HVT變速箱在流動(dòng)式起重機(jī)中的應(yīng)用與維護(hù)

李磊　何強(qiáng)

摘 要：液壓機(jī)械無級變速箱（以下簡稱為HVT變速箱）由于采用靜壓傳動(dòng)和功率分流傳動(dòng)技術(shù)，綜合了液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)無級變速和節(jié)能降耗等目標(biāo)，不僅提高了傳動(dòng)效率，而且最高節(jié)油幅度可達(dá)25%，同時(shí)還具備噪聲低、操作靈敏準(zhǔn)確和故障低等優(yōu)勢[1]。

關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保；HVT變速箱；靜壓傳動(dòng)；功率分流

中圖分類號：TH137.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）07-0042-03

0 引言

卡爾瑪ECO正面起重機(jī)是世界上首款搭載HVT變速箱的節(jié)能環(huán)保型正面起重機(jī)，變速箱型號為HVT-R2，由美國德納控股與德國博世力士樂的合資公司生產(chǎn)。截至2023年1月，卡爾瑪ECO正面起重機(jī)全球銷量已達(dá)500臺。HVT變速箱通過將傳動(dòng)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速去耦合，降低發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作周期和怠速時(shí)轉(zhuǎn)速，可顯著降低油耗，還實(shí)現(xiàn)了敏感精確的車輛定位功能。無級變速功能可在改善加速性能的同時(shí)保持牽引力，通過靜壓制動(dòng)和無磨損無離合換向提升了使用壽命，降低了維護(hù)成本。

1 HVT變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的概述

HVT變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)主要由無級靜壓變速系統(tǒng)、機(jī)械變速系統(tǒng)和變速箱控制系統(tǒng)構(gòu)成。由于靜壓變速系統(tǒng)與機(jī)械變速系統(tǒng)采用并聯(lián)方式，因此發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力可以通過變速箱從兩個(gè)途徑輸出到驅(qū)動(dòng)輪。靜壓變速系統(tǒng)可通過液壓馬達(dá)向機(jī)械變速系統(tǒng)提供動(dòng)力，也可以從機(jī)械變速器獲取動(dòng)力。變速箱控制單元（簡稱TCU）通過各種傳感器以及與其他控制器通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)油門踏板和車速等信號精確的改變傳動(dòng)進(jìn)行換擋控制。TCU能保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳工作點(diǎn)，不受負(fù)載變化影響，從而提高了作業(yè)效率及燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 HVT變速箱工作原理

HVT變速箱傳動(dòng)方案示意圖如圖1所示，HVT變速箱有3個(gè)前進(jìn)擋和2個(gè)倒擋，4個(gè)離合器用于擋位切換，分別為CR、C1、C2和C3。

當(dāng)行駛速度小于5 km/h，變速箱處于第一擋位，驅(qū)動(dòng)方式為純靜壓驅(qū)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率通過減震聯(lián)軸器、CR/2離合器和泵驅(qū)動(dòng)齒輪副傳遞至變量泵。變量泵從油底殼中抽油，斜盤傾角增大，液壓油壓力增大，帶動(dòng)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。變量馬達(dá)輸出功率再經(jīng)過C1離合器及其他齒輪副，最終傳遞到變速箱輸出軸上。

該變速箱靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變量泵和變量馬達(dá)組成，采用電比列控制，可以實(shí)現(xiàn)泵排量和輸入電流的比例調(diào)節(jié)，改變斜盤傾角和方向即可完成平穩(wěn)加速和換向。采用電比列控制的液壓馬達(dá)，斜盤傾角改變，即排量的變化，可影響輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。斜盤傾角越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就越大，在輸入流量不變的情況，轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的降低[2]。在需要大扭矩起步行駛階段，靜壓系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)較低轉(zhuǎn)速、較小輸出功率情況下實(shí)現(xiàn)起步和行駛，損耗功率小，傳動(dòng)效率高。

當(dāng)行駛速度處于6～26 km/h時(shí)，變速箱處于第二擋或第三擋，驅(qū)動(dòng)方式為功率分流驅(qū)動(dòng)，即液壓與機(jī)械混合傳動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力進(jìn)入變速箱后，通過CR/2離合器分成兩路動(dòng)力傳遞：一路動(dòng)力通過泵驅(qū)動(dòng)齒輪副，經(jīng)過變量泵-變量馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)傳到行星排太陽齒軸，為液壓流。另一路動(dòng)力通過C3離合器和傳動(dòng)齒輪副傳到行星排內(nèi)齒圈，為機(jī)械流。液壓流和機(jī)械流在行星排中匯流后動(dòng)力傳遞到行星架，最終通過其他傳動(dòng)齒輪副傳遞到輸出軸上，經(jīng)輸出軸輸出動(dòng)力[3]。在此過程中，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)和行星排齒圈轉(zhuǎn)速是一定的，但通過控制變量泵或變量馬達(dá)排量改變行星排太陽輪轉(zhuǎn)速，那么即可改變行星架轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)在各區(qū)段實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速功能。行星排行星架轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式（1）[4]。

ω₃=1/（K_p+1）ω₁+ K_p/（K_p+1）ω₂（1）

式中：ω₁為太陽齒轉(zhuǎn)速，ω₂為太陽齒轉(zhuǎn)速齒圈轉(zhuǎn)速，ω₃為行星架轉(zhuǎn)速，K_p為行星排機(jī)構(gòu)特性參數(shù)，為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。

3 HVT變速箱動(dòng)力換擋過程

HVT變速箱實(shí)現(xiàn)第一驅(qū)動(dòng)擋位為純液壓驅(qū)動(dòng)，其他擋位均為機(jī)-液動(dòng)力分流驅(qū)動(dòng)。第一擋和第二擋之間轉(zhuǎn)換是以同步切換方式實(shí)現(xiàn)，無需中斷牽引力。第二擋和第三擋之間以非同步換擋重疊的方式實(shí)現(xiàn)，這種方式可以不完全中斷動(dòng)力，并縮短換擋時(shí)間[5]。

4 HVT變速箱液壓系統(tǒng)

HVT變速箱液壓原理圖如圖2所示，HVT變速箱液壓系統(tǒng)主要由泵-馬達(dá)容積調(diào)壓回路和濕式離合器換擋控制回路構(gòu)成。

容積調(diào)速靜壓回路主要由A4VG110EP2型電比例雙向液壓泵和A6VM150EP2型電比例液壓馬達(dá)組成，分別對應(yīng)圖中編號9和10。變量泵通過增壓泵（編號2）輸出的控制由經(jīng)過比例換向閥到變量活塞的控制腔，改變換向閥兩端的比例電磁鐵a和b的輸入電流來控制變量活塞位移，即可實(shí)現(xiàn)泵排量和輸入電流的比例調(diào)節(jié)。若控制斜盤擺過中位，就可以平穩(wěn)的改變液體流動(dòng)方向。高壓溢流閥（編號RV1和RV2）起到安全保護(hù)作用，同時(shí)還具有補(bǔ)油閥的功能，保證低壓管路中壓力值不變，避免系統(tǒng)中形成真空，產(chǎn)生氣蝕。壓力傳感器（編號PA和PB）用于實(shí)時(shí)檢測靜壓系統(tǒng)壓力值，控制變速箱輸入和輸出扭矩。沖洗閥（編號FV）可以將低壓側(cè)液壓油引入馬達(dá)殼體中，與殼體泄油一起返回油底殼。沖洗閥一方面是用于消除液壓回路的熱量，另一面是沖洗液壓回路中磨損下來的微小金屬顆粒，從而提高液壓回路的清潔度，延長液壓元件的使用壽命。

濕式離合器換擋控制回路由吸油濾網(wǎng)、增壓泵、高壓過濾裝置、壓力傳感器、濕式離合器、比例電磁閥、儲能器和溢流閥，在圖2中編號分別為1～8。增壓泵通過過濾精度為2 mm的濾網(wǎng)從油底殼吸油，然后通過高壓過濾裝置將增壓后的液壓油輸送至比例換向閥前。

當(dāng)離合器所對應(yīng)比例換向閥通電時(shí)，閥芯換位，閥前液壓油進(jìn)入離合器液壓缸，推動(dòng)活塞移動(dòng)壓緊濕式離合器的鋼片與摩擦片，離合器開始傳遞動(dòng)力。當(dāng)比例換向閥斷電時(shí)，閥芯復(fù)位，濕式離合器離合器液壓缸里液壓油返回油底殼，實(shí)現(xiàn)快速卸油并切斷離合器的動(dòng)力傳遞。變速箱在每一個(gè)工作擋位僅有一個(gè)離合器處于工作狀態(tài)，離合器工作壓力范圍為28～33 MPa。增壓泵工作壓力范圍為32～38 MPa，排量為55.86 mL/r。高壓過濾裝置還安裝有濾芯堵塞壓差開關(guān)和安全閥。變速箱控制閥組上安裝有4個(gè)壓力傳感器、4個(gè)比例電磁閥、1個(gè)儲能器和1個(gè)溢流閥。

壓力傳感器用于檢測對應(yīng)離合器的工作壓力。比例電磁閥接收控制器傳來的電信號，并將電信號轉(zhuǎn)化為液壓壓力，進(jìn)而控制離合器精準(zhǔn)和快速的結(jié)合與分離。儲能器用于補(bǔ)充增壓泵在某時(shí)刻的流量不足，并吸收液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的液壓沖擊，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。溢流閥用于限定系統(tǒng)工作壓力不超過3 MPa，溢流后的油液與沖洗閥油液匯合，經(jīng)散熱器冷卻，再對變速箱各軸系和離合器進(jìn)行潤滑，最終返回油底殼。

5 HVT變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢

5.1 傳動(dòng)效率優(yōu)勢

HVT變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)取消了液壓變矩器，避免了在大扭矩、低速工況時(shí)傳動(dòng)效率低的問題，并在高速時(shí)可轉(zhuǎn)為高效率的機(jī)械傳動(dòng)，使得整個(gè)工作循環(huán)的傳動(dòng)效率大幅提高。

5.2 功率管理優(yōu)勢

HVT變速箱采用液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)混合傳動(dòng)的方式，利用行走靜壓傳動(dòng)與整機(jī)液壓系統(tǒng)聯(lián)合控制，合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)功率，充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)都工作在高效省油的工作區(qū)域內(nèi)。通過聯(lián)合控制，切斷了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、行駛速度和驅(qū)動(dòng)力矩之間的強(qiáng)制關(guān)系，節(jié)約能耗，減少尾氣排放和噪聲。

5.3 操作性能優(yōu)勢

液壓變矩器無法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)功能，切換倒擋時(shí)必須采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相配合，換擋過程中易引起動(dòng)力中斷與衰竭。變矩器主、被動(dòng)元件之間存在相對滑動(dòng)，加速性能差，反應(yīng)比較滯后。HVT變速箱靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)操作簡單、靈活和準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)和加速，提高了駕駛員舒適性。動(dòng)效率密度大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比大，因此速度變化時(shí)沖擊小，急加速或急轉(zhuǎn)彎不會損傷傳動(dòng)系統(tǒng)。

5.4 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

HVT變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)具有獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配功能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能得以體現(xiàn)，與帶變矩器的變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)相比，可節(jié)省約25%的燃油。制造精良的靜壓系統(tǒng)在工作時(shí)幾乎沒有機(jī)械磨損，使用壽命長，維護(hù)成本低[6]。靜壓傳動(dòng)系統(tǒng)還具備無磨損制動(dòng)功能，可以在平地和一定坡度的斜坡上保持機(jī)車靜止。

6 HVT變速箱維護(hù)要求

HVT變速箱使用壽命在很大程度上取決于變速箱潤滑油的品質(zhì)。應(yīng)定期更換變速箱潤滑油，油液污染度等級參照ISO4406標(biāo)準(zhǔn)，須保持在20/18/14潔凈度等級。潤滑油品牌目前只能選用SHELL SPIRAX S4 TXM，工作壞境溫度在-30～40℃時(shí)，油品選用級別為SAE10W-30。

6.1 首次保養(yǎng)

必須在至少5 h后（最遲在250 h之后）更換變速箱潤滑油濾芯。

6.2 日常油位檢查

啟動(dòng)和預(yù)熱設(shè)備，直到變速箱油溫達(dá)到75℃左右，從而使節(jié)溫器關(guān)閉，散熱器中充滿油液。然后讓變速箱油冷卻至30℃，讓發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為700 r/min）。將量油尺擦拭干凈，用量油尺檢查油位應(yīng)處于最高標(biāo)記處。

6.3 每運(yùn)行1000h保養(yǎng)

保養(yǎng)內(nèi)容有以下兩點(diǎn)：①檢查蓄能器充壓壓力，使用充氮工具與蓄能器預(yù)充壓力測量孔相連接，讀取氮?dú)鈮毫?yīng)為2±0.1 MPa。②更換變速箱液壓油及濾芯。

6.4 HVT變速箱自動(dòng)校準(zhǔn)

如果想長期保持HVT變速箱良好的駕駛舒適性，就必須定期對變速箱執(zhí)行元件的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。例如：對靜壓系統(tǒng)中液壓泵和液壓馬達(dá)電磁閥線圈最小和最大控制電流進(jìn)行校準(zhǔn)，對離合器液壓缸充油時(shí)間和換擋重疊特性進(jìn)行校準(zhǔn)。變速箱自動(dòng)校準(zhǔn)過程較為復(fù)雜，大約需要20 min。

如遇到以下情況，需要對HVT變速箱進(jìn)行校準(zhǔn)：①變速箱首次運(yùn)行前。②每運(yùn)行1 000 h，更換變速箱油及濾芯后。③更換液壓泵或液壓馬達(dá)后。④更換離合器部件或閥組控制閥后。

校準(zhǔn)前，將設(shè)備必須停放在安全區(qū)域內(nèi)的水平地面上，使駐車制動(dòng)器接合，擋位處于空擋狀態(tài)。自動(dòng)校準(zhǔn)過程中操作人員禁止離開駕駛室。變速箱油溫需保持在30～50℃范圍內(nèi)，若溫度過低，預(yù)熱功能自動(dòng)啟動(dòng)，開始加熱。若溫度超過60℃，校準(zhǔn)工作將中斷，直到溫度降低至50℃。自動(dòng)校準(zhǔn)必須通過指定的CAN通訊接口進(jìn)行，校準(zhǔn)完成后，點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉至少30 s，以保存校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。如遇到緊急情況，需要停止校準(zhǔn)工作，可通過將擋位手柄移至相反行走方向，退出校準(zhǔn)菜單，松開駐車制動(dòng)器等方法，隨時(shí)取消校準(zhǔn)。此時(shí)TCU將重置，并忽略之前獲得的校準(zhǔn)結(jié)果[7]。

參考文獻(xiàn)

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