Allison 700系列自動(dòng)變速箱整改手動(dòng)換擋功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

周永勝，顏菁菁，顧金彪，滕 湃，丁 輝

(1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452；2. 中海油天津分公司 天津300452)

0 引 言

由美國(guó)Allison公司生產(chǎn)的700系列變速箱因其功率覆蓋范圍大、可自動(dòng)進(jìn)行 7個(gè)前進(jìn)擋自動(dòng)換擋、性能可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，在20世紀(jì)90年代被大量引進(jìn)至中海油海上油田。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)油田設(shè)備在作業(yè)中并不需要高轉(zhuǎn)速但需要高扭矩，而700系列變速箱檔位自動(dòng)更換的原理是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油門變量提高轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行檔位變換(油門越大，檔位越高，轉(zhuǎn)速越快)，在海上油田發(fā)動(dòng)機(jī)油門增減的主要目的是希望提高變速箱的扭矩而不是轉(zhuǎn)速。那么 700系列所標(biāo)榜的自動(dòng)在 7個(gè)前進(jìn)擋中精準(zhǔn)換向功能不僅變得毫無(wú)意義，并且該型變速箱故障率相較其他同類型產(chǎn)品故障率增大32%，更因?yàn)檩敵雠ぞ睾娃D(zhuǎn)速奇怪的比例給設(shè)備操作人員帶來(lái)了許多困難。因此，將 700系列變速箱由自動(dòng)檔改為手動(dòng)擋不僅可提高設(shè)備使用效率，更能降低設(shè)備維修費(fèi)，解決設(shè)備使用現(xiàn)狀。

1 液控自動(dòng)換擋變速箱的特點(diǎn)

目前的 Allison 700系列變速箱，是根據(jù)其前端發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的變化使飛輪殼內(nèi)的油液產(chǎn)生壓差，再通過(guò)飛輪內(nèi)的調(diào)速器產(chǎn)生液壓速度信號(hào)，帶有壓力的速度信號(hào)進(jìn)入變速箱液壓控制系統(tǒng)，通過(guò)這些信號(hào)壓力來(lái)控制變速箱自動(dòng)換擋，改變變速箱后部行星齒輪的傳動(dòng)比，信號(hào)越高，檔位掛合得越高(該型變速箱前進(jìn)擋為 7檔)，轉(zhuǎn)速越高，扭矩越低，燃油越經(jīng)濟(jì)。該功能非常適合于驅(qū)動(dòng)車輛，并且已在各國(guó)大功率運(yùn)輸車輛上得到普遍應(yīng)用。而對(duì)于海上油田上使用的泥漿泵、修井機(jī)等大型設(shè)備來(lái)說(shuō)，它們提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的原因是希望獲得更大的輸出扭矩來(lái)提高作業(yè)效率。但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高后的結(jié)果是變速箱以一種不可控制的方法自行將轉(zhuǎn)速提得飛快，扭矩卻降低到無(wú)法作業(yè)。這造成采用該類變速箱的設(shè)備不易受現(xiàn)場(chǎng)操作人員控制，導(dǎo)致海上設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。對(duì)于泥漿泵來(lái)說(shuō)，不容易控制其流量和壓力，對(duì)于鉆機(jī)來(lái)說(shuō)其起升和下放鉆桿的速度也不容易控制。

長(zhǎng)期在不適應(yīng)工況的情況下強(qiáng)行作業(yè)，造成變速箱維修頻率非常高，Allison公司生產(chǎn)的其他系列變速箱，與該型號(hào)變速箱的維修比例相比增高了約32%。并且，對(duì) 700系列變速箱內(nèi)部零部件拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕大部分損壞的都是一二檔和三四檔，而且這兩個(gè)檔位的故障類型也基本上全部都是過(guò)度磨損故障，故障發(fā)生后帶傷工作，致使箱體內(nèi)的殘?jiān)M(jìn)入控制液路中堵塞控制閥，造成設(shè)備癱瘓。綜上，可知 700系列變速箱在海上設(shè)備使用過(guò)程中主要使用的是前三個(gè)檔位，其余檔位使用率極低。

舉例：泥漿泵需要高泵壓、高排量時(shí)，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由于檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)油門和變速箱輸出轉(zhuǎn)速的變化，變速箱自動(dòng)將擋位提升，從而使其傳動(dòng)比減小，此時(shí)，泥漿泵的轉(zhuǎn)速提高，扭矩不足；當(dāng)泥漿泵的壓力升高時(shí)，所需的扭矩增大，變速箱的輸出轉(zhuǎn)速降低時(shí)，變速箱會(huì)突然降檔，傳動(dòng)比突然增大，雖然產(chǎn)生大扭矩，但泵的轉(zhuǎn)速會(huì)大幅度降低，造成排量不足。反復(fù)上述操作，極易造成設(shè)備的損壞，也容易出現(xiàn)操作事故。

2 Allison700系列液力變速箱的控制原理及構(gòu)造簡(jiǎn)介

2.1 主壓力油路(見圖1)

從油泵輸出的油經(jīng)外部濾清器過(guò)濾后進(jìn)入主調(diào)壓閥，通過(guò)閥內(nèi)的油道進(jìn)入閥的上端。上端的油壓克服彈簧力使閥芯下移，直到油進(jìn)入變矩器進(jìn)油道。當(dāng)流量超過(guò)需要時(shí)，多余的油經(jīng)變矩器旁通閥泄入旁通油路。

圖1 主油壓調(diào)節(jié)回路Fig.1 Main oil pressure regulating loop

主壓力由閥芯下面的彈簧和閥芯上面的液壓力的平衡來(lái)控制，同時(shí)還受前進(jìn)擋調(diào)節(jié)壓力的作用。調(diào)壓閥中存在前進(jìn)擋調(diào)節(jié)壓力時(shí)，主壓力被調(diào)節(jié)到較低值。

2.2 選速閥和前進(jìn)擋調(diào)節(jié)油路

手動(dòng)選速閥用于選擇所需要的檔位。選速閥的每一個(gè)位置使相應(yīng)的一組閥建立一個(gè)油路，實(shí)現(xiàn)所要求的檔位工作。

當(dāng)選速閥在除倒檔以外的任何檔位時(shí)，前進(jìn)檔調(diào)節(jié)壓力從選速閥導(dǎo)入主調(diào)壓閥。在空檔和所有前進(jìn)擋，這個(gè)調(diào)節(jié)壓力幫助主液壓力向下壓主調(diào)壓閥閥芯。在倒檔時(shí)，沒(méi)有前進(jìn)檔調(diào)節(jié)壓力作用于主調(diào)壓閥，因此主壓力值升高。

2.3 后調(diào)速器油路(見圖2)

圖2 后調(diào)速器回路Fig.2 Back governor loop

主壓力作用到調(diào)速器。調(diào)速器的離心重塊由變速箱輸出軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，控制調(diào)速器閥的位置，其位置決定調(diào)速器油路的壓力。當(dāng)變速箱輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)速器壓力大約為 14,kPa。當(dāng)變速箱輸出軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)速器壓力隨轉(zhuǎn)速器而變化。

2.4 調(diào)制器壓力油路(見圖3)

圖3 調(diào)制器壓力油路Fig.3 Modulator oil pressure

①調(diào)制器系統(tǒng)使變速箱的檔位和換擋點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力及車輛的負(fù)荷相協(xié)調(diào)。正確調(diào)整此系統(tǒng)的外部控制桿很重要。②在油門關(guān)閉時(shí)，調(diào)制器油路上的彈簧和液壓力相平衡，產(chǎn)生最大調(diào)制壓力。③在油門全開時(shí)，外控制桿銷推動(dòng)調(diào)制器閥，克服彈簧張力，主壓力不能進(jìn)入調(diào)制器油路，調(diào)制器壓力為零。④在2-3、3-4和4-5換擋閥，調(diào)制器壓力幫助調(diào)速器壓力克制彈簧壓力，提前換擋，當(dāng)關(guān)閉油門自動(dòng)減檔時(shí)，檔位維持較長(zhǎng)時(shí)間。⑤當(dāng)調(diào)制器壓力降低，而調(diào)速器壓力不足以克服換擋信號(hào)閥彈簧力時(shí)，變速器將自動(dòng)減檔。⑥當(dāng)調(diào)制器壓力作用到緩沖調(diào)節(jié)閥時(shí)，通向緩沖閥的“增強(qiáng)”緩沖調(diào)節(jié)壓力被隔斷。

3 Allison700系列液力變速箱自動(dòng)改手動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要改造后調(diào)試器與變速器內(nèi)部油路，以將自動(dòng)控制改成手動(dòng)控制。

3.1 調(diào)速器油路修改設(shè)計(jì)

700系列變速箱的換擋器的操縱會(huì)產(chǎn)生一種保持壓力，通過(guò)改變其液壓控制系統(tǒng)的油路流向，可以將其導(dǎo)入的變速箱輸出速度信號(hào)油路，同時(shí)將原有的速度信號(hào)油路阻塞，從而使換擋器操作產(chǎn)出的保持壓力代替變速箱調(diào)速器產(chǎn)生的速度信號(hào)壓力控制變速箱的換擋。換擋手柄不同的位置對(duì)應(yīng)著選擋閥閥芯的不同位置，這將引導(dǎo)保持壓力作用于不同的信號(hào)閥，使信號(hào)閥動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作換擋。調(diào)速器油路改造如圖4所示。

圖4 調(diào)速器油路改造Fig.4 Governor oil loop modification

3.2 “2-3”檔信號(hào)調(diào)制閥改造設(shè)計(jì)

換擋信號(hào)閥的作用是當(dāng)調(diào)速器油壓推動(dòng)信號(hào)閥克服彈簧力動(dòng)作后，使主油壓進(jìn)入繼動(dòng)閥，通過(guò)繼動(dòng)閥動(dòng)作接通離合器油路，使離合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)換擋。

現(xiàn)將換擋閥去掉 2-3檔，信號(hào)閥回位，彈簧添加墊塊至閥芯與定位銷中。在上下閥芯中添加彈簧并且重新加工閥芯。改變調(diào)制器與保持壓力油路，使自動(dòng)控制的油路失去作用?！?-3”檔信號(hào)調(diào)制閥改造如圖5所示。

圖5 “2-3”檔信號(hào)調(diào)制閥改造Fig.5 The“2-3”signal modulation valve reconstruction

3.3 保持閥改造設(shè)計(jì)

由于在各個(gè)行駛檔位，選擋閥向信號(hào)閥引入保持壓力，其作用為：阻止調(diào)速器壓力推動(dòng)信號(hào)閥，從而限制可達(dá)到的最高檔。這個(gè)引入的保持壓力是在保持調(diào)壓閥從主壓力分流出來(lái)的并且經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)和減小的壓力。在每一個(gè)信號(hào)閥，保持油壓推動(dòng)信號(hào)閥克服調(diào)速油壓，將信號(hào)滑閥保持不動(dòng)。

現(xiàn)將保持閥上端添加定位銷，保持信號(hào)閥不動(dòng)。保持閥將不再調(diào)節(jié)壓力，信號(hào)閥所引入的壓力不再經(jīng)過(guò)減小和調(diào)節(jié)，保持油壓與主油壓相同，從而完全將擋位固定。保持閥改造如圖6所示。

圖6 保持閥改造Fig.6 The holding valve reconstruction

3.4 整體油路板改造設(shè)計(jì)

油路板有兩處小孔，其目的是協(xié)助保持調(diào)壓閥對(duì)主油壓的壓力調(diào)節(jié)，現(xiàn)取消保持調(diào)壓閥的作用，故此應(yīng)將兩小孔改為正常油路從而避免油速過(guò)緩和憋壓現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，可以得出如下結(jié)論：①Allison 700系列自動(dòng)擋液力變速箱，對(duì)于驅(qū)動(dòng)車輛載荷，具有良好適應(yīng)性，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)海上鉆修機(jī)泵類載荷不能使用，在使用該變矩器驅(qū)動(dòng)海上泵類載荷時(shí)，需要進(jìn)行自動(dòng)擋變手動(dòng)擋改造。②通過(guò)修改控制系統(tǒng)調(diào)速器的油路、2-3擋信號(hào)控制閥、改造保持閥、調(diào)整油路板等相對(duì)簡(jiǎn)單的改造，可以將 Allison 700系列自動(dòng)擋液力變速箱改變?yōu)槭謩?dòng)擋控制模式。③經(jīng)過(guò) 1臺(tái)改造驗(yàn)證和 10 h的現(xiàn)場(chǎng)使用，表明上述改造方案是成熟和經(jīng)濟(jì)有效的改造方案。

［1］ 滕湃，丁輝，張超. 4500系列艾里遜液力變速箱替代應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 天津科技，2017(6)：90-92.

［2］ ALLISON Transmission. HT750，HT755 and C(L)700 Series Product Exit and HD Variant Availability [Z]. 2003.

［3］ 美國(guó)通用汽車公司. Allison Transmissions CT，CBT 750，754系列維修手冊(cè)[Z].

［4］ 美國(guó)通用汽車公司. 艾里遜 700系列自動(dòng)變速箱維修手冊(cè)[Z].