高檔客車用機(jī)械式變速箱設(shè)計(jì)

曹 勝

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司，山西 大同 037305）

引言

城市化進(jìn)程的加快，城市間交流頻繁，在高鐵還不是太發(fā)達(dá)的中西部，客車旅行仍是人們出行的主要交通工具，為高檔客車的持續(xù)健康平穩(wěn)發(fā)展提供有利的發(fā)展機(jī)遇。所謂高檔客車是指乘員感到舒適、安全、快捷，而駕駛員還要操作輕便，當(dāng)然故障率要低，車身總長(zhǎng)在11～13.7m之間，發(fā)動(dòng)機(jī)功率在320～410PS之間，輸出扭矩在1 400N·m至1 900N·m之間，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性都有兼顧。

1 國(guó)內(nèi)高檔客車用變速箱研究狀況

與高檔客車性能密切相關(guān)的多種性能中，舒適性、安全性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)和企業(yè)銷售的賣點(diǎn)，舒適性影響因素有：空調(diào)、車架中的空氣懸架、汽車音響、高檔座椅、內(nèi)部噪音等，其中內(nèi)部噪音項(xiàng)目中就要求變速箱的噪音要低，最大不超過89dB；同時(shí)考慮到駕駛員的操作舒適性，要求變速箱選檔清晰、換檔輕便，帶同步器換檔機(jī)構(gòu)，最好配帶換檔氣動(dòng)助力器。安全性要考慮懸掛、制動(dòng)器、輪胎、燈光、ABS／EBD／ESP／EPS／TPMS等要素，其中制動(dòng)性能中要求配帶緩速器，而緩速器中，最好要在變速箱上配帶性能可靠的液力緩速器；動(dòng)力性中，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、輸出扭矩在提升，進(jìn)而要求變速箱的承載扭矩相應(yīng)加大；經(jīng)濟(jì)性中要考慮最高車速，要求變速箱帶超速擋?？傊瑩Q擋輕便靈活、噪音低、配帶液力緩速器、承載扭矩大、配帶超速擋是高擋客車用變速箱的發(fā)展趨勢(shì)。

2 高檔客車對(duì)變速箱的特殊特性需求

由于高檔客車在高速公路快速行駛，對(duì)變速箱密封性能要求較高，換擋要輕便，所以同步器性容量要大，同時(shí)為了降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，換擋需要有氣動(dòng)助力器，擋位以6擋為主，變速箱要進(jìn)一步降低噪音，與環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)、協(xié)調(diào)發(fā)展，為提高制動(dòng)性能，配置兼容各種型的緩速箱，最好用性能穩(wěn)定的液力緩速器，減少來自傳統(tǒng)制動(dòng)系的污染。合理設(shè)計(jì)變速箱各擋速比，保持高檔客車變速箱在節(jié)油方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)［1］。

3 高檔客車變速箱具體設(shè)計(jì)

通過對(duì)高檔客車的市場(chǎng)調(diào)研及與主機(jī)廠的全面溝通，目前高檔客車變速箱匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍320～380PS，最大輸出扭矩1 400～1 900N·m，一擋速比6.90左右，以直接擋為主，但部分長(zhǎng)線公交車需要變速箱有超速擋，為了適應(yīng)司機(jī)的駕駛習(xí)慣，在方案設(shè)計(jì)階段，要考慮留有超速擋轉(zhuǎn)換接口。

一個(gè)倒擋，1～6擋全部為斜齒輪、倒擋為直齒輪，1～6擋全部加裝同步器換擋機(jī)構(gòu)，其中2、3擋為雙錐面同步器，其他前進(jìn)擋為單錐面樹脂同步器，性能可靠、使用壽命高；可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離單桿、雙桿、左置、右置手動(dòng)操縱，同時(shí)可加裝換擋氣動(dòng)助力器；齒輪齒根采用大圓狐、齒輪強(qiáng)力噴丸、齒輪絎齒工藝，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)磨齒工藝，變速箱扭矩儲(chǔ)備系數(shù)大、噪音低、可靠性高；里程表可實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子傳感器連接，輸出端可實(shí)現(xiàn)與電渦流緩速器、液力緩速器連接，如圖1所示。該變速箱已經(jīng)完成在上海申沃客車SWB6120車上裝車（該車型是上海申沃客車的配置比較高的車型、比較暢銷，該車型標(biāo)配的DC6J140T變速箱），并即將交付用戶。同時(shí)出口給國(guó)際知名企業(yè)-VOLVO公司的三款DC6J190T變速箱已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，該產(chǎn)品匹配的都是VOLVO本部的高級(jí)豪華客車，良好的性價(jià)比得到國(guó)內(nèi)外各大客車廠的青睞，該產(chǎn)品引起國(guó)內(nèi)一些大的客車廠的極大興趣，一經(jīng)VOLVO公司匹配成功后都會(huì)在各自的豪華大巴車上采用該產(chǎn)品。

圖1 高檔客車帶緩速器支架變速器

通過理論計(jì)算確定客車變速器基本參數(shù)，對(duì)齒輪強(qiáng)度、軸剛度、軸承強(qiáng)度、同步器性能（同步時(shí)間、阻止條件）、殼體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和強(qiáng)度校核。

4 高檔客車變速箱換擋氣動(dòng)助力器的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)助力器工作原理如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)助力器工作原理

高檔客車在換擋操作上要求輕便靈活，設(shè)計(jì)采用換擋氣動(dòng)助力器。換擋氣動(dòng)助力器特征為在選擇選擋操作時(shí)不助力，換擋操作時(shí)在需要規(guī)定以上的輸入力的場(chǎng)合中進(jìn)行助力。駕駛員只需對(duì)助力器作用一個(gè)較小促動(dòng)力，打開氣動(dòng)助力器的氣路，氣動(dòng)助力器通過氣缸的平動(dòng)帶動(dòng)換擋搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，輕松實(shí)現(xiàn)換擋。

助力器結(jié)構(gòu)大致分成三部分：來自變速桿的輸入力傳遞部分、輸出力的發(fā)生部分、輸出力的傳遞部分。

帶氣動(dòng)助力器頂蓋總成如圖3所示。

圖3 帶氣動(dòng)助力器頂蓋總成

5 高檔客車變速箱匹配液力緩速器接口設(shè)計(jì)

根據(jù)交通部規(guī)定大中型高二、高三級(jí)營(yíng)運(yùn)客車必須裝緩速器制動(dòng)機(jī)構(gòu)，規(guī)定的頒布對(duì)我國(guó)緩速器事業(yè)的發(fā)展和車輛行駛安全起到積極的作用。緩速器目前主要有兩種，一種是電渦流緩速器，另一種是液力緩速器，因液力緩速器性能穩(wěn)定及產(chǎn)生的熱量循環(huán)性好，對(duì)變速箱及緩速器周邊部件損傷小，使得液力緩速器在高檔客車上廣泛使用。

圖4 力緩速器工作原理圖

圖5 福伊特液力緩速器匹配

液力緩速器的工作原理（見圖4、下頁(yè)圖5）：緩速器工作時(shí)，壓縮空氣經(jīng)電磁閥進(jìn)入儲(chǔ)油箱，將儲(chǔ)油箱內(nèi)的變速器油經(jīng)油路壓進(jìn)緩速器內(nèi)，緩速器開始工作。緩速器轉(zhuǎn)子隨變速箱輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而導(dǎo)輪不動(dòng)。當(dāng)緩速器內(nèi)充有油時(shí)，隨輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子作用于油液一個(gè)動(dòng)量矩M1，帶動(dòng)油液繞軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，油液沿葉片運(yùn)動(dòng)作內(nèi)循環(huán)，甩向?qū)л啎r(shí)，油液的“公轉(zhuǎn)”對(duì)導(dǎo)輪葉片產(chǎn)生沖擊作用，將轉(zhuǎn)子作用于油液的動(dòng)量矩M1傳遞到導(dǎo)輪葉片上。同時(shí)，固定額導(dǎo)輪葉片也對(duì)油液產(chǎn)生一個(gè)反向作用的動(dòng)量矩M2。油液流出導(dǎo)輪再流入轉(zhuǎn)子時(shí)，同樣將M2轉(zhuǎn)遞到轉(zhuǎn)子上，形成對(duì)轉(zhuǎn)子的阻力矩，阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的減速作用。由于油液在循環(huán)流動(dòng)中沒有受到任何其他附加外力，根據(jù)力學(xué)平衡原理，油液甩向?qū)л喓土飨蜣D(zhuǎn)子的動(dòng)量矩關(guān)系有M1＝－M2。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的能量經(jīng)油液的阻尼作用轉(zhuǎn)變成熱量，通過散熱器散發(fā)到空氣中［2］。

因緩速器轉(zhuǎn)子要和變速箱輸出軸通過花鍵直接連接，二者之間的花鍵配合側(cè)隙控制在0.01～0.03之間，同時(shí)緩速器制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生反向作用力給變速箱，對(duì)輸強(qiáng)度要求較高。緩速器本體通過和變速箱之間連接固定在變速箱的后殼上，設(shè)計(jì)后殼時(shí)要預(yù)留4個(gè)連接部位，4個(gè)部位的平面度要控制在0.05以內(nèi)，這樣才能保證順利安裝及動(dòng)力傳達(dá)時(shí)不會(huì)松動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從用戶對(duì)高檔客車用變速箱噪音、強(qiáng)調(diào)、密封性、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能迫切要求出發(fā)，對(duì)換擋機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將新技術(shù)用到新產(chǎn)品開發(fā)中來。通過適用開發(fā)，滿足變速箱匹配換擋氣動(dòng)助力器及液力緩速器的接口要求，完成DC6J190T高擋客車專用變速箱設(shè)計(jì)，滿足公交車換擋輕便性及制動(dòng)安全性的要求，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低運(yùn)營(yíng)成本，為公司產(chǎn)品拓展高檔客車市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。

［1］ 王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］ 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.高等教育出版社，2011.