裝載機雙變糸統(tǒng)進(jìn)化的路徑

提到雙變，甲友們都知道是指變矩器和變速箱，知道其結(jié)構(gòu)和維修的人不在少數(shù)。但關(guān)于它們的靈魂世界，或者說是基因編組，多數(shù)人還是不甚了了。直白說的話就是它長成什么很清楚，它為什么長成這樣不清楚。當(dāng)下節(jié)能風(fēng)潮興起，雙變的更新?lián)Q代已成必然趨勢，兵法說上兵伐謀，本帖不論結(jié)構(gòu)論謀略，嘗試對雙變作別樣剖析。
為什么裝載機上會使用雙變呢？這就要從頭說起。液力機械的出現(xiàn)最初是為了解決軍用越野車輛在野外的通行能力。在這種路況下，沿用干式離合器的手動機械變速器換檔頻繁，離合器摩擦片壽命大大縮短。舉個例子，工程上常用的自卸車陷車后的情形大家都不陌生，這時的操作是大油門緩抬離合。因為這時需要最大驅(qū)動力來使車輛脫困，同時為了不使發(fā)動機和傳動糸結(jié)構(gòu)件因離合器猛然結(jié)合而被沖擊破壞而又不得不使用半離合操作，這種工況簡直就是干式離合器的惡夢 。液力耦合器和變矩器的柔性傳動取代干式離合器的剛性傳動就解決了這一難題，使軍用越野車輛傳動系的可靠性大大提高。關(guān)于這一內(nèi)容，大家可到優(yōu)酷觀看《自動變速箱液力耦合器傳動原理》。有句話叫按下葫蘆浮起了瓢，液力傳動解決了起步困難但又帶來了高油耗，因為它的傳動效率較低，這又是為什么呢？

液力傳動是靠封閉在殼體內(nèi)的高速流動的傳動油的沖擊力來傳遞功率的，可以認(rèn)為是葉輪機械的一個特例。水力發(fā)電機組就是葉輪機械的代表作，大壩蓄水使水流的壓力和速度提高，然后沿管道沖擊水輪機做功發(fā)電，就像耦合器泵輪對渦輪的作用過程。俗話說的樹大招風(fēng)，講的就是葉輪機械的一個重要特性，就是葉輪在流體流向上的投影面積越大，流體給它的作用力就越大，請記住這一點，這對理解液力傳動的特性十分重要。水力發(fā)電利用的工作流體是無限制，流過葉輪后就不管了，耦合器內(nèi)的傳動油是連續(xù)循環(huán)的：從泵輪獲得速度，沖擊渦輪后，速度減小使渦輪獲得動能，然后再流回泵輪。流過渦輪后的傳動油仍然帶有部分泵輪給它的動能，如同水電站機房排出的滾滾水流一樣，尤其是渦輪因外負(fù)荷轉(zhuǎn)速很慢時，流回泵輪的傳動油的速度仍然很高，為利用這部分油流的動能，引入了固定不動的導(dǎo)輪，將回流向泵輪的油流偏轉(zhuǎn)再次流向渦輪，這樣渦輪葉片的正反兩面都受到了推動力，相當(dāng)于成倍增大了葉片在流體中的受沖擊力面積，渦輪的輸出力矩可以大于泵輪力矩。但問題又來了，導(dǎo)輪不能將傳動油的回流阻斷，那樣泵輪就無油可用，然后Game over。因此，變矩器的存在本身就是矛盾與平衡的產(chǎn)物。因為泵輪進(jìn)出口油流速度不能相差太過懸殊，始終有部分功率在油流中循環(huán)，變矩器的效率無論如何也做不到百分百。將渦輪和導(dǎo)輪的葉片做大，或者個數(shù)增加，使傳動油阻力面積擴大，也就是提高變矩比(符號K)，變矩器效率就低，二者不可兼得。這是由變矩器的原理本質(zhì)決定的。因為在殼體內(nèi)的傳動油的質(zhì)量和體積是近似不變的，各元件間的油流速度互相影響，這邊高了那邊就低。所以變矩器的變矩比(傳動比)是有限的，它必須要有齒輪變速箱的配合才能實現(xiàn)傳動系的給定傳動比，就是說，液力機械依然是有檔位的，它只是能在某個檔位的最高速和零速間自動變速，通常所說的自動檔是指在微電腦監(jiān)控操作下變速箱自動變換檔位，不需要司機踩踏離合器和選檔掛檔，變速器自身有一定的智能。傳統(tǒng)的國產(chǎn)裝載機雙變用的機液控制方式，只是把相當(dāng)于把踩離合和掛檔合成為一個動作，與自動檔邊都靠不上，連行車電腦都沒有，何談自動兩字？要知道國產(chǎn)化的Z F4W G200在正式的論文中也只是半自動檔而已。
傳統(tǒng)國產(chǎn)5噸級中型裝載機上配用的有兩大類型雙變系統(tǒng)。市場上較多見的是雙渦輪+兩進(jìn)一倒行星箱，另一種是山工/宇通的單渦輪+4前三倒定軸箱。都已是國外淘汰的技術(shù)。唉，萬惡的資本主義，它們?yōu)槭裁蠢鲜穷I(lǐng)先？

液壓控制原理

行星箱結(jié)構(gòu)圖

借用甲友的宇通變速箱圖

變矩器性能是各因素妥協(xié)的結(jié)果，大變矩糸數(shù)和傳動效率只能取其一。雙渦輪變矩器用兩個渦輪來擴大傳動油的沖擊面積，提高了變矩比，同時效率低下。為了將兩個渦輪的動力輸出，超越離合應(yīng)運而生。在兩個渦輪和雙排行星排組合后，二進(jìn)一倒實際上是四進(jìn)二倒，但每個檔位下的效率都不高。不知甲友們有這樣的體驗沒有，有的不大不小的坡，行星箱用二檔爬一半不動了，用一檔發(fā)動機又干吼跑不快。根據(jù)相關(guān)論文，一二級渦輪是在泵渦輪轉(zhuǎn)速比在0.8左右時脫開，脫開后的一級渦輪不但不傳遞功率，還會干擾傳動油的流動，形成湍流。單獨工作的二級渦輪受油流沖擊面積小，驅(qū)動力銳減，阻力稍大，兩渦輪又匯合傳遞功率(因為超越離合器里那幾個小彈簧不可能抵住一渦輪的力矩的)。以多數(shù)50裝載機一檔最大速度11K M為例，泵渦轉(zhuǎn)速比為0.8時車速8.8K M。以裝車作業(yè)為例，全過程中裝載機有可能短暫達(dá)到這個速度就會減速或換向，而實際工作中幾乎沒有司機會一直把油門踩到底不放的，至于像其它重工況大驅(qū)動力更不用說了。通常的柴油機的經(jīng)濟工作轉(zhuǎn)速在1400—1600轉(zhuǎn)之間，平時大家也多是這樣在踩油門，而雙渦輪變矩器設(shè)計匹配上卻避開了這一區(qū)間，關(guān)注點在最大驅(qū)動力和額定轉(zhuǎn)速上，其實際表現(xiàn)注定就是高油耗，在最大驅(qū)動力附近僅有40.5K W輸出。出現(xiàn)這一癥結(jié)的關(guān)鍵在于將總傳動比中分配給變矩器的部分太多，在實際工作中，兩渦輪大多數(shù)時候是一起工作的，泵—渦輪速比值沒有落在高效區(qū)。這種變矩器泵輪吸收功率能力強，傳輸效率低，原始設(shè)計上就壓制了車速的快速提高，全部設(shè)計都指向
低速大驅(qū)動力，這和提高平均車速從而提高效率的光明之路是在背道而馳?？ㄌ氐碾p泵輪變矩器就是針對這一情況設(shè)計的。需要大驅(qū)動力時，雙泵輪同時發(fā)力，根據(jù)需要可以用踩下泵輪離合器踏板的方法來隨時調(diào)節(jié)驅(qū)動力的大小。

山工/宇通的單渦輪定軸箱將總傳動比分給變矩器的調(diào)小，加大了齒輪箱的傳動比，使渦輪平均轉(zhuǎn)速得到提高，變矩器效率得到提升。這類傳動糸雖然在單個檔位上實現(xiàn)了高效率，但換檔繁鎖，拖累了平均車速，多數(shù)時候還沒有行星箱表現(xiàn)好，尤其山工還加了個撥叉滑套的高低速檔?；蛟S是受限于制造能力，采用分體式結(jié)構(gòu)，各離合器缸也采用單體制造而不是像ZF那樣的背靠背方式，體積上還有縮小的空間。這兩類傳動糸的共同缺點是都采用桓定壓力的液壓換檔方式，不論發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速如何，換檔反應(yīng)都一樣，怠速起步還好點，其它時候就duang ！ duang！因為和機械變速箱一樣，要使換檔平穩(wěn)，要變換的兩個檔位齒輪圓周線速度基本上要相同才行。而這兩類傳動系因為變矩器不能切斷動力，實際上是把機械傳動中的干式摩擦離合片和換檔撥叉/同步器的功能集中給了濕式離合器，換檔過程中的沖擊是不可能消除的！

在改進(jìn)上述定軸箱結(jié)構(gòu)，各檔齒輪傳動比與變矩器變矩比的乘積的級差值平緩，減小變矩器變矩比使渦輪經(jīng)常工作在高效率區(qū)，引入電控技術(shù)，換檔過程中的液壓壓力隨檔位車速可調(diào)，代表作就是下面這兩個。

Z F4W G200雙變總成，論壇甲友奉獻(xiàn)

徐工的電控定軸箱，精勇供圖

精勇提供：行星箱速比參數(shù)

精勇提供：徐工電控定軸箱速比參數(shù)

傳統(tǒng)行星箱

電控定軸箱的價格一直讓甲友們耿耿于懷，但它的高效率使每個工作小時的油耗降低，在質(zhì)量得到保證的前提下，平均成本比行星箱要低。當(dāng)然，回收周期也要長一些。在眼下，電控定軸箱更適合在有長期大工作量的大港口大煤礦使用。
廠家可以將電控箱的機械部分放大，換檔時結(jié)合速度隨檔位從低到高由慢到快變化，推出機械—液壓操縱的低檔型號。
進(jìn)化之路還在延續(xù)，前面說的分類，變矩器是全時段工作的，效率還有提升的空間。因為裝載機只在重載鏟掘時需要變矩器產(chǎn)生較大驅(qū)動力，其他情形下和機械傳動的貨車的需求相同，于是又出現(xiàn)了變矩器帶鎖止離合器的電控定軸箱。

根據(jù)前文所講裝載機驅(qū)動力的變化特征，用液壓馬達(dá)負(fù)責(zé)低速時大驅(qū)力任務(wù)，速度提高后由液壓機械共同傳動的混合傳動技術(shù)目前已有樣品。也就是所謂C V T/H VT變速箱。這是目前的最先進(jìn)技術(shù)，卡特宣稱它的這種變速箱比上一代液力變速箱最高能節(jié)油25%。國產(chǎn)傳統(tǒng)變速箱的差距可不是一步兩步。
為什么中國在與工業(yè)制造相關(guān)的領(lǐng)域都不強？這個問題的本質(zhì)還是在文化上。當(dāng)代全球大國都已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)文明時代，而中國還在堅持用農(nóng)耕文明時代的儒家思想來指揮工業(yè)進(jìn)程。勞動者是賤民，知識分子“理所當(dāng)然”的高高在上的理念不革除，全民素質(zhì)沒有實質(zhì)意義的提高，工業(yè)強國就只能是嘴上功夫。

• 卡特彼勒