1 动力换挡变速箱
图1 ZF T7300动力换挡变速箱简图
1.驱动齿、2.动力换挡部分、3.C组离合器、4.D组离合器、5.爬行档部分 （KR爬行档NO正常档）、6.爬行当同步器、7.主离合器、8.主箱离合器、9.油泵驱动齿轮、10.3、4档同步器
11.5、6档同步器、12.PTO驱动轴、13.副轴、14.主轴、15.1、2档同步器、16.前桥驱动离合器、17.爬行档中间轴、18.F组离合器、19.G组离合器、20.B组离合器、21.D组离合器
22.连接到变矩器涡轮轴（发动机转速）
ZF T700动力换挡变速箱
在正常的工作过程中，动力换挡一般由两组摩擦片来实现一个档位，同时由于是通过控制压力油的通断来实现湿式多片离合器片的分离以结合，所以档位的选择式通过控制相应电磁阀来实现动力换挡部分的档位切换。由于式通过电控液来实现的换挡，所以在换挡的瞬间，动力式不需要切断的，只要电控液部分的控制做到准确无误，可以实现动力无中断的换挡。 对于此种换挡方式的核心，由于缺少了离合器的参与，所以对于各组离合器内部活塞的压力建立的开始点、和压力建立的时间控制需要非常精准。
如上图所示，动力换挡的压力一组压力下降的同时，另外一组压力上升，如果是旧档位上的压力未完全释放的情况下，新档位的压力建立，则将会出现所谓挂双档的情况出现，此时要么是提供动力的发动机损坏，要么是变速箱内部损坏；若是旧档位上的压力已经完全释放，而旧档位上的压力尚未建立，则将会出现脱档的情况，此时发动机动力在变速箱内部中断，这对于大马力拖拉机来说是不能接受的，尤其是在进行耕地等重负荷作业时。所以动力换挡变速箱控制的核心就是离合器内部压力的建立过程和充压开始和压力释放的时间点。对于现在电子控制技术的发展，同样硬件条件下，可以通过软件不同的参数调整实现不同的功能，这在乘用车或者商用车上应用已经很成熟了。但是对于T7000这种老一些的动力换挡变速箱上锁配置的ECU由于上市时间超过30年，所以软件的拓展功能相对较少一些。
而对于新型的T7000PVS变速箱来说，不但控制的阀体已经从之前的普通开关阀完全蜕变为现在的比例电磁阀，更重要的是电路控制从普通的电路控制直接过度到目前已经在乘用车和商用车上主流的CAN总线控制系统，变速箱通过配置的提升，在操作的舒适性和换挡的柔和性方面都有了质的提升。
图2 New Holland 全动力换挡变速箱“Power Command”
图 2 所示为 New Holland 公司生产的全动力换挡 变速箱“Power Command”[ 6 ] 。该变速箱共有 18 个前进 挡 ,低速 、中速和高速各有 6 个挡位 ,行驶速度范围为 1. 9～40 km/ h ,有 6 个倒退挡 ,速度范围为 4～11 km/ h ,19 挡为直接挡 ,对应的行驶速度为 50 km/ h 。通过 比例电磁阀控制 9 个多片式离合器即可实现挡位切 换 。该变速箱的适用范围为140 kW 拖拉机。
动力换挡变速箱的突出特点是换挡时动力不中断 ,这样简化了驾驶员的操作过程 ,改善了拖拉机的操纵性能 ,提高了工作效率 。由于动力换挡变速箱表现 出来的这些优点 ,自 1959 年动力换挡变速箱第一次成功地应用于美国 Caterpillar 公司生产的 D9E 型履带拖 拉机上以来 ,其他拖拉机制造厂家纷纷效仿 ,从上世纪 80 年代末期开始到 90 年代中后期,动力换挡变速箱在大中型拖拉机上得到广泛应用。1989 年Case IH 公司 Maxxum 机型开始装备这种变速箱,4 个同步区 段中有 4 个挡为动力换挡 ,其中 3 个区段可直接由梭 式动力换挡机构换成倒挡 。上世纪 90 年代中期 ,德国的专业变速箱制造公司 ZF公司成功地推出 了 ZF T7000 系列动力换挡变速箱 , 该系列变速箱有 T7100 、T7200 和T7300 共 3 个型号 ,不仅实现了动力换挡变速 , 而且还能实现前进后退不停车切换。该变速箱还先后应用到 Deutz - Fahr 的 Agrotron 系列和 Steyr 公司的 81 系列拖 拉机上 。目前 ,几乎所有的拖拉机都提供了动力换挡变速箱供用户选用 , 例如 , Ford 公司的 30 系列 ,John Deere 公司的 6000 系列 、7000 系列 、8000 系列和9000T 系列 ,Caterpillar 公司的Challenger 65 系列 ,Landini 公司 的Legend 系列 , Case 公司的 CX 系列 、Maxxum 系列、 Magnum 系列 , Same 公司的 Silver 系列等。
2 无级变速箱
2. 1 静液压变速箱
静液压变速箱 ( Hydrostatic Transmission ,简称 HST) 的发展最早可以追溯到 1907 年 Renault 在德国申请的小汽车变速箱专利 ,1954 年英国农业工程研究所 (NI2 AE) 在一台试验拖拉机上首次将这种设想转化为现实产品 ,从而引发了静液压变速箱研究热 ,上世纪 60 年 代 ,美国国际联合收获机公司与液压元件专业制造公 司 Sundstrand 合作 ,成功地开发了商业化的拖拉机静液压变速箱 ,并大量投放市场 ,自此 ,静液压变速箱获 得了广泛的应用。
图 3 所示为典型的静液压变速箱原理图 ,其核心部件是由液压泵和液压马达组成的液压传动装置 ,其中 ,液压泵和液压马达中至少有一个的流量是可以调节的 ,即为变量泵或变量马达 。液压传动系统可以单独传递动力 ,也可以与机械式变速箱串联传递动力。 静液压变速箱的主要优点是速度无级可调 、速度调节范围大 、总体布置方便 、操纵灵活 、变速平稳 、冲击小 。 主要缺点是传动效率低 ,与机械变速箱相比 ,效率低 15 %左右 ,其应用受到了一定的限制 ,目前主要用于中 、小型拖拉机。在欧洲和美国 ,主要用于园艺 拖拉机 , 如 New Holland 公司的 Versatile200 系列 , Fiat 公司的 20 系列 、77系列 ,John Deere 公司的 4000 系列 等。在日本 、韩国和印度等亚洲国家 ,田块相对较小 ,对操纵的灵活性要求较高 ,能耗最大的耕作作业采 用悬耕方式 ,动力由不经过液压传动系的PTO 输出 , 一定程度地减缓了液压传动系统传动效率低带来的负 面影响 。因此 ,静液压变速箱应用相对较多 , 如日本Kubota 公司的L 系列 (功率在 8. 6～14. 9 kW 之间) 和 B 系列 (功率在 14. 9～22. 4 kW 之间) ,印度Mahindra 公 司的 2015 系列。
图3 静液压变速箱原理图
2. 2 静液压功率分流无级变速箱
图4 John Deere 公司“Auto Power”无级变速箱原理图
图5 Steyr 公司的“S - Matic”无级变速箱原理图
图六 ZF 公司ECCOM变速箱
尽管静液压功率分流无级变速的传动原理早在上 世纪初就已经提出 ,但取得实质性的突破则是在上世 纪 90 年代中期 。1996 年 , Fendt 公司在推出的功率 为 191 kW 的 Favorit 926 Vario 型拖拉行星齿轮实现 ,发动机驱动行星齿轮的行星轮 ,行星轮 将功率分别传递给太阳轮和齿圈 ,太阳轮将机械功率 直接向驱动桥传递 ,齿圈则通过齿轮驱动变量液压泵 , 将机械功率转化为液压功率 ,并驱动一对变量马达 ,在 变量马达输出轴上由太阳轮输出的机械功率和由变量 马达输出的液压功率汇集 ,通过调节液压泵和液压马 达的方向角 ,可实现拖拉机行驶速度的改变。随后 , Fendt 公司先后在 Fendt 300Vario 、Fendt 400 Vario 、Fendt 700 Vario 、Fendt 800 Vario 、和 Fendt 900 Vario 5 个系列21 个型号的拖拉机上采用了静液压功率分流无级变速箱 ,相应的变速箱 ML75 、ML90 ML130 、ML160 、ML200 和 ML260 都是自行开发的 ,工作原理与“ML200”型变 速箱基本一致 。John - Deere 公司 、Caterpillar 公司和 Komatsu 公司等也在其产品中应用了静液压功率分流 无级变速箱 ,德国变速箱专业生产公司 ZF 也推出了先 进的 S - Matic 和 Eccom 系列 HMCVT 产品。
经过多年的技术积累中国一拖也在2017年推出了搭载CVT变速箱的产品。中国一拖自主研发制造的东方红-LW4004重型拖拉机与我国众多令人瞩目的高科技成果一起，亮相“砥砺奋进的五年”大型成就展。
图7 东方红-LW 4004重型拖拉机
该拖拉机突破了无级变速传动系统、智能化控制管理系统等重型拖拉机关键核心技术，填补了多项国内技术空白。其中的无极变速技术在国外已经成为高端拖拉机的标准配置。在欧洲媒体评选的“年度拖拉机”大奖中，从2010年的获奖拖拉机纽荷兰T7070到2017年的凯斯300 CVX，这些机型的变速箱几乎都是无级变速的。上世纪90年代中期，芬特（fendt）生产了第1台装有无级变速器的拖拉机产品，自此，国外无级变速拖拉机技术经过20多年的发展，已经相当成熟了。无级变速技术包括液压机械无级变速技术、CVT无级变速技术和电动CVT技术等。
其中，液压机械无级变速技术起源于芬特生产的第一台无级变速器，它的主要构成包含液压泵、液压马达和多个速度区段的机械式变速箱。其实质就是一个液压功率与机械功率合流的无级变速器。
图8 液压机械无极变速传动结构简图
液压机械无级变速传动结构如图8所示。从发动机输出的功率分成两路, 一路作为机械功率通过离合器直接传给太阳轮s。另一路作为液压功率, 经传动齿轮后,通过液压传动系将功率传给齿圈r, 最后功率经差动轮系合成后由行星架c输出。诸多品牌的该项技术基本都是利用功率分流再合流这一思路，只是各自在系统调校上有所不同。
凯斯Steiger CVXDrive系列拖拉机（额定功率370～540马力，最大功率605马力；0.0546～40公里/小时的速度下实现无级变速）是十分典型的无极变速拖拉机。下面通过CASE拖拉机的CVT变速箱来了解以下动力分流合流的HST原理。
图9 凯斯该型拖拉机的无级变速箱
图10 CASE无级变速箱的内部
图11 无级变速器行星齿轮组
图12 倒挡湿式离合器
图13 前进档湿式离合器
图14 无级变速器的HST（液压泵与液压马达的集成）
图15 无级变速器的HST液压动力流
图16 HST中机械功率流部分
面介绍一下ZF公司提供的ECCOM系列无极变速箱，其外观如图17、18所示
图17 ZF ECCOM 5.0 CVT变速箱
图18 ZF ECCOM 6.0CVT变速箱
图 19 ZF CVT变速箱HST总成
图20 ECCOM结构简图
ZF CVT变速箱工作原理
图21 Fendt 公司的 Vario 系列无级变速箱结构简图
2.3电动无级变速传动系统
电动无极变速传动系统(Electric Continuously Variable Transmission Systems ,简称 ECVT) 是指电磁为介质的一种 传动系统 ,主要由电源、电机以及电机控制系统，其实就是电动无级变速系统,相应的拖拉机称为电动拖拉机。 该电动拖拉机电源由电网提供 ,采用50hp (37 kW) 电动 机 ,主要用于驱动旋耕机 ,见图 22所示。
图 22 西门子50hp 电动旋耕机
到了上世纪 70 年代 ,随着电池技术的快速发展, 美国 General Electric 公司推出了 Elec - Trak 系列电动 拖拉机 ,该系列拖拉机的电动无级变速系统如图22 所 示 ,由多组铅酸电池或燃料电池驱动永磁无刷直流电 机,其速度控制器由一系列继电器和电阻器组成 ,传动 功率从 8hp (5. 9 kW) 到 15hp (11 kW) 不等 ,该系统主要 用于草坪修剪拖拉机。
尽管电动无级变速系统早在上世纪初就已经应用 到拖拉机上 ,但由于受到电池技术及电力电子技术发 展水平的局限 ,配备到拖拉机上的功率都很小 ,主要用 于园艺作业拖拉机和草坪修剪拖拉机等 。取得实质性 的突破则是在 21 世纪初 :2009 年 11月 ,在汉诺威举行的“2009 国际农机展”上 ,一种配备电动无极变速系统 的“Belarus - 3023”型拖拉机获得银奖 。“Belarus - 3023”型拖拉机是由俄罗斯“RUSELPROM”公司生产 , 所配备的电动无级变速系统如图 23 所示 ,主要由发动 机 、发电机 、电动机 、电气控制器以及机械有级变速器 组成 ,由发电机将发动机输入的机械能转变为电能驱 动电动机 ,动力经过机械有级变速器传至驱动轴驱动 拖拉级运转 。速度由电动机和机械有机变速器联合调 节 ,额定载荷下最高传动效率不低于 95 % (不含发动 机) ,而总的传动效率可达到 88 % ,可配备在功率范围 为 110～330 kW 的拖垃机上。
图23 Elec - Trak 电动无线变速系统
图 24 Belarus - 3023 电动无级变速系统
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