推土機(jī)動(dòng)力換擋變速器離合器扭矩容量驗(yàn)證

曲國(guó)波，鄧艷芳

（1.弗蘭德傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，天津 300400；2. 天津工程機(jī)械研究院有限公司，天津 300409）

230推土機(jī)動(dòng)力換擋變速器是由5組行星齒輪機(jī)構(gòu)和5組盤式離合器組合而成的，是具有前進(jìn)3擋，后退3擋的變速箱。前2組行星齒輪機(jī)構(gòu)及相關(guān)的2組離合器是控制車輛行駛方向的前進(jìn)和后退擋，后3組行星齒輪機(jī)構(gòu)及相關(guān)3組離合器為變速用的1，2，3擋。通過(guò)控制5組離合器中的2組，來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退的3個(gè)擋位。變速箱后面有1對(duì)傘齒輪副傳動(dòng)，通過(guò)調(diào)整速比和在主機(jī)中央傳動(dòng)上安裝，實(shí)現(xiàn)推土機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力換擋變速器三維剖視圖

1 離合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

推土機(jī)變速器離合器為多片濕式、彈簧壓緊、液壓分離、常分離式離合器，推土機(jī)變速器離合器由活塞、油缸、摩擦片、鋼片、壓油板、離合器鼓、回位彈簧等組成，如圖2所示。

圖2 變速器離合器工作原理

離合器結(jié)合時(shí)，壓力油由控制油道進(jìn)入活塞左側(cè)油缸，活塞在油壓作用下向右移動(dòng)，推動(dòng)外齒鋼片逐漸壓緊內(nèi)齒摩擦片，二者經(jīng)過(guò)摩擦逐步達(dá)到同步，動(dòng)力由傳動(dòng)軸經(jīng)離合器鼓傳遞到傳動(dòng)齒輪。離合器分離時(shí)，控制油路與油箱接通，工作液壓油由控制油道流返回至回油箱，油缸內(nèi)的結(jié)合油壓迅速下降，活塞在回位彈簧力作用下快速移動(dòng)，向左推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)外齒鋼片與內(nèi)齒摩擦片分離行［1］。

2 故障分析

某國(guó)產(chǎn)推土機(jī)使用600h后，動(dòng)力換擋變速器發(fā)生故障，表現(xiàn)為沒(méi)有前進(jìn)擋位，伴有底盤液壓系統(tǒng)油溫高現(xiàn)象。后經(jīng)過(guò)對(duì)故障變速器拆檢，發(fā)現(xiàn)變速器摩擦片磨損嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 變速器前進(jìn)擋摩擦片

變速箱離合器1、2、3擋摩擦片磨損量正常，但前進(jìn)擋的摩擦片磨損嚴(yán)重，已經(jīng)不能使用了，摩擦材料基本上也已經(jīng)完全損耗，摩擦留有過(guò)熱時(shí)所造成的鋼片變藍(lán)的現(xiàn)象。該離合器已經(jīng)不能正常結(jié)合，這是變速器不能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)擋的根本原因，如圖4所示。

圖4 變速器后退擋摩擦片

后退擋的摩擦片也有較大的磨損，摩擦生熱，留有過(guò)熱時(shí)所造成的鋼片變藍(lán)的現(xiàn)象，該摩擦片也不能繼續(xù)使用，需要更換該離合器的摩擦片。變速器故障分析如圖5所示。

圖5 推土機(jī)變速器故障分析圖

通過(guò)摩擦片分析報(bào)告，系統(tǒng)壓力測(cè)試，變速閥測(cè)試等故障排除法，最終在操縱系統(tǒng)行程不足和變速箱設(shè)計(jì)缺陷2個(gè)原因分別展開(kāi)分析。最終發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)椴僮髡叽直Q擋，換擋操縱行程不足，導(dǎo)致離合器分離不徹底，摩擦片打滑，打滑產(chǎn)生高能熱量，油溫急劇升高，過(guò)熱使得鋼片有發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)整和更換摩擦片后，變速器正常變速，溫度恢復(fù)正常，離合器熱容量恢復(fù)正常。操縱系統(tǒng)分析過(guò)程不做贅述，本文重點(diǎn)驗(yàn)證推土機(jī)變速器離合器扭矩容量是否滿足推土機(jī)傳扭要求。

3 離合器扭矩容量驗(yàn)證

對(duì)于離合器來(lái)說(shuō)，打滑是不允許的，因?yàn)殡x合器打滑會(huì)導(dǎo)致摩擦片溫度迅速上升，摩擦片受熱會(huì)發(fā)生變形，甚至燒結(jié)和損壞而不能繼續(xù)正常工作。故離合器的扭矩容量設(shè)計(jì)是按液力變矩器制動(dòng)工況下進(jìn)行［2］，此時(shí)，變矩器渦輪軸上輸出最大的扭矩，再考慮一定的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)［2］。

式中 M——離合器正常工作扭矩容量，N·m；

β——離合器扭矩儲(chǔ)備系數(shù)；

KO——變矩器的最大變矩系數(shù)；

MT——發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪扭矩，N·m；

iΦ——從變矩器到計(jì)算離合器的傳動(dòng)比。

當(dāng)推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，液力變矩器和變速器參數(shù)確定后，MT、KO、iΦ就是定值了，離合器的扭矩容量就可以求得了，根據(jù)M設(shè)計(jì)離合器結(jié)構(gòu)，完成離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，要對(duì)離合器的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)β和摩擦片比壓q進(jìn)行驗(yàn)算。

式中 Mm——離合器的實(shí)際扭矩容量，N·m；

p——摩擦片的有效壓力，N；

F——摩擦片有效工作面積，cm2。

離合器儲(chǔ)備系數(shù)β是離合器的重要參數(shù)，它反映離合器傳遞最大扭矩的可靠程度。在選擇時(shí)，應(yīng)保證摩擦片壓緊后，能傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大扭矩。儲(chǔ)備系數(shù)β取大一點(diǎn)，可以減少滑磨功，提高換擋響應(yīng)，提高離合器的壽命，但一般離合器的結(jié)構(gòu)尺寸也隨之增大，這對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊的變速器設(shè)計(jì)提出了更高的要求。儲(chǔ)備系數(shù)β小于1，離合器就可能經(jīng)常打滑，不能正常工作。

摩擦片的比壓q也對(duì)離合器的結(jié)構(gòu)尺寸和壽命有影響，q值大一些，離合器尺寸可以適當(dāng)減少，但是壓力值增大，磨損也增大，摩擦片壽命也隨之降低。

對(duì)于β和q值要綜合考慮適當(dāng)選取，因?yàn)橥仆翙C(jī)為液力機(jī)械傳動(dòng)，離合器的儲(chǔ)備系數(shù)一般為1.05～1.25［1］，計(jì)算結(jié)果為1.01～1.31，銅基粉末冶金摩擦片必壓值一般為2.0～3.5kPa，通過(guò)實(shí)際使用，離合器從未發(fā)生打滑，摩擦片材料沒(méi)有因比壓而損壞。

3.1 230推土機(jī)變速器傳動(dòng)速比計(jì)算

230推土機(jī)變速器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和各擋位速比分別見(jiàn)圖6和表1。

圖6 推土機(jī)變速器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

注：CR、CV、C1-C3代表變速器后退、前進(jìn)、1、2和3擋離合器，αR、αF、α3、α2為變速器各行星排特性參數(shù)，i0為最末級(jí)定軸傳動(dòng)的速比。

表1 變速器各擋位速比

3.2 推土機(jī)失速轉(zhuǎn)矩MT計(jì)算

根據(jù)該推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和液力變矩器特性繪制發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器共同工作特性曲線，得到發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器共同輸出最大扭矩。

圖7 制動(dòng)工況共同工作輸入特性

由圖7變矩器和柴油機(jī)共同工作時(shí)制動(dòng)工況下輸入特性，得到零速工況下泵輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為1680.3rpm和994.91N·m。此時(shí)，變矩器的最大變矩系數(shù)為2.34。因此，變速器輸入最大轉(zhuǎn)矩為

3.3 離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩M計(jì)算

（1）后退擋CR離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

（2）前進(jìn)擋CV離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

（3）1擋C1離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

由上式可見(jiàn)，在前進(jìn)擋時(shí)的系數(shù)（1+αF）大于在后退擋時(shí)的系數(shù)αR，因此計(jì)算時(shí)以前進(jìn)擋時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩為準(zhǔn)；后面C2、C3離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算也是如此。

（4）2擋C2離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

（5）3擋C3離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為

3.4 離合器摩擦力矩Mm計(jì)算

記摩擦片內(nèi)、外圈半徑分別為r、R，活塞受油壓內(nèi)、外圈半徑分別為r1、R1。工作油壓為p，分離彈簧力為F1，離合器摩擦系數(shù)為u，摩擦副數(shù)量為z。則當(dāng)量摩擦半徑

則

當(dāng)量摩擦半徑

活塞受油壓面積

摩擦片工作面積

摩擦片上的壓力

摩擦片上的壓強(qiáng)

［q］為許用比摩擦材料的壓，銅基粉末冶金對(duì)鋼取［q］=40kgf/cm2=3.92MPa

從而，離合器的摩擦力矩為

該離合器的工作儲(chǔ)備系數(shù)為

注：上式計(jì)算時(shí)忽略了壓緊力損傷系數(shù)和摩擦面積損傷系數(shù)。

3.5 動(dòng)力換擋變速器離合器扭矩容量計(jì)算

以后退擋CR離合器為例，已知：r=350/2mm、R=425/2mm、r1=370/2mm、R1=420/2mm、p=3.4MPa、F1=1400N、u=0.12、z=4、αR=91/37?？汕蟮秒x合器的摩擦力矩為Mm=9709.561N·m，傳遞的力矩Mo=8053.9309N·m，儲(chǔ)備系數(shù)為β=1.21。

同樣地，可計(jì)算出其他離合器的儲(chǔ)備系數(shù)，如表2所示。

表2 推圖統(tǒng)計(jì)變速器離合器扭矩容量計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證變速器各離合器扭矩容量，離合器扭矩容量滿足變速器運(yùn)轉(zhuǎn)性能要求，摩擦片最大壓強(qiáng)未超過(guò)許用比壓。

（2）為提高離合器的使用壽命周期和降低變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，離合器在換擋時(shí)一定要避免粗暴換擋，平穩(wěn)換擋是實(shí)現(xiàn)變速器離合器正常工作和分離的重要保證。