拖拉機無級變速技術發(fā)展及展望
拖拉機無級變速技術發(fā)展及展望
拖拉機作為最重要的農(nóng)業(yè)機械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術進步和效率提升方面有著舉足輕重的作用。傳動系統(tǒng)作為拖拉機中的重要部件，約占到拖拉機成本的25~30%。同時，拖拉機傳動系統(tǒng)也是劃分拖拉機代際的重要標志。從滑動齒輪換擋、嚙合套換擋、同步器換擋、動力換擋，通過有級換擋的變速箱，工程師們解決了內(nèi)燃機和驅動輪之間對動力特征匹配協(xié)調(diào)問題。但是，設計師一直在追求更為先進可以實現(xiàn)傳動比連續(xù)變化的方式—無級變速。
一、無級變速技術早期探索
英國西索爾的原國家農(nóng)業(yè)工程研究院（NIAE）是最早探索拖拉機無級變速技術的機構之一。他們進行了拖拉機用靜液壓無級變速器的首次廣泛研究，開發(fā)了靜液壓驅動樣機（Hamblin1952)，該樣機于1954年面世。由內(nèi)燃機直接帶動可變排量斜軸式柱塞泵，并通過液壓系統(tǒng)帶動大型徑向活塞馬達，再通過液壓馬達帶動驅動輪進行工作。
圖1：由農(nóng)業(yè)工程國家研究院（NIAE）于1954年開發(fā)的靜液壓拖拉機
第一個將靜液壓無級變速拖拉機進行商業(yè)化并取得成功的公司是萬國收獲機公司（International Harvester）。該公司于1967年開始生產(chǎn)656系列農(nóng)用拖拉機（發(fā)動機功率約60kW）。該型號拖拉機采用兩個斜盤裝置“背對背”的柱塞泵和馬達。同時，該機型引入了兩個機械的區(qū)段檔（H/L Range），用以提高拖拉機的整體傳動效率，這種方式成為了后期靜液壓傳動拖拉機的典型設計結構。
圖2：美國萬國收割機公司1967年開發(fā)的拖拉機液壓驅動系統(tǒng)
盡管在當時來看，這是一個巧妙的設計。但由于斜盤式變速器產(chǎn)生的高成本和高損耗，靜液壓傳動變速器相對同時期的機械式變速器相比，傳動效率明顯偏低。
從圖3可以看出，滿負荷狀態(tài)下，靜液壓裝置的最佳效率點為80.5%。但由于包括主減速器在內(nèi)的附加齒輪，系統(tǒng)的總效率僅為73%~75%。而傳統(tǒng)機械變速器傳動效率可達90%以上，整個變速系統(tǒng)的最佳值約為85~87%。
圖3：靜液壓系統(tǒng)滿負荷下的傳動效率
靜液壓驅動在日本、美國等國的小型拖拉機領域非常盛行。由于其提供較高的舒適度，并通過“簡化”組件、改進生產(chǎn)方式和批量生產(chǎn)等方法降低成本。同時，在歐美這一細分市場，用戶對能源損失和燃油經(jīng)濟性并不敏感。
1988年慕尼黑研究院推出無級變速拖拉機引入了一種全新的方式。它的變速器包含一個鏈式無級變速器，結合兩個前進檔和一個后退檔（見圖4）。通過帶有扭矩傳感器的液壓系統(tǒng)，控制兩對斜盤的夾緊力。這個變速器單元的滿載效率可高達90%。1990年左右，Schlüter和 Hurth & P.I.V.-Reimers基于這項技術共同開發(fā)了60 kW的無級變速拖拉機，但由于Schlüter的衰落，沒有實現(xiàn)批量生產(chǎn)。該設計沒有得到大面積推廣的另一個原因是，鏈式變速器的扭矩能力有限，無法應用于大型拖拉機（見圖5）。
圖4：慕尼黑研究院1988年開發(fā)的鏈式無級變速拖拉機
圖5：鏈式無級變速概念圖
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