一种矿用车专用变速器设计

陈小国，张海涛，郑直（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

一种矿用车专用变速器设计

陈小国，张海涛，郑直
（陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西 西安 710119）

摘 要：结合矿用车工况，提出矿用车变速器的开发要求，作为设计开发输入，据此设计了一种专用车变速器，并详细介绍了该变速器的结构和工作原理。

关键词：矿用车；变速器；双中间轴；单中间轴；工作原理；设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.003

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-05-03

引言

重型卡车技术迅速发展，竞争日趋激烈，细分市场对车型提出了更加具体、特殊的要求，针对性、专业性成为产品致胜的关键。

矿用车作为重型卡车的细分车型之一，近年来发展迅速，已经成为重卡市场的重要组成部分。在其发展初期，受市场资源限制，其动力总成大多借用目前公路用车的动力总成。随着矿用车市场和技术的不断发展，客户对其动力总成的特殊要求逐渐具体，对发动机、变速器等主要部件的性能提出了具体要求。为满足特定市场需求，变速器的设计也应朝着专业化方向发展。

1、矿用车变速器的现状

目前国内矿用车变速器以手动变速器为主，有极少数进口液力变速器。而手动变速器产品，挡位数主要为7挡、9挡和10挡。9挡和10挡变速器，只能做成主副箱组合结构，头档速比可以更大，但因为矿用车主要工作在低挡区，重载爬坡工况多、挡位过多，导致换挡频繁、功率损失大，燃油消耗率高。且带上副箱后，9挡、10挡变速器副箱速比都在3.3-4.7之间，而该速比段也正是矿用车使用频率最高的速比段，势必造成变速器副箱频繁换挡，副箱同步器过早损坏，变速器某几个挡位使用频率特别高，大部分挡位长期用不上，且9、10挡主副箱结构变速器，头挡速比达14以上，副箱减速齿轮处承载力最大，易造成副箱低档区轴齿点蚀甚至断齿。一般对于深坑作业，爬坡度要求特别高的自卸车，可以选用9,10挡变速器。从工作可靠性考虑，7挡单箱变速器优势明显，目前法士特7DS180系列变速器已广泛使用，速比1-9.14，最大额定输入扭矩可以达到2000N.m。该系列变速器为单箱双中间轴结构，因无副箱气路，不带同步器，可靠性更高，但受制于结构限制，额定输入扭矩只能达到1800～2000N.m，为满足起步要求，头档速比大，因此只能做出直接挡变速器，最高车速有限，新车出厂送车，空车返程略显不足。基于以上原因，目前市场急需一种既有7DS180系列变速器高可靠性，且承载能力更大，空载时又能高速行驶的变速器。通过广泛深入的市场调研和矿用车工作现场了解，我们开发了矿用车专用变速器8FKY260。

2、8FKY260矿用车专用变速器的开发

2.1 结构介绍

2.1.1 整体结构

8FKY260变速器为主副箱结构，主箱采用直齿、双中间轴结构，7个前进挡，1个倒挡；副箱采用直齿，单中间轴结构，仅挂超速挡时使用；副箱集成了取力器，取力器采用花键输出，可直接匹配矿用车自卸举升泵，标配并联液力变矩器，提高车辆安全性。为确保矿用车的可靠性，主箱各挡采用大锥角滑套啮合，副箱采用锁环式惯性同步器。

图1为变速器结构示意图，虚线框A区域内为主箱部分，B区域为副箱部分，C区域为缓速器主被动轮部分，D区域为集成取力器部分。主箱为主要工作区，仍然采用了在重型汽车上具有明显优势的双中间轴结构，双中间轴对称布置，继承了双中间轴变速器的所有优点：中间轴功率分流，一轴齿轮、二轴上齿轮浮动，二轴只承受扭矩而不承受弯矩，消除由于二轴弯曲变形引起的齿轮啮合区的破坏，降低变速器的噪音，提高齿轮寿命；同时，由于每个齿轮及轴承受力减小，便可延长变速器使用寿命，确保变速器高承载能力和高可靠性。主箱7个前进挡，一个倒挡，中间轴较长，为提高主箱中间轴刚性，确保低档区齿轮寿命，中间轴采用了中间支撑结构，即中间轴分为两段。

副箱部分仅有超速档，依据矿用车的工作特点，仅在空车时使用，主要用于空车转场、送车使用。近年，用户对矿用车效率要求逐步提升，矿用车发展趋势为发动机大扭矩、低转速，变速器大扭矩，驱动桥大速比，这导致的结果是，矿用车直接挡速度也很低，一般不超过50Km/h。空车时，车速低，尤其是长距离送车，转场等。因此，高超速挡成为一种迫切需求。为满足这一需求，8FKY260变速器方案通过多方论证，设置了副箱单中间轴，超速挡这一结构。

矿用车朝超重型方向发展，安全性必须第一位考虑，因此，添加辅助制动成为必须。从结构示意图1可以看出，变速器整体分为A、B、C三个腔，C腔部分主要为并联缓速器主被动齿轮部分，标配液力并联缓速器。

矿用车都有自卸装置，因此，取力器成为标配。副箱B的上部，虚线框D区为集成式两轴取力器，从变速器主箱右（从后往前看）上中间轴取力，满足大箱举升自卸需要。

2.1.2 细节特征

速比排布的特殊设计：针对矿用车长期在低速重载条件下的实际情况，高频率使用的低挡区采用小极差，两端低频率使用区，采用较大极差，超速档速比值低至0.62，满足空载高速需要。

提高承载能力：齿轮齿形齿向修形，采用“K”形齿、鼓形齿设计。

润滑冷却系统：考虑到矿用车长期在坡道上低速重载的工作特殊性，为降低坡道因素对变速器寿命及性能的影响，标配有润滑冷却油泵，箱体内对关键齿轮、轴承设置了润滑结构；预留冷却接口，可根据车辆实际工作需要，选配冷却系统。

2.2 工作原理

普通主副箱结构变速器，副箱的存在，使得变速器挡位数翻倍，即NX2挡（N为变速器主箱前进挡位数），而8FKY260为主副箱结构7+1变速器。图2为其动力传动路线图，图3为变速器挡位排布图，图4为变速器气路原理图。

图2可以看出，副箱仅在超速挡时使用。实际用于整车空载状态。矿用车7+1结构，源于矿用车实际使用需求。图4中，各部件为变速器处于超速挡时的位置。矿用车满载时，车速一般不超过40Km/h，满载情况，不可能用到直接挡。从保护副箱同步器角度考虑，副箱挂档时，不允许跳档，因此，8FKY260设计时，只允许7挡（直接挡）和8挡（超速挡）之间的切换。

7挡升8挡，操纵过程为：1）直接挡挂挡到位，气路控制阀11打开；2）预选阀10预选到高档区，单H阀高档气管通气，低档气管排气；3）踩下离合器踏板3，后副箱气缸从前往后挂，完成升档操纵。

8挡降7挡，操纵过程为：1）预选阀10预选到低档区，单H阀低档气管通气，高档气管排气；2）踩下离合器踏板3，后副箱气缸从后往前挂，完成降档操纵。

副箱气缸活塞离开低档区（从低向高挂挡）后，气路控制阀5开启，锁止气缸6通气，6/7挡拨叉轴被锁止，主箱操纵杆不能再拨动。即：只要副箱不在低档区，主箱操纵杆均无法拨动，有效防止乱挡和操纵跳挡；仅当副箱回到低档区后，气路控制阀5断开，锁止气缸6排气，6/7挡拨叉轴7解锁，主箱部分可正常操纵。

图4中，气路控制阀5、11的作用是接通与中断所在气路，触头自由状态时，气路接通，触头被压缩时，气路中断，同时，与出气口连接的气管内气体从通气塞排出。单H阀12为两位五通阀，主要起气路切换作用，预选阀10在低挡区时，进气管与低挡气路接通；预选阀10在高挡区时，进气管与高挡气路接通，另外一出气管与一通气塞接通。离合器踏板3下气阀4的作用是，当离合踏板3踩到底时，气路接通，否则气路断开。

3、结论

大扭矩化、高可靠性、特殊速比、润滑冷却系统、标配辅助制动将成为一种趋势，8FKY260的设计是一次专用变速器开发的大胆尝试，将为矿用车提供一款更符合工况需求的变速器产品，将激发专用变速器开发更丰富、更大胆的思路，提供更个性化的产品需求，增强产品竞争力。

参考文献

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[5] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2004.

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[7] 高维山,张思浦.变速器[M].北京:人民交通出版社,1990.

Design of a special transmission for a mine car

Chen Xiaoguo, Zhang Haitao, Zheng Zhi
( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

Abstract:Combined with the working condition of the mine, the paper puts forward the development requirement of the transmission. As the input of design and development, a special kind of special vehicle transmission is designed, and its structure and working principle are introduced.

Keywords:Mine Car; Transmission; Dual Countershaft; Single Countershaft; Working principle; Design

作者简介：陈小国，工程师，就职于陕西法士特汽车传动工程研究院，从事变速器的设计与开发工作。

中图分类号：U463.8

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-05-03