（机械制造及其自动化专业论文）装载机dana32000型变速器液压系统分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：谬 日期：咖年夕月妒日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： k 知 日期：仰年夕月矽日 摘要 摘要 装载机是一种适应性强、用途广阔的工程机械。它作业环境复杂、条件恶 劣、稳定性差、换挡频繁且司机劳动强度大。随着科技的进步和不断改善劳动 条件的需要，人们对装载机在复杂环境中的工作性能提出了更高的要求。一方 面要求装载机有很好的可操作性和较高的可靠性，另一方面要求驾驶者享有很 高的舒适性。因此，进一步改善装载机各方面的工作性能已迫在眉睫。 本课题来源于“河南省重点科技攻关项目( 0 9 2 1 0 1 2 1 0 1 0 3 ) ，由郑州大学 机械工程学院和宇通重工联合开发，主要对装载机用d a n a 3 2 0 0 0 型定轴式动力 换挡变速器的工作性能进行分析和研究。其中，本文主要根据变速器液压系统 中的液压调节阀和换挡离合器的结构和工作原理，对它们进行了深入的理论与 仿真分析。针对影响变速器控制性能的一些关键因素，以液压控制系统为研究 对象，在分析对其影响因素的基础上，提出改善控制特性的措施。 本文的工作主要包括： ( 1 ) 详细介绍d a n a 3 2 0 0 0 型变速器的整体结构和工作原理，认真分析传 动控制原理和传动路线，并建立变速器内的控制和传动系统的物理模型。 ( 2 ) 分析d a n a 3 2 0 0 0 型变速器液压系统中液压调节阀工作原理，建立调 节阀物理模型和等效动力学模型，并对液压调节阀进行深入的理论和仿真分析。 ( 3 ) 分析换挡离合器的结构和工作原理，并建立换挡离合器液压缸的物理 模型。通过a m e s i m 仿真，得到影响其主要性能的参数分析结果，并寻求合适 的参数使系统的工作性能达到相对理想的状态。 ( 4 ) 针对影响变速器控制性能的一些关键因素，以液压控制系统为研究对 象，在充分分析的基础上，提出改善控制特性的措施，为进一步设计改进提供 依据。 通过对液压调节阀、换挡离合器以及整个液压控制系统工作特性进行分析， 能进一步改善变速器液压系统的整体性能，提高整机工作的可靠性，平顺性、 动力性和经济性。并为今后同类系统的设计研究提供一定的实用参考价值。 关键词：装载机变速器液压系统液压调节阀换挡离合器 a b s t r a c t al o a d e ri so n eo ft h em a i nm a c h i n e st h a ti su s e di nv a r i o u sa p p l i c a t i o n s i tc o x l w o r ki nc o m p l e xe n v i r o n m e n ta n da d v e r s ec i r c u m s t a n c e s t h ed r i v e r sn e e ds h i f t f r e q u e n t l ya n dt h e r ei sg r e a tl a b o ri n t e n s i t yf o rt h e m b e s i d e st h a t , i t sw o r k i n g s t a b i l i t yi sp o o rd u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s s w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o ra d v a n c e d t e c h n o l o g ya n di m p r o v i n gw o r k i n gc o n d i t i o n s ，p e o p l ew a n tt og e tb e t t e rw o r k i n g p e r f o r m a n c ef o rt h el o a d e r st h a nb e f o r ew h e nt h e yl l s et h e mi nt h e c o m p l e x e n v i r o n m e n t o no n eh a n d , t h eb e t t e ro p e r a b i l i t ya n dh i g h e rr e l i a b i l i t ya r ed e m a n d e d ； o nt h eo t h e rh a n d ，t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ts h o u l db em o r ec o m f o r t a b l e t h e r e q u i r e m e n t sb e c o m em u c hm o r ef o rt h ef i l r t h e ti m p r o v e m e n ti na l la s p e c t so ft h e l o a d e r s t h i sr e s e a r c hr o o t si nap r o j e c t i ti st h em a j o rs c i e n c e - t e c h n o l o g yp r o j e c to f d e p a r t m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fh e n a np r o v i n c e ，t h ep r o j e c tn u m b e ri s ( 0 9 2 1 0 1 2 1 0 1 0 3 ) t h e r ea r et w oo r g a n i z a t i o n sf o rt h i sp r o j e c t ，o n ei s s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , z h e n g z h o uu n i v e r s i t y ；t h eo t h e ri sy u t o n gh e a v yi n d u s t r i e s c o ，l t d a n dt h er e s e a r c hi s b a s e do nt h ed a n a 3 2 0 0 0f i x e d a x i sp o w e rs h i f t t r a n s m i s s i o n t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt r a n s m i s s i o nh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n d s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h eh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v ea n dt h es h i f tc l u t c ha r ef i n i s h e di n t h i sp a p e r t h r o u g ht h es t u d yo nt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r , t h ek e yf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h et r a n s m i s s i o nh a v eb e e ni m p r o v e d t h er e s e a r c hi ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i ti sd e s c r i b e di nd e t a i lf o rt h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e d a n a 3 2 0 0 0t r a n s m i s s i o n ，t h ec o n t r o lp r i n c i p l e sa n dt h et r a n s m i s s i o nr o u t e sh a v e b e e ns t u d i e dc a r e f u l l y , b e s i d e st h a t , t h ep h y s i c a lm o d e l so ft h ec o n t r o la n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t h et r a n s m i s s i o nh a v eb e e na c h i e v e d ( 2 ) a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so nt h ew o r kp r i n c i p l e so ft h eh y d r a u l i cc o n t r o l v a l v ei nt h ed a n a 3 2 0 0 0t r a n s m i s s i o n , t h ep h y s i c a lm o d e l sa n dt h ee q u i v a l e n t d y n a m i cm o d e l si nt h i sa s s e m b l yh a v eb e e nb u i l t ，f u r t h e r m o r e ，t h et h e o r e t i c a la n d a b s t r a c t s i m u l a t i o na n a l y s i sa l s oh a v eb e e nc o m p l e t e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es h i f t c l u t c h , t h ep h y s i c a lm o d e l so ft h es h i f tc l u t c hh a v eb e e ne s t a b l i s h e d w i t ht h e a m e s i ms i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h er e s u l t sw h i c ha l eo b t a i n e df r o mt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r st h r o u g hc h o o s i n gs o m ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sf o rt h es i m u l a t i o nm o d e l ( 4 ) b a s e do nt h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et r a n s m i s s i o na n dt h r o u g ht h es t u d y o nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s o m eo p t i m i z i n gm e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e da n dt h e ya l l o f f e rat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e ， t h es h i f tc l u t c ha s s e m b l ya n dt h ee n t i r e h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c eo f t h eh y d r a u l i cs y s t e mi nt h et r a n s i t i o nh a v eb e e ni m p r o v e d ，m e a n w h i l e ， t h e r ea l es o m ei m p r o v e m e n t si nt h e i rw o r k i n gr e l i a b i l i t ya n ds o m eo t h e ra s p e c t s t h e r e s e a r c hi nt h i s p a p e rm a yo f f e rs o m ep r a c t i c a lr e f e r e n c e s f o rt h i sk i n d o f e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m s k e yw o r d s ：l o a d e rt r a n s m i s s i o n ；h y d r a u l i cs y s t e m ；h y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e ； s l l i rc l u t c h i i i 1 2 3 目录 3 1 2 液压调节阀动力学模型的建立2 2 3 2 调节阀控制特性分析2 4 3 2 1 动力学方程的线性化2 4 3 2 2 系统特性分析2 5 3 3 调节阀仿真模型的建立2 6 3 3 1 调节阀性能试验系统2 6 3 3 2a m e s i m 软件介绍。2 6 3 3 3 调节阀试验系统建模2 8 3 3 4 调节阀性能仿真结果分析3 0 3 4 本章小结3 2 4 换挡离合器的液控特性分析3 3 4 1 换挡离合器概述3 3 4 1 1 换挡离合器的结构3 3 4 1 2 换挡离合器的工作原理3 4 4 2 换挡离合器液压缸的特性分析3 5 4 2 1 换挡离合器液压缸仿真模型的建立3 5 4 2 2 仿真结果分析3 6 4 2 3 换挡离合器液压缸参数的影响分析3 8 4 3 本章小结4 4 5 变速器液压控制系统特性分析4 5 5 1 液压控制系统的组成4 5 5 1 1 变速器液压调节回路4 5 5 1 2 变矩器液压回路4 5 5 1 3 变速器电液换挡回路4 5 5 2 液压控制系统的仿真与分析4 6 5 2 1 液压控制系统仿真模型的建立4 6 5 2 2 仿真结果分析4 8 v 目录 5 3 液压控制系统特性的影响因素及改善措施4 9 5 3 1 影响液压控制特性的主要因素4 9 5 3 2 改善液压控制特性的措施5 0 5 4 本章小结5 3 6 结论与展望5 4 6 1 结论5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 个人简历在学习期间发表的学术论文与研究成果5 8 致谢：5 9 v i 1 绪论 1绪论 目前，在现代的各种工程建设中，装载机已经成为重要的关键设备之一。 为了满足工程实际日益提高的性能要求，并适应现代科技的发展，人们不断从 多方面改进其性能。其中，对装载机变速器操纵控制方面的研究越来越受到人 们的重视，变速器是利用电子技术控制液压动力进入相应的换挡执行元件来进 行换挡操作的。但在换挡过程中会产生各种换挡冲击和动力中断等一系列换挡 不平稳现象，又由于装载机的工作条件十分苛刻，工作环境又十分复杂，这就 对装载机工作的动力性、经济性、可靠性和平顺性提出了更高的要求u j 。随着经 济水平的提高和科学技术的进步，人们对驾驶的安全性、舒适性等要求日益提 高，装载机的换挡品质和可靠性问题也越来越受到关注。改善液压控制系统特 性、消除换挡冲击性、提高换挡品质和提高装载机在复杂工作环境下的可靠性， 已成为工程机械变速器研究领域的一项重要课题。 1 1 课题的意义 装载机是一种适应性强、用途广阔的工程机械。它作为一种集铲、装、运、 卸作业于一体的自行式机械，被广泛应用于交通、水利、矿山、建筑和港口等 工程建设项目中。主要用于松散物料以及土石方的装载及运输工作，这就要求 装载机一方面要具有较大的动力性，另一方面要求本身具有良好的经济性、安 全性、可靠性和作业效率【2 】。由于它的工作环境十分恶劣，作业条件又十分复杂， 工作时的作业速度和阻力变化范围比较大。因此，为了满足装载机各方面的工 作性能要求，目前大中型装载机已在控制系统和传动系统利用了液压技术。在 控制系统中，一方面利用液压技术控制变速器换挡在很大程度上提高了控制的 灵活性，使司机操作换挡不受空间的限制，操作起来更方便更省力。另一方面 利用液压技术控制变速器有利于提高车辆的换挡品质和可靠性，使司机操作起 来更放心更舒适。在传动系统中，主要实现了用带有液力变矩器的变速器代替 以前传统的纯机械传动，从根本上解决了作业阻力和速度变化大时发动机经常 熄火、工作不平稳、动力性不足、发动机功率利用率低、生产效率下降和可靠 性差等一系列问题。 1 绪论 据统计，目前9 6 以上的工程机械均不同程度地利用了液压技术，并且有 关工程机械方面的液压产品在整个液压工业销售总额中已经达到了4 5 以上。 由此可以看出，利用液压技术的程度已经成为衡量一个国家工业水平发达与否 的重要指标【3 j 。 因此，由于装载机变速器各方面性能的优劣对整机的性能有十分重要的影 响。变速器的可靠性，换挡的平顺性以及寿命与整机的性能指标有着密切的联 系。液压控制系统是变速器实现换挡和提高换挡品质的主要控制部件，工程车 辆在起动、变速、换挡和停车过程中经常会频繁的操作液压系统。同时为了保 证车辆行走和工作过程中的各种良好的性能，鉴于液压技术的许多优点，必须 对变速器的液压系统进行深入的分析与研究1 4 】。 1 2 课题的提出 本课题装载机d a n a 3 2 0 0 0 型变速器液压系统分析与研究，是在考虑到 变速器液压控制系统重要地位的基础上，对液压系统所做的深入分析。 装载机在作业过程中，平均每3 6 秒换一次档，每小时换挡次数近千次，换 繁，装载机经常是边行驶边作业，司机驾驶过程中不仅控制车辆 控制工作装置，司机劳动强度大，操纵复杂，分散了司机的注意 辆作业行走过程中的不安全因素，且装载机经常是循环作业，任 恶劣，这就要求装载机具有灵活的可操作性和很高的可靠性。 对装载机作业时的工作可靠性、动力性、经济性、安全性和乘坐 的要求，有必要对变速器内的液压系统进行深入的分析与研究， 机各方面的工作性能。 要对变速器液压系统中的液压调节阀和换挡离合器进行理论和仿 对它们所在的液压系统提出一些有利于改善控制特性的措施，从 装载机的可靠性、动力性、经济性和乘坐舒适性等。本文的研究 的继续研究打下了基础，为今后的工程设计和使用提供一定的参 2 l 绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 我国装载机行业一直处于较为落后的状况，其发展速度缓慢。主要表现为 生产企业多、小、杂，经济效益欠佳，未形成规模。各生产厂家没有自己的拳 头产品，没有自身的关键技术及强有力的技术创新队伍，主导产品档次低，企 业负担重，生产成本高p j 。 在国内，由于技术比较落后，早期生产的工程机械变速器，其控制系统以 机械操纵或机液操纵为主，此种方式操纵手柄多，结构布置复杂，司机劳动强 度大，操纵费力，分散了司机的注意力，增加了行走作业时的不安全因素，且换挡 品质较差。 z 0 5 型履带式微型装载机是在金龙2 5 2 l 拖拉机的基础上改型设计而成的。 由于它出现较早，在控制系统采用了机械控制0 。其控制原理主要是利用拨叉拨 动滑动齿轮来实现换挡的。由于采用了纯机械操纵，其换挡灵活性很差，司机 操作劳动强度大。又由于采用机械控制的构件之间的间隙比较大，严重影响变 速器的换挡品质。 目前，随着我国装载机行业水平的不断提高，很多装载机厂家力求在控制 方式和换挡性能上有所提高和创新。经过近几年的研究和开发，国内大部分装 载机变速器已采用了液压操纵系统。 成工生产的z l 3 0 f 型装载机变速器，其控制系统采用了液压控制换挡。该 变速器具有可靠性高，刚性好、操纵舒适轻便等优点，大大减低了司机的劳动 强度。不过此液压系统中未采用调压阀，在换挡的瞬间，机械产生过高的瞬时 加速度，导致传动系统零件承受过大的冲击动载荷，使驾驶员感到前冲后仰的 颠簸。而且离合器采用了很早以前的结构，离合器结合和分离时性能没有得到 改善。 由于国内大多数装载机生产厂家生产的变速器，主要只是强调功能的实现， 不太注意换挡品质的控制，其液压系统中很少或根本不用液压调节阀【6 j 。 柳州工程机械股份有限公司通过引进国外的先进技术，不断自主创新，开 发出了适应市场需求的新产品 7 1 。z l i o o c 型大型装载机，其变速器采用了德国 克拉克公司生产的c 9 6 7 2 型单极三元件变矩器、8 2 1 4 型定轴式、具有自动换挡 系统的动力换挡变速箱。该变速器采用的液力传动变矩器和动力换挡变速箱， 3 1 绪论 具有操作简单方便、工作稳定可靠和换挡平顺等优点，在工程领域得到了广泛 的应用。 随着人们对驾驶的舒适性、可靠性、经济性和动力性的要求日益提高，我 国大多数装载机厂家不断开发出了更先进的新产品。主要是在液压控制系统中 增加了进一步改善换挡品质的调压阀。 z l 5 0 型装载机是近年来我国研制的可靠性很高、安全性很好、技术含量比 较高的新产品。其换挡变速器的液压系统如图1 1 所示。 图1 1 液力变速器液压系统回路 l 一油泵2 一调压阀3 变矩器4 变矩器进口压力阀5 冷却器 卜背压阀7 _ _ 之笼速箱润滑回路啦速换挡阀卜截流阀 该系统是由液压控制回路、变矩器补偿回路和变速箱润滑冷却回路组成的， 结构上采用了带弹簧蓄能器的调压阀。当操作电磁阀换挡时，油液一方面通过 进油油道进入到需要接通的离合器液压缸内，另一方面通过弹簧蓄能器的节流 小孔进入到离合器液压缸内。随着油液不断充满液压缸，工作油压开始逐渐增 大。此时，由于弹簧蓄能器的作用，蓄能器弹簧会随着油压的升高而被压缩， 随着弹簧的不断压缩，离合器液压缸内的油压逐渐上升，从而使离合器慢慢的 4 1 绪论 结合，这样十分有利于换挡品质的改善和提高。 近些年来，国外装载机生产企业为适应市场需求，在结构创新、采用新技 术和新材料方面作了大量的努力，使产品的各方面性能得以提高，产品更新速 度加快。目前，电子智能控制技术已在国外装载机上得到广泛的应用。 在国内，装载机电子控制技术方面的研究起步相对较晚，许多关键技术还 不成熟。据统计，国内应用电子控制技术的装载机平均无故障工作时间仅为8 0 0 小时，这些故障主要发生在电子控制系统和变速器液压控制系统中。主要变现 在：控制器抗干扰能力弱，响应不准确，换挡冲击严重，动力性不足等问题。 在控制方面，同济大学和吉林大学从事这方面的研究较早。早期，他们同 柳州工程机械厂进行合作，通过理论分析和试验验证，不断改进了液压控制方 面的性能。但在实际应用中，还经常出现换挡冲击和动力不足的现象。针对这 种现象，2 0 0 4 年它们从国# l a j l 进了变速器工作控制系统试验台。通过对变速器 架试验，从液压控制系统和电子智能控制两方面考虑，在控制系统中增 压缓冲阀和调节阀，经过几年的努力，该控制系统已经成功应用工程实 中。但与国外同类产品相比，性能还有明显不足。 国外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，国外装载机进入了一个新的发展时期，生产企业 市场需求，在结构创新和新技术，采用新材料等方面做出了大量的努力， 技术性能得到改善，使用寿命得以提高，更新速度加快，产品系列愈加 目前国外装载机新技术发展的一个显著特点是从最初的电子监控逐步发 统的电子控制，并已得到较为广泛的应用，比如变速器变速操纵的电脑 制系统等。以美国卡特彼勒、日本小松为代表的世界最先进的装载机广 微电子技术和机电一体化，变速器实行电子控制换挡和电子调压技术， 整机的换挡品质、工作稳定性、可靠性进一步得到提高和完善。 了提高液压系统的作业效率，c a s e 9 2 1 轮式装载机采用了高效的液压系 变速箱中采用了全封闭油箱。在油箱中应用了溢流阀系统，每当油箱内 降低时，油箱便会通过安装有过滤器的通气器和阀门从外面吸取空气。 中的油液受热膨胀和油缸工作使液位恢复原位时，油箱中多余的空气就 器中排出，然后再通过并联一个开启压力位o 0 7 m p a 的溢流阀来使油箱 一定的压力。油箱内的压力不仅能除去气泡，而且还能防止泵进油出现 5 1 绪论 气蚀和提高压力油的清洁度捧j 。 如图1 2 所示为美国卡特彼勒公司生产的c a t 9 6 6 f i 型装载机变速器液压控 制系统，该系统采用了电子控制。通过电子控制协调各个阀组的配合时机，提 高了装载机的可靠性、经济性和换挡品质。该控制阀组中主要有：变速阀、换 向阀、载荷柱塞阀、变矩器比例阀、压差阀、可调溢流阀和中位阀等组成。其 主要功能是：变速阀实现速度四个档位、换向阀实现前进和倒退、载荷柱塞阀 是控制离合器中压力增加的比率、变矩器比例阀使限制变矩器的进口压力、压 差阀是使速度离合器和方向离合器之间能够保持一定的压差，防止启动发动机 时造成车辆意外移动、可调溢流阀是控制系统中的最大压力、中位阀是用来切 断通往离合器的油路例。 图1 2c a t 9 6 6 f - i 型装载机变速箱液压系统 l 一油滤2 变矩器3 变矩器出口溢流阀体h 矩器出口溢流阀5 冷油器 6 、7 、8 、1 8 、1 9 、2 0 一离合器9 一油泵1 0 变速滑阀1 1 载荷柱塞阀 1 2 一 中位阀1 3 可调溢流阀1 4 压差阀1 5 滤油器1 6 变矩器比例阀 1 7 一换向阀2 l 一油箱2 2 节流阀 6 1 绪论 美国o & k 公司生产的l 1 5 、l 2 0 、l 2 5 、l 3 0 四种型号的装载机，变速器全 都采用四个前进挡和四个倒退挡的动力换挡变速箱和电子控制换挡控制器。其 液压控制系统中带有电液比例调压阀，其换挡品质通过调压阀控制换挡结合元 件的液压缸油压变化来实现，使得换挡品质大大提高，保证了变速器安全、平 稳、可靠地工作。如图1 3 所示为电液比例调压阀结构图【1 2 1 。 图1 3电液比例调压阀 藏压阀部分 1 4 本课题研究的主要内容 变速器是装载机的核心部件，车辆的起动、行走、换挡和停车都需要安全 频繁的操纵变速器。变速器的工作可靠性、平顺性和使用寿命对整机的性能影 响很大。因此，本课题结合装载机将对影响变速器主要性能的液压系统进行深 入的分析和研究，进而提高整个变速器各个方面的工作性能。 本课题为工程实际项目，通过查阅有关变速器方面的资料，分析国内外变 速器的研究现状和发展趋势，确定研究以下内容： ( 1 ) 以d a n a 3 2 0 0 0 型装载机变速器为研究对象，通过介绍变速器的整体 结构，建立变速器液压系统的物理模型和仿真模型，并对液压系统进行深入的 理论和仿真分析。 ( 2 ) 建立液压系统中液压调节阀的物理模型和等效动力学模型，分析液压 调节阀的工作原理，通过a m e s i m 仿真软件建立液压调节阀的仿真模型。并对 液压调节阀的工作特性进行深入的理论和仿真分析。 ( 3 ) 详细分析液压系统中换挡离合器的结构和工作特点，建立换挡离合器 液压缸的物理模型。通过仿真，对换挡离合器液压缸的工作特性进行深入的分 7 1 绪论 析和研究。 ( 4 ) 针对影响变速器控制性能的一些关键因素，以液压控制系统为研究对 象，在充分分析的基础上，提出改善控制特性的措施。 8 2 变速器基本原理 2 变速器基本原理 自2 0 世纪8 0 年代，世界著名的工程车辆和工程机械变速器生产厂家d a n a 公司生产出了多种变速器，如d a n a 2 9 3 6 3 2 型、d a n a 2 8 0 0 0 型和d a n a 3 2 0 0 0 型变速器【l o l 。该变速器主要应用在装载机、挖掘机、起重机等工程机械中。多 年来，由于该变速器各方面工作性能在工程实际中表现良好，至今一直在工程 机械领域受到青睐。 2 1变速器的结构组成 d a n a 3 2 0 0 0 型变速器是机电液一体化的产品，主要由液力变矩器、动力换 挡变速箱和电液控制系统组成，其整体结构如图2 1 所示。变速器工作时，动力 由发动机输入，经液力变矩器变矩后传至动力换挡变速箱的输入齿轮，经由不 同的摩擦离合器动作产生不同的档位，然后动力经传动轴驱动前后车轮运动。 变速器的工作原理如图2 2 所示。 2 1 1 液力变矩器 液力变矩器是液力机械传动系统中的主要部件之一。液力变矩器具有自动 适应性，工作过程中随着外载荷的变化，其输出转速和力矩也相应地发生改变， 并能够不断地吸收来自发动机和外界载荷对传动系统的振动和冲击。近几年来， 液力变矩器以其传动的平稳性和对变化的自适应性在汽车和工程机械中得到了 广泛的应用。随着液力机械传动逐渐增多，慢慢取代了传统的纯机械式传动， 其主要部件就是液力变矩器。该液力变矩器由由导轮、泵轮和涡轮组成。 1 液力变矩器的工作原理液力变矩器腔内充满了工作介质，当工作时， 发动机飞轮带动泵轮转动，此时发动机将转矩传给了泵轮，腔内工作液体一面 随泵轮做圆周运动，一面被迫沿泵轮叶片做相对运动，从而液体在离开泵轮时 获得由发动机的机械能转变为液体的压力能和动能。液体经泵轮的带动高速地 冲击涡轮叶片，使一部分液能转化为涡轮的机械能而迫使涡轮转动，并且使涡 轮轴上获得一定的转矩去克服外界的载荷阻力【1 1 】。从涡轮流出的液体进入导轮， 由于导轮是固定不动的，因此在导轮上消耗的功率为零，没有液能的损失。 9 2 变速器基本原理 1 图2 1d a n a 3 2 0 0 0 型变速器 l 供油油泵2 一液力变矩器3 换挡电磁阀4 一换挡变速箱 液体从导轮涡轮出口流经导轮的叶片时，液体的速度和大小都将发生变化。 速度大小的变化与进出口处的断面面积有关，当两者断面相等时，其速度大小 相等，速度方向的变化与叶片的形状和进出口安装角有关。液体的速度大小和 方向的变化导致了液体动量矩的改变，而动量矩的变化将产生给予液体的反作 用转矩。导轮的作用就是增加液体的反作用转矩并转化液体的压能为液体的动 能。此时，液体将以更高的动能冲击涡轮，涡轮吸收了更多的液能，使输出转 矩大大提高。随后，液体又从涡轮流入到导轮，一步一步循环重复着。如图2 3 所示为液力变矩器的工作原理图。 1 0 2 变速器基本原理 液力变炬嚣 广。1 ll 1 一一一。i 图2 2 变速器工作原理图 图2 3 液力变矩器工作原理图 l 变矩器输入轴2 变矩器外壳3 一涡轮4 一导轮5 泵轮6 输入齿轮 1 1 2 变速器基本原理 在液力变矩器中，由于导轮的作用，泵轮上的输入力矩和涡轮轴上的输出 力矩是不相等的。泵轮给液体的作用力矩和导轮给液体的反作用力矩的矢量和 通过液体传给了涡轮轴，当泵轮对液体的作用力矩的方向和导轮的反作用力矩 方向相同时，涡轮上的输出力矩就会大于泵轮上的输入力矩。反之，当两者作 用力矩方向相反时，涡轮上的输出力矩就会小于泵轮上的输入力矩。 2 液力变矩器的特性( 1 ) 液力变矩器的外特性【1 2 】液力变矩器的外特性 是指在泵轮转速刀詹( 或泵轮转矩瓦) 一定时，泵轮转矩t b ( 或泵轮转速刀r ) 、 涡轮转矩弓及变矩器效率叩随涡轮转速甩r 的变化规律，即疋= 瓦伽r ) 、 耳= 弓 r ) 和叩= r ( n r ) 。如图2 4 所示为液力变矩器的外特性。 - 蓐 互 刁 露2 a 穰 m 芦! 硎牺呕 - ，一一 - 。 矿 1 | 一 ， x、 l 毒 、 ， l , f i 一 | h1 _ ， 瓤 ， 厶，- o 。郧夕 露譬j 脚 图2 4 液力变矩器外特性曲线 ( 2 ) 变矩器的原始特性由于液力变矩器的外特性和通用特性都是在液力 变矩器一定型式和有效直径d 下获得的，因此，即使对同一类型的液力变矩器， 当d 和刀r 变化后，其外特性曲线和通用特性曲线都完全不一样。为了表示液力 变矩器的性能，广泛采用原始特性。 液力变矩器的原始特性反映泵轮转矩系数a r 、效率，7 、变矩系数k 随转速 比f 的变化规律，即砧= 砧( f ) 、k = k ( f ) 、和叩= 叩( f ) 。 ( 3 ) 变矩器的输入特性液力变矩器的输入特性反映不同转速比时，泵 轮转矩瓦随泵轮转速n 口的变化规律，即死= ( ) 。泵轮转矩乙为 1 2 2 变速器基本原理 瓦= 砧触；d 5 ，对于给定的液力变矩器用给定的工作液体在给定的工况下， a 。p g d 5 等于常数。 ( 4 ) 变矩器的动态特性上面介绍的变矩器的外特性和原始特性都是在 假定液力变矩器处于稳定工况的基础上获得的，一般称之为静态特性。当液力 变矩器在非稳定状态下( 如车辆加减速、制动、冲击、振动) 工作时，其性能 将与静态性能有显著的差别。在非稳定工况下获得的特性称为动态特性。 液力变矩器的动态特性是指泵轮和涡轮轴上的动态转矩砰、一带，泵轮和 涡轮的转速c o b 、c o t 及转速比与时间的关系。即一带= 一带( ，) ；砰= 碧( ，) ； c o b = 国占( f ) ；c o t = c o r ( f ) 和待i ( t ) 。 2 1 2 动力换挡变速箱 动力换挡变速箱由液压泵、换挡齿轮和换挡执行部件等组成。动力换挡变 速箱中，机械传动部分一般采用齿轮传动，主要有定轴式和行星式两种型式。 采用电磁阀控制换挡压力油的流向，利用液压动力使离合器的摩擦结合元件接 合和分离来进行换挡。两种型式的变速器各有特剧1 3 】。 如图2 5 所示为d a n a 3 2 0 0 0 型定轴式变速箱的剖面图。该动力换挡变速箱 的内部结构简单，设计、加工及装配容易，制造精度要求不高，造价低，零件 的通用性好，离合器易于实现模块化设计，维修方便等，它适用于前后都要输 出动力的机械，易改变档位数、变速比并且很容易布置各种附属装置，变速器 上每根轴上的零件都能够准确定位，并且误差不会累积到另一根轴上，有利于 同一型号的定轴式变速器应用于各种不同的机械上。 行星式动力换挡变速箱属于同轴传动。它特别适用于同轴布置，单向输出 的机械，它的内部结构紧凑，重量轻，工作时的传递效率高，特别适用于大功 率机械和要求布置紧凑的机械和车辆。 2 2 变速器的工作原理及传动路线 2 2 1 变速器的工作原理 如图2 6 所示为动力换挡变速箱内的动力传动路线。动力由发动机经联轴器 把动力传给液力变矩器的泵轮轴，泵轮叶片搅动液体旋转运动，高速旋转运动 的液体再冲击涡轮的叶片给涡轮一定的速度和力矩，涡轮轴链接变速箱的输入 1 3 2 变速器基本原理 轴，把动力传递给箱内的齿轮。根据工作状况，操纵电液控制换挡阀实现换挡， 同时相应的离合器结合，按预定的齿轮传递路线输出动力，完成换挡。 图2 5d a n a 3 2 0 0 0 型换挡变速箱剖面图 l 一离合器k r 2 一离合器k 33 一离合器k v4 一离合器k 2 5 一离合器k 46 一离合器k 1 2 2 2 变速箱内各档位的齿轮传递路线 ( 1 ) 前进i 档传动路线【1 4 】： 离合器k 1 、k v 结合，即动力由齿轮1 3 寸齿轮1 1 专离合器k v 专齿轮9 专 齿轮1 0 专齿轮6 专齿轮5 专离合器k 1 _ 齿轮3 一齿轮2 哼齿轮1 专经输出轴传至 前、后桥。 ( 2 ) 前进i i 档传动路线： 1 4 2 变速器基本原理 输入 动力 1 s 魏i咚 图2 6 变速箱内齿轮传动路线 1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 _ 齿轮k v - 1 菏进离合器 k r 一后退离合器k 1 、k 2 、k 3 、k 4 一i 、档离合器 离合器k 2 、k v 结合，即动力由齿轮1 3 专齿轮1 1 j 离合器k v 一齿轮9 专 离合器k 2 一齿轮7 专齿轮3 一齿轮2 一齿轮1 j 经输出轴传至前、后桥。 ( 3 ) 前进档传动路线： 离合器k 3 、k v 结合，即动力由齿轮1 3 专齿轮l l 专离合器k v 专齿轮9 专 齿轮l o 专离合器豳专齿轮8 专齿轮7 一齿轮3 专齿轮2 一齿轮1 专经输出轴传至 前、后桥。 ( 4 ) 前进挡传动路线： 离合器k 4 、k v 结合，即动力由齿轮1 3 一齿轮11 专离合器k v 专齿轮9 一 齿轮1 0 哼齿轮6 一齿轮5 _ 齿轮4 一离合器k 4 哼齿轮2 一齿轮1 _ 经输出轴传至 前、后桥。 ( 5 ) 后退i 档传动路线： 1 5 离合器k 1 、k r 结合， 齿轮6 一齿轮5 一离合器k ( 6 ) 后退i i 档传动路 离合器k 2 、k r 结合， 齿轮9 一离合器k 2 一齿轮7 专齿轮3 专齿轮2 专齿轮1 一经输出轴传至前、后桥。 ( 7 ) 后退档传动路线： 离合器k 3 、k r 结合，即动力由齿轮1 3 一齿轮1 2 专离合器k r 一齿轮1 0 j 离合器瞄专齿轮8 一齿轮7 专齿轮3 一齿轮2 _ 齿轮1 专经输出轴传至前、后桥。 2 3 电液控制系统 电液控制系统可分为电气控制系统和液压控制系统。电气控制系统主要有 档位控制器、挡位选择器、传感器和连接电缆等部分组成。液压控制系统主要 有变速泵、吸油滤清器、电控操纵阀、安全阀、调压阀、油冷却器等部分组成【1 5 1 ， 其控制结构组成如图2 7 所示。液压控制系统主要分为变速器液压调节回路、变 矩器液压回路和变速器电液换挡回路三部分【1 6 】。 2 3 1变速器液压调节回路 变速器液压调节回路主要包括液压调节阀和溢流阀，液压调节阀是变速器 内的重要元件之一。根据装载机的工作状况，它能自动调节进入变矩器的工作 油液流量，满足变矩器的正常工作需要，同时它能够以一定的速度建立起离合 器液压缸内的压力，适时的控制离合器内的油压上升时间和和油压上升规律， 确保摩擦离合器能够快速平顺地结合，从而减少换挡冲击，提高乘坐舒适性， 同时延长了变速器本身的使用寿命。随着技术的进步，大多数装载机生产厂家 开发了微机控制自动换挡变速器，如电子调压阀、比例电磁阀等。 2 3 2 变矩器液压回路 液压油通过过滤器由油泵吸到调节阀口，经过调节阀的调压作用后一路油 进入方向离合器和速度档位离合器控制阀，控制车辆的前进、后退和速度档位。 一路油进入到变矩器，为了防止进入到变矩器的压力油过高，油路中还在进口 处设置了一个安全阀，该安全阀是一个溢流阀，当压力过高时，安全阀自动打 开溢流。同时为了使变矩器内得液压油保持一定的压力，并且防止产生气蚀现 】6 2 变速器基本原理 图2 7d a n a 3 2 0 0 0 型变速器液压控制系统 l 一油泵2 液力变矩器的进油口 3 一与变速器的连接断面4 一换挡电磁阀的进油口5 一油泵的进油口6 一油泵吸油管道7 换挡电磁阀的进油管道8 一液力变矩器9 一换挡 电磁阀组l o 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、2 0 一换挡离合器的进油管道1 5 一离合器k v1 6 一离合 器k 21 7 变速器底部油箱1 8 一离合器k r1 9 一离合器k 32 1 变速器的润滑油道 1 7 2 变速器基本原理 象，在出口处设置了一个背压阀。经变矩器流出的液压油，通过油冷却器进入 到变速箱内润滑各离合器、齿轮和轴承。 2 3 3 变速器电液换挡回路 如图2 8 所示为d a n a 3 2 0 0 0 型变速器的液压换挡操作油路，该电液换挡回 路由5 个