重型发动机柔性输出连接装置设计浅析

赵会强，王乐

重型发动机柔性输出连接装置设计浅析

赵会强，王乐

（西安双特智能传动有限公司，陕西 西安 710119）

文章分析了重型发动机和变矩器的结构特点，提出了一种用于连接重型发动机和变矩器的柔性连接方案，该连接方案也适用于其他类似传动装置中。

液力自动变速器；发动机；柔性连接

引言

随着国内汽车工业的发展，重型发动机逐步向大排量，大扭矩方向发展，对于传统离合器加手动变速器式传动结构提出了更高的要求，尤其在特种车及工程机械领域，对于整车的起步稳定性、可靠性、舒适性提出了更为严苛的要求，带变矩器式液力自动变速器及液力变矩器加手动变速器式传动系统以其优异的起步稳定性，可靠性在许多特殊领域使用越来越多。本文旨在通过分析发动机和带变矩器式液力自动变速器的结构特点，提出一种柔性设计的连接方案，为此类传动系统的连接设计提供一定的帮助和参考。

1 发动机输出形式和结构分析

目前市场上主流的发动机动力输出结构为带启动齿圈式飞轮及飞轮壳结构。飞轮安装于发动机曲轴上，启动齿圈安装于飞轮上。部分发动机也会将发动机正时系统、启动机、转向泵、PTO等功能模块集成于飞轮及飞轮壳端。

(1)飞轮壳 (2)飞轮 (3)曲轴 (4)机体

图1所示为一般六缸四冲程柴油发动机动力输出结构简图。飞轮壳与机体固定安装为一体。飞轮与曲轴为旋转件安装为一体，输出发动机动力至传动机构。

发动机工作时，曲轴会受热膨胀，伸长后会发生轴向移动，若曲轴驱动的正时齿轮为斜齿，在工作中也会产生轴向推力，使得发动机在工作中曲轴产生轴向移动[1]。曲轴轴向间隙的大小与曲轴尺寸，曲轴止推系统结构设计相关。一般柴油机曲轴轴向间隙在0.15-0.34mm之间，随着使用时间的加长间隙会逐步增大，对于某些重型柴油发动机，曲轴轴向间隙最大可能到0.6-1mm左右。

发动机飞轮的功用为储存做功行程的部分能量，克服非做功行程的阻力和短暂的超负荷，是发动机输出动力的主要部件。一般飞轮上会集成安装起动齿圈，用于起动发动机。某些发动机飞轮外圆上还刻有上止点，供油始点等记号，以便检查调整供油、点火及气门正时。同时飞轮与曲轴在装配后也会进行动平衡试验，所以需避免拆卸飞轮，安装时需保证飞轮与曲轴相对位置不可再变[2]。

2 变矩器输入结构分析

变矩器输入端结构比较简单，一般在变矩器泵轮输入端沿圆周方向均布若干安装孔用于连接发动机，并传递发动机输出动力至变矩器泵轮。在中心位置设计为尺寸较小的支撑轴，用于与发动机输出端精确配合，起对心定位和支撑作用。如图2左所示。

(1)飞轮 (2)安装螺栓孔 (3)变矩器涡轮 (4)发动机曲轴 (5)变矩器支撑轴 (6)变矩器输出轴 (7)变矩器泵轮

目前轿车用轻型液力变矩器一般安装于液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）的输入端。该种变矩器与变速器通过花键连接，在与发动机连接时一般通过金属盘或飞轮直接固定安装，发动机的轴向窜动可由变矩器前后滑动吸收，如图2右所示[3]。发动机曲轴4与变矩器支撑轴5为止口配合，起支撑变矩器和对心作用；发动机飞轮1与变矩器泵轮7上的安装孔2用螺栓固定为一体。变矩器与输出轴6为花键配合，变矩器与飞轮固定为一体，轴向位置与飞轮和曲轴同步，轴向窜动由花键滑动抵消。

对于重型车及特种车，变矩器一般固定安装于液力自动变速器输入端或单独安装于发动机上，此时不仅需要考虑发动机曲轴轴向窜动对变矩器的影响，还需考虑由于装配和零部件公差引起的变矩器轴向安装尺寸差异对连接部分的影响。下图所示为某型装载机变矩器与发动机连接示意图[2]。发动机飞轮1通过内花键与花键连接盘2啮合，花键连接盘2固定于变矩器泵轮4上，动力由输出轴3输出至后传动部分。发动机曲轴轴向窜动和变矩器轴向尺寸误差由花键连接盘3吸收。

(1)飞轮 (2)花键连接盘 (3)变矩器输出轴 (4)变矩器泵轮

3 柔性连接方案结构及特点

上述两种安装方式，第一种变矩器直接安装于发动机飞轮仅用于轻型轿车，并且变矩器与变速器必须为花键结构。第二种虽然可以应用于重型发动机，但飞轮改动较大，变矩器无对心支撑，仅能抵消曲轴飞轮组件的前后窜动，在实际工作时，由于发动机转速较高，输出扭矩波动较大，花键连接处振动冲击较大，同时也会损伤变矩器。实际应用时故障率较高。

针对重型发动机输出特性，需要一种能够抵消发动机飞轮曲轴组件轴向窜动，同时又能减少发动机输出振动并且能有效支撑变矩器保证变矩器平稳工作的连接方式。根据此要求，本文提出一种柔性连接方式，具体结构如下图所示：

(1)飞轮壳 (2)飞轮 (3)柔性盘安装螺栓 (4)柔性盘大垫片 (5)变矩器 (6)变矩器连接环 (7)柔性盘 (8)柔性盘小垫片 (9)飞轮连接环

图4中，飞轮连接环9固定于飞轮上，四片柔性盘7通过柔性盘小垫片8将内圈固定于飞轮连接环9上，外圈通过柔性盘大垫片4与变矩器连接环6通过柔性盘安装螺栓4固定于变矩器5上。发动机输出动力主要通过柔性盘传递至变速器变矩器输入端。柔性盘为薄片结构，发动机曲轴及飞轮的轴向窜动由柔性盘内外圈之间的轴向变形来抵消，同时柔性盘也可以吸收一部分来自发动机的振动，防止对变矩器产生过大的振动冲击。同时变矩器轴向尺寸公差也可以由柔性盘吸收。飞轮连接环与飞轮和变矩器支撑轴均设计为止口配合，对变矩器起支撑和径向对心定位作用。此连接方式可实现重型发动机和液力自动变速器或变矩器的柔性连接，抵消曲轴飞轮组件的轴向窜动，抵消变矩器轴向尺寸公差，同时有效支撑变矩器并减小发动机输出振动保证变矩器平稳可靠工作。

该结构中，柔性盘为主传动件，柔性盘一般选用强度韧性较好的材质，设计为厚度0.5-1mm左右的薄片。根据发动机输出扭矩和功率的不同将不同数量厚度的柔性盘叠加使用，以平衡传动能力和柔性变形的要求。由于柔性盘为薄片结构，与柔性盘接触的零件表面需有较高的平面度和粗糙度要求，接触边沿需倒圆角以防止在传动过程中柔性盘被割伤。为保证变矩器可靠定位及支撑，在设计飞轮连接环时需保证飞轮连接环与发动机飞轮之间，与变矩器支撑轴之间都应具有较高精度的止口配合，实现飞轮与变矩器的稳定支撑。该结构在安装时柔性盘安装螺栓需要从外部安装，飞轮及飞轮壳需要根据螺栓的大小加工安装工艺孔，如图4中C处所示，安装时盘动曲轴依次拧紧柔性盘安装螺栓即可。

综上所述，该结构对发动机改制要求较小，连接件加工难度较低，成本低，具有结构简单，性能优异，成本低廉的特点。经实际使用检验，该连接方式传动能力高，安全可靠，故障率低。

4 结语

本文简要分析了重型发动机和液力变矩器的结构特点，根据其结构特点和匹配要求，使用组合式薄片结构零件，通过零部件的柔性变形来抵消轴向窜动和制造误差，以实现可靠传动的功能。该结构不仅可应用于特种车及工程机械等车用动力系统领域，同时也可应用于其他具有类似传动要求的领域。

[1]谭影舰.浅谈发动机曲轴轴向间隙及止推结构[J].河北农机,2004 (4):17-17.

[2]陈新轩等著.现代工程机械发动机与底盘技术.北京:人民交通出版社,2002年.

[3] 张泰岭等编著.汽车自动变速器原理与检修[M].广州广东科技出版社,1999.

Brief Analysis on the design of the flexible output connecting device of heavy duty engine

Zhao Huiqiang, Wang Le

（Xi'an FC intelligence transmission co., LTD., Shaanxi Xi'an 710119）

Analyzed the structural of heavy duty engine and torque converter, proposed a flexible connection scheme for heavy duty engine and torque converter. This connection scheme also can be applied to other similar transmission devices.

Hydraulic automatic transmission; Engine; Flexible connection

U464

A

1671-7988(2019)131-129-03

U464

A

1671-7988(2019)13-129-03

赵会强，就职于西安双特智能传动有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.043