大型養(yǎng)路機(jī)械摩擦片離合器換擋機(jī)構(gòu)車軸齒輪箱研究

羅立紅

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

大型養(yǎng)路機(jī)械換擋機(jī)構(gòu)主要有兩類：滑移齒式換擋機(jī)構(gòu)和離合器換擋機(jī)構(gòu)。

（1）滑移式換擋機(jī)構(gòu)

此種換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，一般采用氣缸或液壓缸作為動力源，沿軸向或轉(zhuǎn)動撥動換擋齒輪與被動齒輪嚙合的換擋機(jī)構(gòu)，造價低，被廣泛用于不超過四軸同時換擋的車軸齒輪箱的嚙合和脫開。 如圖1 所示：

圖1 滑移式換擋機(jī)構(gòu)

（2）離合器換擋機(jī)構(gòu)

此種換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可采用氣動、液壓、電磁作為動力源， 通過操控主被動離合器實現(xiàn)擋位脫掛，主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機(jī)構(gòu)、壓力檢測裝置或接口等組成，成本高；每個離合器單獨控制，換擋可靠，可實現(xiàn)多軸同時脫掛。

大型養(yǎng)路機(jī)械上使用離合器主要有兩種，牙嵌式（端面齒）離合器和摩擦片式離合器。

牙嵌式離合器：牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)簡單外形尺寸小，傳遞扭矩大，接合后主從動軸無相對滑動，傳動比不變。 但接合時有沖擊，為確保安全只能適用于完全靜止接合，主要用于低速機(jī)械不需要經(jīng)常離合的傳動軸系如圖2 所示。

圖2 牙嵌式離合器

摩擦片離合器：大機(jī)運用摩擦片離合器主要采用濕式離合器，離合器浸泡在油中，能有效降低磨損，緩沖沖擊載荷。主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機(jī)構(gòu)、復(fù)位彈簧、壓力檢測裝置或接口等組成。

車軸齒輪箱作為涉及整車安全和性能的重要部件， 以上滑移式換擋機(jī)構(gòu)目前國內(nèi)自主設(shè)計制造比較成熟，成本可控；而采用離合器換擋的車軸齒輪箱主要依賴進(jìn)口，造價昂貴，技術(shù)上受制于人，供貨周期長，且無法掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)， 后期售后服務(wù)等均需要依靠廠商，在車軸齒輪箱的后期維修保養(yǎng)，配件供應(yīng)、整機(jī)大修以及開拓海外市場等多方面均受制于人，制約大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展。 本文主要研究自主離合器換擋機(jī)構(gòu)車軸齒輪箱， 適應(yīng)新形勢下大型養(yǎng)路機(jī)械的長遠(yuǎn)發(fā)展，為大型養(yǎng)路機(jī)械的兩條腿打好堅實基礎(chǔ)。

1 離合器換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

摩擦片式離合器技術(shù)成熟，是運用最廣也是歷史最久的一類離合器，可適用于高速、重載工況，在國內(nèi)國外多種大型養(yǎng)路機(jī)械上均有運用，特別是在需要多軸同時實現(xiàn)脫掛擋的車軸齒輪箱，片式離合器脫掛擋結(jié)構(gòu)就有著明顯的優(yōu)勢，目前國內(nèi)一些大型養(yǎng)路機(jī)械如打磨、清篩等車型均采用片式離合器脫掛擋進(jìn)口車軸齒輪箱，該類型車軸齒輪箱在大型養(yǎng)路機(jī)械多軸同時驅(qū)動走行系統(tǒng)具有較廣泛的應(yīng)用。

1.1 車軸齒輪箱結(jié)構(gòu)形式

采用離合器換擋的車軸齒輪箱的動力輸入采用液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)體積小，其安裝和布置比較靈活，所以本方案選擇漸開線圓柱齒輪，輸入軸與輸出軸平行。

1.2 整體布置方案設(shè)計

針對離合器在齒輪箱上的布置形式制訂了如下三個方案。

1.2.1 方案一

離合器采用半獨立模組， 直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)先連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。 離合器的冷卻油共用車軸齒輪箱冷卻油；離合器采用獨立換擋液壓油，標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于車軸齒輪箱軸端如圖3 所示。

圖3 方案一

1.2.2 方案二

如圖4 所示，離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)安裝在離合器另一側(cè)，馬達(dá)經(jīng)過一級圓柱齒輪傳動后，連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸， 動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。 離合器采用獨立的冷卻油供給；離合器采用獨立換擋液壓油， 標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于離合器軸端。

圖4 方案二

1.2.3 方案三

如圖5 所示，離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)安裝在齒輪箱另一側(cè)，先連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱；此種結(jié)構(gòu)采用大小花鍵確保動力輸入和輸出在同一側(cè)，車軸齒輪箱采用內(nèi)外心軸結(jié)構(gòu)。 離合器采用獨立的冷卻油供給；離合器采用獨立換擋液壓油，標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于離合器軸端。

圖5 方案三

綜合以上三個方案，均為離合器外置方案，此種結(jié)構(gòu)可滿足模塊化設(shè)計，故障易判斷，責(zé)任明確。但方案一離合器更換不方便，齒輪箱軸端懸臂太長；方案二齒輪箱軸端懸臂長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間位置占比大；方案三離合器、馬達(dá)分置齒輪箱兩側(cè)，便于拆卸和維護(hù)，優(yōu)選方案三，優(yōu)化后最終方案如圖6 所示。

此車軸齒輪箱為平行軸圓柱齒輪傳動兩級減速車軸齒輪箱，離合器安裝在馬達(dá)輸入端，確保脫擋狀態(tài)馬達(dá)浮動；離合器與馬達(dá)分置在齒輪箱兩側(cè)，輸出齒輪軸采用空心軸結(jié)構(gòu)形式。

圖6 離合器齒輪箱結(jié)構(gòu)

1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 安裝接口及連接方式

液壓馬達(dá)與輸入軸連接方式為花鍵或平鍵連接；輸入軸與外摩擦片連接方式為花鍵連接；內(nèi)摩擦片與傳動軸連接方式為平鍵連接；外摩擦片與輸出齒輪軸連接方式為花鍵連接。

1.3.2 各軸固定方式

輸出齒輪軸兩端布置圓錐滾子軸承承載在箱體上； 輸入軸馬達(dá)側(cè)通過圓柱滾子軸承固定在箱體上，離合器側(cè)通過花鍵與傳動軸連接；離合器內(nèi)摩擦片與傳動軸過盈連接或鍵連接，外摩擦片一側(cè)固定在軸承上，另一側(cè)與輸出齒輪軸花鍵連接。

1.3.3 傳動方式

動力傳遞路線（見圖6）：離合器掛擋—1 液壓馬達(dá)輸入動力—2 輸入軸—9 傳動軸—10 內(nèi)摩擦片—7外摩擦片—5 輸出齒輪軸—車軸—車輪；空擋反拖路線：離合器脫擋—車輪轉(zhuǎn)動—車軸轉(zhuǎn)動—5 輸出齒輪軸—7 外摩擦片—內(nèi)外摩擦片相對轉(zhuǎn)動。

1.4 換擋和潤滑設(shè)計

1.4.1 擋位切換

通過外部掛擋液壓油增壓在規(guī)定范圍內(nèi)， 則內(nèi)外摩擦片吸合；泄壓后離合器摩擦片通過復(fù)位彈簧分離。

1.4.2 潤滑設(shè)計

離合器傳動軸在對應(yīng)軸承、掛擋油孔、離合器摩擦片位置設(shè)置潤滑油道，確保進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭的潤滑油和掛擋油分配到位。

離合器內(nèi)所有軸承均配置強制潤滑，離合器摩擦片也采用強制潤滑方式，強制潤滑油通過車軸齒輪箱潤滑泵經(jīng)過濾后送至各潤滑點如圖7 所示。

圖7 離合器潤滑系統(tǒng)

2 結(jié)語

摩擦片離合器換擋車軸齒輪箱采用平行軸硬齒面?zhèn)鲃樱x合器與液壓馬達(dá)位于齒輪箱左右兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，便于拆卸維護(hù)和模塊化設(shè)計；同時離合器與車軸齒輪箱基本屬兩個獨立箱體， 性能不會相互影響；離合器采用系統(tǒng)液壓油控制換擋，增壓吸合掛擋，卸壓分離脫擋，液壓油通過旋轉(zhuǎn)接頭供給；離合器冷卻采用強制冷卻，軸承采用強制潤滑，冷卻液及潤滑液均取自車軸齒輪箱齒輪油。該離合器采用濕式內(nèi)外摩擦片結(jié)構(gòu)，在行業(yè)內(nèi)首次自主化設(shè)計。