1、工程機(jī)械變速器綜述 摘要：論述了我國工程機(jī)械用齒輪傳動裝置的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了該行業(yè)的研究現(xiàn)狀和研究內(nèi)容，并指出了發(fā)展存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，預(yù)測了我國變速箱行業(yè)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：工程機(jī)械，重載汽車，變數(shù)箱，齒輪箱 Key words: Construction Machinery,Heavy vehicles,Transmission,Gearbox前言：變速器變是工程機(jī)械車的關(guān)鍵部件，通過變速器來改變傳動比，改變發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)拒，適應(yīng)在起步、加速、行駛以及克服各種道路阻礙等不同行駛條件下對驅(qū)動車輪牽引力及車速不同要求的需要。工程機(jī)械作業(yè)條件，作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，多變，機(jī)動性強(qiáng)，工作過程中發(fā)動機(jī)負(fù)

2、載變化大，機(jī)械運(yùn)行速度變化頻繁，為保證工程機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)高效的節(jié)能作業(yè)，快速機(jī)動，需要不斷調(diào)節(jié)機(jī)械的檔位。在工程領(lǐng)域，變速箱技術(shù)的應(yīng)用還待快速的發(fā)展，工程機(jī)械多數(shù)是邊行邊施工，且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，操作手勞動強(qiáng)度大，更加凸顯了變速箱的重要性。目前，歐洲是變速器技術(shù)最成熟的地區(qū)之一，我國商用車的變速器主要依賴從歐洲進(jìn)口。本文作者詳細(xì)闡述了國內(nèi)外工程機(jī)械變速器的特點(diǎn)以及研究現(xiàn)狀，探討了變速箱存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，最后對國內(nèi)變速箱行業(yè)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。1國內(nèi)外工程機(jī)械變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀1.1我國重型變速器行業(yè)不斷發(fā)展壯大 從1983年，我國開始引進(jìn)奧地利斯太爾公司整車制造技術(shù)(含發(fā)動機(jī)、變速器、車橋)，

3、其中配套變速器的任務(wù)交給了陜西齒輪廠(“陜西法士特傳動集團(tuán)有限公司”的前身)和重慶綦江齒輪廠，1984年，陜西齒輪廠與美國伊頓公司簽署技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，并在西安建立新的生產(chǎn)基地，開始生產(chǎn)雙中間軸變速器。1985年，重慶綦江齒輪廠引進(jìn)德國采埃孚公司機(jī)械變速器系列制造技術(shù)，生產(chǎn)重型車變速器，為斯太爾重卡配套。1986年，大齒引進(jìn)日產(chǎn)柴TMH402變速器制造技術(shù)，生產(chǎn)5、6檔的產(chǎn)品，主要為東風(fēng)卡車配套。1986年12月，哈齒正式更名為第一汽車制造廠哈爾濱汽車齒輪廠，在吸收日野變速器技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出一系列產(chǎn)品，主要為一汽解放卡車配套。大齒和哈齒的變速器與陜齒和綦齒不同，其傳遞扭矩要小些，在800Nm左右，

4、而陜齒和綦齒的變速器傳遞扭矩在1000Nm以上。上世紀(jì)80年代中后期，法士特主要配備260馬力以上產(chǎn)品，綦齒是260馬力以下產(chǎn)品，哈齒和大齒則為準(zhǔn)重卡配套，彼此間利益沖突小，市場相對平和有序。至90年代初，大齒進(jìn)入客車市場并迅速發(fā)展，曾經(jīng)一度占領(lǐng)了國內(nèi)客車變速器總量的60%，后來因產(chǎn)能問題，大齒向卡車市場轉(zhuǎn)向，但是錯(cuò)過2001年2004年15噸級以上重卡市場的井噴，但法士特借機(jī)一躍成為行業(yè)領(lǐng)先者。綦齒雖然也錯(cuò)過重卡井噴，但因大齒的方向調(diào)整而奪取客車變速器行業(yè)的領(lǐng)先地位。進(jìn)入新世紀(jì)，法士特加入湘火炬后得到充足發(fā)展，與伊頓合資后技術(shù)上也得到支持，幾年資產(chǎn)就翻了數(shù)倍，目前，8t以上重型汽車市場占有率

5、超過86%、15t以上超過92%、并廣泛出口十多個(gè)國家和地區(qū)。大齒因產(chǎn)能問題得到解決，從2006年開始發(fā)力客車市場，重新成為宇通、安凱、黃海、申沃和恒通等客車廠家的配套供應(yīng)商。目前，國內(nèi)重型汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團(tuán)有限責(zé)任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾大家包攬。1.2國外變速箱行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀1.21德國ZF9S109多檔變速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)德國ZF公司生產(chǎn)的9S109同步器型倍檔9檔組合式變速器，主變速器有5個(gè)前進(jìn)檔，副變速器為行星齒輪系傳動結(jié)構(gòu)。當(dāng)副變速器中的同步器接合套與固定外齒圈接合時(shí)，行星齒輪內(nèi)齒圈被固定而不能轉(zhuǎn)動，則副變速器掛入低檔，

6、此時(shí)將主變速器分別掛入5個(gè)不同檔位可得到組合式變速器5個(gè)較大的傳動比。當(dāng)使接合套與副變速器高檔齒圈接合時(shí)，行星齒輪軸、輸出軸、行星齒輪內(nèi)齒圈和副變速器輸入軸齒輪固定在一起而同步旋轉(zhuǎn)，則副變速器掛入高檔(直接檔)，主變速器的5個(gè)檔位傳動比即分別等于組合式變速器5個(gè)較小的傳動比。由于有兩個(gè)傳動比數(shù)值很接近，故省掉一個(gè)傳動比，組成9檔變速器。變速器最大輸入扭矩1250Nm，總質(zhì)量310kg，與發(fā)動機(jī)直接連接或獨(dú)立安裝，左臥式或右臥式。變速器的操縱系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)距離操縱或直接操縱，雙XH型換檔排列，副變速器由壓縮空氣自動換檔，爬行檔和倒檔用嚙合套換檔，其他檔用同步器換檔。1.22美國伊頓公司富勒系列雙

7、副軸變速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 美國伊頓公司生產(chǎn)的BT-11509C雙中間軸倍檔9檔組合式機(jī)械變速器，主副變速器皆采用雙中間軸結(jié)構(gòu)。主變速器有5個(gè)前進(jìn)檔。副變速器為2檔(高檔和低檔)齒輪傳動，由于有2個(gè)傳動比很接近，故省掉一個(gè)，組成9檔變速器。雙中間軸倍檔組合式變速器具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于一軸和二軸上各檔齒輪同時(shí)與兩根中間軸上對應(yīng)的齒輪相嚙合，功率分流，從理論上講，每對齒輪上傳遞的扭矩為1/2，這就使每對齒輪傳遞的扭矩減少50%，使變速器的中心距、齒輪模數(shù)和寬度可以減小，從而減小變速器的質(zhì)量和尺寸，特別是長度尺寸。(2)由于二軸從動齒輪在軸上處于徑向浮動狀態(tài)，兩根中間軸的軸心線均勻分布在以二軸理論軸心為

8、圓心、以中心距為半徑的圓柱面上，所以二軸上各檔齒輪及一軸齒輪在與兩根中間軸上的對應(yīng)齒輪相嚙合產(chǎn)生的徑向力達(dá)到平衡，即互相抵消。二軸不承受徑向力，只傳遞扭矩，這樣二軸可以設(shè)計(jì)得細(xì)一些，結(jié)構(gòu)可以簡單一些，其后軸承可以選擇較小的規(guī)格，這也有助于減小變速器的質(zhì)量和尺寸。(3)由于二軸齒輪的徑向浮動和二軸的鉸接式浮動的結(jié)果，使得齒輪在嚙合時(shí)能自動抵消一部分制造和裝配誤差，嚙合質(zhì)量優(yōu)于單中間軸。嚙合區(qū)容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)際使用情況也證實(shí)了這點(diǎn)。這就有利于降低嚙合噪聲和提高耐用度。(4)由于雙中間軸倍檔組合式變速器可以明顯地減小變速器的質(zhì)量和軸向尺寸，利用這種優(yōu)點(diǎn)，可提高變速器的最大傳遞功率和扭矩，擴(kuò)大使用

9、范圍。這是短軸距大功率重型汽車和特種車輛最理想的變速器。RT-11509C型變速器最大輸入扭矩1500Nm，最大輸入功率265kW，總長度735mm，XXH或單H操縱，可左操縱亦可右操縱，總質(zhì)量270kg。2國內(nèi)外變速箱的研究現(xiàn)狀變速箱是工程機(jī)械中必不可少的部件，到目前為止，國內(nèi)外主要研究的是動力換擋變速箱，采用液壓多片式離合器換擋，按操縱方式可分為機(jī)械操縱電控及介于兩者之間的電氣液控按結(jié)構(gòu)型式可分為行星式和定軸式兩類行星式輸入軸與輸出軸同軸布置由行星齒輪排傳遞動力，傳動齒輪為直齒齒輪，模數(shù)比定軸式小，傳動效率比定軸式低。常用于推土機(jī)，裝載機(jī)等，定軸式各傳動軸平行布置，傳動齒輪為直齒或斜齒，齒

10、輪模數(shù)較大，傳動效率高，常用于裝載機(jī)，叉車，平地機(jī)和壓路機(jī)等。行星式液力變速箱采用雙渦輪液力變矩器，在輪式裝載機(jī)上的應(yīng)用較為廣泛，如我國柳工和廈工生產(chǎn)的ZL50型裝載機(jī)和日本神鋼生產(chǎn)的CM200型裝載機(jī)$這種雙渦輪4元件變矩器+2進(jìn)1退行星式變速器，因有超越離合器自動對變矩器的1渦輪和2渦輪進(jìn)行動力整合輸出，使變矩器能實(shí)現(xiàn)重載和輕載兩種工況的自動轉(zhuǎn)換.實(shí)際上這種變速器具有4進(jìn)2退的擋位，因此采用雙渦輪*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(jī)構(gòu)，只用1個(gè)變速手柄即可完成所有換擋換向操作。定軸式變速箱以單渦輪3元件變矩器Z4進(jìn)3退電液動力換擋為主，代表廠家為柳州Z

11、F和杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán).由于其性能可靠，國內(nèi)高檔的產(chǎn)品幾乎皆使用這種變速箱$該變矩器的特點(diǎn)是采用沖焊型一體機(jī)芯，結(jié)構(gòu)緊湊，相對于雙渦輪變速器其變矩比小，高效區(qū)較窄，但這種變速器每根軸上的零件都能準(zhǔn)確定位，故障率比行星式變速器低.此外國內(nèi)少數(shù)廠家和少數(shù)產(chǎn)品使用一種單渦輪3元件變矩器4進(jìn)2退，4進(jìn)2退或3進(jìn)3退定軸式變速器，這種變速器一般采用3自由度變速器，采用機(jī)械-液壓動力變速時(shí)，需要2個(gè)變速操縱桿，1個(gè)用于換向操縱，1個(gè)進(jìn)行換擋操縱，會增加司機(jī)的勞動強(qiáng)度和操縱難度，但其結(jié)構(gòu)合理，故障點(diǎn)少，若能采用電子-液壓變速方式則是最好的選擇。3 變速箱存在的關(guān)鍵科學(xué)問題及缺陷3.1我國變速箱的研制存在的關(guān)

12、鍵技術(shù)問題根據(jù)我國目前的情況，研制工程機(jī)械變速箱需要解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：(1)液力變矩器技術(shù)包括帶有扭轉(zhuǎn)減振器的閉鎖離合器和液力減速器的產(chǎn)品技術(shù)。(2)變速傳動裝置技術(shù)包括有：變速傳動的設(shè)計(jì)、加工技術(shù)；摩擦元件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；高速精密軸承；密封技術(shù)等。(3)液壓操縱系統(tǒng)技術(shù)及設(shè)計(jì)變速器精密液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及加工技術(shù)。(4)系列化、通用化的電子控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù)(智能化換擋控制軟件技術(shù)，包括故障診斷、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等)。(5)復(fù)雜箱體件和閥體的精密鑄造技術(shù)。(6)動力傳動一體化技術(shù)包括高功率密度的動力傳動組合技術(shù)；動力傳動系統(tǒng)一體化控制及總線技術(shù)。(7)AT的臺架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)技術(shù)。（8）變速箱二檔齒

13、輪是工程機(jī)械行駛中靠摩擦作用換檔的重要部件，其換檔時(shí)的接觸部位是一個(gè)錐面，該齒輪由于整體加工困難，所以必須分別制造后，再采用電子柬焊接連接，因而焊接時(shí)必須保證零件的整體精度和焊接強(qiáng)度，以達(dá)到整體加工的效果。3.2工程機(jī)械變速箱存在的缺陷 由于變速箱在我國發(fā)展比較晚，國產(chǎn)的重型變速箱主要是8,9檔手動變速箱為主，部分高檔變速箱需從國外進(jìn)口?，F(xiàn)階段我國的變速箱技術(shù)主要是引進(jìn)美國，德國，日本上世紀(jì)8090年代的產(chǎn)品，雖然已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但是還是存在這很多的缺陷：(1)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造精度要求高，成本較高。(2)傳動效率低，可通過結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的改進(jìn)來克服這一缺點(diǎn)。(3)燃油消耗比機(jī)械變速器高，

14、但如果與發(fā)動機(jī)匹配較好，并采用液力變矩器閉鎖等措施，也可使燃油消耗與機(jī)械變速器持平甚至更低。（4）沒有真正的核心技術(shù)產(chǎn)品，只是一般的簡單的開發(fā)過程，國內(nèi)自主開發(fā)的變速箱產(chǎn)品很少，開發(fā)能力也很薄弱。4我國工程機(jī)械變速箱行業(yè)和國外的差距1，規(guī)模小工程機(jī)械行業(yè)齒輪生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小而分散,，缺乏話語權(quán)，必須依托大的主機(jī)廠，規(guī)模較大的只有杭州前進(jìn)齒輪箱公司，柳州ZF，廈門廈工橋箱有限公司，徐州美馳，三明齒輪箱有限公司等少數(shù)企業(yè)。2，產(chǎn)品水平與國外差距較大國內(nèi)幾家外資企業(yè)的產(chǎn)品水平雖然高,但其所占市場份額較小.絕大部分國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品水平與國外先進(jìn)水平差距較大,可靠性差,壽命只是國外產(chǎn)品的一半左右,目前

15、是以極低的價(jià)格火拼市場.產(chǎn)品可靠性差將制約主機(jī)產(chǎn)品出口區(qū)域,無法拓展歐洲和北美市場,只能選擇非洲,東南亞,中東和俄羅斯.3，設(shè)備裝備和加工技術(shù)落后這幾年工程機(jī)械行業(yè)火爆,很多企業(yè)乘勢而上,加大技術(shù)改造力度#引進(jìn)了一些先進(jìn)設(shè)備特別是關(guān)鍵設(shè)備,但原有基礎(chǔ)薄弱,現(xiàn)有的裝備水平離國外企業(yè)有不小差距,特別是試驗(yàn)設(shè)備距較大.4，自主創(chuàng)新能力差產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段落后,試驗(yàn)手段缺乏,產(chǎn)品多年不變,這將直接導(dǎo)致產(chǎn)品附加值低,競爭力低.5國內(nèi)外研究工程變速箱的主要內(nèi)容在工程領(lǐng)域，變速箱技術(shù)的應(yīng)用還待快速的發(fā)展，工程機(jī)械多數(shù)是邊行邊施工，且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，操作手勞動強(qiáng)度大，更加凸顯了變速箱的重要性。國內(nèi)外對工程變速箱都

16、做了很多的研究，研究的主要熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)問題：1對工程機(jī)械的特點(diǎn)及適合其應(yīng)用的自動變速技術(shù)進(jìn)行了研究。2分析了電控機(jī)械式自動變速器的組成及其關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)研究了對換檔品質(zhì)影響巨大的換檔規(guī)律和離合器控制，分析了目前研究的最新成果。3研究了適合工程機(jī)械的自動變速控制策略，完成了換檔規(guī)律的選擇，并列出了計(jì)算方程；設(shè)計(jì)了離合器控制方法，找到了離合器控制速度變化點(diǎn)，并給出了離合器最大接合速度公式。4分析了電控機(jī)械自動變速系統(tǒng)操縱部分的組成和設(shè)計(jì)要求，并以采用四根換檔撥叉軸的手動變速器為基礎(chǔ)，進(jìn)行了自動變速換檔機(jī)構(gòu)和離合器控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了新的執(zhí)行液壓缸，并采用了新的傳感器控制、檢測機(jī)構(gòu)。5完

17、成了電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)所選擇的控制策略和工程機(jī)械的特點(diǎn)選擇80C196KB單片機(jī)，并進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件開發(fā)。6. 工程機(jī)械變速箱的電液控制方案研究，并將電液比例技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械傳動系統(tǒng)，采用電液比例控制系統(tǒng)對工程機(jī)械變速箱進(jìn)行電液控制，并對變速箱壓力時(shí)間離合曲線進(jìn)行最佳擬合。7. 以工程機(jī)械變速箱為研究對象，分析了變速箱齒輪布局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用平面多桿機(jī)構(gòu)或采用有限元法與變密度法來表達(dá)其拓?fù)涮卣?，并繪制了它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。以此拓?fù)錇榛A(chǔ)，建立了以變速箱端面面積最小或結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)的齒輪布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，用遺傳算法對該優(yōu)化模型進(jìn)行求解。8，工程機(jī)械變速箱離線質(zhì)量分析專家系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)動密

18、封機(jī)理及失效形式。9，工程機(jī)械變速箱齒輪變位系數(shù)的優(yōu)化選擇。6我國自動變速器的發(fā)展趨勢展望自動變速器主要有液力自動變速器(AT)、電控機(jī)械式自動變速器(AMT)、無級自動變速器(CVT)。其技術(shù)關(guān)鍵是電子技術(shù)、電液控制和傳感技術(shù)。我國目前的基礎(chǔ)工業(yè)難以滿足AT的高技術(shù)、高投資要求，加之與這些產(chǎn)品匹配的發(fā)動機(jī)排量差異大，生產(chǎn)AT難以系列化。對于CVT，必須開發(fā)其關(guān)鍵部件液力變扭器，它性能優(yōu)良，還可以與AMT組成新的液力機(jī)械傳動，是自動變速器的“靈魂”。我國目前的國情應(yīng)以AMT為主方向，它性價(jià)比高，價(jià)格是AT的 1/41/3，人世之后它仍有競爭力；生產(chǎn)繼承性好，改造資金投入少；生產(chǎn)批量靈活，小批量

19、、小得益，大批量、大得益；相對于各種車型，其硬件開發(fā)和軟件研制在結(jié)構(gòu)上、理論上是相通的，成果可推廣到各類型汽車上。重型汽車AT發(fā)展趨勢是：(1)多擋位化；(2)換擋規(guī)律的智能化；(3)提高換擋過渡過程的品質(zhì)；4)傳動效率的進(jìn)一步提高；(5)動力傳動系統(tǒng)一體化；(6)傳動的高功率密度。7結(jié)語為了節(jié)省能源，工程機(jī)械只有通過換擋才能達(dá)到最高工作效率，研究換擋技術(shù)和負(fù)載直接的關(guān)系也是工程機(jī)械中的常見問題。實(shí)驗(yàn)表明，換擋能夠改進(jìn)駕駛的工況，改變乘客的舒適性，此外，還能減小摩擦損失。隨著工程機(jī)械市場的發(fā)育成長，變速器產(chǎn)品型譜逐步細(xì)化，產(chǎn)品的針對性越來越強(qiáng)，因此在保證現(xiàn)有變速器生產(chǎn)和改進(jìn)的同時(shí)，要充分認(rèn)識到加入WTO后良好的合作開發(fā)機(jī)遇，取長補(bǔ)短，同時(shí)更應(yīng)認(rèn)識到供方、買方、替代者、產(chǎn)品競