消防車用斷軸式取力器的原理和應(yīng)用

□魏永建

山東天河消防車輛裝備有限公司山東臨沂276000

消防車用斷軸式取力器的原理和應(yīng)用

□魏永建

山東天河消防車輛裝備有限公司山東臨沂276000

消防車用斷軸式取力器是車輛大功率動力輸出裝置，在消防車等特種車輛改裝過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。闡述了該類型取力器的工作原理、應(yīng)用范圍、使用要求及安裝使用規(guī)范，結(jié)合實際應(yīng)用情況，總結(jié)出斷軸式取力器相對于夾心式取力器具有通用性強、安裝方便靈活、對底盤性能影響小等特點。

1 取力器的分類

取力器作為車輛發(fā)動機動力輸出裝置，在罐類消防車上是必不可少的重要部件[1]。當(dāng)前，消防車底盤的種類趨于多樣化，包括沃爾沃、雷諾在內(nèi)的高檔進口消防車底盤應(yīng)用越來越多。在這樣的背景下，斷軸式取力器以其通用性強、改動小的特點得到了廣泛應(yīng)用。

消防車底盤具備大功率輸出功能，可驅(qū)動如消防泵、壓縮機、發(fā)電機、風(fēng)機等大功率作業(yè)設(shè)備。取力器根據(jù)安裝位置和取力方式主要分為夾心式取力器和斷軸式取力器兩類。

夾心式取力器，如圖1所示，在汽車離合器和變速箱之間加設(shè)齒輪箱進行全功率取力，這是目前國內(nèi)外流行的消防車取力方式，絕大多數(shù)國產(chǎn)消防車均采用這一類型取力器。夾心式取力器具有潤滑方便、可全功率輸出、能夠?qū)崿F(xiàn)車輛雙動功能和傳輸效率高等特點[2]，但是需要一端和離合器連接，另一端和變速箱連接，要求兩端接口必須與原車完全相同，且變速箱一軸必須重新設(shè)計制造。此外，每種離合器、變速箱對應(yīng)的取力器必須是唯一的，這樣即使車型相同，車輛所用取力器也不一定相同，一軸的變動還會不可避免地對車輛變速箱產(chǎn)生影響[3]。

斷軸式取力器如圖2所示，安裝于變速箱至后橋差速器之間，將原來的傳動軸截斷。取力器處于中間偏前部位，底部前端法蘭通過傳動軸與變速箱連接，后端法蘭與傳動軸連接，驅(qū)動車輛后橋。上部輸出法蘭連接傳動軸，驅(qū)動消防泵等負(fù)載[4]。斷軸式取力器將取力器作為獨立總成，設(shè)置于傳動軸之間，在傳動過程中具有良好的動平衡性能，工作可靠性高，傳遞輸出扭矩大，且結(jié)構(gòu)簡單。在斷軸式取力器安裝過程中，不需要改動車輛底盤變速箱，由此可以大大提高底盤的可靠性。

圖1 夾心式取力器安裝工作方式示意圖

圖2 斷軸式取力器安裝工作方式示意圖

通過以上兩類取力器的比較可以發(fā)現(xiàn)，對于一些新上市的底盤，特別是進口高檔底盤，如采用夾心式取力器，會產(chǎn)生兩大問題：一是取力器難以采購；二是對底盤改動和影響較大，需要拆解底盤、變速箱。斷軸式取力器只需確定好速比、輸出功率和扭矩等參數(shù)，再通過改動車輛傳動軸就可完成安裝，因此在一些新型底盤上應(yīng)用越來越廣泛。

2 斷軸式取力器工作原理

斷軸式取力器采用齒輪副進行傳動，將車輛傳動軸作為動力源進行動力傳輸。如圖3所示，該類型取力器主要由輸出軸操控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、主傳動軸操控系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。

圖3 斷軸式取力器結(jié)構(gòu)示意圖

傳動系統(tǒng)通過三對齒輪組成的齒輪副實現(xiàn)不同速比的動力輸出，潤滑和冷卻系統(tǒng)可以保證取力器長時間不間斷地工作。主傳動軸操控系統(tǒng)目前絕大部分采用了氣動控制方式，通過氣缸操縱撥叉軸和撥叉，利用離合齒輪的脫掛進行選擇性的動力輸出。

最初的斷軸式取力器一般采用單離合方式，即只有主傳動軸操控系統(tǒng)。如圖4所示，通過外接氣源，驅(qū)動氣缸內(nèi)的撥叉軸帶動撥叉運動，撥叉撥動離合齒輪至不同位置，分別與后軸傳動齒輪及輸入軸齒輪進行嚙合與脫離，從而完成車輛行駛狀態(tài)和駐車取力狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。一般主傳動系統(tǒng)的輸入和輸出離合由氣缸控制，離合齒輪與后軸傳動齒輪為常合狀態(tài)，通氣時斷開。單離合方式只能選擇一種工作模式，無法實現(xiàn)車輛邊行駛邊取力的功能。對消防車而言，只能在駐車狀態(tài)下進行消防作業(yè)，無法實現(xiàn)行進間滅火功能。

圖4 單離合方式取力器傳動示意圖

隨著消防作業(yè)功能的多樣化，特別是類似機場消防車必須具有行進間滅火功能，斷軸式取力器逐步改進為雙離合方式，即在主傳動軸操控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了輸出軸操控系統(tǒng)。如圖5所示，通過外接氣源驅(qū)動氣缸內(nèi)的撥叉軸帶動撥叉運動，撥叉撥動上離合齒輪至不同位置，實現(xiàn)與輸出軸齒輪的嚙合與脫離，從而完成動力的輸出與終止；主動力操控系統(tǒng)的離合也由主動力氣缸控制，上離合齒輪與主動力輸出軸齒輪為常開狀態(tài)，通氣時合上。輸出軸操控系統(tǒng)配合主傳動軸操控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)車輛行進間取力和駐車取力兩種工作模式，具有良好的適用性。

圖5 雙離合方式取力器傳動示意圖

如圖6所示，取力器外部主要由取力器殼體、動力輸出連接法蘭、輸出軸操控系統(tǒng)氣動閥、主傳動軸操控系統(tǒng)氣動閥、彈性連接支座和主傳動軸連接法蘭等組成，共設(shè)有3個連接法蘭：底部主傳動軸輸入和輸出法蘭各一個，一個上部負(fù)載動力輸出法蘭。取力器安裝在車輛傳動軸中間，通過左右兩側(cè)彈性連接支座與車架固定。底部法蘭與車輛傳動軸連接，實現(xiàn)車輛的啟停。上部負(fù)載動力輸出連接法蘭通過與傳動軸連接，實現(xiàn)動力輸出，驅(qū)動負(fù)載工作。

圖6 取力器外部結(jié)構(gòu)

3 斷軸式取力器應(yīng)用范圍和使用要求

基于工作原理，只要安裝空間充足，選定速比合適的斷軸式取力器，原則上是可以應(yīng)用于所有底盤的，但是由于底盤驅(qū)動形式與變速箱操縱形式的不同，選用斷軸式取力器有一定的特殊要求。

3.1 不同驅(qū)動形式

目前車輛底盤驅(qū)動形式一般分為后橋驅(qū)動和全輪驅(qū)動[5]。對于后橋驅(qū)動底盤，采用斷軸式取力器一般沒有特殊要求，主要確定以下參數(shù)即可。

（1）根據(jù)車輛底盤發(fā)動機功率和變速箱速比，計算出車輛需要的最大輸出扭矩即主傳動系統(tǒng)的傳遞扭矩：

式中：P為發(fā)動機最大功率，kW；n為發(fā)動機最大功率時的轉(zhuǎn)速，r/min；i為變速箱最大速比。

（2）根據(jù)負(fù)載所需功率和轉(zhuǎn)速確定動力輸出系統(tǒng)的傳遞扭矩：

式中：P0為負(fù)載額定功率，kW；n0為負(fù)載額定轉(zhuǎn)速，r/min；i0為取力器速比。

（3）根據(jù)負(fù)載所需轉(zhuǎn)速確定取力器速比：

式中：i1為變速箱取力擋位速比；n1為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

（4）根據(jù)安裝空間確定取力器外形尺寸，主要考慮取力器厚度及主傳動系統(tǒng)和輸出傳動系統(tǒng)的中心距高度，以便于傳動軸改制和安裝。

對于全輪驅(qū)動底盤，由于底盤變速箱后端安裝有分動箱，因此，如在分動箱后部使用斷軸式取力器，需要特別注意取力器的主傳動系統(tǒng)和輸出傳動系統(tǒng)的中心距高度，如果高度不夠，會造成輸出傳動軸與負(fù)載連接時夾角過大；如在分動箱前部使用斷軸式取力器，可以采用與分動箱直連安裝的方式，改動變速箱和分動箱之間連接傳動軸的長度即可，當(dāng)然同樣需要特別注意取力器的主傳動系統(tǒng)和輸出傳動系統(tǒng)的中心距高度，如果高度過高，將會與消防車上裝部分產(chǎn)生干涉。

3.2 不同操縱形式變速箱

目前消防車底盤變速箱操縱形式分為手動變速和自動變速兩類[6]。

對于手動變速箱車輛底盤，斷軸式取力器在駐車使用時，可以根據(jù)所選取力器的速比，選擇適當(dāng)擋位，以達到負(fù)載所需的轉(zhuǎn)速。需要注意的是，當(dāng)進行行進間滅火作業(yè)時，由于手動變速箱車輛起步時擋位不能過高，且在作業(yè)過程中進行擋位切換會對負(fù)載造成一定沖擊，因此對于高轉(zhuǎn)速負(fù)載無法滿足額定工況。可見，對于手動變速箱車輛，斷軸式取力器主要是在駐車時使用，其轉(zhuǎn)速計算式為：

對于自動變速箱車輛底盤，其應(yīng)用環(huán)境和手動變速箱相反。因為自動變速箱在行進中可以根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動升降擋位，所以斷軸式取力器在車輛行進時作業(yè)其轉(zhuǎn)速可以較為輕易地滿足負(fù)載轉(zhuǎn)速要求。車輛駐車操作時，由于自動變速箱對于起步擋位具有保護功能，無法進行高擋位作業(yè)，且駐車時擋位不會隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升降進行調(diào)節(jié)，對于高轉(zhuǎn)速負(fù)載可能無法滿足其額定工況?？梢姡瑢τ谧詣幼兯傧滠囕v，斷軸式取力器主要是在行車時使用，尤其能滿足機場消防車在消防泵額定工況下速度不低于40 km/h這一標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

3.3 斷軸式取力器其它應(yīng)用注意事項

通過分析近幾年斷軸式取力器的應(yīng)用情況，在安裝使用時需要注意的問題是：①部分進口底盤，如德國曼恩底盤，安裝斷軸式取力器后，底盤行車計算機對于變速箱和后橋驅(qū)動信號進行檢測，兩者需要同時有信號輸出才為正常工作狀態(tài)；但取力器在駐車輸出動力時，變速箱正常工作，而后橋不工作，信號不能同步傳輸，造成在消防作業(yè)時底盤里程表不工作，且遠程控制油門無法正常工作，因此需要將底盤變速箱傳感器后移至斷軸式取力器主傳動軸輸出法蘭后部；②斷軸式取力器在工作時，如果主傳動軸有誤操作現(xiàn)象，那么容易造成車輛誤行駛或熄火，存在安全隱患，因此在國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 7956.1—2014消防車第1部分：通用技術(shù)條件》中明確規(guī)定，斷軸式功率輸出裝置的操縱按鈕在驅(qū)動消防泵的位置應(yīng)有防止誤操作結(jié)構(gòu)[8]，我公司現(xiàn)采用的是帶鎖自保翹板開關(guān)，同時加裝警示標(biāo)志，可有效避免誤操作。

3.4 取力器安裝規(guī)范及要求

對于后輪驅(qū)動底盤，一般將取力器安裝在變速箱和后橋之間，盡可能靠近變速箱輸出法蘭。對于全輪驅(qū)動底盤，一般將取力器安裝在分動箱和后橋之間，盡可能靠近分動箱輸出法蘭，也可將取力器安裝在底盤分動箱前端，靠近分動箱輸入法蘭。取力器和車架間應(yīng)使用彈性連接方式。

特別注意的是，改制后的傳動軸需要做靜態(tài)和動態(tài)平衡，以滿足傳動軸的使用要求。為了防止操作過程中的振動和噪聲，必須確保所有傳動軸法蘭平行[9]，因此應(yīng)使取力器傾斜一個和變速箱一致的角度（3°左右），使取力器的輸出端垂直于傳動軸。

根據(jù)傳動軸設(shè)計要求，傳動軸萬向節(jié)兩端的轉(zhuǎn)角必須相等（β1=β2），以保證傳動軸兩端的角速度相等。此外，傳動軸萬向節(jié)的轉(zhuǎn)角一般不大于6°，如果萬向節(jié)的轉(zhuǎn)角超過6°，且出現(xiàn)誤差（β1≠β2），那么會造成動力系統(tǒng)振動，這樣會影響動力傳動系統(tǒng)零部件的使用壽命，并且會造成損壞[10]。

4 結(jié)束語

通過對斷軸式取力器工作原理和應(yīng)用的介紹，結(jié)合筆者公司使用過程中出現(xiàn)的問題，探討斷軸式取力器今后制作應(yīng)用的發(fā)展方向。

（1）安全性有待進一步提高。對于車輛在使用斷軸式取力器時存在誤操作現(xiàn)象，需要取力器生產(chǎn)企業(yè)加裝自動安全鎖止機構(gòu)，以保證氣缸失壓狀態(tài)下取力器的正確工作位置。

（2）取力器輕量化制作。通過采用鑄鋁等材質(zhì)制作取力器殼體，有效減輕取力器質(zhì)量，增加殼體強度，從而減輕消防車的質(zhì)量，提高消防車滅火劑承載量。

（3）操縱便利性可進一步加強。目前市場上斷軸式取力器大多采用氣動操控機械式離合裝置，為了進一步提高操縱的便利性和可靠性，可以采用液壓離合、電磁離合或膜片式離合裝置，以滿足不同客戶的需求。

作為消防車使用的大功率動力輸出裝置，斷軸式取力器正在不斷發(fā)展，憑借通用性強、車輛改動性小、安裝使用方便等特點，這一取力器必將在今后的市場上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]王學(xué)超.淺談消防車取力器的設(shè)計[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1996（3）:32-33.

[2]劉建.關(guān)于專用汽車取力器的研究與市場分析[J].重型汽車,2008（5）:19-20.

[3]魏永建.電磁離合式夾心取力器的設(shè)計與應(yīng)用[J].專用汽車,2010(4):62-64.

[4]藺習(xí)英，傅正勇.關(guān)于汽車取力器選型的幾點建議[J].專用汽車,2004（2）:26.

[5]童敏勇，孟杰.汽車底盤構(gòu)造[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[6]陳玲琳，陳奇.汽車自動變速箱發(fā)展概況及需求分析[J].科技信息,2011（21）:433-434，448.

[7]民用航空運輸機場消防站裝備配備：MH/T7002—2006[S].

[8]消防車第1部分：通用技術(shù)條件：GB7956.1—2014[S].

[9]薛錦達.十字軸式萬向傳動軸的原理及其結(jié)構(gòu)[J].機械制造,1997，35（7）:14-16.

[10]戴姆勒克萊斯勒公司.ACTROS車身及設(shè)備安裝規(guī)范[Z].

As a high-power output apparatus used by fire vehicle the off-axle PTO has been more widely used during refitting of special vehicles including fire vehicle.Gave a description of the operating principle of the PTO,scope of its application,operating requirement and specifications for installation and operation.Combined with practical application,the conclusion shows that in respect of the sandwich PTO the off-axle PTO features powerful versatility,easy and flexible installation and little influence tochassis performance.

消防車；斷軸式取力器；原理；應(yīng)用

Fire Vehicle；Off-axle PTO；Principle；Application

TH122;U469.6+8

文章編號：1672-0555（2016）03-050-05

2016年3月

魏永建（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事消防車及取力器設(shè)計開發(fā)工作