某特種車非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)概述

趙重年　李立順　賈楠　關(guān)新明

摘要：非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器能夠克服鋼帶式機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的固有短板，并滿足大負(fù)荷的傳動(dòng)需求。利用這一特性，介紹了該變速器的總體方案布置，給出了變速器各部套結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品總成，通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了其能夠滿足某特種車的現(xiàn)有使用要求，為該型變速器未來的發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞：特種車；非圓齒輪；無(wú)級(jí)變速

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2023-05-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.011

1 前言

鋼帶式機(jī)械無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力平順，故應(yīng)用廣泛，但摩擦傳動(dòng)有難以克服的缺陷，很難滿足大負(fù)荷的傳動(dòng)需求，因此，尋求一種具有大功率、大扭矩、高效率、寬傳動(dòng)比的非摩擦傳動(dòng)的無(wú)級(jí)變速器將是行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。利用非圓齒輪傳動(dòng)比可變的優(yōu)勢(shì)[1]，搭配行星差速裝置，可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速，通過串聯(lián)特定裝置將傳動(dòng)比范圍進(jìn)一步擴(kuò)大后，完全可以滿足某特種車的使用要求，基于此，非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器[2]應(yīng)運(yùn)而生。

2 非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器總體方案布置

非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器主要由非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)[3]、雙內(nèi)嚙合行星排、副變速器、換向裝置、液壓及電控系統(tǒng)、殼體等部件組成[4]。下面分別介紹：

a.非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)主要由非圓齒輪對(duì)、匯流圓柱齒輪對(duì)、中央傳動(dòng)系統(tǒng)、分支傳動(dòng)系統(tǒng)等組成[5]，通過多個(gè)分支傳動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)接力實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的定比傳動(dòng)和動(dòng)力連續(xù)，是變速器傳動(dòng)原理的關(guān)鍵。

b.雙內(nèi)嚙合行星排主要由太陽(yáng)輪、齒環(huán)、行星架、齒圈和配套換擋機(jī)構(gòu)等組成，用來提供兩種傳動(dòng)比，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的接續(xù)性。

c.副變速器用于擴(kuò)大非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比范圍。

d.換向裝置本質(zhì)上是錐齒輪差速器，用來控制輸出動(dòng)力的方向。

e.液壓系統(tǒng)主要是為相位調(diào)節(jié)器、切換離合器、雙內(nèi)嚙合行星排和副變速器提供液壓源，在電控系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)變速器的無(wú)級(jí)變速，還輔以冷卻、潤(rùn)滑作用。

f.電控系統(tǒng)為變速器提供控制信號(hào)，還可監(jiān)測(cè)變速器油溫、油量、壓力等狀態(tài)信號(hào)。

g.殼體包括離合器殼、變速器殼、輸出端和油底殼等。

總體方案布置及結(jié)構(gòu)如圖1所示，三維模型如圖2所示。

3 非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器各部套結(jié)構(gòu)及總成

3.1 非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)

a.非圓齒輪對(duì)。

非圓齒輪對(duì)共有三組，每組由一個(gè)主動(dòng)齒輪、三個(gè)從動(dòng)齒輪構(gòu)成，均按“一中央，三分支”的形式布置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。三組非圓齒輪對(duì)間存在相位差，確保輸出的定傳動(dòng)比可以連續(xù)無(wú)級(jí)變化。為減小非圓齒輪傳動(dòng)帶來的慣性載荷，采用開槽及減薄齒厚等方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]，成品如圖4所示。

b.匯流圓柱齒輪對(duì)。

匯流圓柱齒輪對(duì)同樣為“一中央、三分支”機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)各分支傳遞動(dòng)力整合匯流輸出，確保穩(wěn)定、不間斷地輸出定傳動(dòng)比。匯流圓柱齒輪對(duì)成品如圖5所示。

c.中央傳動(dòng)系統(tǒng)。

中央傳動(dòng)系統(tǒng)由非圓主動(dòng)齒輪、相位調(diào)節(jié)器[7-9]、中央芯軸、匯流圓柱從動(dòng)齒輪等主要零部件。

相位調(diào)節(jié)器由螺旋副結(jié)構(gòu)、中央差速器、推拉盤以及液壓機(jī)構(gòu)組成，推拉盤與液壓機(jī)構(gòu)同樣采用三分支形式，此三分支與非圓齒輪對(duì)的三分支間隔60°布置，用來驅(qū)動(dòng)螺旋副結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)套作軸向移動(dòng)，螺旋副的作用使得內(nèi)、外轂產(chǎn)生相位差，進(jìn)而改變與之相連的非圓主動(dòng)齒輪間的相位，相位調(diào)節(jié)器成品如圖6所示。

中央芯軸成品如圖7所示，為保證裝配時(shí)相位正確，中央芯軸的各花鍵在設(shè)計(jì)時(shí)就有嚴(yán)格的對(duì)正關(guān)系。

d.分支傳動(dòng)系統(tǒng)。

分支傳動(dòng)系統(tǒng)由非圓從動(dòng)齒輪、切換離合器、單向離合器、分支錐齒輪差速器、分支芯軸、分支空心軸、匯流圓柱主動(dòng)齒輪等主要零部件構(gòu)成。

切換離合器外轂與非圓從動(dòng)齒輪相連，內(nèi)轂與分支空心軸相連，用來切換第二、三非圓齒輪對(duì)的動(dòng)力，保證傳動(dòng)比的接續(xù)性，成品如圖8所示。

單向離合器經(jīng)計(jì)算、選型，采用現(xiàn)有新型大轉(zhuǎn)矩單向離合器，用來切換各分支動(dòng)力，保證變速器傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比恒定，成品如圖9所示。

分支芯軸和分支空心軸用來將非圓從動(dòng)齒輪的動(dòng)力直接或間接傳遞至分支錐齒輪差速器，成品如圖10、圖11所示。

3.2 雙內(nèi)嚙合行星排

作為一種新的傳動(dòng)方式，采用具有高重合度齒形的雙內(nèi)嚙合行星排[10-11]，可以獲得更強(qiáng)的承載能力，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)特性，可通過換擋機(jī)構(gòu)將行星架與太陽(yáng)輪或殼體鎖止，得到不同傳動(dòng)比，用來保證傳動(dòng)比的接續(xù)性，雙內(nèi)嚙合行星排成品如圖12所示。

3.3 副變速器

完全適配非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)的按等比級(jí)數(shù)分配的副變速器只需多個(gè)雙內(nèi)嚙合行星排串聯(lián)即可，為控制成本，利用現(xiàn)有的大功率AT也可近似實(shí)現(xiàn)其功能。所選副變速器最大輸入功率為960 kW，最大輸入轉(zhuǎn)矩為5 880 N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，各擋傳動(dòng)比分別為0.67、1、1.38、2.05、2.84、4.24、-5.75，結(jié)構(gòu)如圖13所示。

3.4 換向裝置

為控制成本，換向裝置采用現(xiàn)有車橋的差速器，如圖14所示，通過控制差速鎖實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比±1之間的切換。

3.5 液壓及電控系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)控制包括相位調(diào)節(jié)器、切換離合器、雙內(nèi)嚙合行星排和副變速器等四個(gè)部分，液壓原理圖如圖15所示。電控系統(tǒng)主要由控制器芯片（DSC）、電源模塊、點(diǎn)火開關(guān)模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、轉(zhuǎn)速傳感器輸入模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字量輸出模塊、各功能模塊如圖16所示。

3.6 殼體及其他部件

部分殼體如圖17所示，油箱成品如圖18所示，前蓋及附件結(jié)構(gòu)如圖19所示。

3.7 變速器總成

變速器裝配過程中最重要的是對(duì)正相位，因此在加工階段各部件都要提前做好標(biāo)記。裝配及調(diào)試過程如圖20所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為保證變速器能夠滿足某特種車使用需要，對(duì)其傳動(dòng)比調(diào)速范圍，最大輸入功率，傳動(dòng)效率，匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速等進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)考核，結(jié)果如表1所示，可見非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器能夠滿足現(xiàn)有使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過非圓齒輪無(wú)級(jí)變速器在某特種車的實(shí)際使用和試驗(yàn)情況來看，若將非圓齒輪無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)配合傳動(dòng)比合適的副變速器及換向裝置，可應(yīng)用于軌道作業(yè)車等大型工程車輛（機(jī)械），若對(duì)相關(guān)技術(shù)深化研究將變速器小型化，亦可應(yīng)用于小型民用車輛，對(duì)于提升實(shí)現(xiàn)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的匹配度，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，以及改善操縱方便性具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

趙重年，男，1994年生，工程師，研究方向?yàn)檐囕v設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。