港口牵引车动力及传动系统技术分析

1 9 94 年 第 3 、 4 期水运科学研究所学报 港 口牵引车动力及传动系统技术分析 张德文 摘要 本文介绍港口牵引车动力 及传动系统 的结构特点及各主要部件的选 择 , 阐明 制 约动力 及传动系统 布兰的各种因素 , 并付国内外三种港口牵引车的 动力及 传动系统作一技术 分析 . 关拍词港口牵引车 动力及传动系统 技术分析 1 引言 港口牵引车是港口货物水平运 输的重要设备 , 同平板车配合作业 , 可完成货物的短 距离运输 , 同时也可以用来牵引港区内其它设备(如非自行式轮胎起重机) . 港口牵引 车 (以下简称牵引车)特殊的工作环境决定了其特殊的结构特点 , 尤其是动力及传动系 统形成了既区别于汽车又不同于 叉车 、 装载机等工程机械的结构特点 . (1)港口牵引车一般工作场地比较狭窄 , 转向频繁 , 这就要求牵引车 外 形 尺 寸 小 , 转弯半径小 , 尤其轴距要短 , 一般在 1 . 4一2 . Sl n 之间, (2)牵引车运送货物的距 离较短 , 一般在50 0 100 0 瓜以内 , 而牵引重量一般六 1 0 吨以上 , 多达儿十吨 , 甚至上百吨 , 因此车速很低 , 最高车速一般低于3 0km/ h , 最 大牵引力时行驶速度一般低于s k m/h , 但是用于牵 引车的发动机转速却并不低 , 一般 在2 00 。 2 8 00 r / 。i n之间 , 因而要求传动系统必须有较大的速比和较大的调速范围 , ( 3) 港口路面情况一般比较复杂 , 牵引车可能要不断地横过铁路 , 起制动 、 换档频 繁 , 冲击大 , 因此要隶牵引车有较好的缓冲性能 , 一般牵引车要求前后桥有弹性悬挂装置 . 综上 , 在设计港口牵 弓 !车动力及传动系统时 , 至少要考虑到以下几个方面的问题 : ( l) 整车尺寸小 , 轴距短 , (2)传动系统变速比大,心3)变逮器输出轴与驱动 桥输 入轴之间高度差尽可能小 , 使传动轴倾角小 , 轴向尺寸短 . 2 动力及传动系统主要部件收选择与布置 2 。 1 发动机 发动机是牵引车的动力元件 , 其性能好坏直接影响整车的性能 . 牵引车主要采用汽 油机和柴油机两种动力形式 。 众所周知的原因 夕 柴 油机在牵引车上的应用越来越普遍 , 但在一些小型牵引车上 , 汽油机仍占较大的比重 . 牵引车发动机采用1小时标定功率 , 并增加1 0%一 15% 的功率储备 , 以满足牵引车的加速性能和爬坡要求 , 同时满足较高车 收稿日期:1 99 4一0 6 一2 9 2 2水运科学研究所学报 91 94 年第 3 、 4 期 速下大牵引重量的要求 , 提高牵引车的工作可靠性 , 延长发动机的使用寿命 . 2 . 2 传动 系统 按照传动元件的不同 , 牵引车的传动系统一般有机械式和液力机械式两种方式 。 机 械式传动系统包括离合器 、 变速器 、 传动轴和驱动桥等主要部件 ; 液力机械式传动系统 包括液力变矩器 、 变速器 、 传动轴和驱动桥等主要部件 . 本节主要介绍两种传动方式的 特点 , 传动轴和驱动桥的介绍放在后面 。 机械式传动方式以其传动效率高 、 成本低 、 维修方 便而较广 泛 地应l I J于小塑牵引车 上 。 其中 , 变速器多选用汽车用中间轴式变速器 , 分为四档和五档两种形式 , 一 档速比 一般 在 i ;二 5 . 56 . 5之间 。 在机械式传动系统中离合器的选择至关重要 。 目前 , 小型牵 引车的离合器多选用轻型汽车离合器 . 由于轻型汽车离合器扭矩储备系 数 (日二1 . 2 1 . 75) 较低 , 因而在牵引车上使用寿命较短 . 牵 引车工作负荷大 , 起制动频繁 , 要隶离 合器扭矩储备系数较大 , 一般为 日 = 1 . 6一2 . 5 , 所以应尽可能选用工程机械用离合 器 . 同机械式相比 , 液力机械式传动系统具有更好的起动和调速性能 , 整机性能匹配更 趋理想 。 但采用液力变矩器 由于其传动效率较低 (一般为。 = 。 . 6 5 。 . 7的 , 所以需要 的发动机功率更 大些 , 相对于机械式一般要增加 1。%15% . 目前国外牵引车不论牵引力大小大多采用液力机械传动方式 , 如美国C L A R K CT系 列牵弓l车 , 德国PL AN牵引车等 。 日本TOYOTA牵引车从1k 0N到65k N有几个等级 , 每个等级一般都有机械和液力机械两种传动方式供用户选择 。 国内牵引车大 吨 位 (如 4 5k N )采用液力机械方式 , 而小吨位(如 2k 0N ) 则采用机械式传动方式 , 这是由国内 目前的技术状况所决定的 。 从变速器输入输出轴的位置关系上看 , 有同轴输出和降轴输出之分 , 前者应用非常 晋遍 , 但后者却更适用于牵引车配套 。 夕 。 3 驱动桥 应用于牵引车的驱动桥形式很多 , 但有一个共同特点 , 传动比都很大 , 一般为i “ 12 2 6 。 如果象常见的汽车一样 , 驱动桥采用单级齿轮主减速 (一般i 。 簇7 ) 很难达 到使 用要 求 。 下面介绍几种典型的驱动桥 . (l) 采用涡轮涡杆主减速形式的驱 动桥 主减速采用涡轮涡杆形式的驱动桥在 牵引车上应 用有两大优点 : (l ) 涡轮祸 杆传动比较大 , 一般 i= 750; (2)涡 轮祸杆结构形式使驱动桥输入轴 线 抬高 (抬 高标准中心距 a, 见图 1) , 减小了 变速器输出轴与驱动桥输入轴之间的高度 差 , 这样可 以采用更短的传动轴 , 减小整 车的轴向尺寸 . ! ! !斗斗 夕 尸尸 洲洲子介 介介 斤1,杖, 弓 戈轮 , ,.、少丫 图1驱动桥的涡轮涡杆主减速 形 式 但是 , 由于牵引车工作条件较差 , 涡轮涡杆之间存在着相 对滑动 , 加之涡杆在上 , 港口牵引车动力及传动系统技术分析 润滑情况恶劣 , 所以磨损很严重 , 传动效率较低 , 一般只有 。 . 70 . 8 . 国产Q Zo牵引车采用涡轮涡杆主减速形式的驱动 , 桥由子传动比( i = 1 2)比较大 , 因此不再需要其它减速环节 , 但涡轮涡杆磨损严重 , 配件价格昂贵 . (2) 前置丙轮箱式驱动桥 这是相对于 下面介绍的后代齿轮箱式驱动桥而 言 。 这种驱动桥实际上是在一个完整 的驱动桥前面 又加了一级卧式 或立式的齿轮减速箱 , 用以增大驱动桥总的传动比 。 古轮 箱的特点是异侧输入输出 。 从牵引车动力及传动系统 的布置上看 , 齿轮箱在驱动桥之前 。 日木TOYOTA 02一TD25牵引车采丁 11 这种形式的驱动 桥 , 如图 2所示 . 它是在传 动轴之后 , 驱动桥之前加了一级卧式断轮 箱 . 这里驱动桥主减速器速比 i主 = 6 . 6 6 7 , 前置齿轮箱速比 i前 = 2 . 29 4 , 所以总的速 比(i总 = 15 . 2 94) 比较大 。 但由于驱动 桥的输入轴线井未抬高 , 而且这种布置增 加了轴 向尺寸 , 所以这种驱动桥适于发动 机重心较低 , 各部件尺寸比较紧凑的牵引 车 。 这在国内不太适用 . 于了 , 马 毛衣 仑 ;卜.巴 、少哈 . . . / / / . . . . . . . . . . . . . . . 、 、J. . . . . . , ,入 . . . . . . . . . . . . 匕匕 、 i i i 卜卜 (3)后 仪 齿轮箱式驱 动桥 图2 前笠 齿轮箱式呕 动桥的卧式 齿 轮 箱和主减速器 从 动力及传动系统的布置上看 , 特 点是同侧输入输出(图 3) . 在驱动 桥之后加了一级立式 齿轮减速箱 . 齿轮箱的 美国C L ARKC T系列牵引车采用 这种形式的驱动桥 。 这种驱动 桥保留了 涡轮涡杆式驱动桥的优点 , 克服了它的 不 足 , 传动效率较高 , 而且大大减小了 整车的轴 向尺寸和轴距 , 从而 大大减小 了牵引车的最小转弯半径 。 如CLA RK CT5 oD牵引车牵引力为2 2 . 2 4 :N , 而 牵 引车总长仅有2 5 9lmm (不含施 钩、 , 轴距为 146 lmm , 转弯半径为2 92一。m , 大大低于牵引力相 当的国产 Q叨和日本 . . . 夕夕、 . . . . . . . 、 、. . . . j j j j j. . . . . . . . . . . 一 7 7 7、 . . . 图3 后置齿轮 箱式枢功桥的立 式 齿轮箱和主减速器 TOYOT A0 2 一 TD2 5牵引车 , 为同级别牵引车中最小巧的(见表 1) . (4)行星齿轮式轮边减速驱动桥 驱动桥主减速一般为单级螺旋伞齿轮式减速器 , 轮边减速器为行星式齿轮减 速 器 (见图4) . 这种结构形式主要 是为了增大驱动桥的总传动比 (一般i总 = 1 0 38 ) , 在国内工程机械上广泛应用 . 但驱动桥的输入轴线与车轮轴线在同一水平面内 , 并不能 减小变速器输出轴线与驱动桥输入轴 线之间的高度差 . 水科运学研究所学报 1 994年 第3 、 4 期 天津通信设备厂生产的机场牵引车 采用这种驱动桥 . 驱动桥主减速器速比 i主 = 3 . 18 , 轮边减速器速比 i边 = 4 . 8 3 , 总的传动比 i总 = 1 5 . 3 7 。 由于机场牵 引 车一般比港口牵引车长 , 传动轴相比之下 较长 , 因此传动系统的布置也较方便 . (5)单级立式齿轮式轮边减速驱动 桥 (又称龙门桥) 驱动桥主减速一般为单级螺旋伞齿轮 式减速器 , 轮边减速器为立式单级齿轮减 速器 (如图5) , 驱动桥输入轴线比车轮 派 矛J二 吃 几轮 于,心 纷忆 前进方向 图4 行星 齿轮式枪边减速 驱动桥的枪边 减速器 轴线高 , 高度差等于轮边立式齿轮减速器的中心距 . r ll 七 人人人 . . . . . . . . . . 了了了. . . 二二 弓 弓妙 . . . . . . . . . . . . . . . 图5龙门 桥 从上述介绍的5种形式的驱动桥可以看出 : 。 . 上述 (1) 、 (2) 、 (3)三种驱动桥 由于主减速器需要承受较大 的传递扭 矩 , 因而主减速器尺寸较大 , 离地间隙相对较小 , 并且需要相应增大差速器 、 半轴等零 邻件的结构尺寸;而 (4) 、 (5)两种采用轮边减速的驱动桥 , 其主减 速器 、 差速 器 、 半轴等承受的扭矩较小 , 尺寸比前三种小得多 , 驱动桥的离地间隙较大, b . (1 ) 、 ( 3 ) 、 ( 5 ) 三种驱动桥的输入轴线比车轮轴线高 , 从而减小了变速 器输出轴线与驱动桥输入轴线之间的高度差 , 方便了动力及传动系统的布置 , c . 第 (3)种驱动桥可以使牵引车获得更小的轴 向尺寸和轴距, d . 从工艺上讲 , (2) 、 (3) 种驱动桥相对更容易加工 , 成本低 . . . . . . . . . . . . ,i 3 制约动力及传动系统布置的因素 3 . 1 转向桥.架形式 转 向桥悬架在牵引车上常见的有两种形式 , 即独立悬架和非独立悬架 . 非独立悬架的特点是左右车轮用一根刚性轴连接起来 , 并通过悬架与车架相连 。 其 优点是结 构简单 , 制造和维护成本低 , 但由子发动机一般都布置子前桥之上 , 而且为使 港口牵引车动力及传动系统技术分析 桥体与发动机底 壳之间留有足够的空间以满足桥体的浮 动 , 因而使发动机的输出轴线较 高 , 不利于传动系统的布置 . 独立悬架的特点是左右车轮不 连在一根轴上 , 单独通过悬架同车架相连 , 对牵引车 来说 , 其最大优点是取消了前桥 , 降低了发动机高度 , 不 但方便了传动系统的布置 , 而 且 使整车重心降低 , 增加了稳定性 。 3 . 2 驱动桥的瓜挂方式 牵引车的驱动桥有采用弹性悬挂和刚性悬挂两种方式 的 . 日本TOYOTA 02 一 TD2 5 牵引车驱动桥采用刚性悬挂 , 驱动桥桥体直接同车架刚 接 . 这 种方式结构简单 , 工作可靠 , 另外取消了行车过程中驱动桥的浮动 , 可以减小传 动轴的花键长度 尺寸 , 从而缩短传动轴 , 减小整车轴向尺寸 。 但采 用刚性悬挂 , 牵引车 振动强烈 , 司机易感疲劳 。 国内外绝大多数牵 引车驱动桥都采用钢板弹簧弹性悬挂 , 行驶时驱动桥 上下浮 动 , 因此需要传动轴具有较长的花键 , 这在一定意义上增加了牵引车轴向尺寸 . 万 。 3 传动轴的倾 角 牵引车, 般采用两个刚性十字轴万向节传动方式 。 传动系统的布置很难做到使传动 轴与变速器输出轴和驱动桥输入轴正好在一条直线上 , 一般允许万向节所连两轴之间的 夹角最大可达 15 20 , 牵引工作时一般不大于 7 一 8 . , 万 向节夹角过大会产生附加 的载荷 、 振动和噪声 。 4 国内外儿种港口牵引车动力及传动系统技术分析 目前国内外生产牵引车的厂家众多 , 产品形式多种多样 . 从动力形式 _ 卜讲 , 有采用 汽油机 , 也有采用 柴油机的 , 从传动方式上有机械式和液力机械式之分 ; 从牵引能力上 也各不相同 , 小至 lokN , 大至 15 0kN , 由于各国使用的单位制和标准不同 , 因 此 牵 引力及有统一的分类 , 但基本上每过 5一1o kN即有一种机 型 , 其中国内应用较多的为 2 0 k N 、 2 5 k N等小吨位牵引车 . 为便于从主要性能参数和动力及传动系统各方而比较国 内外牵引车的差异 , 本文列举几种小型牵引车作一比较 (如表1 ) . 4 。 1 国产QZO牵引车 据国内3 1个大中港口调查 , 目前国内港口使用的牵引 车7 0%以上为Q2 0 牵引车 . 这 种 牵引车采用涡流室式 柴油发动机 , 四档机械式变速器 , 同轴 输出 , 驱动桥主减速器采 用涡轮祸杆形式 . Q2 0牵引 车前后桥采用钢板弹簧弹性悬挂 , 前桥采用非独立悬架 , 发 动机位置较高 , 发动机 一 变速器输出轴线亦较高 , 但采旧涡轮涡布:l主减速形式 , 不但 速 比大 , 而且使驱动桥输入轴线抬高 , 减小了传动轴的倾角 , 在一定意义上减小了轴距和 转弯半径 . 但涡流室式柴油机起动特性较差 , 驱动桥涡轮涡杆主减速形式效率低 , 磨损严重 , 加之选用普通的轻型汽 车离合器使用寿命短 , 这成为 国内新一代牵引车必须要解决的问 题 . 2 6 水运科学研究所学报 19 94年 第3 、 4 期 表 几 种 小型牵引车性能今救比较 型型号号 Q ZO I I I Q C一25 5 5。 一 TD52 2T D 5 5 5 CT 50D D D PD60V V V 国国 别别中国广州州中国宁波波 日 本本 日 本本美 国国德国国 OT T T T T T T T TOA A AOYY TTOT人人CL A K K KRPL 人N N N 牵牵引力kN ) ) ) 20 0 02 5 5 5 5 5 52 2 5 5 52 2 。 4 4 42 26 。 4 9 9 9 牵牵引重量( 七) ) )312 2 2 2 23 3 33 3 3 335 。 55 5 5267 7 7 自自重(t ) ) ) 3 。 5 5 5 4 4 44 。 0 4 4 44 。 1 1 1 2 。 9 4 38 8 8 。 5 5 5 最最高速度( k m /助 助 2 4 。 6 6 6 4 4 4 26 6 624 4 42 0 . 9 9 9 22 2 2 传传动方式式机械械 机械 械 液力机械 械机械械液力机械械 液力机械 轴轴距( m m) ) ) 150 0 0 016410 0 04e11 1 1 1 16 0 0 0 0l0 0 0 06 转转弯半径( m m) ) )3 0 00 0 03800 0 0 33 50 0 0 33 50 0 0 2 91 1 1 1 12 前前轮距( mm) ) )123100 0 0010 0 0205 5 5133 7 7 7 7 711 10 0 0 后后轮距( m m) ) ) 1 1518 8 8311 19191 10 0 00 0 000 0 09 2 2 2 2 2 最最小离地 间隙隙 150 0 0 1 50 0 0 1 2。 。 37110 0 0 8 8 8 8 8 ( ( ( m m) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 外外外 长( mm) ) ) 30350 0 04230 0 0 0 20 0 035 9020 0 0 0 1 1 1 2730 0 0 形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形形 尺尺尺宽( mm) ) )1 450 0 0 1 8 0 0 0 01 42 0 0 0 1 340 0 0 1 4110 0 050 0 0 0 寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸寸 高高高( ml n ) ) ) 39512200 0 000 0 06410 0 05 10 0 0 75 5 5 5 5 5 发发发型号号 4 95KN6 6 6J 7 OQ Q QYTOTA A AOTOYT A A A P er k i n s s s s s 动动动动动动 一 Z Z ZID2 4J J J 。 326 6 6 6 6 机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机机 标标标定功率率 3 8 。 2 2 2 58 。 1 1 1 338 8 86 。 7 5 5 55 9 9 95色色 ( ( ( ( (kw) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 转转转速( m / 。 I) ) ) n 2 0 0 0 0 0 2 8 0 0 0 0 42 00 0 02700 0 0 2 560 0 0 0 0 总总总排量( L) ) )3 。 2 6 6 6 6 62 。 48 1 1 12 。 41 1 18 3 。 78 港口牵引车动力及传动系统技术分析72 4 。 2日本T OYO AT 02 一 TD 25牵引车 0 2 一 DT 52 牵引车是国内引进较多的一个机型 , 因其优良的性能而倍受 国内 . ,)Jh 洁 赖 . 这 种牵引车采用整体式焊接车架 , 适应动力及传动系统的结构特点 , 车架内侧前宽 后窄 . 采 用直喷式柴油机作动力 , 液力机械传动 , 使牵引车具有良好的起动性能和加速 性能 。 驱动桥采 用 前置齿轮箱式驱动桥 。 转向桥采用独立悬架 , 驱动桥与车架刚性忿 挂 , 这样不但使发动机布置很低 , 传动轴倾角很小 , 方便了动力及传动系统的布置 , 而 且使整车重心很低 , 增加了稳定性 . 但是 , 由于 02 一 TD2 5 牵引车发动机功率较低 , 传动 系统采用液力变矩器 , 传动效率较低 , 因此在大牵引重量时 , 运行速度较低 . 4 . 3 美国C LA R KCTSOD牵引车 C LAR KCT系列牵引车系美国7 0年代后期产品 , 有CT 3 o 、 CT4o 、 CT5o 、 C T5 oD 等几个型号 , 属小型牵引车 , 用于港口 、 机场 、 货场等 。 各车型参数比较见表 2 。 裹 2 C LARKCT系列牵引车主要性能参数比较 型号 CT3 0C T40 CT50 C TS OD 牵引力(kN ) 13 。 34 4 17 。 7922 2 。 24 022 。 2 4 0 牵 引重量(t ) 31 。 7 5242 。 1855 3 . 52 5 53 。 525 最低车速(k。/h ) 7 7 。 1 2 g 最高车速( k m /h ) 自 重(t) P er ki n , F or d 3 0 0F or d300F o rd3 00 缸 数 一 缸径 x 行程( r n m) 6 一 10 2 x 10 1 6 一 1 02X1 0 1 6 一 1 02x10 14 一 98 x 127 总排量(L) 转速( m /m i n )26 0026 0 02 6 002肠0 发 动 机 从表2可以看出 , C L ARK牵引车除C T5oD型以外 , 其余各车型动力匹配完全一 样 , 而仅靠改变整车自重