煤礦鉸接式運輸車定軸式動力換擋變速箱設(shè)計及應(yīng)用

趙海興

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

無軌輔助運輸車輛(以下簡稱車輛)是大型煤礦安全生產(chǎn)必備的輔助運輸裝備之一，用來完成人員、物料和采掘設(shè)備的搬運；隨著礦井開采深度及范圍的擴大，車輛配置數(shù)量越來越多，單車運載能力逐漸增大，且使用頻率較高。由于煤礦井下巷道狹窄，坡度較大，因此運輸物料或搬運設(shè)備的車輛設(shè)計為前后車架鉸接型式，可降低整車外形尺寸和后翻自卸高度；車輛設(shè)計為四輪驅(qū)動方式，可增強爬坡能力和提高爬坡運行速度。

鉸接式運輸車輛由防爆柴油機、液力變矩器、變速箱和帶濕式制動器的雙驅(qū)動橋共同驅(qū)駛前行，啟動性能好、能隨負荷的大小自動改變行駛速度。為了使整車在狹窄巷道中能前進和倒退行駛，而且切換方便，采用定軸式動力換擋變速箱，箱體內(nèi)所有齒輪都有固定的旋轉(zhuǎn)軸線，容易實現(xiàn)雙路動力輸出且易改變輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向。

定軸式動力換擋變速箱的技術(shù)性能參數(shù)對鉸接式運輸車輛總體結(jié)構(gòu)、外形尺寸和整車牽引特性影響較大，以下筆者將針對某型定軸式動力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計思路進行研究和驗證，為鉸接式運輸車輛的設(shè)計開發(fā)提供保障。

1 鉸接式運輸車主要技術(shù)參數(shù)

鉸接式運輸車以防爆柴油機為動力，可雙向行駛，液力機械傳動、四輪驅(qū)動，四點鋼板彈簧懸掛[1-3]，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某型鉸接式運輸車主要技術(shù)參數(shù)

車輛寬度為1980mm，高度為1990mm；駕駛室設(shè)計在車輛左前方，駕駛室內(nèi)寬為580mm；由此整車液力機械傳動須設(shè)計為分體式變矩器和定軸式動力換擋變速箱。傳動系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某型鉸接式運輸車傳動系統(tǒng)簡圖

2 液力機械傳動原理

如圖1所示，變矩器通過上傳動軸將動力傳遞給定軸式動力換擋變速箱，變速后通過傳動軸傳遞給前、后驅(qū)動橋。液力機械傳動原理如圖2所示，防爆柴油機驅(qū)動液力變矩器泵輪，將機械能轉(zhuǎn)化為工作油液的液壓能，使高速液流推動渦輪旋轉(zhuǎn)，輸出動力。變矩器變矩單元與動力分動箱結(jié)合在一起，動力分動箱驅(qū)動傳動油循環(huán)泵和整車液壓油泵工作，循環(huán)油液通過冷卻器降溫后使溫度保持在90～110℃。

圖2 液力機械傳動原理簡圖

3 定軸式動力換擋變速箱設(shè)計

3.1 檔位數(shù)及換擋操縱設(shè)計

由表1可知，為了滿足整車最大質(zhì)量時爬坡能力和最大運行速度要求，依據(jù)煤礦物料運輸車輛的設(shè)計經(jīng)驗，變速箱單方向檔位數(shù)不要超過3個。借鑒DANA公司定軸式動力換擋變速箱的技術(shù)和設(shè)計經(jīng)驗，在同一軸線上布置斷開的2根獨立轉(zhuǎn)動的軸，通過離合器連接或分離，擴大了檔位、速比和傳動路徑的選擇[4]，變速箱軸線少可使高度尺寸和寬度尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。當所有離合器分離的情況下，變速箱內(nèi)能獨立旋轉(zhuǎn)的組件數(shù)為3；變速箱可以看作由前進倒退單元與三速單元兩部分串聯(lián)組成，能實現(xiàn)的檔位數(shù)是2個單元檔位數(shù)的乘積2×3=6，即前進和倒退各三個檔位。

由于煤礦井下巷道狹窄、工況復(fù)雜，車輛換向和換擋頻繁，變速箱一旦出現(xiàn)故障，將影響巷道內(nèi)其它車輛的正常運轉(zhuǎn)，因此在設(shè)計變速箱時需要對整車的運行路面及工況精準確定，具體見表2。

表2 運行路面及工況

變速操縱閥內(nèi)置方向閥桿和檔位閥桿，方向閥桿位置從上到下分別對應(yīng)倒退檔、空檔和前進檔；檔位閥桿位置從上向下依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔位，如圖3所示；兩閥桿通過閥芯中的定位鋼球和彈簧來限位，方向和檔位閥桿每檔的行程均為9.5mm，兩閥桿由雙聯(lián)軟軸用手直接操縱[5]。變速操縱閥設(shè)計為調(diào)壓型[6]，其功能是限制最高操縱油壓，并使油壓平穩(wěn)上升，減少換擋沖擊。調(diào)壓閥的閥芯在封閉的閥體內(nèi)動作，彈簧頂著閥芯，使溢流口處于關(guān)閉狀態(tài)，當油泵輸出的油從進油口進入閥體，油壓達到一定值時，通過閥芯壓縮彈簧，打開閥體上的溢流口，壓力油泄壓，從而保證系統(tǒng)壓力恒定。

圖3 變速操縱閥

3.2 各檔位傳動比確定

3.2.1 中間檔位傳動比確定

由表2可知，依據(jù)整車滿載爬14°坡時所需的牽引力來求得最大傳動比；依據(jù)最高車速求出最小傳動比。在柴油機和液力變矩器共同工作的輸出特性上，根據(jù)整車在中間檔位工作時液力變矩器在高效區(qū)內(nèi)工作來確定渦輪轉(zhuǎn)速的變化范圍[1500，2300]，最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速的比值即為傳動比的公比1.53，進而求出各檔位傳動比[7]。考慮到各檔利用率差別較大，整車Ⅱ檔和Ⅲ檔總利用率為85%，因此Ⅱ檔和Ⅲ檔之間傳動比間隔應(yīng)比Ⅰ檔和Ⅱ檔相鄰兩檔間的傳動比間隔更小些，適合長距離、變坡度運行；而且定軸式動力換擋變速箱各檔位傳動比的間隔越小，換擋越容易，離合器的總摩擦熱損失越小。由此，各檔位傳動比并不是正好按等比級數(shù)來分配。

以上計算確定的傳動比只是作為初步設(shè)計基礎(chǔ)，最終還要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時所選定的齒輪齒數(shù)加以修正。

3.2.2 齒輪齒數(shù)及各檔位傳動比計算

各檔位傳動比的分配要考慮參與傳動的每一個齒輪圓周速度不能過高[8]，齒輪圓周速度的增加會使軸承壽命縮短，產(chǎn)生的噪聲增大；同時為了降低空轉(zhuǎn)離合器主動和從動摩擦片間相對轉(zhuǎn)速，減小功率損失；因此齒輪齒數(shù)的確定要使各齒輪的最大圓周速度盡可能相近。各齒輪齒數(shù)如圖4所示。

圖4 動力換擋變速箱齒輪嚙合示意圖

前進和倒退各檔位傳動比的計算如下：

前進檔傳動比分別為：

倒退檔傳動比分別為：

3.2.3 齒輪模數(shù)的確定

前進、倒退檔位齒輪模數(shù)的確定[8]，主要按以下經(jīng)驗公式：

式中，k=1。

輸出齒輪：

式中，k=0.7；Mmax為變矩器渦輪輸出最大扭矩，N·m，取710；i1為變速箱Ⅰ檔傳動比，取4.22；η為變速箱的傳動效率，η=0.9。

將表1的數(shù)據(jù)帶入以上兩式，實際選取齒輪模數(shù)時可略微減少，同時從制造的工藝性考慮變速箱內(nèi)各檔齒輪模數(shù)應(yīng)盡可能一致，初步選定齒輪模數(shù)，然后按國家標準確定的變速箱傳動齒輪模數(shù)為：齒輪1、2、3的模數(shù)為3.25mm；齒輪4、5的模數(shù)為2.5mm；齒輪6、7的模數(shù)為3.25mm；齒輪8、9、10的模數(shù)為4.25mm。

3.3 輸入與輸出中心距計算

從車輛傳動系統(tǒng)可知，要求傳動軸工作角度均在許用范圍之內(nèi)；在整車前懸和軸距一定的情況下，變速箱輸入和輸出中心距直接影響傳動軸的工作角度。為了保證變速箱結(jié)構(gòu)的緊湊性，該變速箱采用斜齒輪傳動方式，壓力角為20°，各齒輪的齒數(shù)如圖4，兩嚙合齒輪軸中心距：

A=0.5mn(za+zb)/cosβ

式中，mn為斜齒輪法面模數(shù)；Za為主動齒輪齒數(shù)；Zb為被動齒輪齒數(shù)；β為斜齒輪分度圓上的螺旋角。

將齒輪的模數(shù)和齒數(shù)代入以上公式計算，確定變速箱輸入軸和輸出中心距為311mm。

3.4 換擋和換向離合器設(shè)計

3.4.1 倒退檔和Ⅱ檔離合器組件

該變速箱共有五個離合器組件，分別為前進檔、Ⅰ檔、Ⅲ檔、倒退檔和Ⅱ檔離合器組件，在變速箱工作過程中，只允許一個方向和一個檔位共兩離合器同時結(jié)合。離合器外轂采用電子束焊工藝，既降低了機械加工難度，又可減小離合器組件的軸向尺寸。倒退檔和Ⅱ檔離合器組件如圖5所示，其結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計特點如下。

1—Ⅱ擋充油油道；2—倒退擋齒輪；3—擋板；4—卡環(huán)；5—碟簧；6—碟簧隔套；7—活塞Ⅰ；8—倒退檔和Ⅱ檔離合器轂組件；9—復(fù)位彈簧；10—鋼片；11—摩擦片；12—彈簧座；13—卸油孔；14—鋼球；15—活塞Ⅱ；16—潤滑小孔；17—潤滑油道；18—倒退檔充油油道圖5 倒退檔和Ⅱ檔離合器組件

該離合器組件左側(cè)為倒退檔離合器組件，右側(cè)為Ⅱ檔離合器組件。離合器轂組件8帶有內(nèi)花鍵和活塞腔，活塞Ⅰ和活塞Ⅱ被置于腔中，活塞與腔之間設(shè)計有密封圈。在離合器轂的內(nèi)部，緊靠活塞的是一個帶外齒的鋼片，將鋼片與摩擦片交替放置，最外邊放置的是壓盤3，由內(nèi)彈性卡環(huán)4軸向限位。倒退檔齒輪外花鍵與摩擦片內(nèi)花鍵嚙合，只要離合器活塞不受壓，鋼片10和摩擦片11之間不傳遞轉(zhuǎn)矩，兩者自由轉(zhuǎn)動。

若使離合器接合，變速操縱閥必須在預(yù)期位置，壓力油從操縱閥流出沿管路流向所選的離合器軸，經(jīng)過油道1和18進入活塞空腔中，使活塞、鋼片10和摩擦片11壓緊在壓盤3上，使離合器轂和離合器軸鎖緊在一起傳動[9]。離合器分離時，充油道關(guān)閉，卸油道打開，高速旋轉(zhuǎn)的鋼球14產(chǎn)生的離心力力矩大于油液壓力產(chǎn)生的力矩，卸油孔自動打開，部分油液直接從卸油孔快速排出。當充油道再次開啟，油壓上升，鋼球回位關(guān)閉卸油孔，離合器再次結(jié)合。

換擋離合器工作過程中，高速旋轉(zhuǎn)的軸承和摩擦片應(yīng)有充足的潤滑和冷卻[10，11]，為此在液壓系統(tǒng)中設(shè)有潤滑小孔16和潤滑油道17。為了使冷卻油液快速通過摩擦片，沿離合器外毅的周圍均勻設(shè)計有幾個卸油小孔[12]，可提高冷卻效果。

計算可知，倒退檔和Ⅱ檔離合器組件中的鋼片和摩擦片總分離間隙分別為2.9mm和2.2mm；摩擦片為紙基材料；兩離合器組件的工作油壓均為1.5MPa；充油油道的直徑為6mm；兩檔位的卸油量為0.5L/min。

3.4.2 其余檔位離合器組件

前進檔、倒退檔、Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器的工作原理和結(jié)構(gòu)型式與倒退檔和Ⅱ檔離合器相似；各檔位離合器摩擦片尺寸及材料均相同，但由于Ⅰ檔、前進檔和倒退檔離合器傳遞轉(zhuǎn)矩較大，因此三個離合器的摩擦副數(shù)量為15對；而Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器傳遞轉(zhuǎn)矩較小，摩擦副數(shù)量為11對。前進檔和倒退檔離合器組件采用相同的碟形彈簧回位結(jié)構(gòu)；Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器采用相同的圓柱螺旋彈簧回位結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.5 各檔位離合器組合方式

要得到1個檔位需要結(jié)合2個離合器，各檔位離合器的組合方式見表3；傳動路線為3.2.2中每個檔位傳動比計算代入齒輪的路線，由傳動路線可知前進檔每個檔位參加傳動齒輪的對數(shù)為2對，嚙合效率高；倒退Ⅱ檔參加傳動齒輪的對數(shù)為3對，倒退Ⅰ檔和Ⅲ檔參加傳動齒輪的對數(shù)為5對，嚙合效率低。由表2可知整車前進檔使用時間占比要多于倒退檔，前進檔傳動效率更高，因此變速箱各檔位離合器的設(shè)計布置合理。

表3 各檔位離合器組合方式

3.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了減輕換向操縱強度和提高前進、倒退擋離合器的平均壽命，將換向離合器布置在轉(zhuǎn)速較高的輸入軸上，如圖6所示。變速箱的輸入軸與惰輪軸、倒退檔和Ⅱ檔離合器軸成為空間三角形布置，這三根軸上齒輪處于常嚙合狀態(tài)[13]，通過接合前進檔離合器和倒退檔離合器可使車輛前進和倒退行駛。

圖6 動力換擋變速箱傳動原理簡圖

借鑒進口變速箱的技術(shù)[14]和設(shè)計經(jīng)驗，該變速箱潤滑油道設(shè)計在殼體內(nèi)部，不同于國內(nèi)工程機械用動力換擋變速箱外置式潤滑油道[15]，其外形如圖7所示。變速箱箱體為薄壁型殼體，由一個輸入軸殼體、一個中間箱形殼體和后端蓋組成；輸入軸殼體上設(shè)計縱橫向加強筋板，用來提高局部剛度，安裝有變速操縱閥；中間箱形殼體的前端為半封閉結(jié)構(gòu)，殼體外部左右兩側(cè)面嵌入式鑄造有8個螺栓孔用于將變速箱固定安裝在車架上，承受變速箱的自重和由于牽引所引起的力；殼體內(nèi)部有一個隔板，用來提高箱體的整體剛度，并支承各齒輪軸正常旋轉(zhuǎn)；輸出軸由箱體、中間隔板和后端蓋支承。變速箱箱體既是外殼，又可當作液壓油箱，各個離合器的動力油全部來自箱體內(nèi)，用于潤滑軸承、齒輪和冷卻摩擦片后返回[8]。該箱體從設(shè)計上避免了操縱閥面、四軸主面和中間箱形殼體端面的變形，而且具有拆解快速和維修方便的特點。

圖7 動力換擋變速箱外形圖

該動力換擋變速箱齒輪小側(cè)隙嚙合，所以要重視制造工藝、齒輪強度設(shè)計、熱處理及電子束焊接技術(shù)。

4 定軸式動力換擋變速箱試驗及驗證

4.1 臺架試驗

將液力變矩器和動力換擋變速箱組成液力機械傳動系統(tǒng)在試驗控制臺上進行測試，試驗臺主要由驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、渦流測功機、傳動油循環(huán)及冷卻系統(tǒng)組成；測試Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔時動力換擋變速箱的輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率和傳動效率等參數(shù)。選取變矩器常用高效率區(qū)域?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)速為設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速，分別對變速箱在不同檔位下進行測試試驗，可為整車動力匹配計算積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為動力換擋變速箱的設(shè)計改進提供依據(jù)。變速箱Ⅰ檔測試數(shù)據(jù)見表4。

Ⅱ檔和Ⅲ檔的試驗方法同Ⅰ檔，測試時長為30min，變速箱傳動效率范圍為96.3%～98.5%，傳動油最高溫度為88.5℃。

4.2 裝車試驗

變速箱輸入和輸出中心距為311mm，前后輸出法蘭端面距離為493mm，在保證傳動軸的工作角度均小于7°的情況下，整車軸距設(shè)計為3450mm。鉸接轉(zhuǎn)向角為45°時，轉(zhuǎn)彎半徑小于6500mm，全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能輕便，且中央鉸接處傳動軸工作無別卡，可靠耐用；整車前懸及前車體高度尺寸小，駕駛視線好，更適應(yīng)煤礦井下巷道條件。

該變速箱裝車使用后出現(xiàn)問題如下：離合器摩擦片和鋼片的平面度不夠，導(dǎo)致離合間隙過小，摩擦片磨損嚴重、燒結(jié)；離合器轂組件電子束焊發(fā)生開裂，導(dǎo)致壓力油泄漏，不能正常換擋和換向；變速箱活塞密封環(huán)處夾雜異物導(dǎo)致壓力油泄壓，離合器摩擦片和鋼片不能壓緊；焊渣和鐵屑堵塞了卸油閥，使摩擦片和鋼片分離不徹底，燒毀離合器。

表4 變速箱Ⅰ檔測試數(shù)據(jù)

在改進了變速箱各零部件的制造及裝配工藝、加強了出廠檢驗及測試、將摩擦片的材質(zhì)由紙基更改為銅基后，系列化研發(fā)的變速箱累計300余件使用在5t和8t鉸接式運輸車上，兩種車型被批量應(yīng)用在陜西郭家河煤礦、霍州煤電木瓜煤礦和呂梁聯(lián)盛集團寨崖底煤礦等；單臺最長使用時間為12個月，平均維修周期為8個月；全壽命周期成本與進口變速箱相當。

5 結(jié) 論

1)變速箱輸入和輸出軸中心距較小，有利于整車液力機械傳動及四輪驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計；可降低整車的高度尺寸，更適應(yīng)煤礦井下巷道條件。

2)變速箱前進檔位傳動路線設(shè)計合理，傳動效率更高，保證整車在長距離爬坡前行時速度快；換向和換擋離合器的結(jié)構(gòu)型式及摩擦副設(shè)計合理，能保證各種工況下動力傳遞平穩(wěn)、無打滑現(xiàn)象。

3)系列化設(shè)計的變速箱應(yīng)用于載荷為5t和8t的鉸接式運輸車輛，煤礦適應(yīng)性好，傳動效率高，燃油消耗低；解決了無軌運輸車輛關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)長期依賴進口的卡脖子問題，縮短了整車的研發(fā)周期。