拖拉机变速器发展综述

2009年12月 农 机 化 研 究 第12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 471003) 摘 要：本文在较系统地介绍拖拉机变速箱的发展过程的基础上，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。对拖拉机变速箱设计研究具有一定的借鉴意义。

关键词：拖拉机；变速箱；发展；综述

中图分类号：S219.032 文献标识码：A

0 引言

在拖拉机传动系中，变速箱包含了大部分重要零部件，它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、应用的先后顺序大致可分为3种类型：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

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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(Case)公司的Agri-King系列，意大利萨姆(Same)公司的Delfino-35系列等。采用啮合套换挡的有意大利菲亚特(Fiat)公司的500/580/640型，美国福特(Ford)公司的5000系列、8000系列，德国道依兹·法尔(Deutz-Fahr)公司的TW50系列、采夫(ZF)公司的T-3000系

列，瑞典沃尔沃(Volvo)公司的 T-814系列等[1]。但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，自上世纪30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[2]

。如DFH-54型、DFH-75型、DFH-1002/1202型、铁牛-60型、红旗-100A型等拖拉机采用滑动齿轮换挡，DFH-300型、DFH-1302R型、TS400型等拖拉机采用啮合套换挡[3～5]。 同步器换挡变速箱采用摩擦原理，使相啮合的齿轮的圆周速度迅速地相等后再挂挡，因

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此，其换挡平顺，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(Deutz-Fahr)公司

1995年推出的Agrotron 80-100型，意大利纽荷兰(New 收稿日期：2009-01-09

基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目（2008B460006）；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（2008ZY007）

作者简介：徐立友（1974-），男，河南息县人，副教授，博士，

E-mail:xlyou2002@sina.com。

Holland)公司的L系列、110-90型、TM140系列，法国雷诺

(Renault)公司的的Ares系列，英国麦赛·福格森(Massey Ferguson)公司的300系列拖拉机，日本久保田(Kubota)公司的Grand L系列[6]。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80-90系列、DFH-1204型、DFH-1854型、

DFH-1004/12044型、LF80-90型、SH804型、WT804型、TN804型等

[7～8]

。

由于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。

1.2 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

1959

年

Caterpillar公司在D9D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、Hi-Lo负载换挡机构、逆向机构，到部分排挡

负载换挡，再到全部排挡负载

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换挡，更发展到今天的多排挡全负载换挡（12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(Landini)公司1998年推出的Legend系列拖拉机，其变速箱分高、中、低三个速度区段，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；加上采用负载换挡的逆向器，这种变速箱可获得72个前进挡和72个倒挡。此外，美国Case-IH公司的CX系列、Maxxum系列、Magnum系列，意大利萨姆(Same)公司的

Silver系列，法国雷诺(Renault)公司的175-74T2型，德国约翰·迪尔(John Deere)公司的6000/7000系列，前苏联的T-150K系列拖拉机也都采用了部分负载换挡机构[9-11]。 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、制动器)的接合和分离，实现全负载换挡。德国约翰·迪尔(John Deere)公司的8000系列、9000T系列，斯特尔(Steyr)公司的81系列，美国福特(Ford)公司的30系列、卡特彼勒(Caterpillar)公司的Callenger 65系列拖拉机上都已采用该型式的换挡机构[12～

14]

。

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

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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及防止传动系过载。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(Fendt)公司的Farmer 611LSA、613LSA型，采

夫(ZF)公司的T7300型等采用的是液力偶合器[15]。美国凯斯·万国(Case IH)公司的800系列等采用的是液力变矩器

[11]

。

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。但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15%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(New

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Holland)公司的Versatile 大功率点，且不受负载变化的200系列，日本久保田(Kubota)公司的 L系列（功率在8.6～14.9kW之间），意大利菲亚特(Fiat)公司的20系列、77系列等[16]。

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，这样，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零，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，它的传动效率高，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

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(Fendt)、斯特尔(Steyr)、道依兹·法尔(Deutz-Fahr)、克拉斯(claas)、采夫(ZF)等公司的拖拉机上就采用了这类变速箱[17～

18]

。

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1对各类变速箱的性能进行了比较分析。由表中可看出，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

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条件的改善，其传动效率在下降。 3 发展趋势

广泛采用由程序换挡和电液控制的全负载换挡变速箱；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；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；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；采用CAN多路传输网络系统对包括发动机、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

Tab.1 Performance comparison of various type transmission

负载换手动变速箱 挡变速自动变速箱

箱

性能要求 滑啮同部全液静液

动合步分负力液压齿套 器 负载 机压 机轮 载 械 械

变速差 差 差 良 优 优 优 优 传动性能

性能 传动优 优 优 良 良 良 差 良

效率 换挡

轻便差 差 差 中 优 优 优 优 操纵性

换挡自动差 差 差 中 良 优 优 优 性能 换挡

换挡差 差 差 中 良 优 优 优 品质

制造优 优 优 良 差 差 中 差

一般价格

要求 结构复杂优 优 优 良 良 良 优 良

度

4 我国拖拉机变速箱发展的几点建议

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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）我国拖拉机上目前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和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30km/h左右。而西欧拖拉机的最高运输速度为40km/h，个别机型为50km/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。

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5 结束语

变速箱是拖拉机传动系重机,1993,6:35～37. [5] 于保建,周贵平.TS400拖

要的组成部分，对其的发展历史、现状及发展趋势进行了解，对推动我国拖拉机新产品开发研制，提高我国拖拉机产品的质量和性能具有重要的意义。 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

, 1979,10(2):47～63.

[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,2000,1:2～6. [3] 吴敬群.铁牛拖拉机变速

箱的演变和新铁牛60拖拉机变速箱的设计[J].拖拉机,1991,5:39～44. [4] 田全忠.东方红1002/1202

型系列拖拉机[J].拖拉

拉机的研制开发[J]. 拖拉机与农用运输车,1998,1:50～52. Kentaro

Nakamura,

Mutsumi Kana, et al. The new series of compact tractor from Kubota[A]. SAE 941791:139～144.

肖勇.东方红1204轮式拖

拉机的总体设计[J]. 拖

拉机与农用运输车,1999,4:29～36. 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,2003,10:28～29. Craig Eibe, Guy Stoever.

Case

Mx

Magnum

transmission controls[A].

SAE

[6]

[7] [8] [9] 2009年12月 农 机 化 研 究 第12期

1999-01-2811:69～74.

[10] 杨为民.T150K负载换挡

变速箱液压操纵系统分析报,2002,33(1):111～114.

[15] Franz Maxller, Hubert

[J]. 拖拉机与农用运输车,1999,6:34～36. [11] 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,1998,3:2～11.

[12] Bradley T. Cote, Mike

Hogan, et al. 9000t series John Deere track tractors[A]. SAE 2000-01-2634:419～

423.

[13] David Easton. New large

row crop tractors from John Deere[A]. SAE 952151:314～318.

[14] 朱思洪,缪小红等.德国

拖拉机发展现状与趋势[J]. 农业机械学

Sailer. New

future oriented tractor transmissions from ZF[A].

SAE

932420:189～194.

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,2002,1:3～7. 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[J]. 拖拉机

与

农

用

运

输

车,2001,4:42～46. Xu Liyou, Zhou Zhili,

Zhang Mingzhu, et al. Application of

hydro-mechanical continuously

variable

[16] [17] [18]

2009年12月 农 机 化 研 究 第12期

transmission in tractors [C]. Proceedings of 7th Asia-Pacific

Conference

for Terramechanics of the

ISTVS. Changchun: Jilin University Press, 2004: 84-91

Review on the Development of Tractor Transmission

XU Li-you, CAO Qing-mei, ZHOU Zhi-li, NIU Yi (College of Vehicle & Power Engineering, Henan University of

Science & Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract: In this paper, the development of agricultural tractor transmissions is introduced. The characteristics of various transmission types are analyzed and compared. The development trend of agricultural tractor transmissions is pointed out. Several suggestions about the development of tractor transmissions in our country are given. This paper has some reference significance to the development and design for tractors.

Key words: tractor; transmission; development; review

联系方式：河南科技大学车辆与动力工程学院84号信箱 471003 电

话

：

13663873262

E-mail:

xlyou2002@sina.com

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联 系 人：徐立友

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/khhg.html