推土机动力换挡变速器离合器扭矩容量验证

2019-01-02曲国波邓艳芳

建筑机械 2018年12期

曲国波，邓艳芳

（1.弗兰德传动系统有限公司，天津 300400；2. 天津工程机械研究院有限公司，天津 300409）

230推土机动力换挡变速器是由5组行星齿轮机构和5组盘式离合器组合而成的，是具有前进3挡，后退3挡的变速箱。前2组行星齿轮机构及相关的2组离合器是控制车辆行驶方向的前进和后退挡，后3组行星齿轮机构及相关3组离合器为变速用的1，2，3挡。通过控制5组离合器中的2组，来实现前进和后退的3个挡位。变速箱后面有1对伞齿轮副传动，通过调整速比和在主机中央传动上安装，实现推土机传动系统减速增扭，如图1所示。

图1 动力换挡变速器三维剖视图

1 离合器结构特点

推土机变速器离合器为多片湿式、弹簧压紧、液压分离、常分离式离合器，推土机变速器离合器由活塞、油缸、摩擦片、钢片、压油板、离合器鼓、回位弹簧等组成，如图2所示。

图2 变速器离合器工作原理

离合器结合时，压力油由控制油道进入活塞左侧油缸，活塞在油压作用下向右移动，推动外齿钢片逐渐压紧内齿摩擦片，二者经过摩擦逐步达到同步，动力由传动轴经离合器鼓传递到传动齿轮。离合器分离时，控制油路与油箱接通，工作液压油由控制油道流返回至回油箱，油缸内的结合油压迅速下降，活塞在回位弹簧力作用下快速移动，向左推动，从而实现外齿钢片与内齿摩擦片分离行［1］。

2 故障分析

某国产推土机使用600h后，动力换挡变速器发生故障，表现为没有前进挡位，伴有底盘液压系统油温高现象。后经过对故障变速器拆检，发现变速器摩擦片磨损严重，如图3所示。

图3 变速器前进挡摩擦片

变速箱离合器1、2、3挡摩擦片磨损量正常，但前进挡的摩擦片磨损严重，已经不能使用了，摩擦材料基本上也已经完全损耗，摩擦留有过热时所造成的钢片变蓝的现象。该离合器已经不能正常结合，这是变速器不能实现前进挡的根本原因，如图4所示。

图4 变速器后退挡摩擦片

后退挡的摩擦片也有较大的磨损，摩擦生热，留有过热时所造成的钢片变蓝的现象，该摩擦片也不能继续使用，需要更换该离合器的摩擦片。变速器故障分析如图5所示。

图5 推土机变速器故障分析图

通过摩擦片分析报告，系统压力测试，变速阀测试等故障排除法，最终在操纵系统行程不足和变速箱设计缺陷2个原因分别展开分析。最终发现故障原因为操作者粗暴换挡，换挡操纵行程不足，导致离合器分离不彻底，摩擦片打滑，打滑产生高能热量，油温急剧升高，过热使得钢片有发蓝现象，经调整和更换摩擦片后，变速器正常变速，温度恢复正常，离合器热容量恢复正常。操纵系统分析过程不做赘述，本文重点验证推土机变速器离合器扭矩容量是否满足推土机传扭要求。

3 离合器扭矩容量验证

对于离合器来说，打滑是不允许的，因为离合器打滑会导致摩擦片温度迅速上升，摩擦片受热会发生变形，甚至烧结和损坏而不能继续正常工作。故离合器的扭矩容量设计是按液力变矩器制动工况下进行［2］，此时，变矩器涡轮轴上输出最大的扭矩，再考虑一定的扭矩储备系数［2］。

式中 M——离合器正常工作扭矩容量，N·m；

β——离合器扭矩储备系数；

KO——变矩器的最大变矩系数；

MT——发动机飞轮扭矩，N·m；

iΦ——从变矩器到计算离合器的传动比。

当推土机发动机，液力变矩器和变速器参数确定后，MT、KO、iΦ就是定值了，离合器的扭矩容量就可以求得了，根据M设计离合器结构，完成离合器结构设计后，要对离合器的扭矩储备系数β和摩擦片比压q进行验算。

式中 Mm——离合器的实际扭矩容量，N·m；

p——摩擦片的有效压力，N；

F——摩擦片有效工作面积，cm2。

离合器储备系数β是离合器的重要参数，它反映离合器传递最大扭矩的可靠程度。在选择时，应保证摩擦片压紧后，能传递发动机输出的最大扭矩。储备系数β取大一点，可以减少滑磨功，提高换挡响应，提高离合器的寿命，但一般离合器的结构尺寸也随之增大，这对结构紧凑的变速器设计提出了更高的要求。储备系数β小于1，离合器就可能经常打滑，不能正常工作。

摩擦片的比压q也对离合器的结构尺寸和寿命有影响，q值大一些，离合器尺寸可以适当减少，但是压力值增大，磨损也增大，摩擦片寿命也随之降低。

对于β和q值要综合考虑适当选取，因为推土机为液力机械传动，离合器的储备系数一般为1.05～1.25［1］，计算结果为1.01～1.31，铜基粉末冶金摩擦片必压值一般为2.0～3.5kPa，通过实际使用，离合器从未发生打滑，摩擦片材料没有因比压而损坏。

3.1 230推土机变速器传动速比计算

230推土机变速器机构简图和各挡位速比分别见图6和表1。

图6 推土机变速器机构简图

注：CR、CV、C1-C3代表变速器后退、前进、1、2和3挡离合器，αR、αF、α3、α2为变速器各行星排特性参数，i0为最末级定轴传动的速比。

表1 变速器各挡位速比

3.2 推土机失速转矩MT计算

根据该推土机发动机外特性和液力变矩器特性绘制发动机和变矩器共同工作特性曲线，得到发动机和变矩器共同输出最大扭矩。

图7 制动工况共同工作输入特性

由图7变矩器和柴油机共同工作时制动工况下输入特性，得到零速工况下泵轮的转速和转矩分别为1680.3rpm和994.91N·m。此时，变矩器的最大变矩系数为2.34。因此，变速器输入最大转矩为

3.3 离合器传递的转矩M计算

（1）后退挡CR离合器传递的转矩为

（2）前进挡CV离合器传递的转矩为

（3）1挡C1离合器传递的转矩为

由上式可见，在前进挡时的系数（1+αF）大于在后退挡时的系数αR，因此计算时以前进挡时传递的转矩为准；后面C2、C3离合器传递转矩的计算也是如此。

（4）2挡C2离合器传递的转矩为

（5）3挡C3离合器传递的转矩为

3.4 离合器摩擦力矩Mm计算

记摩擦片内、外圈半径分别为r、R，活塞受油压内、外圈半径分别为r1、R1。工作油压为p，分离弹簧力为F1，离合器摩擦系数为u，摩擦副数量为z。则当量摩擦半径

则

当量摩擦半径

活塞受油压面积

摩擦片工作面积

摩擦片上的压力

摩擦片上的压强

［q］为许用比摩擦材料的压，铜基粉末冶金对钢取［q］=40kgf/cm2=3.92MPa

从而，离合器的摩擦力矩为

该离合器的工作储备系数为

注：上式计算时忽略了压紧力损伤系数和摩擦面积损伤系数。

3.5 动力换挡变速器离合器扭矩容量计算

以后退挡CR离合器为例，已知：r=350/2mm、R=425/2mm、r1=370/2mm、R1=420/2mm、p=3.4MPa、F1=1400N、u=0.12、z=4、αR=91/37。可求得离合器的摩擦力矩为Mm=9709.561N·m，传递的力矩Mo=8053.9309N·m，储备系数为β=1.21。

同样地，可计算出其他离合器的储备系数，如表2所示。