換擋（動力換擋）技術

負載換擋（動力換擋）變速箱可以在拖拉機帶著負載一邊工作，一邊變換擋位，換擋過程中動力不中斷的一種有級變速箱。其主要工作原理是采用摩擦離合器（多為濕式、多片結構）作為動力換擋執行元件的負載換擋機構來實現。換擋時，原來接合的離合器逐漸分離，它所傳遞的動力逐漸減小，而原來分離的離合器逐漸接合，傳遞的動力從零開始逐漸增加直到傳遞全部動力，從而實現了換擋和動力傳遞。兩擋傳遞的動力在換擋過程中有一定的重疊，所以動力在換擋過程中并未中斷。

實現負載換擋（動力換擋）的主要控制元件有動力換擋變速箱、拖拉機電液控制單元、液壓系統三大部分。變速箱的液壓控制系統除對變速箱強制潤滑外，還控制換擋離合器、主離合器、PTO和前橋驅動的分離和結合以及制動器的制動。變速箱的主要性能參數包括發動機輸入轉速、變速箱輸入轉速、主離合器轉速、離合器踏板位置、離合器位置、主變速箱擋位、PTO轉速、變速箱溫度、潤滑系統油壓等，通過各類傳感器傳遞至變速箱電子控制單元（TCU），TCU根據駕駛員輸入指令，控制液壓系統中的電磁閥和對應的換擋離合器實現換擋，同時對轉速、轉矩、壓力、流量、溫度等進行監測。

動力換擋變速箱由于換擋過程簡單，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Caterpillar公司在D9D拖拉機上首次成功地應用動力換擋以來，由于這種機構在換擋時表現出的明顯優點，引起了許多廠家紛紛效仿。從生產動力換擋增扭器、Hi-Lo動力換擋機構和逆向機構（動力換向），到部分排擋動力換擋，再到全部排擋動力換擋，發展到今天的多排擋全動力換擋（12個前進擋以上），其在國外技術已非常成熟，并被很多拖拉機生產廠家所應用。

國內負載換擋（動力換擋）技術起步較晚。五征集團2009年開始與ZF公司進行合作，購買負載換擋（動力換擋）變速箱及后橋總成，在國內進行組裝，拉開了負載換擋（動力換擋）技術國產化的進程。中國一拖、濰柴雷沃、中聯重科等大型生產企業相繼與AVL公司、阿波斯公司等國外知名企業合作進行動力換擋技術的開發，并且均實現了小批量的試制和市場投放。但是受限于國內原材料、處理技術、液壓電氣等元器件的實際生產制造水平，國內企業在負載換擋（動力換擋）技術核心部件濕式離合器方面均沒有取得較大突破。甚至有些企業開發純機械式的換擋離合器，通過換擋凸輪和特殊滑道的方式來實現動力換擋，最終也因為關鍵部件難以加工和可靠性差的問題擱淺。目前國內負載換擋（動力換擋）拖拉機還是以國外大型企業進口機型占據主流，國內企業多在副變速Hi-Lo動力換擋機構和逆向機構（動力換向）方面做文章。

（二）機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）技術

眾所周知，CVT傳動系統是農業拖拉機傳動系統的終極目標，也是國家科研機構及制造企業研發的重點和難點。區別于汽車行業，拖拉機傳動系，尤其是大馬力拖拉機傳動系特點是低轉速、大扭矩，且要適應變化復雜的田間耕作環境及惡劣的作業條件，這就要求拖拉機CVT傳動系統在傳遞較大扭矩的同時，還要能實現高效穩定靈敏的變速操控以及較好的作業穩定性和可靠性。現在國內研發能力較強的科研機構和拖拉機專業制造企業，諸如中國一拖、濰柴雷沃、濰坊魯中等，均已經有了相對成熟的技術路線及整體設計方案，并且也進行了小批量的試制及銷售。

現在拖拉機主流CVT（Continuously Variable Transmission）傳動系統，即無級變速傳動系統，能夠實現拖拉機在設定的速度區間內進行速度無限可調。目前最多的采用機械液壓雙功率合流并聯式無級變速系統，即HMCVT（Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission），該系統由機械變速機構、泵—馬達液壓無級變速系統、動力分流或匯流行星齒輪機構、電子控制裝置及驅動系統等構成，既保留了機械傳動的高效率，又通過液壓傳動與機械傳動的結合實現無級變速。傳動系統在TCU的精準控制下，與發動機控制系統ECU緊密配合貼合，匯集多區段機械液壓行星匯流高效傳動系技術、一體式泵馬達液壓變速單元高效傳動技術、CVT動力總成控制技術等多項技術，針對拖拉機田間作業復雜多變的情況，傳動系和發動機配比出最優的工作參數，TCU采集發動機油門位置和輸出轉速大小信號，根據發動機輸出特性，確定發動機的輸出功率、輸出轉矩和工作點。依據駕駛員的設定，控制器內置的調速和換擋策略，自動連續改變變速器的傳動比，從而改變行車速度和發動機的負載大小，保證發動機工作在最佳動力性或最佳燃油消耗率狀態。加之CVT傳動系拖拉機在整機配置上要高于普通機械換擋拖拉機，駕駛舒適性和操作方便性大大提升，駕駛員能夠更加專注于作業安全性和作業質量，故而能全方位提升作業效率和降低單位作業面積的油耗量。

圖一即為機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）傳動簡圖。

在國內，中國一拖、濰柴雷沃、濰坊魯中等企業，均對機械液壓雙功率合流并聯式換擋（HMCVT）技術進行了研究和開發，濰柴雷沃在176.52～191.23千瓦區段，濰坊魯中在102.97～117.7千瓦區段，均進行了產品小批量投放市場，目前市場反饋比較好。

（三）技術對比

兩種換擋技術，在結構綜合布置和變速機構設計方面，由于負載換擋（動力換擋）要在每個擋位上安裝換擋離合器，故而HMCVT優于負載換擋（動力換擋）。在換擋執行元件設計和液壓閥體等液壓系統設計方面，負載換擋（動力換擋）優于HMCVT。從制造成本和使用經濟性方面看，HMCVT要優于負載換擋。

三、使用維護要點

（一）有級換擋變速箱的維護和使用

定期更換變速箱油，在日常使用過程中，做好變速箱的維護工作。

冬季在出發前需要先“熱車”一段時間，也就是提前啟動車輛，讓變速箱油的黏度逐漸升高，從而達到良好的潤滑效果。

換擋時需要保證速度與擋位的匹配，并保持換擋過程的順暢，以減小變速箱負荷。

在駕駛過程中，需要根據作業負載的變化，選擇合適的擋位和油門，避免過度加速或是過度減速，從而延長變速箱的使用壽命。

在帶動力輸出機具作業時，通過擋位的選擇，匹配合適的作業速度，從而達到最好的作業效果。

（二）負載換擋

負載換擋（動力換擋）相對于有級換擋操作更加方便，但大部分換擋操作過程類似于有級換擋，平時操作使用注意要點可借鑒有級換擋使用方法，而且要注意對離合器總成的保養，勤觀察離合器的散熱機油情況，做到定期更換散熱機油。

（三）CVT換擋

CVT換擋相對于有級換擋和動力換擋操作大大地簡化，在TCU的控制下針對拖拉機田間作業復雜多變的工況，傳動系和發動機做出最優匹配，節省了機手的大量精力。由于CVT變速箱結構更加復雜，出現問題維修資金和時間成本較大，所以對于CVT變速箱我們要做好平時的維護保養，具體工作如下：

定期檢查變速器各處側蓋和軸承蓋的緊固螺栓，查看是否有松動及滲漏油情況。

定期檢查潤滑油，如油量不足，應加足原車規定的潤滑油；還應定期更換潤滑油。

檢查通氣螺塞通氣孔的通氣情況，經常清洗通氣螺塞，保持通氣孔的通氣狀態。

在駕駛過程中注意拖拉機的故障顯示，對照說明書的故障代碼，提早解決，避免出現更大的故障。