國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)變速器現(xiàn)狀

國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)變速器現(xiàn)狀及研發(fā)預(yù)測(cè)
作者：詹永紅

    國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)主要采用以下3種變速器。占主導(dǎo)地位的變速器是：雙渦輪4元件變矩器+2進(jìn)1退行星式變速器(為了說(shuō)明方便，稱為變速器A)。高檔裝載機(jī)中主要是采用德國(guó)ZF公司(進(jìn)口或柳州合資生產(chǎn))的變速器：?jiǎn)螠u輪3元件變矩器+4進(jìn)3退定軸式變速器(為了說(shuō)明方便，稱為變速器B)。部分裝載機(jī)廠家或部分產(chǎn)品采用的國(guó)產(chǎn)變速器：?jiǎn)螠u輪3元件變矩器+4進(jìn)4退，4進(jìn)2退或3進(jìn)3退定軸式變速器(為了說(shuō)明方便，稱為變速器C)。 

    變速器A因有超越離合器自動(dòng)對(duì)變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進(jìn)行動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)際上此種變速器具有4進(jìn)2退的擋位，因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù)，簡(jiǎn)化變速器的結(jié)構(gòu)，尤其是可簡(jiǎn)化變速操縱機(jī)構(gòu)，只用1根變速手柄即可實(shí)現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達(dá)4以上)，高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。變速器A因有超越離合器自動(dòng)對(duì)變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進(jìn)行動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)際上此種變速器具有4進(jìn)2退的擋位，因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù)，簡(jiǎn)化變速器的結(jié)構(gòu)，尤其是可簡(jiǎn)化變速操縱機(jī)構(gòu)，只用1根變速手柄即可實(shí)現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達(dá)4以上)，高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。 

    變速器A因有超越離合器自動(dòng)對(duì)變矩器的I渦輪和Ⅱ渦輪進(jìn)行動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)際上此種變速器具有4進(jìn)2退的擋位，因此采用雙渦輪4元件變矩器可減少變速器的擋位數(shù)，簡(jiǎn)化變速器的結(jié)構(gòu)，尤其是可簡(jiǎn)化變速操縱機(jī)構(gòu)，只用1根變速手柄即可實(shí)現(xiàn)所有換擋和換向操作。圖1為此種變速器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。雙渦輪4元件變矩器變矩比大(失速變矩比K0可達(dá)4以上)，高效區(qū)寬(有雙高效區(qū))。圖2為雙渦輪4元件變矩器變矩比K和效率刀曲線。 

    經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，雙渦輪4元件變矩器的設(shè)計(jì)和工藝都已被各生產(chǎn)廠家所熟練掌握，基本上沒(méi)有大的故障點(diǎn)存在，但小故障較多。2進(jìn)1退行星式變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修易學(xué)，裝載機(jī)維修人員經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)就能上崗，不需要專門工裝即可就地維修，并且配件充足，能盡快地修復(fù)機(jī)器而不耽誤工程進(jìn)度。此變速器采用機(jī)械--液壓變速方式，通過(guò)機(jī)械方式直接操縱變速操縱閥進(jìn)行變速操作。由于超越離合器的作用使重載和輕載工況自動(dòng)轉(zhuǎn)換，使此變速器的變速操作只需Ⅱ擋、I擋、空擋、倒擋四個(gè)位置，因此只要1根變速操縱桿就能實(shí)現(xiàn)變速器的換擋和換向操作。但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的2進(jìn)1退行星式變速器有點(diǎn)粗制濫造，有的齒輪熱處理后不再執(zhí)行齒面強(qiáng)化和磨齒等工藝程序，加工設(shè)備相對(duì)較落后、陳舊，材質(zhì)相對(duì)較差，工裝、刀具水平不高，熱處理工藝落后，物流過(guò)程控制差造成零件磕碰、臟污、野蠻裝配等，這些現(xiàn)象的存在造成此變速器故障點(diǎn)較多、發(fā)生故障的頻率較高，嚴(yán)重?fù)p害了國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)的聲譽(yù)。2進(jìn)1退行星式變速器主要產(chǎn)生的故障有：超越離合器損壞(造成變矩器不能輸出重載工況)、太陽(yáng)輪或行星輪崩齒、倒擋行星軸竄動(dòng)切斷止動(dòng)墊圈、一擋行星軸竄動(dòng)切斷止動(dòng)盤或螺栓、軸承損壞、一倒擋摩擦片磨損或被剃齒、密封圈漏油或損壞、變速泵損壞、變速操縱閥卡閥或損壞、濾油器堵塞或損壞、油管破損、彈簧失效或斷裂等等。 

圖1 變速器A傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 雙渦輪四元件變矩器變矩比K、效率η曲線

變速器B是一種比較可靠的變速器，圖3為ZF4WG200變速器的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。此變矩器的特點(diǎn)是采用沖焊型一體機(jī)芯，結(jié)構(gòu)緊湊，但導(dǎo)輪座上沒(méi)有擋圈對(duì)導(dǎo)向輪進(jìn)行卡位，因此翻轉(zhuǎn)變速器時(shí)有可能使變矩器機(jī)芯掉落出來(lái)。相對(duì)雙渦輪變矩器，單渦輪變矩器變矩比要小些(失速變矩器比K0一般小于4，如ZFWG200的K0值為2.55)，高效區(qū)要窄些(只有單高效區(qū))。

圖4為ZF4WG200變速器的變矩比K和效率η曲線。此變速器的特點(diǎn)是除了輸入和輸出軸，其它中間軸都是固定不轉(zhuǎn)的；變速泵采用效率較高的內(nèi)嚙合齒輪泵，并且安裝在殼體內(nèi)；材質(zhì)特殊訂制，采用壓淬等熱處理新工藝，齒輪采用磨齒和齒面強(qiáng)化處理等，關(guān)鍵零件均為進(jìn)口，加工設(shè)備、工裝、刀具等比較先進(jìn)(如殼體采用進(jìn)口加工中心進(jìn)行加工)，生產(chǎn)環(huán)境整潔，裝配采取先進(jìn)的工藝、工裝。換擋控制采取電子--液壓動(dòng)力換擋，只需1根電子換擋手柄就能實(shí)現(xiàn)換向和換擋操作，并且在換擋手柄端設(shè)置有能實(shí)現(xiàn)從2擋到1擋的強(qiáng)制換擋KD鍵。圖5為其電子換擋手柄，推動(dòng)手柄能進(jìn)行換向操作(并且能空擋鎖止以策安全)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可完成換擋操作。由于變速手柄與變速操縱閥之間是電線連接，因此安裝布置非常方便，并且可方便采用可調(diào)方向機(jī)，使駕駛操縱個(gè)性化。由于采用電腦控制換擋裝置，因此除了實(shí)現(xiàn)4進(jìn)3退之外，能很容易實(shí)現(xiàn)6進(jìn)3退，擴(kuò)展了變速器的使用范圍。變速操縱閥設(shè)有平穩(wěn)結(jié)合閥，使變速器的變速過(guò)程平穩(wěn)、少?zèng)_擊。但是，影響到此變速器推廣普及的最大障礙是：1)售價(jià)高。因結(jié)構(gòu)緊湊，要求好的材質(zhì)和熱處理工藝；因精度要求高，需要先進(jìn)的設(shè)備和制造工藝，制約產(chǎn)量的提升。2)配件市場(chǎng)投放量難以與變速器A相比，且價(jià)格高，有相當(dāng)數(shù)量的配件需進(jìn)口。3)維修需專門工具和場(chǎng)地，不能和變速器A一樣就地維修，這就會(huì)增加維修成本和可能影響工程進(jìn)度。4)維修保養(yǎng)要比變速器A嚴(yán)格得多。 
變速器C是一種少數(shù)廠家和少數(shù)產(chǎn)品使用的變速器。國(guó)內(nèi)在單渦輪3元件變矩器上的研究、投入和產(chǎn)出上相對(duì)雙渦輪4元件變矩器要少得多。對(duì)于單渦輪3元件變矩器，國(guó)內(nèi)做得較好的是陜西航天動(dòng)力高科技股份公司生產(chǎn)的用于ZP 4WG200變速器的單渦輪3元件變矩器機(jī)芯，它是經(jīng)過(guò)德國(guó)ZF公司認(rèn)證后專門給柳州ZP公司配套的。由于國(guó)內(nèi)在材質(zhì)、制造設(shè)備及工藝、熱處理技術(shù)及工藝、裝配技術(shù)及工藝、物流管理、生產(chǎn)環(huán)境、人員素質(zhì)等各個(gè)方面與國(guó)外有較大的差距，因此與變速器B(從技術(shù)和質(zhì)量上)相比還有較大差距。從裝配和拆卸上沒(méi)有變速器A方便，尤其是配件充裕度沒(méi)法與變速器A相比。但與變速器A相比，變速器C故障點(diǎn)較少，最典型的故障是漏油造成離合器油壓過(guò)低，使摩擦片過(guò)度磨損，甚至燒結(jié)離合器。如配油蓋有斑疤或疏松等鑄造缺陷造成油封環(huán)損壞或者活塞上的油封環(huán)損壞都能造成離合器油壓過(guò)低。長(zhǎng)期低油壓工作會(huì)對(duì)動(dòng)力換擋變速器造成較大的危害，應(yīng)盡量避免。 

      圖6為山工50型變速器，它由單渦輪3元件變矩器和4進(jìn)4退定軸式變速器組成。該變速器是4自由度變速器，每個(gè)擋位需結(jié)合3個(gè)離合器，因此需3根變速操縱桿：1根換向操縱桿(對(duì)F和R離合器)，1根換擋操縱桿(對(duì)F1，3和F2，4離合器)，還有1根高低擋操縱桿(對(duì)滑套HL)。因此變速操縱非常麻煩，這是此變速器的最大缺陷。 

    圖7為淄博凱特生產(chǎn)的PZl33變速器，它由單渦輪3元件變矩器和3進(jìn)3退定軸式變速器組成，該變速器是3自由度變速器，每個(gè)擋位需結(jié)合3個(gè)離合器，因此需2根變速操縱桿：1根換向操縱桿(對(duì)F和R離合器)，1根換擋操縱桿(對(duì)L1、L2和L3離合器)。此變速器可配置于15型、18型和30型裝載機(jī)上，典型的故障有波形彈簧斷裂(如采用螺旋彈簧作為活塞的回位彈簧則能較好地解決這個(gè)問(wèn)題)。 

    變速器C一般采用3自由度變速器(很少采用3個(gè)以上自由度)，每個(gè)擋位需結(jié)合2個(gè)離合器，采用機(jī)械--液壓動(dòng)力變速方式時(shí)，需要2根變速操縱桿：1根進(jìn)行換向操縱，1根進(jìn)行換擋操縱。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，一般采用軟軸操縱，但軟軸空行程較大，難以精確控制行程，因此操縱手柄難以用卡槽限位，使換擋操作沒(méi)有空間鉸接變速機(jī)構(gòu)(如變速器A)那么清晰準(zhǔn)確，甚至有可能造成誤掛擋位。因變速操縱桿系太多，不僅增加空間布置的難度，也增加了司機(jī)操縱的難度，增加司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，因此采用電子--液壓變速方式是最好的選擇。2國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)對(duì)變速器的要求2.1高可靠性 

    由于國(guó)產(chǎn)變速器故障率較高，因此市場(chǎng)對(duì)此意見(jiàn)最大。減少變速器故障點(diǎn)，提高變速器的可靠性是最重要和最迫切的任務(wù)。 

2.2價(jià)格應(yīng)該有優(yōu)勢(shì) 

    中國(guó)制造的產(chǎn)品，不管在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還是在國(guó)際市場(chǎng)，價(jià)格都是競(jìng)爭(zhēng)的法寶。況且，私人購(gòu)機(jī)的比例越來(lái)越高，因此沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品在今天競(jìng)爭(zhēng)異常激烈和微利的裝載機(jī)行業(yè)是沒(méi)有前途的。因此，變速器A會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)繼續(xù)擔(dān)當(dāng)主要角色，但需各廠家努力提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的故障率。 

2.3操縱應(yīng)簡(jiǎn)單、快捷 

    盡量采用1根變速操縱桿，最多不超過(guò)2根變速操縱桿，以便于空間布置和減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。 

2.4維修方便，配件充足 

    維修應(yīng)該是方便的，經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，廣大維修人員應(yīng)該能很快掌握維修技術(shù)。能就地或在附近維修點(diǎn)維修，不需要或盡量減少專門的維修工具，并且配件應(yīng)該是充足的?？傊?，變速器發(fā)生故障后應(yīng)能盡快修復(fù)，避免影響工程進(jìn)度。 

3國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)變速器發(fā)展預(yù)測(cè) 

    變速器A用了這么多年，可靠性一直是難以解  決的大難題，解決變速器可靠性是變速器研發(fā)的首要目標(biāo)，電子化變速操縱(電子--液壓動(dòng)力換擋和自動(dòng)換擋)也一直是國(guó)際變速器發(fā)展的方向。所以研發(fā)符合中國(guó)國(guó)情的變速器應(yīng)該是我們優(yōu)先考慮的。 

    3.1采用類似于變速器C的結(jié)構(gòu) 

    變速器A的行星變速器中行星輪架懸臂支撐，內(nèi)齒輪徑向浮動(dòng)(沒(méi)有軸承定位)、齒輪輪齒比較寬、倒擋行星輪架和1擋內(nèi)齒輪軸向浮動(dòng)(只靠摩擦片限位)、行星輪易軸向竄動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生異常的軸向力使變速器產(chǎn)生故障。另外，由于制造方面的誤差，也會(huì)使超越離合器等零部件發(fā)生故障。并且各個(gè)擋位總成都裝在1根軸線上，因此誤差會(huì)影響到其它零件，軸向力也會(huì)傳遞到其它零件上。 

    定軸式變速器每根軸上的零件都能準(zhǔn)確定位，并且誤差不會(huì)累積到另一根軸上，故障要比行星式變速器少。從可靠性來(lái)看，定軸式變速器是比較理想的，現(xiàn)在國(guó)外裝載機(jī)普遍采用定軸式變速器。采用多擋位定軸式變速器后，不再需要采用雙渦輪4元件變矩器來(lái)增加擋位，也就不再需要超越離合器來(lái)整合兩個(gè)渦輪的動(dòng)力輸出，而采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的單渦輪3元件變矩器。 

    3.2變速操縱桿采取1根或2根 

    為提高產(chǎn)品的檔次，變速器采用電子--液壓動(dòng)力換擋或自動(dòng)換擋，可采用類似于ZF的電子操縱手柄(圖5)實(shí)現(xiàn)換向和換擋操作。為降低成本，變速器采用機(jī)械--液壓動(dòng)力換擋時(shí)，可采用2根變速操縱桿：1根實(shí)現(xiàn)換向，另1根實(shí)現(xiàn)換擋操作；或采用類似于CAT 966E的操縱桿實(shí)現(xiàn)換向和換擋操作(動(dòng)作類似于ZF電子手柄)，但機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，且需變速操縱閥操縱力比較小。 

    3.3高端產(chǎn)品使用相當(dāng)于ZF這樣的產(chǎn)品 

    我們還需裝備類似于ZF這樣高質(zhì)量的變速器，以滿足特殊用戶和特殊用途的要求。以我們目前的條件暫時(shí)還達(dá)不到完全國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)這樣的產(chǎn)品，因此也可以使用進(jìn)口變速器滿足我們整機(jī)的高要求。