第一章绪论1.1 研究背景、目的及意义拖拉机作为农业生产中的重要机械，承担着多数田间作业和运输作业任务，可进行耕作、播种、施药、施肥等作业。

其主要特点是挡位多，传动比大，作业速度范围宽，可从0.5km/h到30km/h，工作环境多变，外界负荷波动大，进行不同作业时需匹配不同农机具，操纵控制复杂。

手动换挡拖拉机行驶中需频繁换挡，以适应外界负荷变化和作业要求，驾驶员劳动强度大，且难以保证拖拉机运行在最佳发动机工况，造成动力输出损失和耗油量增加[1]。

近年来随着拖拉机功率的提高，配套农机具的工作幅宽和机组田间作业速度有了很大提升，加上联合作业农机具的大量使用，更是加大了拖拉机驾驶员工作强度和难度。

实现拖拉机自动换挡，不仅能让驾驶员从频繁地换挡操作中解放出来，更加专注于对配套农具的操作，大大提升作业质量和工作效益，而且可避免由人工换挡操作不当引起的换挡冲击和动力损失，提高传动系统寿命，提高燃油经济性[2]。

目前，国外拖拉机自动变速器发展已从上世纪50年代的理论试验研究阶段步入了实用阶段，尤其是大功率拖拉机已普遍装配自动变速器。

以凯斯、约翰迪尔、芬特等拖拉机生产厂商为代表生产的装配动力换挡自动变速器、静液压功率分流自动变速器拖拉机成为市场主流[3]。

而国内拖拉机自动变速器技术水平仅处于理论研究阶段，未能实际生产出拖拉机用自动变速器。

部分厂家通过与国外公司合作生产出少量自动变速拖拉机，但尚未形自主技术体系，不能够起到主导市场作用。

大部分拖拉机依旧以手动变速器技术为主，且主要采用滑动齿轮和啮合套式手动变速器，此类变速器同等于欧美发达国家上世纪60年代水平[4]，因此可看出国内拖拉机自动变速器水平技术远落后于国外。

近年来，随着农业机械化的发展和土地流转政策出台，许多地方成立农业合作社，使国内对大功率拖拉机需求更加强劲[5]，而大功率拖拉机因操纵复杂，大多装配自动变速器。

虽然国外大功率拖拉机目前大都装配自动变速器，但国内大功率拖拉机依然使用手动变速器[6]。

主要原因在于国外厂家对于自动变速技术的垄断，造成此类拖拉机价格偏高，农民购买负担重，而国内自动变速拖拉机技术水平过低，无自主生产自动变速拖拉机能力。

因此研究发展拖拉机自动变速技术十分必要，不但能实现我国拖拉机自动变速器技术自主化，降低生产成本，而且能够为我国农业机械化发展提供助力。

自动变速技术在汽车领域的应用已十分广泛。

随着电子控制技术等科学的发展，自动变速技术日趋智能化，多元化，性能也是稳步提高。

汽车主要进行公路运输作业，工作环境单一，牵引力较小，车速高，这与以田间作业为主的拖拉机差异很大，若直接将汽车变速技术直接应用于拖拉机上，将无法满足拖拉机使用。

因而拖拉机自动变速器的研制需根据拖拉机自身特点来进行。

自动换挡变速器其研究主要体现在结构形式的研究、控制系统的研究、换挡规律的研究。

其中，换挡规律作为自动换挡控制核心，其性能决定着车辆的动力性、经济性、安全性。

对于主要在田间作业的拖拉机，工作环境多变，还需牵引农机具，与汽车相比更为复杂，因此拖拉机换挡规律的研究十分必要。

本文重点研究拖拉机自动换挡规律，制定出满足拖拉机使用要求的换挡规律，加快我国拖拉机自动变速技术的发展脚步，提高农业生产效率。

1.2 拖拉机自动换挡技术发展现状1.2.1 拖拉机自动变速器类别自从世界首台拖拉机诞生以来，其技术水平的发展横跨上个世纪。

上世纪末，随着电子控制及信息技术的迅速发展，拖拉机整体性能和功能得到了迅猛发展，而作为拖拉机重要组成部分的变速器，从传统手动变速器发展到如今全自动、有级式、无极式多种类型。

拖拉机作为农业动力机械，其工作环境的特殊性，造就了拖拉机挡位多、功率大、速度低等特点，其自动变速器的发展也有着与其他车辆不同之处，目前拖拉机应用较多的自动变速器可分为以下3种：动力换挡变速器（全动力换挡、部分动力换挡）、静液压式无极变速器、静液压功率分流无极变速器[7-8]。

（1）动力换挡变速器动力换挡变速器由电脑控制系统、液压执行系统、机械传动系统组成。

动力换挡变速器的换挡操作通过换挡离合实现，换挡离合的分离或结合由液压执行系统完成[9]。

液压执行系统受控于电脑控制系统，整个换挡过程动力不中断，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。

根据换挡过程是部分或全部由换挡离合控制，动力换挡变速器又分为半动力换挡和全动力换挡[10-12]。

（2）静液压式变速器静液压式变速器由液压传动系统和机械式变速器串联组成，其中液压传动系统由液压泵和液压马达组成，液压泵和液压马达至少有一个的流量可调。

液压传动系统可单独传递动力，也可也机械传变速器串联传递动力。

静液压式变速器具有无极变速性能，操纵方便，动力传递稳定，但其传递效率低，传递功率受限于液压元件功率限制，主要应用于小中型拖拉机[13]。

（3）静液压功率分流无级变速器静液压功率分流无级变速器是一种将液压传动和机械传动并联的传动装置，综合了两种传动的优点，发动机发出的功率分为机械和液压两部分向驱动装置输出。

机械传动机构一般由行星排和多级齿轮传递组成，液压传动机构采用液压泵和液压马达组成，其中至少有一个流量可调。

工作时，液压传动机构将功率通过行星齿排与机械功率汇合后传递至驱动桥，实现无极变速，而且可以根据具体环境，改变变速器内离合结合，变为纯液压驱动或纯机械驱动[14-16]。

1.2.2 国外发展水平现状国外拖拉机自动变速器发展水平主要体现在欧美拖拉机变速器上，上世纪中期开始，成熟的自动换挡技术开始应用于拖拉机。

1954年英国农业工程研究所首次将静液压式变速技术成功应用于一台试验用拖拉机，并在60年代由美国国际联合收获机公司与液压元件专业制造公司Sundstrand合作实现商业化生产。

动力换挡技术也几乎同时出现并发展，1959年美国卡特彼勒公司生产的D9E型履带拖拉机成功装配了动力换挡变速器，引起其他拖拉机厂家效仿生产。

到90年代末，动力换挡技术在大中型拖拉机中广泛应用，如约翰迪尔公司的7000系列、8000系列和9000T系列，卡特彼勒公司的Challenger 65系列，凯斯公司的CX 系列和Puma系列。

90年代初，静液压功率分流式自动变速技术开始成熟。

1996年，芬特公司推出Favorit 926 Vario型拖拉机，首次采用ML200型静液压功率分流式变速器，并随后在多个型号上装配此种自动变速技术的变速器，目前凯斯、约翰迪尔、卡特彼勒也同样推出了静液压功率分流式变速器，形成了与动力换挡变速器共同发展竞争局面[18-20]。

目前国外拖拉机自动变速技术的技术已相当成熟，且都朝着整机智能控制方向发展，不再局限于变速器的独立控制[21-23]。

很多大功率拖拉机自动换挡不仅仅对变速器进行控制，而是利用整套电脑微机系统对拖拉机整体进行检测控制，根据工况条件确定何时换挡。

如凯斯Puma 195型拖拉机，其发动机转速、耗油量、车速、发动机负荷度、挡位信息都能被检测并反馈给驾驶员，而拖拉机电脑系统根据车辆整体及发动机工况确定如何换挡，满足拖拉机运行需要，换挡控制也更加智能化[24]。

1.2.3 国内发展水平现状目前国内自动换挡拖拉机的商业化生产仅仅局限在少数厂商技术的引进，并未达到自主生产的水平，拖拉机自动换挡变速器研究还主要以各大高校和少数公司为主。

河南科技大学研究了拖拉机用AMT变速器，对传统理论求解得出的降挡规律进行了改进，提出了一种拖拉机自动换挡策略[25-26]，此外还依据东方红-1804拖拉机进行了动力换挡理论研究，进行了少量试验验证。

南京农业大学近年来针对静液压功率分流变速器机构及控制系统进行了一定研究，并在此基础上搭建试验台进行试验研究。

但这些研究都未形成实体商品。

中国一拖集团在引进意大利及英国等拖拉机自动变速器技术上开始研发设计自主动力换挡变速器。

奇瑞重工近年来推出了大功率动力换挡拖拉机，但其主要技术来源国外。

可以看出国内拖拉机自动换挡技术虽然在发展进步，但仍未形成一整套自主核心技术。

1.3 拖拉机自动换挡研究方向及存在问题1.3.1 拖拉机自动变速研究方向自动变速器换挡技术的研究从上世纪开始就一直是研究焦点，自1914年德国奔驰公司推出第一个全自动齿轮变速器，在随后时间里，各类变速器开始应用于车辆，其技术发展从开始的液力机械式变速器（AT），到现在的电控机械式变速器（AMT）、金属带式无级变速器（CVT）、双离合变速器（DCT），形成各自技术特点及优势，各自占据着一定市场[27-28]。

其中，电控机械式自动变速器传动效率比其他几种自动变速器都要高、结构简单，生产成本低，具有高性价比和燃油节省特点，受到越来越多汽车厂商和各研究机构重视。

AMT是以手动机械变速器结构为基础，由电控系统根据车辆运行状况，控制离合结合和挡位变动，满足车辆运行需要[29-31]。

虽然AMT变速器换挡会造成动力中断，但可通过控制系统的优化，减小其影响[32]。

从1985年日本五十铃公司开始将电控机械式自动变速器应用于轿车上，到目前AMT不仅在轿车领域占有一定份额，许多厂商更是将其装配到客车、卡车等车型上，应用面也变得更加广泛。

而国内在AMT领域的发展已有二十多年的历程，目前无论是高校理论研究或是公司商业化生产都取得了一定进展。

吉林大学经过多年研究，提出了针对AMT变速器的速度、油门和加速度的3参数控制换挡的最佳动态规律。

重庆大学研究了AMT变速器的神经网络换挡规律、离合器和换挡执行机构研究、系统及样车试验研究。

此外北京理工大学、清华大学也都在AMT领域进行了深入研究（胡建军等2010）。

国内一些厂家如法士特齿轮公司目前研制出了重型卡车用AMT变速箱，江淮汽车研制并生产出JE520AMT和JE538AMT型AMT变速器，江铃和哈佛等国内汽车成产商研制并生产出装配AMT 轿车[33]。

虽然拖拉机自动换挡技术在欧美已很成熟，但其技术垄断十分严重，很少公开技术资料[34]，加之其结构复杂，价格昂贵，很难短时间在国内生产普及。

结合国内目前拖拉机变速器生产水平及现有汽车自动变速技术，若将AMT换挡技术应用于拖拉机，有着独特优势：结构以传统变速箱为基础，升级改造难度小，传动效率高经济性良好，生产成本低，有价格优势。

因此研究拖拉机AMT自动换挡技术意义重大，可行性高。

但国内目前针对拖拉机AMT自动换挡研究，还未有实际应用于拖拉机的AMT换挡技术，其中有关拖拉机换挡规律研究亦是很少。

1.3.2 拖拉机与汽车差异拖拉机与汽车虽然都属车辆范畴，无论是构造或是传动系，都有着相似之处，变速器也不例外，因此汽车范畴内自动变速理论或经验方法可用于拖拉机。

AMT换挡技术源于汽车，拖拉机也可通过研究实现。

但拖拉机与汽车在用途和工作环境上存在差异，其关键区别在于以下几点：（1）汽车主要在良好路面行驶，在路面行驶过程中，负载的变化幅度不大。