轮式液压工程机械动力换档变速器新技术.pdf

zf 一 轮式液压工程机械动力换档变速器新技术 孝遑启 彳 参砹 - r- H z O 3 摘 要 静 压 传 动 在 车 速 达4 0 k m ／ h 和 经 常 倒 车 的 工 程 机 械 中 越 来 越 受 欢 迎 ．发 动 机、 液 压 系 统、 多 速比 动 力 换档变速器以及驱动桥合理匹配成一个完整的传动系统是使车辆性能达到最佳和高教的重要前提 。开式和闭式液 压 系统 的功 能与 组成 也是主 要的 影响 因素 瓿 词 堕 翅动 墅 墼 堡 量 工 秽枷城 对司机来说，期望车辆操作简单舒适，并 且 传 动系 统对 司机指 令 的 响应 应 该加快 。为 此 ，要经 常变 换工 况来 利用驱动功率 ，因而除 手动控制外还必须采用较高程度的自动控制 。 为满足上述要求，已开发了新型 2 HL 1 0 0 和 2 HL1 1 0二档动力换档变速器，它们主要适 用于 1 0～2 2 t 的轮式挖 掘机和 不大于 1 2 t 的轮 式装 载机 。 l 动力换档变速嚣 J ． J结构 与功 能 图 1表 明了变速器各档 及制 动工况的功率 流，其特点是制动器和离合器采用了弹簧结合 液压松开 。与行星轮系相联 系的离合 器和 制动 器的同轴布置，使结构变得十分紧凑。当制动 器和离合器同时靠弹簧力结合时，变速系统闭 锁，从而起到了辅助和 ／或停车制动机构的作 用，这样便可去掉迄今为止通常采用的多片式 弹簧加载蓄能器制动器，使功率传递过程中的 能量损失 明显 减少 。 当选择越野档时， ； j 动器靠弹簧结合，使 齿圈固定不动 ，而离合器用液压松开。当选择 公路档时，离合器靠弹簧力结合而制动器用液 压松 开 。这 时齿 圈与太 阳轮 闭锁 ，行 星轮系作 为一个整体旋转 。选择两个档位和制动状态动 力路线 的变速器具有 下列 优点 1 在公路档 ，只需 一对斜齿轮 啮合 ，从 而降低了行星轮系的功率损失和传动噪声 ，由 于快速移动的工程机械使用 2档的时间占整个 工作时间的 7 0 ％ ，故变速器效率的提高对经 济性有很大影响 2 制动器和离台器能最佳地承受并传递 驱动扭 矩。例如 若行星轮系的传动比为 4 1 ， 1档 时 ，制 动器 仅 需 承 受 3倍 的 输 人 扭 矩 ，2档时 ，离 合 器仅 需承 受输人 扭矩 的 7 5 ％ 。 【 3 在辅助制动状态 ，当以最高驱动速度 制动时，能量转换最大。这种情况下 ，离合器 结合并靠静摩擦传递扭矩 。通过启动制动器使 其起辅助作用，此时，制动器必须被放松 。制 动能 量必 须 由动负荷吸收 。将制动器布置在外 阕可使散热 良好 ，并实现承载下必要的稳定 性 。见 图 2 一 2l一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 瞄 2 ， ． 0 脱开装 置 墼 罾曼 苎 黑 芝 车 制 动 系 统 要 有 另 外 的 辅 助 翌 故 脱 开 享 苎 皇 的 分 离 来 切 ； 之 紧急 润 糟 高 害 挚 接 操 纵 ， 喜 台 脱 开 位 置。 ⋯ 。 绢 挡 r ．篓 档 联 动 装 置 自 动 地 防 止 液 的 最 荔 篓 比 差 确 定 冀 于 麓 以 直 接 换 磊 动装置 绦同 时 毒 嚣 作 用 并 由 液 压 马 达 驱 动 图 5 ⋯⋯ l 枣 的 控 精 压 力 一 般 为2 |3 转 速 为 枷 二 s 主 作 竺 括 塞 保证 了准确 碧 器 的 2 L 竺 经 节 茂 冈 存 毗 驱动速 度 ～ 2 2～ ⋯ 苎 篓 人 变 速 器 ， 而 是 经 溢 流 阀 直 接 回 到 泵 的 吸 油 侧 。 靠这种布 器控 蝴鼢 粹 黼 饼 挡 态 潺 厢 松 使 持 申 ， 控 从 H 入 蹴 输 回 靠 村 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的排量仅有 3 ．4 c m ／r 以及 1 5 0 0 r ／mi n以上 时压力为 3 ．5 1 0 P a的恒压控制， 使这种结构 的功率损 失极 小 。 ．4换 档 质 量 图 3和 图 4为轮式挖掘 机的液压马达保持 最大排量进行动力换档的测量结果 这种情况 换档 粗暴 ，是一种 不利 工况 。升档的换档质量 不是人们所关注的问题 ，其原因是尽管由液 压马 达输 出最大扭 矩 ，但 因用 2档 直接驱动 ， 因而对车辆加 速度 的影 响微 不足道 。克服弹簧 力使 制动器松 开和使离合 器结合的控制压力 曲 线清楚地表明了所用膜片式弹簧的性能。制动 器和离合器 的结合 和松 开时间靠单 向节流阀控 制，这可以防止制动器与离合器同时结合 在 2 21 0 P a的 压 力 下 ，膜 片式 弹 簧 被 完 全压 缩 ，即摩擦片片间压 紧力最大。压力为 l 8 1 0 P a时 ，片间压 紧力 消除 超过该 点后 ，弹 簧力开始起作用 ，即在短暂打滑中建立起扭 矩 。同时液压 马达 也加 速到与新 档位速 比同步 的转 速 另一方面，降档时常会感觉到较大的振动 和 加 速推 力 利 用 压 力 范 围 为 8～1 0 1 0 P a ，容积 为 4 ． 5 c m 的小 型弹簧 蓄 能器 ，加 上弹簧 力 的精心调 整 ，可使 扭矩 平顺 增加 。这 种动力换档装置也可用于闭式液压回路，如用 于轮式装载机 不 过 ，在这 种情 况下 ，应将换 档时间减小到 0 ．3 s ，以使换档过程中牵 } 力中 断时间尽 可能短 j润滑油路 对于轮式挖掘机 的开式液压 系统 ，变速器 最好 由与驱动液压系统和驱动液压元件分开的 先导压力建立控制压力 图 5 。为离合器供 油的泄漏 量最大约 0 ． 5 L／mi n 泄漏 油注入 输 入端壳体 内，并由此与液压马达的泄漏一起返 回外 部液 压系统 由于穿过油箱 的旋 转元 件只 有光 滑的输入 轴 ， 因此搅油损失微 不足道 。 动力换档装置和行星轮系的润滑油来 自专 用的中央润滑油道 ，这就避免了高速旋转零件 的搅油损失 。润滑油 的流量 由节 流阀 限制 ，最 图 5 2 HL1 0 0的控制压力和润滑油路 I 离 台器控制 压力油泵2 ． 换档联动装置和润滑控制压力 油 泵3变速器 油池4泄漏 油 ． 多为 2 ．2 L／mi n ，并由输入轴驱动的转子泵供 给 如前所述 ，在 1 5 0 0 ～4 5 O O r ／mi n ，多余 的油经 溢流阀直接 } 回泵 的吸油侧，从 而变速 器 油池 中循 环的油量 限制在仅用 于润滑的油 。 由变速器的安装 图可见，在油池中转动的 斜齿轮被罩在隔油板内，从 而减少了搅油损 失 。 对于 闭式液压 回路 ，可 以利用公共 系统 提 供 控制 压力 和变速 器 的 润滑 油 图 6 。油 液 由发动机驱动的控制泵供给 ，并直接从变速器 油池 中吸油 。 L6传动效率 图 6 2 H I LI 1 0的控制压力和润滑油路 l 用于离台器控翩压力和润滑的泵2 ． 变速器油池 如前所述，已采取了大量措施提高变速器 的效率 ，其效果 已为很小的功率损 失所证实 一 2 3 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 7 。传统的动力换档变速器的功率损失在 高速范围要大得多，相 比之下，该变速器油池 的稳定油温在下列条件下低于 8 5 ℃输入转 速 4 5 0 0 r ／mi n ，挂 2档 ，未 加 载 ，采 用 S A L E 2 0 W2 0润 滑油 ，环境 温 度为 2 5 ℃ 这种 低温对齿轮的啮合 、轴承及密封圈的寿命是十 分有利 的 。 凰 7 功率损失与输转速的关系 2 HL1 0 0 独立型，1 档 5 ．4 5 ，2 档 1 4 2油容量 3 ． 5 d in 凰 8 开式回路轮式挖掘机液压系统 1 动力供应2速度选择器3系统逻辑4压力转换5 变 速器控制阀块6驱动控制阀7变量马达8接受器9 ． 换 档联动装置1 0发动机1 1 控制泵l 2变量泵 2 控制系统 图8用框图表明了具有开式液压回路的轮 式 挖掘机 行走驱动控制 系统 。作 为 比较 ，图 9 为具有闭式液压回路的轮式装载机行走驱动控 制系统 。对控制系统的设计来说，下列特性是 十分重要 的 1 开式 回路先导压力源到变速控制系统 一 2 4 一 的供应 2 闭式 回路本身先导压力泵到变速控制 系统 的供应 3集成变 速换 档功能且含有 液压 蓄能器 及压力转换连接装 置的阀块 4 用于双路制动系统的阀块 图 1 0 图9闭式回路轮式装载机液压系统 1 电覆2速度选择3电子装置4中央线路板5压力转 换6变速器控 制闽块7 ． 旁通阈 8 ． 控 制泵 9 - 发动机 旧． 感应式速度传感器 l 1 应急泵1 2温度表1 3变量泵 1 4 ． 变量 马达 3 圈 1 0 双路制动系统 的控制回路 1 动力换档变速器2 ．蓄能器3 ． 压力转换开关4齿轮换档 阗5 停车和紧急崩动阍6预控压力镒漉阀7接受嚣 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 围 l 1 单路稍动系统的控制回路 1 动力换档变速嚣2 ． 蓄能器3 压力转换 开关4 _ 齿轮换档 闰5变功能手制动阀6预控压力溢漉阀7 ． 接受器 6 流动阻力最小 的换档f 囝结 构 7 变速箱人 口处用于制动器和离合器控 制 的 流 量 在2 4 1 0 P a平 衡 压 力 下 约 为 6 L／r a i n 【 8 控制压力的可靠监测，若压力降到低 于 2 4 1 0 P a ．液压泵或驱动控制阀被转换到 零 位 。 2 ． 闭 式液压 回路控 制 系统的型式 液压泵和马达靠对发动机转速作出反应的 控制系统调节，此外还附加了一个与负载有关 的压力调节系统。踏板布置与标准公路车辆相 同 ，即驱动踏板 ，制 动踏板 和微动踏板 。 变速器和换档控制适用 于纯动力换 档或 附 加分 流换 档 。实用证 明分 流换 档是 可行 的 ，其 优点是有令人满意的换档质量 ，换档过程功 率消耗低以及用于制动器和离合器的润滑油数 量少。在换档时，因该系统的旁通阀开启 ，部 分地切断泵与马达间的功率流，故离合器片或 制动器 片仅 由液压马达的 同步扭矩加载 ，液压 回路中的剩余工作压力约为 8 0 1 0 P a 。一旦 离合器充分结合且离合器 片问的静摩擦起作 用 ，则 分流阀关闭 ，所建立 的扭 矩 由液压系统 调整并传递全功率。这种设计方案的成本相当 低 。 为安全起见 ，启动车辆 时，在改 变泵 的设 定值之前必须首先选定行驶方向。对于行驶速 度达 4 0 k in／h的车辆 ，车速高 于 2 0 k m ／h时 降 档 指 令 被 贮 存 起 来 ， 待 车 速 降 到 低 于 2 0 k in／h才被动执行 。而倒车可达最高行驶 速度 。 为了避免在预定换档点频繁降档，附加了 驱动 踏板 最 小行 程这 一要 求 。对 于 手 动降 档 自动降档也是如此 ，驱动踏板行程必须超过 最大 行程 的 7 5 ％才 能挂 下 面一档 。其 作 用是 下一档在发动机至少输 出最大功率的 7 5 ％时 才能进入啮合。即当需要加大牵引力 时．先利 用发动机 功率 ，而后在驱 动踏板超 过 7 5 ％ 时，更多的牵引力需求靠挂低速档补充。这种 方 案的一个 特点是 在 自动驱动方式下 ，可实 现对 刚刚啮合的齿轮的转 出作用 ，从而避 免了 不必要的降档 。当停车后移动车辆或车速在 2 k m／h与近似零速之问重新踏下驱动踏板 时，1 档齿轮重新啮合。 将来 ，一 个理 想的方法是微机控制 。利 用 微机控制可以在换档过程中调节泵和马达的设 定值，以便在升档或降档时达到与变速器输入 输 出同步 的换档点 。为 了使发动机的利用最 佳 ，微机控制需要一个 电动踏板 调 节时间小 于 0 ．2 s的泵 、马达执行器以及基本不变的充 油与结合时间，可为满足 工作性能 或“ 经济 性 在整个速度范 围内选择 扭矩 特性 。 如同由驱动踏板设定值所表明的 ，微机控 制还考虑 了各 种输出要求下发动机调速 器的影 响，并使发动机转速的降低受到限制 。 3 制动系统 技术监察部颁发的法规允许利用换档元件 作为辅助 ／停车制动系统的摩擦制动器。当车 辆的驱动装置出故障时，脱开装置使车辆能以 最大 驱动速度被拖 出危 险地 区 。脱开装置使得 一 25 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 靠膜片式弹簧结合的多片式离台器不必松开。 操纵时，司机不必靠近脱开装置。轮式挖掘机 变速器和 ／或辅助 ／停车制动器 的控制 压力来 自液压回路的先导部分或专为变速器设计的压 力源 。 3 ． 1 撬 勒 停 车黼动器的 启动 制动器可以用传统的按钮开关启动。按下 按钮便 可制动 ，松开按钮制动器便 松开 。当按 钮与制 动系统第一个 电气联动按钮被 同时按 下 时，便可实现持续的的停车制动。若为了制动 而将换档阀的电信号切断时，则该阀在弹簧力 的作用 下处于 “ 接通制 动 位置 ，借助液压蓄 能 器和可调预加负荷的操纵阀，使松开变速器摩 擦片 的控 制压力 在足够时 间内保持恒定值 ，以 便达到所要求的 l 8 ％坡度上的保持作用和大 于 1 ． 5 m／s 的停 车制 动效 果 。另 一方 面 ，制 动作用不宜过大，以免车轮抱死 另外，压力 转换 开关起监测控制压力作用 ，若压力低于 2 4 1 P a ，则转换开关立即借助先导阀将液 压驱动转换到空档位 置 ，从而 保证制动器的 工 作不会 与液压系 统相 矛盾 。 i2 切 断换档 闽的动力进行辅助／停车制动 这种方法为司机提供 自动制动作用，其功 能与驱动过程 中制动器平稳结台的作用相同。 当 出现 这 种情 况 时 ， 由于 压力 转换 开关 的作 用，液压系统使换档阀转为空档。液压系统和 滚 动阻 力 的 制动 作 用 约 为 1 0 w 1 2 ％ 。 与 即时液压制动相 比，变速 器的换档 压力靠液压 蓄能器保持已达足够的时问，因此 ，该过程中 无须 由制动器施加辅助作 用 。 4 应 用实例 r 上接 j 7页 J 与淬火马氏体钢组合而成的双金属排气阀杆具 有高耐热性和耐蚀性。在由铬一镍钢或钴基钢 制造 的阀座边缘 通过硬质台金堆焊 ，达到高温 条件下的高耐磨性。空心的或内部充满钠的阀 一 2 6 一 这 种变速器可 以独立安装在 车辆 中，竖放 卧放均可。根据车辆的结构 ，将变速器直接安 装在现有驱 动桥 上是 十分有利的 。与驱动桥 的 连接设计考虑了维修时易于将变速器从驱动桥 上拆除。现设计的驱动桥的优点是轮毂内采用 了湿式 多 片制 动器 和转 向桥 中的 整套 转 向系 统 ，除主要用于轮式挖掘机和装载机之外 ， 2 HL1 1 0型变速器 在技术 上和经济 上均适用 于 林业拖拉机 、压路机 、压 实机 和非公路码垛机 的闭式液压回路。 附表动 用途 用于轮式挖掘机 用于轮式装载机 型号 2 H Ll 0 0 2 HLI 1 0 机重 [ t 】 1 0～2 2 1 2 选最大排量 1 6 o 1 1 0 c m ／r 大输入功率 1 1 0 9 0 k W 大 输入扭 矩 7 7 0 6 5 0 N m 大输入转速 4 5 0 0 4 5 0 0 f r ／mi n1 I 档 4 4 2 5 3 5 44 2 5 3 5 2挡 I ． 3 9 1 3 9 l 3 9 1 3 9 立安 装塑重 量 1 2 5 1 3 0 k 窖 制 动扭矩 1 6 5 0 9 9 0 N m 松闸压力 3 3 MP a 斗容量 m 2 2 李建启摘译 自S A E 9 0 1 5 5 5 徐玲校 杆可以改进 阀座的导热性，这对奥氏体钢不良 的传热性能有所补偿。 吴钿真译 自 3 d b 、 Z ZUh Q i 己n 1 ． 1 9 9 1 ． 1 2 1 3～ 德安 校 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m