摘 要:文章介紹了國產(chǎn)裝載機目前采用的3種變速器的結(jié)構(gòu)特點及性能,對各類變速器所在的問題予以客觀地剖析并對變速器的要求及發(fā)展進行預測,相信對國產(chǎn)裝載機變速器的發(fā)展有所幫助。
關(guān)鍵詞:變速器現(xiàn)狀要求研發(fā)預測
國產(chǎn)裝載機變速器現(xiàn)狀
國產(chǎn)裝載機主要采用以下3種變速器。占主導地位的變速器是:雙渦輪4元件變矩器+2進1退行星式變速器(為了說明方便,稱為變速器A)。高檔裝載機中主要是采用德國ZF公司(進口或柳州合資生產(chǎn))的變速器:單渦輪3元件變矩器+4進3退定軸式變速器(為了說明方便,稱為變速器B)。部分裝載機廠家或部分產(chǎn)品采用的國產(chǎn)變速器:單渦輪3元件變矩器+4進4退,4進2退或3進3退定軸式變速器(為了說明方便,稱為變速器C)。
變速器A因有超越離合器自動對變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進行動力整合輸出,使變矩器能實現(xiàn)重載和輕載兩種工況的自動轉(zhuǎn)換,實際上此種變速器具有4進2退的擋位,因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù),簡化變速器的結(jié)構(gòu),尤其是可簡化變速操縱機構(gòu),只用1根變速手柄即可實現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動簡圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達4以上),高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。變速器A因有超越離合器自動對變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進行動力整合輸出,使變矩器能實現(xiàn)重載和輕載兩種工況的自動轉(zhuǎn)換,實際上此種變速器具有4進2退的擋位,因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù),簡化變速器的結(jié)構(gòu),尤其是可簡化變速操縱機構(gòu),只用1根變速手柄即可實現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動簡圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達4以上),高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。
變速器A因有超越離合器自動對變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進行動力整合輸出,使變矩器能實現(xiàn)重載和輕載兩種工況的自動轉(zhuǎn)換,實際上此種變速器具有4進2退的擋位,因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù),簡化變速器的結(jié)構(gòu),尤其是可簡化變速操縱機構(gòu),只用1根變速手柄即可實現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動簡圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達4以上),高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。
經(jīng)過多年的發(fā)展,雙渦輪4元件變矩器的設(shè)計和工藝都已被各生產(chǎn)廠家所熟練掌握,基本上沒有大的故障點存在,但小故障較多。2進1退行星式變速器結(jié)構(gòu)簡單,維修易學,裝載機維修人員經(jīng)過短期培訓就能上崗,不需要專門工裝即可就地維修,并且配件充足,能盡快地修復機器而不耽誤工程進度。此變速器采用機械——液壓變速方式,通過機械方式直接操縱變速操縱閥進行變速操作。由于超越離合器的作用使重載和輕載工況自動轉(zhuǎn)換,使此變速器的變速操作只需Ⅱ擋、I擋、空擋、倒擋四個位置,因此只要1根變速操縱桿就能實現(xiàn)變速器的換擋和換向操作。但國內(nèi)生產(chǎn)的2進1退行星式變速器有點粗制濫造,有的齒輪熱處理后不再執(zhí)行齒面強化和磨齒等工藝程序,加工設(shè)備相對較落后、陳舊,材質(zhì)相對較差,工裝、刀具水平不高,熱處理工藝落后,物流過程控制差造成零件磕碰、臟污、野蠻裝配等,這些現(xiàn)象的存在造成此變速器故障點較多、發(fā)生故障的頻率較高,嚴重損害了國產(chǎn)裝載機的聲譽。2進1退行星式變速器主要產(chǎn)生的故障有:超越離合器損壞(造成變矩器不能輸出重載工況)、太陽輪或行星輪崩齒、倒擋行星軸竄動切斷止動墊圈、一擋行星軸竄動切斷止動盤或螺栓、軸承損壞、一倒擋摩擦片磨損或被剃齒、密封圈漏油或損壞、變速泵損壞、變速操縱閥卡閥或損壞、濾油器堵塞或損壞、油管破損、彈簧失效或斷裂等等。
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圖1 變速器A傳動簡圖[/align]
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圖2 雙渦輪四元件變矩器變矩比K、效率η曲線[/align]
變速器B是一種比較可靠的變速器,圖3為ZF4WG200變速器的傳動簡圖。此變矩器的特點是采用沖焊型一體機芯,結(jié)構(gòu)緊湊,但導輪座上沒有擋圈對導向輪進行卡位,因此翻轉(zhuǎn)變速器時有可能使變矩器機芯掉落出來。相對雙渦輪變矩器,單渦輪變矩器變矩比要小些(失速變矩器比K0一般小于4,如ZFWG200的K0值為2.55),高效區(qū)要窄些(只有單高效區(qū))。圖4為ZF4WG200變速器的變矩比K和效率η曲線。此變速器的特點是除了輸入和輸出軸,其它中間軸都是固定不轉(zhuǎn)的;變速泵采用效率較高的內(nèi)嚙合齒輪泵,并且安裝在殼體內(nèi);材質(zhì)特殊訂制,采用壓淬等熱處理新工藝,齒輪采用磨齒和齒面強化處理等,關(guān)鍵零件均為進口,加工設(shè)備、工裝、刀具等比較先進(如殼體采用進口加工中心進行加工),生產(chǎn)環(huán)境整潔,裝配采取先進的工藝、工裝。換擋控制采取電子——液壓動力換擋,只需1根電子換擋手柄就能實現(xiàn)換向和換擋操作,并且在換擋手柄端設(shè)置有能實現(xiàn)從2擋到1擋的強制換擋KD鍵。圖5為其電子換擋手柄,推動手柄能進行換向操作(并且能空擋鎖止以策安全),轉(zhuǎn)動手柄可完成換擋操作。由于變速手柄與變速操縱閥之間是電線連接,因此安裝布置非常方便,并且可方便采用可調(diào)方向機,使駕駛操縱個性化。由于采用電腦控制換擋裝置,因此除了實現(xiàn)4進3退之外,能很容易實現(xiàn)6進3退,擴展了變速器的使用范圍。變速操縱閥設(shè)有平穩(wěn)結(jié)合閥,使變速器的變速過程平穩(wěn)、少沖擊。但是,影響到此變速器推廣普及的最大障礙是:1)售價高。因結(jié)構(gòu)緊湊,要求好的材質(zhì)和熱處理工藝;因精度要求高,需要先進的設(shè)備和制造工藝,制約產(chǎn)量的提升。2)配件市場投放量難以與變速器A相比,且價格高,有相當數(shù)量的配件需進口。3)維修需專門工具和場地,不能和變速器A一樣就地維修,這就會增加維修成本和可能影響工程進度。4)維修保養(yǎng)要比變速器A嚴格得多。
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變速器C是一種少數(shù)廠家和少數(shù)產(chǎn)品使用的變速器。國內(nèi)在單渦輪3元件變矩器上的研究、投入和產(chǎn)出上相對雙渦輪4元件變矩器要少得多。對于單渦輪3元件變矩器,國內(nèi)做得較好的是陜西航天動力高科技股份公司生產(chǎn)的用于ZP 4WG200變速器的單渦輪3元件變矩器機芯,它是經(jīng)過德國ZF公司認證后專門給柳州ZP公司配套的。由于國內(nèi)在材質(zhì)、制造設(shè)備及工藝、熱處理技術(shù)及工藝、裝配技術(shù)及工藝、物流管理、生產(chǎn)環(huán)境、人員素質(zhì)等各個方面與國外有較大的差距,因此與變速器B(從技術(shù)和質(zhì)量上)相比還有較大差距。從裝配和拆卸上沒有變速器A方便,尤其是配件充裕度沒法與變速器A相比。但與變速器A相比,變速器C故障點較少,最典型的故障是漏油造成離合器油壓過低,使摩擦片過度磨損,甚至燒結(jié)離合器。如配油蓋有斑疤或疏松等鑄造缺陷造成油封環(huán)損壞或者活塞上的油封環(huán)損壞都能造成離合器油壓過低。長期低油壓工作會對動力換擋變速器造成較大的危害,應盡量避免。
圖6為山工50型變速器,它由單渦輪3元件變矩器和4進4退定軸式變速器組成。該變速器是4自由度變速器,每個擋位需結(jié)合3個離合器,因此需3根變速操縱桿:1根換向操縱桿(對F和R離合器),1根換擋操縱桿(對F1,3和F2,4離合器),還有1根高低擋操縱桿(對滑套HL)。因此變速操縱非常麻煩,這是此變速器的最大缺陷。
圖7為淄博凱特生產(chǎn)的PZl33變速器,它由單渦輪3元件變矩器和3進3退定軸式變速器組成,該變速器是3自由度變速器,每個擋位需結(jié)合3個離合器,因此需2根變速操縱桿:1根換向操縱桿(對F和R離合器),1根換擋操縱桿(對L1、L2和L3離合器)。此變速器可配置于15型、18型和30型裝載機上,典型的故障有波形彈簧斷裂(如采用螺旋彈簧作為活塞的回位彈簧則能較好地解決這個問題)。
變速器C一般采用3自由度變速器(很少采用3個以上自由度),每個擋位需結(jié)合2個離合器,采用機械——液壓動力變速方式時,需要2根變速操縱桿:1根進行換向操縱,1根進行換擋操縱。為了簡化結(jié)構(gòu),一般采用軟軸操縱,但軟軸空行程較大,難以精確控制行程,因此操縱手柄難以用卡槽限位,使換擋操作沒有空間鉸接變速機構(gòu)(如變速器A)那么清晰準確,甚至有可能造成誤掛擋位。因變速操縱桿系太多,不僅增加空間布置的難度,也增加了司機操縱的難度,增加司機勞動強度,因此采用電子——液壓變速方式是最好的選擇。
2 國產(chǎn)裝載機對變速器的要求2.1高可靠性
由于國產(chǎn)變速器故障率較高,因此市場對此意見最大。減少變速器故障點,提高變速器的可靠性是最重要和最迫切的任務(wù)。
2.2價格應該有優(yōu)勢
中國制造的產(chǎn)品,不管在國內(nèi)市場,還是在國際市場,價格都是競爭的法寶。況且,私人購機的比例越來越高,因此沒有價格優(yōu)勢的產(chǎn)品在今天競爭異常激烈和微利的裝載機行業(yè)是沒有前途的。因此,變速器A會在較長時期內(nèi)繼續(xù)擔當主要角色,但需各廠家努力提高產(chǎn)品的質(zhì)量,降低產(chǎn)品的故障率。
2.3操縱應簡單、快捷
盡量采用1根變速操縱桿,最多不超過2根變速操縱桿,以便于空間布置和減輕司機勞動強度,提高勞動效率。
2.4維修方便,配件充足
維修應該是方便的,經(jīng)過培訓后,廣大維修人員應該能很快掌握維修技術(shù)。能就地或在附近維修點維修,不需要或盡量減少專門的維修工具,并且配件應該是充足的??傊?,變速器發(fā)生故障后應能盡快修復,避免影響工程進度。
3 國產(chǎn)裝載機變速器發(fā)展預測
變速器A用了這么多年,可靠性一直是難以解 決的大難題,解決變速器可靠性是變速器研發(fā)的首要目標,電子化變速操縱(電子——液壓動力換擋和自動換擋)也一直是國際變速器發(fā)展的方向。所以研發(fā)符合中國國情的變速器應該是我們優(yōu)先考慮的。
3.1采用類似于變速器C的結(jié)構(gòu)
變速器A的行星變速器中行星輪架懸臂支撐,內(nèi)齒輪徑向浮動(沒有軸承定位)、齒輪輪齒比較寬、倒擋行星輪架和1擋內(nèi)齒輪軸向浮動(只靠摩擦片限位)、行星輪易軸向竄動,這些結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生異常的軸向力使變速器產(chǎn)生故障。另外,由于制造方面的誤差,也會使超越離合器等零部件發(fā)生故障。并且各個擋位總成都裝在1根軸線上,因此誤差會影響到其它零件,軸向力也會傳遞到其它零件上。
定軸式變速器每根軸上的零件都能準確定位,并且誤差不會累積到另一根軸上,故障要比行星式變速器少。從可靠性來看,定軸式變速器是比較理想的,現(xiàn)在國外裝載機普遍采用定軸式變速器。采用多擋位定軸式變速器后,不再需要采用雙渦輪4元件變矩器來增加擋位,也就不再需要超越離合器來整合兩個渦輪的動力輸出,而采用結(jié)構(gòu)相對簡單的單渦輪3元件變矩器。
3.2變速操縱桿采取1根或2根
為提高產(chǎn)品的檔次,變速器采用電子——液壓動力換擋或自動換擋,可采用類似于ZF的電子操縱手柄(圖5)實現(xiàn)換向和換擋操作。為降低成本,變速器采用機械——液壓動力換擋時,可采用2根變速操縱桿:1根實現(xiàn)換向,另1根實現(xiàn)換擋操作;或采用類似于CAT 966E的操縱桿實現(xiàn)換向和換擋操作(動作類似于ZF電子手柄),但機構(gòu)比較復雜,且需變速操縱閥操縱力比較小。
3.3高端產(chǎn)品使用相當于ZF這樣的產(chǎn)品
我們還需裝備類似于ZF這樣高質(zhì)量的變速器,以滿足特殊用戶和特殊用途的要求。以我們目前的條件暫時還達不到完全國產(chǎn)化生產(chǎn)這樣的產(chǎn)品,因此也可以使用進口變速器滿足我們整機的高要求。