改善特種作業(yè)車性能的16速變速器方案

軍事交通學(xué)院 張雨佳

改善特種作業(yè)車性能的16速變速器方案

軍事交通學(xué)院 張雨佳

匹配特種作業(yè)車的變速器在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，然而在歐美等國(guó)家已獲得較快發(fā)展，針對(duì)目前大功率變速器面臨的問題，提出了一種能夠有效改善特種作業(yè)車性能的16速變速器方案，首先對(duì)其齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理予以詳細(xì)介紹，然后通過與傳統(tǒng)變速器的對(duì)比，分析16速變速器的性能優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)該型變速器未來的應(yīng)用構(gòu)想進(jìn)行研究。

特種作業(yè)車變速器現(xiàn)狀

特種作業(yè)車是指具備特殊結(jié)構(gòu)或特殊作業(yè)裝置，在特定場(chǎng)所使用或具有特殊用途的機(jī)動(dòng)車。該類車型設(shè)置有典型工作裝置，根據(jù)車輛行駛路面的不同，可分為軌道作業(yè)車及工程作業(yè)車兩種。

（1）軌道作業(yè)車能在鐵路線路上進(jìn)行運(yùn)行、牽引作業(yè)，主要用于鐵路上的施工養(yǎng)護(hù)，材料機(jī)具和人員的運(yùn)送以及其他特殊作業(yè)用途，是鐵路公務(wù)、工程牽引及其他建設(shè)養(yǎng)護(hù)部門類型獨(dú)特的一種特種作業(yè)車，通常由液力機(jī)械式變速器（簡(jiǎn)稱AT 變速器）傳動(dòng)，通過行星齒輪裝置換向，典型車型有公鐵兩用車及、測(cè)試車。公鐵兩用車如圖1所示。

（2）工程作業(yè)車的工作環(huán)境大多為專用路面或野外道路，作業(yè)對(duì)象多變，常常在大功率、變載荷的情況下工作，通過專用裝備進(jìn)行挖掘、裝卸等作業(yè)，由大功率AT變速器傳動(dòng)。主要類型有供采礦、挖掘用的非公路自卸車以及對(duì)路面進(jìn)行破碎、壓實(shí)的高能沖擊式壓路機(jī)，如圖2～4所示。

就目前而言，我國(guó)的特種作業(yè)車變速器還處于起步階段。近年來，AT 變速器由于其傳遞功率大、轉(zhuǎn)矩高的特點(diǎn)，在特種作業(yè)車輛領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]，一些主要型號(hào)AT的參數(shù)如表1所示。但作為執(zhí)行設(shè)備維修、保養(yǎng)、基建等施工部門任務(wù)的主要作業(yè)工具[2]，特種作業(yè)車變速器卻面臨以下問題：

a.傳動(dòng)效率偏低。由于特種作業(yè)車的負(fù)載大、作業(yè)條件惡劣、零件磨損嚴(yán)重，往往在低速比區(qū)域工作，傳動(dòng)效率普遍比較低。對(duì)于典型的5擋AT ，不同擋位的傳動(dòng)效率有很大的差異，平均傳動(dòng)效率為60%。因此，提升AT 變速器的傳動(dòng)效率具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

b.設(shè)計(jì)安裝成本較高。大功率變速器的研發(fā)成本和生產(chǎn)成本是變速器領(lǐng)域的兩項(xiàng)主要開銷，由于許多核心技術(shù)被國(guó)外公司掌握，這極大地增加了引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的生產(chǎn)成本。在我國(guó)，研發(fā)并建造一條AT 變速器的生產(chǎn)流水線需要約15億元人民幣的投入，在汽車上安裝AT 變速器大約需要花費(fèi)2萬多元。

表1 大功率AT 變速器性能參數(shù)表

c.整體體積較大、零件眾多、維修成本高。大功率AT變速器的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，各種行星齒輪組特別多，體積較大，通過液力變矩器與行星齒輪組合進(jìn)行傳動(dòng)，里面的電子元件多達(dá)幾千個(gè)，使得尋找故障點(diǎn)十分困難，通常需要更換變速器總成，維修成本較高。

16速變速器的結(jié)構(gòu)

16速變速器是指含有16個(gè)速比，通過換向行星排切換傳動(dòng)方向，能夠?qū)崿F(xiàn)正向16擋和反向16擋傳動(dòng)的一種多擋位變速器，如圖5所示，匹配改變速器的整車模型如圖6所示。

圖5 變速器樣機(jī)

圖6 整車模型

16速變速器包括五組雙內(nèi)嚙合齒輪裝置，傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖7所示（B 表示制動(dòng)器，C 表示離合器），可實(shí)現(xiàn)正向、反向各16個(gè)速比的傳動(dòng)。其行星輪結(jié)構(gòu)為環(huán)形，可同時(shí)與齒圈和太陽輪嚙合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。每組行星排有“開”（離合器工作）和“關(guān)”（制動(dòng)器工作）兩種工況，能夠提供兩個(gè)不同的傳動(dòng)比。16速變速器還包括一組換向行星排，可實(shí)現(xiàn)特種作業(yè)車的雙向行駛。

圖7 16速變速器傳動(dòng)方案

圖8 雙內(nèi)嚙合齒輪裝置

16速變速器優(yōu)點(diǎn)分析

16速變速器采用雙內(nèi)嚙合齒輪結(jié)構(gòu)，同傳統(tǒng)特種作業(yè)車變速器相比，具有諸多明顯優(yōu)勢(shì)：

圖9 變速器樣機(jī)效率

圖10AT變速器效率

a.提高傳動(dòng)效率。16速變速器的傳動(dòng)效率極高，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試知其效率可達(dá)到90%以上（如圖9），這是未安裝液力變矩器的16速變速器的優(yōu)點(diǎn)之一。傳統(tǒng)大功率AT的效率較低，通常只能達(dá)到50%左右（如圖10），其余能量轉(zhuǎn)化為液力變矩器的熱能而消散在冷卻液和空氣中。特種作業(yè)車的匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大，變速器長(zhǎng)時(shí)間的低效率工作造成了巨大的能量損失，16速變速器可以更加高效地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，有助于提升特種作業(yè)車輛的經(jīng)濟(jì)性。

b.改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低產(chǎn)熱。輸入液力變矩器的能量除了傳遞至車輪的動(dòng)能，其余大部分會(huì)被變速器的冷卻系統(tǒng)帶走，叫做冷卻損失，這部分損失比重較大，約占總能量的40%左右，但這確實(shí)是無法避免的能量損失。試驗(yàn)結(jié)果表明，16速變速器的熱損失可以降低至20%以下（如圖11），整車的燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之提升，不僅可以降低經(jīng)濟(jì)成本，還可以降低排量，為保護(hù)環(huán)境做出積極貢獻(xiàn)。

圖11 樣機(jī)的效率和散熱情況

c.增強(qiáng)動(dòng)力性能。借助于雙內(nèi)嚙合行星排的高能量密度，16速變速器重合度能達(dá)到十幾，傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更加高效，并且噪聲很小，傳統(tǒng)變速器齒輪采用漸開線設(shè)計(jì)，16速變速器采用擺線設(shè)計(jì)，二者重合度仿真結(jié)果如圖12所示。使用雙內(nèi)嚙合行星齒輪裝置的變速器與目前特種作業(yè)車上的變速器相比，具有更大的輸入扭矩，最高可達(dá)660kW，同時(shí)特種作業(yè)車的動(dòng)力性能和作業(yè)效率得到增強(qiáng)，特種作業(yè)車作業(yè)量得到增加。

圖12 重合度對(duì)比

d.降低了體積、質(zhì)量和零件數(shù)量。得益于雙內(nèi)嚙合行星排簡(jiǎn)化了變速器的結(jié)構(gòu)，16速變速器的體積、質(zhì)量以及零件數(shù)目均可以降低30%～40%左右，如圖13所示，這就帶來了省油的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，16速變速器取消了液力變矩器，一旦開始大量生產(chǎn)，成本將大大降低。

圖13 變速器體積對(duì)比

16速變速器的應(yīng)用構(gòu)想

基于以上諸多優(yōu)異性能，應(yīng)用雙內(nèi)嚙合行星齒輪的多擋位變速器在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，尤其在美國(guó)及加拿大，相關(guān)專利已經(jīng)進(jìn)行了20多年的申報(bào)和維護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)一些科研單位和企業(yè)也都在對(duì)該型變速器進(jìn)行研發(fā)以提高特種作業(yè)車輛性能。對(duì)于16速變速器的研究，有望提高特種作業(yè)車輛的自動(dòng)化水平，改善高端工程、礦用和重型特種車輛技術(shù)，但是在我國(guó)仍處于起步階段，對(duì)于其應(yīng)用領(lǐng)域和方式仍有待探索。

a.作為特種作業(yè)車變速器的替代品。對(duì)于傳統(tǒng)AT變速器，只有在擋位較高，速比較小、高效區(qū)域內(nèi)才具有較高的傳動(dòng)效率。對(duì)于特種作業(yè)車低擋位、大速比的作業(yè)條件，則容易造成較大的功率損失；同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)行星齒輪，并不具備高速比傳動(dòng)的能力，從而限制了使用范圍。而16速變速器因?yàn)榫哂畜w積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)成為適用于低擋位、高速比、大扭矩傳動(dòng)條件下一個(gè)較為理想的解決方案。

b.與多種動(dòng)力源的匹配。動(dòng)力源作為特種作業(yè)車的動(dòng)力來源，其排放物直接影響到大氣環(huán)境。然而，目前柴油機(jī)動(dòng)力源在作業(yè)過程中產(chǎn)生大量廢氣，污染物排量增加，燃油經(jīng)濟(jì)性降低，同時(shí)加劇了能源危機(jī)。若匹配風(fēng)力動(dòng)力源或者電力動(dòng)力源，特種作業(yè)車可以在較清潔、可再生的能源下驅(qū)動(dòng)，減少了污染物的排放，也節(jié)省了一部分不可再生能源；此外，混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)動(dòng)力性，提升特種作業(yè)車性能。

c.促進(jìn)衍生產(chǎn)品的研制。所謂衍生產(chǎn)品就是利用16速變速器行星齒輪裝置進(jìn)行其他產(chǎn)品研發(fā)，使用雙內(nèi)嚙合齒輪裝置可以充分利用效率高、扭矩大、體積小的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到提升齒輪類產(chǎn)品性能的目的。然而傳統(tǒng)的行星齒輪產(chǎn)品，如差速器，主要使用漸開線、外嚙合行星齒輪，在傳動(dòng)時(shí)需要一定的空間進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，這就限制了產(chǎn)品的性能。對(duì)于雙內(nèi)嚙合行星齒輪而言，由于重合度高、能量密度大、噪聲低，產(chǎn)品可以非常有效地傳遞動(dòng)力，對(duì)于增強(qiáng)特種作業(yè)車性能有著重要作用。

2017-09-05