拖拉机变速箱发展综述.pdf

2 0 0 9 年1 2 月农机化研究 第1 2 期 拖拉机变速箱发展综述 徐立友 曹青梅 周志立 牛毅 河南科技大学车辆与动力工程学院 河南洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 在系统地介绍拖拉机变速箱发展过程的基础上 分析比较了各类变速箱的特点 指出了拖拉机变速箱的 发展趋势 提出了我国拖拉机变速箱发展的几点建议 这对拖拉机变速箱的设计研究具有一定的借鉴意义 关键词 拖拉机 变速箱 发展 中图分类号 2 1 9 0 3 2 1文献标识码 A文章编号 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 0 9 1 2 0 1 8 9 0 4 0 引言 在拖拉机传动系统中 变速箱包含了大部分重要 零部件 是拖拉机产品设计中最受重视及新技术 新 工艺采用最多的部分 了解拖拉机变速箱的发展历 史 现状及发展趋势 对推动我国拖拉机新产品的开 发研制 提高我国拖拉机产品的质量和性能具有重要 的意义 1 拖拉机变速箱发展历程 拖拉机变速箱按其研制和应用的先后顺序大致可 分为3 种类型 即手动变速箱 负载换挡变速箱及自 动变速箱 1 1 手动变速箱 手动变速箱可以采用滑动齿轮 啮合套和同步器 换挡等方式 滑动齿轮换挡 变速箱的基本结构是主 动齿轮在驱动轴上滑动 使其与从动齿轮相啮合 啮 合套换挡是从动轴上的齿轮和主动轴上的空套齿轮 经常处于啮合状态 移动主动轴花键上的啮合套 使 空套齿轮与主动轴连接 与滑动齿轮相比 其滑动距 离小 在圆周速度低的部位啮合 故换挡较前者容易 以上两类换挡变速箱由于结构简单 加工制造成本 低 在拖拉机发展早期应用较为广泛 采用滑动齿轮 换挡的 如美国凯斯 C a s e 公司的A g r i K i n g 系列和 意大利萨姆 S a m e 公司的D e n o 一3 5 系列等 采用 啮合套换挡的有意大利菲亚特 F i a t 公司的5 0 0 5 8 0 6 4 0 型 美国福特 F o r d 公司的5 0 0 0 系列和8 0 0 0 收稿日期 2 0 0 9 0 1 一0 9 基金项目 河南省教育厅自然科学研究计划项目 2 0 0 8 8 4 6 0 0 0 6 河 南科技大学博士科研启动基金资助项目 河南科技大学科 学研究基金项目 2 0 0 8 z Y 0 0 7 作者简介 徐立友 1 9 7 4 一 男 河南息县人 副教授 博士 E m a r l x I y o l l 2 0 0 2 a i m 咖 系列 德国道依兹 法尔 D e u t z F a h r 公司的T W 5 0 系列 采夫 Z F 公司的T 一3 0 0 0 系列以及瑞典沃尔沃 V o l v o 公司的T 一8 1 4 系列等 由于这两类变速 箱换挡时两个齿轮的圆周速度不一致 挂挡时噪声 大 若操作不当甚至会导致齿轮损坏 因此自2 0 世纪 3 0 年代同步器问世以来 这两类换挡变速箱在欧美拖 拉机上逐步被淘汰 与欧美发达国家相比 我国拖拉机工业起步较 晚 目前 在我国拖拉机上存在着这两类换挡方式平 分秋色的局面 2J 如D F H 一5 4 型 D F H 一7 5 型 D F H 一1 0 0 2 1 2 0 2 型 铁牛一6 0 型和红旗一1 0 0 A 型等拖拉 机采用滑动齿轮换挡 D F H 一3 0 0 型 D F H 一1 3 0 2 R 型 和T S 4 0 0 型等拖拉机采用啮合套换挡 J 同步器换挡变速箱采用摩擦原理 使相啮合的齿 轮圆周速度迅速地相等后再挂挡 因此换挡平顺 减 少了齿轮啮合时的互相撞击 延长了齿轮的使用寿 命 在拖拉机变速箱发展史上占有重要的地位 目 前 这类变速箱在欧美拖拉机上应用仍较多 如德国 道依兹 法尔 D e u t z F a h r 公司1 9 9 5 年推出的 A g r o 呐n8 0 一1 0 0 型 意大利纽荷兰 N e wH o l l a n d 公 司的L 系列 1 1 0 一9 0 型 T M l 4 0 系列 法国雷诺 R e n a u l t 公司的A r e s 系列 英国麦赛 福格森 M a s s e yF e r g u s o n 公司的3 0 0 系列拖拉机 日本久保田 K u b o t a 公司的G r a n dL 系列M 我国仅在部分机型 上采用同步器换挡变速箱 如洛阳菲亚特8 0 9 0 系 列 D F H 一1 2 0 4 型 D F H 一1 8 5 4 型 D F H 一1 0 0 4 1 2 0 4 4 型 L F 8 0 9 0 型 S H 8 0 4 型 W T 8 0 4 型和T N 8 0 4 型 篁 7 8 寸O 手动变速箱换挡时会产生动力中断 机组速度减 低 工作效率降低 特别是频繁换挡时更是如此 因 此 换挡时动力不中断的负载换挡变速箱正日益受到 人们的青睐 1 8 9 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月农机化研究第1 2 期 1 2 负载换挡变速箱 负载换挡变速箱由于换挡过程简单 且动力不中 断 改善了拖拉机的操纵性能 提高了工作效率 自 1 9 5 9 年C a t e r p i l l a r 公司在D 9 D 拖拉机上首次成功地 应用负载换挡以来 由于这种机构在换挡时所表现出 的明显优点 吸引了许多厂家纷纷效仿 从生产负载 换挡增扭器 H i L D 负载换挡机构和逆向机构 到部 分排挡负载换挡 再到全部排挡负载换挡 发展到今 天的多排挡全负载换挡 1 2 个前进挡以上 已积累了 丰富的研制经验 如前所述 负载换挡变速箱可分部分负载换挡和 全负载换挡 部分负载换挡主要应用在定轴轮系变 速箱上 如意大利兰蒂尼 L a n d i n i 公司1 9 9 8 年推出 的L e g e n d 系列拖拉机 其变速箱分高 中 低3 个速度 区段 每个速度区段有6 个速比 均为全同步式换挡 机构 区段之间为负载换挡 变速箱最前端和最后端 各装一个超行星减速器 超行星减速器采用负载换 挡 并加上采用负载换挡的逆向器 这种变速箱可获 得7 2 个前进挡和7 2 个倒挡 此外 美国C a s e I H 公 司的C X 系列 M a x x u m 系列和M a g n u m 系列 意大利 萨姆 S a m e 公司的S i l v e r 系列 法国雷诺 R e n a u l t 公 司的1 7 5 7 4 T 2 型 德国约翰 迪尔 J o h nD e e r e 公 司的6 0 0 0 7 0 0 0 系列 前苏联的T 一1 5 0 K 系列拖拉机 也都采用了部分负载换挡机构 9 1 全负载换挡多 用在摩擦元件布置的周转轮系变速箱上 通过电液控 制系统控制执行元件 离合器和制动器 的接合与分 离 实现全负载换挡 德国约翰 迪尔 J o h nD e e r e 公司的8 0 0 0 系列和9 0 0 0 T 系列 斯特尔 S t e y r 公司 的8 1 系列 美国福特 F 0 珂 公司的3 0 系列以及卡特 彼勒 C a t e r p i l l a r 公司的C a l l e n g e r6 5 系列拖拉机上都 已采用该型式的换挡机构 1 2 1 4 1 3 自动变速箱 自动变速箱的换挡与人无关 以设计时给定的程 序为基础 根据拖拉机行驶状态自动地进行变速 按 所采取的传动形式不同 可分为液力机械式变速箱 静液压式变速箱和液压机械式变速箱 1 3 1 液力机械式变速箱 液力机械式变速箱是液力偶合器或液力变矩器与 机械式变速箱串联的传动装置 它可以使拖拉机平稳 起步 并防止传动系过载 采用液力变矩器可使得拖 拉机在每一机械排挡内实现无级变速 但其最大的缺 点是传动效率低 虽然液力偶合器可在发动机标定 功率下发挥较高的效率 但当发动机转速较低时 效 率也较低 且不能改变所传递的扭矩 因此 此类变 速箱在拖拉机上应用并不广泛 仅有少数机型上采 用 如德国芬特 F e n d t 公司的F a r m e r6 1 1 L S A 和 6 1 3 L S A 型 采夫 Z F 公司的T 7 3 0 0 型等采用的是液 力偶合器 5 美国凯斯 万国 C a s eI H 公司的8 0 0 系列等采用的是液力变矩器 J 1 3 2 静液压式变速箱 静液压式变速箱由液压传动装置与机械式变速箱 串联组成 发动机的功率全部通过液压传动装置 为 了扩大无级变速范围 提高使用频率高的速度区域内 的传动效率 一般采用变量泵和变量马达组成的液压 传动系统 这类变速箱具有无级变速性能 操纵简单 省力 而且变速平稳 冲击小 易实现电子自动控制 其最大的缺点是传动效率低 与机械式变速箱相比 效率约低1 5 左右 受液压元件功率的限制 这类变 速箱主要应用在中小型拖拉机上 如纽荷兰 N e wH o l l a n d 公司的V e r s a t i l e2 0 0 系列 日本久保田 K u b o m 公司的L 系列 功率在8 6 1 4 9 k W 之间 意大利 菲亚特 F i a t 公司的2 0 系列和7 7 系列等 l6 1 3 3 液压机械式变速箱 液压机械式变速箱是一种液压传动装置与机械式 变速箱并联的传动装置 通过差动机构功率合流或分 流 使发动机功率仅部分通过液压传动装置 必要时 又能将液压传动闭锁变为纯机械传动 因此 其总传 动效率大大提高了 而且在低速区域可使机械传动输 出为0 变为纯液压传动 有利于拖拉机的平稳起步 与液力机械式变速箱相比 其传动效率高 且高效区 宽 通过电子自动控制系统实现自动换挡 保持发动 机始终工作在最大功率点 且不受负载变化的影响 从而提高了拖拉机的自动化程度和作业效率 降低了 燃油消耗率 减轻了操作人员的劳动强度和技术要 求 是当前一种理想的无级变速传动装置 目前 芬 德 F e n d t 斯特尔 S t e y r 道依兹 法尔 D e u t z F a h r 克拉斯 c l a a s 以及采夫 Z F 等公司的拖拉机 上就采用了这类变速箱 1 7 8 2 各类型变速箱性能比较 目前 以上几种变速箱在国际市场上同时存在 各有优势也各有不足 表l 对各类变速箱的性能进行 了比较分析 由表l 中可看出 就变速箱挡数而言 无级变速显然要比有级变速好 但其造价昂贵 就变 速箱操纵舒适性和传动效率而言 二者是矛盾的 随 着换挡条件的改善 其传动效率在下降 3 发展趋势 1 广泛采用由程序换挡和电液控制的全负载换 1 9 0 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月农机化研究第1 2 期 挡变速箱 2 变速箱的挡数将增多 以使拖拉机具有更大的 速比范围和更细密的挡间速比分配 用以改善拖拉机 的动力性和燃油经济性 减少换挡冲击 3 随着液压元件性能的不断提高和电子控制技 术的发展 性能优越的液压机械式无级变速箱将得到 更广泛的应用 4 将模糊控制 神经网络 专家系统及混纯理论 等新学科单独或者结合使用 对变速箱进行综合智能 控制 5 采用C A N 多路传输网络系统 对包括发动机 和离合器变速箱在内的整个传动系统进行集成化监 测与控制 表1 各类变速箱性能对比 T a b 1 r m a n c ee o m p 幽n0 fv a r i 8t y p et r a n s m i s s i o n 4 我国拖拉机变速箱发展的几点建议 我国是拖拉机生产和使用大国 拖拉机保有量居 世界前列 但与欧美等发达国家相比 我国拖拉机在 设计 制造 技术装备 新产品研发 试验研究及生产 组织管理等方面都存在一定的差距 为了振兴我国 拖拉机工业 改善我国拖拉机的使用性能 参与国际 市场竞争 建议我国拖拉机变速箱及传动系应做以下 改进 1 目前 我国拖拉机广泛采用滑动齿轮或和啮合 套两种换挡方式 是国际市场上被淘汰的产品 应改 为同步器换挡 或者主变速箱为同步器换挡 副变速 箱为啮合套换挡 2 为满足多种田间作业的需要 且便于充分利用 拖拉机的动力 应增加变速箱的挡位数 3 为提高运输作业的生产率和燃油经济性 增设 运输挡 提高运输速度 近几年 我国拖拉机运输速 度有了一定的提高 但幅度不大 仅局限在3 0 k m h 左 右 而西欧拖拉机的最高运输速度为4 0 k m h 个别机 型为5 0 k m h 4 增设爬行挡 以满足类似于旋转开沟等低速作 业项目的需要 5 配套增扭器供用户选择 6 充分吸收国外先进技术 积极研制和应用负载 换挡变速箱 缩短与国际拖拉机水平的差距 7 加装前悬挂装置和前动力输出轴 发展复合式 作业拖拉机 配套多标准转速的动力输出轴 以适应 多种作业机械的需要 更好地利用发动机的功率 5结束语 变速箱是拖拉机传动系统重要的组成部分 本文 对其发展历史 现状及发展趋势进行分析 这对推动 我国拖拉机新产品开发研制 提高拖拉机产品的质量 和性能具有重要的意义 参考文献 1 周纪良 拖拉机变速箱的结构型式和结构谱 J 农业机 械学报 1 9 7 9 1 0 2 4 7 6 3 2 朱士岑 轮式及履带拖拉机技术发展分析 J 拖拉机与 农用运输车 2 0 0 0 1 2 6 3 吴敬群 铁牛拖拉机变速箱的演变和新铁牛6 0 拖拉机 变速箱的设计 J 拖拉机 1 9 9 1 5 3 9 4 4 4 田全忠 东方红1 0 0 2 1 2 0 2 型系列拖拉机 J 拖拉机 1 9 9 3 6 3 5 3 7 5 于保建 周贵平 T S 4 0 0 拖拉机的研制开发 J 拖拉机 与农用运输车 1 9 9 8 1 5 0 5 2 6 K e n t a r oN a k a m u r a M u t s u m iK a n a T h en e w r i o fc o m p a c tt r a c t o rf r o mK u b o t a J S A E 1 9 9 4 1 7 9 1 1 3 9 1 4 4 7 肖勇 东方红1 2 0 4 轮式拖拉机的总体设计 J 拖拉机 与农用运输车 1 9 9 9 4 2 9 3 6 8 李建启 中国大型拖拉机的技术现状及发展趋势 J 农 业机械 2 0 0 3 1 0 2 8 2 9 9 C y m gE i b e G u yS t a y e r C a s eM xM a g n u mt r a n s m i s s i o n 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月农机化研究第1 2 期 1 0 1 2 1 3 1 4 c o n t r o l s J S A E 1 9 9 9 O l 一2 8 l l 6 9 7 4 杨为民 T 1 5 0 K 负载换挡变速箱液压操纵系统分析 J 拖拉机与农用运输车 1 9 9 9 6 3 4 3 6 雷钮斯 欧美拖拉机设计历史回顾与发展趋势展望 J 拖拉机与农用运输车 1 9 9 8 3 2 一1 1 B r a d l e yT C o t e M i k eH o g a n e ta 1 9 0 0 0 ts e r i e sJ o h n D e e r et r a c kt r a c t o r s J S A E 2 0 0 0 0 1 2 6 3 4 4 1 9 4 2 3 D a v i dE a s t o n N e wl a r g eI O Wc r o pt r a c t o r sf r o mJ o h nD e e r e J S A E 9 5 2 1 5 1 3 1 4 3 1 8 朱思洪 缪小红 德国拖拉机发展现状与趋势 J 农 业机械学报 2 0 0 2 3 3 1 1 1 l 一1 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 F r a n zM a x l h r H u b e r tS a i l e r N e wf u t u r eo r i e n t e dt r a c t o r t r a n s m i s s i o n sf r o mZ F J S A E 1 9 9 3 2 4 2 9 1 8 9 1 9 4 陈龙兴 陈益康 液压技术在拖拉机上的应用现状与趋 势 J 拖拉机与农用运输车 2 0 0 2 1 3 7 张闽鲁 吴清分 9 0 年代以来国外拖拉机产品的技术状 况与发展 J 拖拉机与农用运输车 2 0 0 1 4 4 2 4 6 X uL i y o u Z h o uZ h i l i Z h a n gM i n g z h u e ta 1 A p p l i c a t i o n o fh y d r o m e c h a n i c a lc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o ni n t r a c t o r s c P r o c e e d i n g so f7t hA s i a p a c i f i cC o n f e r e n c ef o rT e r r a m e c h a n i c so ft h eI S l r S C h a n g c h u n J i l i n U n i v e r s i t yP r e s s 2 0 0 4 R e v i e wo nt h eD e v e l o p m e n to fT r a c t o rT r a n s m i s s i o n X uL i y o u C a oQ i n g m e i Z h o uZ h i l i N i uY i C o l l e g eo fV e h i c l e Zhou Zhili Zhang Mingzhu Application of hydro mechanical continuously variable transmission in tractors 2004 4 张闽鲁 吴清分 90年代以来国外拖拉机产品的技术状况与发展 期刊论文 拖拉机与农用运输车 2001 04 5 陈龙兴 陈益康 液压技术在拖拉机上的应用现状与趋势 期刊论文 拖拉机与农用运输车 2002 01 6 Franz Maxller Hubert Sailer New future oriented tractor transmissions from ZF 1993 7 朱思洪 缪小红 德国拖拉