礦用裝載機換擋變速箱濕式離合器波形彈簧的設計

蔡小亮

(維爾利環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司， 江蘇 常州 213000)

0 引言

某礦用裝載機使用的變速箱為定軸式換擋變速箱，其擋位的切換方式為多片濕式摩擦片方式，主要通過壓力油控制活塞軸向移動，從而控制主從動摩擦片的壓緊和分離，實現(xiàn)擋位的切換[1]?；钊膹臀环绞綖橹鲝膭幽Σ疗g的波形彈簧和活塞與缸體之間的彈簧拉桿[2]，如圖1所示。該機在前進后退擋的使用過程中，出現(xiàn)活塞回位不暢、擋位分離不清、換擋慢等現(xiàn)象。針對該變速箱濕式離合器中波形彈簧的材料和回復力、活塞的密封方式等方面進行了分析，提出了波形彈簧的設計方法和活塞密封方式，以提高變速箱的性能[3-4]。

1 波形彈簧的改進措施

基于圖1所示的舊結(jié)構(gòu)，取消了彈簧拉桿，其前進擋和后退擋各增加一組摩擦片，以提高容量?；钊c缸體內(nèi)外徑軸向密封采用了專用活塞或活塞桿密封，活塞增加漸開線外花鍵，與內(nèi)齒圈連接，其目的是防止活塞慣性回轉(zhuǎn)并起導向作用。改進后的結(jié)構(gòu)件如圖2所示[5]。

1-內(nèi)齒圈;2-主動摩擦片;3-從動摩擦片;4-波形彈簧;5-活塞; 6-缸體;7-活塞用密封;8-活塞桿用密封;9-壓力油道。圖2 改進后的前進后退擋濕式離合器結(jié)構(gòu)

2 波形彈簧的設計計算

2.1 活塞推力計算

計算的基本參數(shù)見表1。

表1 活塞推力基本參數(shù)

活塞推力計算公式為：

Fi=Pi×Si

(1)

2.2 摩擦片間隙及充液量

計算的基本參數(shù)見表2。

表2 摩擦片間隙基本參數(shù)

摩擦片間總間隙：

Δyi=Δi-δ1×n1-δ2×n2

(2)

式中：Δyi為摩擦片間總間隙，mm。

在初始無壓及磨損前后狀態(tài)都看作此值。

活塞作用后缸體充液量：

L=Si×Δyi/1 000

(3)

式中：L為活塞動作后與缸體之間的腔體充液量，mL。

2.3 波形彈簧的總彈力

由于受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，故在現(xiàn)有波形彈簧的基礎上不改變彈簧原始高度h1，保持原有的波峰、波谷數(shù)量，主要通過改變彈簧的截面尺寸，并選用更高性能的材料及熱處理來滿足使用要求[6]。

波形彈簧的安裝高度：

h2=Δyi/n2+δ2

(4)

式中：h2為波形彈簧的安裝高度，mm。

波形彈簧的彈性系數(shù)：

σi=σ/n2

(5)

式中：σi為波形彈簧的總彈性系數(shù)，N/mm；σ為波形彈簧的彈性系數(shù)，N/mm；

波形彈簧的總彈力：

fi=(h1-h2)×σ

(6)

式中：fi為波形彈簧的總彈力,N;h1為波形彈簧原始高度h1，mm。

2.4 摩擦片的壓合力

在作用油壓施加壓力后，活塞總的位移量近似看作初始狀態(tài)下的摩擦片間總間隙Δyi，此時摩擦片已經(jīng)壓合，摩擦片間總間隙和摩擦片每面間隙都為0。

壓合狀態(tài)下波形彈簧的總彈力：

F∑=fi+Δyi×σi

(7)

式中：F∑為壓合時波形彈簧的總彈力，N。

摩擦片的壓合力：

Hi=Fi-F∑

(8)

式中：Hi為壓合狀態(tài)下摩擦片收尾總壓合力，N。

2.5 摩擦扭矩的計算

在壓合狀態(tài)下，還要計算摩擦片組在輸入最大扭矩時所要承受的摩擦扭矩，用于驗證波形彈簧組對該離合器總傳遞力矩的影響。

摩擦片單面最大摩擦力：

Ni=Hi×fi

(9)

式中：Ni為摩擦片的單面最大摩擦力，N；fi為摩擦片的摩擦因數(shù)，取0.08～0.12。

單面摩擦面積：

(10)

式中：D為摩擦片的單面摩擦面積，mm2；r1為摩擦片內(nèi)半徑，mm，r1=d1/2；r2為摩擦片外半徑，mm，r2=d2/2。

摩擦片單面?zhèn)鬟f最大力矩的理論計算為：

(11)

簡化后：

(12)

式中：M2i為摩擦片單面?zhèn)鬟f最大力矩，N·m。

離合器傳遞總力矩：

M=M2i×ξ

(13)

式中：M為整個離合器傳遞的最大力矩，N·m；ξ為多片摩擦片損失系數(shù)，取0.9。

3 波形彈簧的測試要求

波形彈簧的材料要求使用65Mn或更高性能的材料，淬火、回火、洛氏硬度在45～50 HRC，成品后表面經(jīng)氧化處理，各波峰、波谷高度差不得大于0.25 mm。波形彈簧在試驗臺上按照圖示要求進行測試，如圖3所示。

圖3 波形彈簧的疲勞測試

按照規(guī)定的往復行程進行至少50萬次以上的疲勞測試。試驗后，不得出現(xiàn)斷裂，負荷能力下降不大于25%。零件通過疲勞測試后，可以將波形彈簧裝配在離合器中進行臺架測試，通過加壓和泄壓[7]，記錄活塞壓緊和復位時間，以此判斷波形彈簧的設計以及密封性，如圖4所示。

4 結(jié)論

在對現(xiàn)有變速箱濕式離合器故障進行分析的基礎上，研究了波形彈簧的設計計算方法。

圖4 波形彈簧臺架測試

1) 通過對原結(jié)構(gòu)的分析及計算方法的思考，研究了波形彈簧的設計計算方法，便于彈簧的設計。

2) 通過簡化活塞的復位結(jié)構(gòu)，使波形彈簧的設計更趨簡潔，也提高了可靠性。

3) 波形彈簧復位功能與專用密封的配合使用，解決了壓力不足和換擋慢的問題，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了成本。