（机械工程专业论文）zl50装载机滚柱式超越离合器失效分析及设计工艺研究.pdf

摘要 摘要 自2 0 世纪8 0 年代至今，z l s o 型轮胎式装载机一直是中国国内装载机的主 力机型。滚柱式超越离合器与液力变矩器联合使用在装载机上，具有车辆通过性 强、自动无级变速、自动防止发动机过载等诸多优点，是装载机传动系统的最常 见结构之一。 本文简单介绍了超越离合器的相关背景知识和装载机的相关知识，简单介绍 了滚柱式超越离合器的工作过程以及滚柱式超越离合器在装载机传动系统中的 作用。 对于滚柱式超越离合器的设计及工艺分析，最常见的假设都是超越离合器的 滚柱和内环凸轮均匀受力。而在实际工况中，超越离合器的所有滚柱按照理想状 态均匀受力是很少存在的，并且，超越离合器的微观上的受力不均匀，往往是导 致早期疲劳源的主要原因。 本文介绍了有限元法的相关知识，然后对a n s y s 和a n s y sw o r k b e n c h 软件进 行简单介绍，并根据装载机传动系统的实际工况，以地面附着条件将导致轮胎打 滑限制发动机动力的发挥为条件确定了工作载荷，通过动力匹配计算，系统地对 滚柱式超越离合器进行了受力分析；在此基础上对超越离合器滚柱均匀受力和不 均匀受力都进行了有限元分析。 本文介绍了滚柱式超越离合器的主要失效形式，然后通过对滚柱式超越离合 器失效反馈数据和制造过程制造过程的分析，总结影响滚柱式超越离合器失效产 生的因素。最后分析了结构参数和制造误差对离合器失效的影响。 本文在对滚柱式超越离合器的失效分析与受力分析的基础上，在结构设计、 材料设计、工艺设计等方面提出了提高超越离合器可靠性的措施。通过内环凸轮 和隔离环的材料、加工工艺等提出改进措施，提高它们的可靠性，并对隔离环和 弹簧定位进行结构优化，改善它们的受力状态，使之更加趋于合理。 通过大量的实践和改进，z l 5 0 型超越离合器的故障率大幅度的下降，由异 常波动时期的4 5 下降到1 甚至0 5 以内，并且进一步通过了过程稳定控制， 达到了i s o9 0 0 0 国际标准的产品性能要求。 关键词：滚柱；超越离合器；不均匀受力；有限元分析 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t ii _ i i i i i 皇曼皇鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼蔓皇曼皇曼曼曼璺 a b s t r a c t z l 5 0w h e e l l o a d e rh a sb e e nt h ef l a g s h i pm o d e li nc h i n e s ew h e e l l o a d e rm a r k e t s i n c et h el a s t8 0 s i nc o m b i n a t i o nw i t hh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t o r , a so n eo ft h em o s t p o p u l a ra s s e m b l yi nw h e e ll o a d e r , o v e r r u n n i n gc l u t c hl e a d st oh i g h e rv e h i c l e t r a f f i c a b i l i t y , a u t o m a t i ci n f i n i t e l yv a r i a b l es p e e dd r i v ea n do v e r l o a dp r o t e c t i o nf o r e n g i n e t h i sp a p e rg i v e sab a c k g r o u n dk n o w l e d g ei n t r o d u c t i o no no v e r r u n n i n gc l u t c h a n dw h e e l l o a d e r , i n c l u d i n gz l 5 0d r i v e t r a i na n do v e r r u n n i n gc l u t c ho p e r a t i n g p r i n c i p l e i d e a lu n i f o r ms t r e s sa n a l y s i sa sc o m m o na s s u m e dc o n d i t i o nt h a tt a k e nd u r i n g d e s i g na n da n a l y s i sa c t u a l l ya l m o s tn e v e rh a p p e n e di nr e a lw o r kc o n d i t i o n i ts h o w e d u pm a td i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n sa m o n ga l lt h er o l l e r sc a u s ep a r t i c u l a rs t r e s s ， o v e r s t r e s sa n ds u r f a c ec r a c ko r i g i n t 1 1 i sp a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n s y sa n d a n s y s 肋r k b e n c h 乃v e r i f yt h ea b o v ec o n c e p to ns o f t w a r ev i e w , f e a 。f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，a n s y sw o r k b e n c hi su s e di nt h i sp a p e r , b a s e do nr a t e dp o w e ri n p u ta g a i n s t o v e r r u n n i n gc l u t c h t y p i c a lf a i l u r ep a r t so fo v e r r t m n i n gc l u t c ha r ep i c t u r e di nt h i s p a p e rt om a k eav i s i b l er e p r e s e n t a t i o na n ds h o wt h er e a lf a i l u r es i t u a t i o n b o t ht h e f e a a n a l y s i sa n dt h ef a i l u r ep a r t se v i d e n c e dt h ed i f f e r e n ts t r e s so fd i f f e n tr o l l e r s b a s e do nt h ef e aa n a l y s i sa n dt h ef a i l u r ep a r t s ，s e v e r a lc o u n t e r m e a s u r e sa n d i m p r o v e m e n t sw e r er e c o m m e n d e do ri m p l e m e n t e do nv i e wo fc o m p c n e n tm e c h a n i c a l d e s i g n ，c o m p o n e n tm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h ef a i l u r er a t eo fo v e r r u n n i n gc l u t c hd r o p p e dd o w nd r a m a t i c a l l yf r o m4 5 t 0l o rl e s st h a n0 5 a f t e rt h ei m p r o v e m e n t s a n dw i t ht h ea c h i e v e m e n to f s t a b i l i z a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o c e s s ，t h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fo v e r r u n n i n gc l u t c h m e e ta l lt h er e l a t e dr e q u i r e m e n t so fi s o9 0 0 0s t a n d a r d k e y w o r d s ：r o l l e r ；o v e r r u n n i n gc l u t c h ；p a r t i c u l a rs t r e s s ；s t r e s sa n y l y s i s i l l i v 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t c o n t e n t a b s t r a c t i t i s y m b o ld e s c r i p t i o n v c h a p t e rl i n t r o d u c t i o n i 1 1i s s u eo r i g i na n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2d o m e s t i ca n df o r e i g nc u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n 3 1 3r e s e a r c hc o n t e n to f t h ei s s u e 5 c h a p t e r2t r a n s m i s s i o na g e n to fr o l l e ro v e r r u n n i n gc l u t c h 7 2 1g e n e r a ls t r u c t u r eo fw h e e ll o a d e r s 7 2 2s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e r 8 2 3t r a m i s s i o np r i n c i p l e 10 2 4t r a m i s s i o nr o u t eo fz l 5 0w h e e ll o a d e r s g e a rb o x 1 2 2 5 s u m m a r y 14 c h a p t e r3f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i so fr o l l e ro v e r r u n n i n gc l u t c h 1 5 ： 1 o v e r v i e w 15 3 2 b r i e fi n t r o d u c t i o no ff i n i t e e l e m e n t1 5 3 3b r i e fi n t r o d u c t i o no fa n s y sa n da n s y sw o r k b e n c h12 16 3 4w o r kc o n d i t i o ni n p u t 18 3 5m a t c h i n go fd y n a m i c a ls y s t e m 1 9 3 6o v e r r u n n i n gc l u t c hf o r c ea n a l y s i s 2 3 3 7f i n i t e - e l e m e n t a n a l y s i so fr o l l e ro v e r r u n n i n gc l u t c h 。2 9 ：；8 s u m m a r y 3 9 c h a p t e r4i n f l u e n c ef a c t o r so fo v e r r u n n i n gc l u t c h f a i l u r e 4 1 4 1m a i nf a i l u r ef o r mo fo v e r r u n n i n g c l u t c h 41 4 2d a t aa n a l y s i s 4 4 4 3 q u a l i t yc o n t r o lo fm a n u f a c t u r ep r o c e s s 4 9 4 4 f a i l u r ee f f e c t o fs t r u c t u r ep a r a m e t e r 5 4 4 5f a i l u r ee f f e c to fm a n u f a c t u r e e r r o r 5 5 m 山东大学硕士学位论文 4 6 s u m m a r y 5 8 c h a p t e r5i m p r o v e m e n tm e a s u r e sf o ro v e r r u n n i n gc l u t c hr e l i a b i l i t y 5 1s t r u c t u r ed e s i g n 5 9 5 2m a t e r i a l d e s i g n 6 2 5 3t e c h n o l o g yd e s i g n 6 6 1 ；4 s u m m a r y 71 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n & p r o s p e c t 7 3 r e f e r e n c e 7 5 p a p e r sa n da c h i v e m e n t sd u r i n gs t u d yf o rm a s t e r d e g r e e 7 9 t h a n k s 8 1 i v 符号说明 符号说明 坛一变矩器泵轮输入有效扭矩 k 一液力变矩器变矩系数 ，7 一液力变矩器效率 一从变矩器到超越离合器的总传动比 ，7 。一从变矩器到超越离合器的总传动效率 g o 一装载机附着重量 妒一地面最大附着系数 f z 一从驱动轮到超越离合器的总传动比 7 7 一从驱动轮到超越离合器的总传动效率 m j 一超越离合器扭矩 m 坍一发动机额定扭矩 峨一发动机传给变矩器泵轮轴的净 吩一发动机附件消耗的扭矩 一变量泵消耗的扭矩 绕，一变速泵流量 办。一变速压力 ，z 扪一变速泵转速 7 7 。，一变速泵效率 蚴一转向泵消耗的扭矩 m 矿。一转向泵工作时消耗的扭矩 蚴：一转向泵空载时消耗的扭矩 v 山东大学硕士学位论文 q ：一转向泵流量 见，一转向泵工作压力 见：一转向泵空载压力 玎：一转向泵转速 ，7 ：一转向泵效率 m 盯一工作装置油泵消耗的扭矩 。一工作装置油泵工作时消耗的扭矩 2 一工作装置油泵空载时消耗的扭矩 九一泵轮力矩系数 m 。一泵轮轴上的输出扭矩 一泵轮轴上的输出转速 y 变矩器工作介质重度 啊一涡轮转速 m 一涡轮输出力矩 巧一涡轮转速 广- 外环凸轮角转速 。 广内环凸轮角转速 彳一滚柱与内环凸轮间的滑动摩擦系数 z 一滚柱与外环凸轮间的滑动摩擦系数 m 滚柱作用在内环凸轮上的正压力 2 滚柱作用在外环凸轮上的正压力 a 一楔紧角 b 一压紧弹簧力 r 一外环内表面半径 符号说明 z 一滚柱数量 卢一压紧弹簧力作用方向与o y 轴的夹角 厶一滚柱在接合状态时的静摩擦系数 r 一滚柱半径 l 一滚柱长度 h 一滚柱在内环凸轮上的工作面高度 d 一滚柱直径 仃一滚柱与内环凸轮和外环齿轮之间的挤压应力 6 一平面跳动误差 v i l v i 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 装载机是一种在轮胎式或履带式基础车上装有一个铲斗工作装置的循环作 业式土方工程机械。近些年来，装载机无论在结构、传动、材料和轮胎等方面都 有了很大改进和提高，特别是轮式装载机，具有作业速度快、效率高、机动性好、 操作轻便、灵活等优点，既能给汽车、卡车、火车等运输设备以及许多固定设备 装料，也能自推、自铲、自装、自卸、自运及堆垛等，而且更换工作装置后可以 用作起重机或叉车等机械，同时还可以作牵引车用，是一种适应性较强的一机多 用的工程机械【l j 。 我国装载机行业发展起步较晚，但发展很快，尤其是进入2 1 世纪后，我国 装载机行业进入超高速发展阶段。即使在2 0 0 4 年的宏观调控中，装载机总销量 仍在上升，2 0 0 8 年已经突破1 7 万台，占全世界产销量的2 3 以上，2 0 0 9 年虽 然受经济危机影响，销量有所下斛2 1 ，但2 0 1 0 年装载机销量突破2 2 万台【3 】( 见 图1 1 、表1 1 ) ，同比增幅超过5 0 ，且2 0 1 0 年中国装载机出口达2 4 9 9 6 台， 比2 0 0 9 年增长了6 2 4 ，接近以前的最高年出口量2 0 0 8 年的2 5 4 3 4 台，出口金 额9 2 2 亿美元，超过了最高的2 0 0 8 年的9 1 7 亿美元。 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 、 二三1 5 0 0 0 0 器 1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 l n ， ? ，、，h 毒毪擎擎擎拿擎擎妒亨擎妒擎擎夺审窜 图卜1中国装载机行业历史销量增长曲线图( 1 9 6 6 2 0 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 表1 - 1 中国装载机行业历史销量统计表( 1 9 6 6 - 2 0 1 0 ) 年份 1 9 6 61 9 6 71 9 6 81 9 6 91 9 7 01 9 7 11 9 7 21 9 7 31 9 7 4 销量台4 04 56 21 9 01 1 82 2 02 9 63 7 44 5 3 年份 1 9 7 51 9 7 61 9 7 71 9 7 81 9 7 91 9 8 0 1 9 8 1 1 9 8 21 9 8 3 销量台 6 0 77 5 l9 9 11 2 4 01 9 4 92 7 5 615 6 02 0 7 22 8 4 0 年份 1 9 8 41 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 2 销量台 3 9 4 85 7 2 25 7 8 56 5 0 48 0 1 18 1 5 07 7 5 29 0 4 51 3 3 6 7 年份 1 9 9 3 1 9 9 41 9 9 5 1 9 9 61 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 销量台 1 7 6 8 31 3 7 8 61 6 8 6 31 7 6 8 31 7 4 8 41 8 0 4 62 0 5 6 12 3 2 7 7 3 3 2 9 5 年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 销量台 5 0 9 0 28 1 3 1 11 0 3 8 5 81 1 2 5 2 71 2 9 7 9 31 6 5 6 8 41 7 2 9 9 91 5 0 8 7 9 2 2 4 0 9 2 2 0 1 0 年国内装载机现保有量超过1 0 0 万台，行星式变速器装载机市场份额 占7 0 ，现保有量超过7 0 万台，而滚柱式超越离合器则是行星式变速器的核心 部件，z l 5 0 系列轮式装载机广泛使用滚柱式超越离合器，并配合双涡轮四元件 的液力变矩器，显著提高了变矩器在小传动比范围内的变矩系数和效率，而且展 宽了高效区，对于提高传动效率和改善装载机的牵引性能起着非常重要的作用； 另外滚柱式超越离合器可以根据外界阻力的变化自动楔紧与脱开，其作用相当于 使变矩器增加了1 个两挡自动变速器，并随负载变化而自动换挡，减少了变速 器的挡位，因此它在降低劳动强度，提高工作效率方面也有着明显的优势【4 】。 根据行业经验，国内超越离合器的故障率在变速器故障率中所占比重较大， 超越离合器故障是变速器最常见故障之一。而滚柱式超越离合器的使用寿命一般 为1 年至2 年( 约合2 0 0 0 小时至4 0 0 0 小时) ，在应用实践中，滚柱式超越离合 器损坏时往往出现多元件同时损坏，并且由于超越离合器一般用于机器内部使 用，失效早期难以诊断且不易查找原因。因此，找出失效原因和主要影响因素并 提出设计及工艺对策，不仅可以提高装载机的使用寿命，降低维修频率，而且具 有显著的经济效益和良好的社会效益。 国内外对超越离合器的研究已经开展多年，研究方向比较专一。专一的研究 方向虽然容易保证研究的深度，但是难以提供整体的解决方案。为此本研究旨在 以z l s o 装载机使用的滚柱式超越离合器为例，在批判地继承已有研究成果基础 上，结合多年在山东临工工程机械所从事的技术与管理工作所获得的第一手资 2 第1 章绪论 料，提出系统、综合、实用的解决方案。 1 2 国内外研究现状 离合器是主、从动部分在同轴线上传递动力或运动时，具有结合或分立的功 能的装置，按离合动作的过程可分为操纵式( 如机械式、电磁式、液压式、气压 式) 和自控式( 超越式、离心式、安全式) 【5 1 。 机械离合器( m e c h a n i c a l l yc o n t r o l l e dc l u t c h ) 是在机械机构直接作用下具有离 合功能的离合器；超越离合器( o v e r r u n i n gc l u t c h ) 是根据主、从动轴间相对速度差 的不同来实现连接或分立的离合器【6 1 ；滚柱离合器( m i l e rc l u t c h ) 用滚柱和星轮、 滚柱和滚道组成摩擦副的离合器： 滚柱式超越离合器( r o l l e ro v e r r u n n i n gc l u t c h ) 是以上三种离合器的复合，是一 种随速度变化和回转方向的变换而能自动连接或脱开的离合器，并利用滚柱对外 环及星轮同时楔紧作用来传递单向运动和扭矩【_ 7 1 。 滚柱轴承离合器是一种新型的摩擦式超越离合器，与其它超越离合器相比具 有承载能力高、楔紧可靠、寿命长等特点，同时兼有离合器和轴承的功能，可以 简化传动结构，具有广泛的应用前景。 一 国外早在2 0 世纪7 0 年代，美国航空宇航局( n a s a ) 开始对高速超越离合器 进行研究。超越离合器的研究是n a s aa r t - i 计划的主要研究内容之一，而到 目前为止在国外已经是成熟的产品，如在日本，滚柱轴承离合器已经广泛应用于 工业自动化机械方面及航空工业。 t a n a k am i c h i h i k o t s 】研究关于离合器的内、外圈和滚柱体的几何和力学关 系模型的建立，为分析离合器中任意一组滚柱体与内外圈接触副的摩擦学和接触 强度特性提供了强有力的理论支柱。b r a c c e s ic t 9 】研究使用试验模态分析来模拟 结构动力学的改变，推导出n 自由度线性定常系统结构的运动微分方程的一般形 式，进而得到频域载荷识别的基本关系式，为得到超越离合器载荷识别结果数据 奠定了基础。m a l l a ts a t l o 】提出一个关于小波多分辨率信号分解的理论：小波表 示，并指出小波分析概念的最初来源及其解决实际问题的应用，展示了其在故障 诊断领域里显示出的强大的生命力。v i c k e r h a u s e rv i n r i a 1 1 】关于小波包算法的 研究，在数学上做了严密的推导，弥补了多分辨率分析对高频部分不能分解的缺 陷，形成一种更精确的信号分解方法。s h i n i c h i r of u j i k a w a t l 2 】关于应用于汽车工 业中冷锻和热锻的研究，分析了超越离合器壳体的切削加工、拉削加工、热精锻 加工等方法的利于弊，与采用冷挤压成形加工方法形成对比，为本课题工艺选择 3 山东大学硕士学位论文 提供理论基础。b u d y n a s sr i c h a r dg 【1 3 1 研究先进的强度和应力的分析方法，指出 了在弹性接触问题上，需根据赫芝公式把集中力转变为分布力，进而求得构件的 法向刚度。l i uk ，b a m b ae 【1 4 】研究分析超越离合器滑动摩擦，并在考虑了超越 离合器滚柱变形的条件下建立起超越离合器的滚柱摩擦做工的数学模型，为滚柱 式超越离合器的能耗分析、动力学分析和优化设计提供了一定理论依据。 国内对超越离合器的研究相对来说要少得多。并且由于国内航空和汽车等民 族工业的落后，对超越离合器的使用需求不够，对超越离合器的研究处于民间分 散状态。只有少数几家民营企业在做超越离合器的试制和研究工作，研究水平和 产品水平都较低，主要用在非汽车和航空的其它民用领域。目前在汽车和航空领 域使用的超越离合器大都依靠进口或由外资厂提供。虽然如此，仍然有一定的研 究新成果。 詹永红等【l5 】分析国内装载机变速器所采用的具有代表性的两种超越离合器 的优缺点和失效的主要原因。卞维展等【4 】以广泛采用的保持架式超越离合器为 例，分析了摩擦副间的接触强度、零件的设计制造精度和材质及其热处理等影星 可靠性的因素，提出了设计超越离合器适应注意的问题。湘潭工学院资源工程系 的罗一新教授等【l6 】研究应用模糊数学的理论与方法建立了离合器系统模糊可靠 度的数学模型，并与用常规方法计算的离合器系统可靠度进行了比较，为安全工 程人员进行工程设计或可靠性分析提供了一种实用模糊数学方法。西安重型机械 研究所的种建吲r 7 】发现部分离合器弹簧力设计资料在应用中存在一些问题，故需 对滚柱的运动作全面的分析，并推导出正确的弹簧力计算公式。罗一新、曾周亮 【”j 解决了六滚柱式超越离合器外环拉伸应力的实例，成功的模拟了该离合器的工 况，并解决了其加载的问题。湘潭工学院禹金云、罗一新【l9 】研究并成功运用光弹 性试验测定五滚柱式超越离合器外环的拉伸应力，验证已有的计算方法，解决工 程界一大难题。大连大学的陈殿华、商桂芝、李玉光【2 0 】用弹性力学有限元方法研 究滚柱体式超越离合器的工作特性，提出了摩擦自锁条件及滑动摩擦区间计算的 新方法，为滚柱体式超越离合器的设计和应用提供理论基础。孔炜、朱春梅等【2 1 j 将载荷识别技术应用于航空发动机启动超越离合器受载分析，采用试验模态分析 理论和载荷识别原理，导出了系统的频响函数矩阵，对超越离合器受载进行了识 别，数据处理可靠。丁平芳、蒋立俏、何向荣瞄】根据超越离合器的结构进行受力 分析，以确定导致超越离合器产生故障的原因，并提出减少离合器出现故障的方 法。罗一新、窦一兵等【2 3 】论述了小波包分解及其能量谱处理超越离合器故障的原 理与方法，其结果表明小波包及小波包分解能量谱比传统的傅里叶分析方法具有 4 第1 章绪论 更大的优越性及实用价值。北京机械工业学院的张永岗、姚文席【2 4 】分析了阿基米 德螺线型外星轮式超越离合器的楔角及楔角函数，并讨论了极角、滚子半径、超 越离合器结构尺寸、磨损等因素对楔角的影响，该研究为超越离合器的结构设计 提供了理论依据。南京工程学院的伍太宾、孔凡新 2 5 】研究通过控制金属流动，采 用合适的凸模结构及合理的坯料形状，对离合器壳体内孔型腔进行了冷挤压成形 加工，其与传统的切削加工工艺相比是一种优质、高效、经济、适用的少无切削 加工新工艺。天津工业大学的杨世明【2 6 】分析了滚柱超越离合器接合时空转角产生 的原因，提出了一个运动模型，并给出了空转角的计算公式。哈尔滨工业大学的 薛源【2 7 】分析了滚柱式超越离合器在接合过程中能量消耗的实质，建立了接合能耗 的数学模型，导出接合能耗和接合扭转刚度的计算式，并在此基础上给出阻尼比 容和损失因子的计算式。西北工业大学机电学院的谢明军、陈国定【2 8 】通过分析不 同误差条件对滚柱偏载的影响，为超越离合器的制造以及装配过程中控制误差提 供重要的数值依据。 1 3 本课题研究内容 本文以用于z l s o 装载机使用的滚柱式超越离合器为研究对象，主要研究内 容如下： 1 通过对z l 5 0 轮式装载机传动系统分析，理清滚柱式超越离合器的工作过 程，并对滚柱式超越离合器进行理论分析； 2 利用s o l i d w o r k s 软件建立三维实体模型，并将模型导入a n s y sw o r k b e n c h ， 进行前处理； 3 对滚柱式超越离合器分别进行均匀受力分析和不均匀受力分析，分析滚 柱的受力情况； 4 分析滚柱式超越离合器故障原因以影响因素，并提出改进措施； 5 提高滚柱式超越离合器可靠性措施分析。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章滚柱式超越离合器装载机传动系统 第2 章滚柱式超越离合器装载机传动系统 2 1轮式装载机的总体构造 轮式装载机主要由动力系统、传动系统、车架、转向系统、制动系统、行走 装置、工作装置、工作液压系统、电气系统和操纵系统等组成( 如图2 1 所示) 啪1 。 动力系统( 柴油机) 传来的动力，一部分经过变矩器传给变速箱，再由变速箱 把动力经前后传动轴分别传给前后驱动桥，以驱动车轮前进；另一部分，则经过 设在变速箱或变矩器上的取力接口，传递给液压油泵( 如变速泵、转向泵、工作 泵等) ，为传动系统、转向系统和工作液压系统等提供动力。 工作装置由动臂、铲斗、摇臂和拉杆等另部件组成。动臂的后端通过动臂销 与前车架连接，前端安装有铲斗，中部与动臂油缸相连接。当动臂油缸伸缩时， 动臂绕其后端销转动，实现铲斗的提升或下降。摇臂的中部和动臂连接，两端分 别与拉杆和转斗油缸相连。当转斗油缸伸缩时，摇臂绕其中间支承点转动，通过 拉杆使铲斗上转或下翻。 图2 - 1 轮式装载机总体结构示意图 1 一柴油机；2 一变矩器；3 一工作泵；4 一铰接销；5 一转斗油缸；6 一动臂；7 一 拉杆，8 一铲斗，9 一车架， 1 0 一驱动桥；l l 一动臂油缸；1 2 一前传动轴；1 3 一转向 油缸：1 4 变速箱；1 5 一后传动轴：1 6 一配重 7 山东大学硕士学位论文 车架由前车架和后车架两部分组成，前后车架之间用铰接销连接，依靠转向 油缸的伸缩作用，使前、后车架绕铰接销相对转动，实现转向。后车架上安装有 副车架或摆动桥支架，可以使后桥绕后车架在一定范围( 一般为1 0 0 - 1 5 0 ) 内上下 摆动。装载机的车轮上装有制动器，司机踩下制动踏板，通过制动系统使制动器 产生制用，以降低装载机的行驶速度或使其停止啪r 2 1 0 2 2 液力变矩器的结构特点 1 y j 3 1 5 型单级四元件液力变矩器 目前，国产z l 5 0 装载机上多使用y j s w 3 1 5 型液力变矩器，它是双涡轮、 元件、单级、两相向心式液力变矩器陋3 1 ，其结构如图2 2 所示。 8 图2 2y j s w 3 1 5 型液力变矩器的结构 卜罩轮；2 - 0 型密封圈；3 一一级涡轮总成；4 一挡圈；5 一轴承：6 一螺栓：7 一轴 承：8 一二级祸轮；9 一弹性板；i 0 - 弹性销：i i - 导轮；1 2 一泵轮；1 3 一分动齿轮：1 4 - 密 封环；1 5 一导轮座；1 6 一轴承；1 7 - 变矩器壳体；1 8 一回油管接头 第2 章滚柱式超越离合器装载机传动系统 g i l l 1 ) 动力输入部分 发动机的动力按如下路线输入至泵轮：发动机飞轮一弹性板9 一罩轮l 一泵轮1 2 。 柴油机飞轮和弹性板9 的外缘用双头螺柱连接，弹性板的内缘则用螺栓6 与罩轮1 相连。罩轮与泵轮1 2 之间为了密封，应用了一个“o 型密封圈2 ，并 用较多的螺栓连接，罩轮和泵轮联接处用配合面定位，以保证泵轮与发动机曲轴 的同心度。 为了使装载机工作液压系统和转向系统正常工作，要求发动机的一部分功率 直接输出到工作油泵上。因此在变矩器上设有取力接口，柴油机的一部分功率由 罩轮、泵轮传给分动齿轮1 3 ，再由与分动齿轮啮合的工作泵泵轴和转向泵泵轴 传给齿轮泵，驱动油泵工作。 变矩器动力输入部分共有三个支承点。第一个支点是固定支点。该支点通过 罩轮的轴端插入发动机飞轮的中心孔内，将变矩器支承于发动机上，从而解决了 变矩器与发动机曲轴旋转的同心度问题，同时也可防止变矩器工作轮的径向移动 并可承受系统的径向负荷。 第二个支点是泵轮通过两排球轴承1 6 支承在导轮座上。装配时，先将分动 齿轮支承在导轮座的两排轴承上，再用螺栓将泵轮与分动齿轮1 3 相连。 第三个支点是罩轮和一级涡轮轮毂间用一个球轴承5 相互支承，这对泵轮系 统来说是多余的，但对一级涡轮和二级涡轮来说却是一个必要的支承点。 动力输入系统各零件，除泵轮和罩轮外，一般不需要进行乎衍试验。罩轮的 各个表面虽然进行了机械加工，但因是铸铁件，所以要进行平衡试验。泵轮是铝 铸件，而且有许多非加工表面，叶片的分布也可能有误差，因此也应进行平衡试 验。 在动力输入系统中，弹性扳除了传递转矩外，还可以缓冲和减小由于偏心和 热膨胀等引起的附加载荷。罩轮除了作为动力的中间传递零件外，在变矩器中还 与泵轮等一起构成循环圆的一部分。 2 ) 动力输出部分 y j s w 3 1 5 型变矩器中有两个涡轮，即一级涡轮和二级涡轮。动力的输出比 较复杂，其结构及工作原理如图2 3 所示。 9 山东大学硕士学位论文 图2 3 双涡轮液力变矩器的工作原理简图 l 柴油机；2 一柴油机飞轮：3 一罩轮；4 一泵轮； 5 一导轮；6 一二级输出齿轮；7 一一级输出齿轮；8 一超越离合器；9 一弹性板；1 0 一二级涡轮：11 一一级涡轮；1 2 一变 速箱输入轴 与双涡轮液力变矩器的涡轮相适应，动力输出部分采用两根输出轴输出，即 一级涡轮输出轴和二级涡轮输出轴。这两根输出抽的输出齿轮分别与变速箱中的 一个叫“超越离合器”的装置上的两个齿轮相啮合，从而扩大了速度的变化范围。 当装载机在低速、重裁工况下运行时，二级涡轮的转速较低，超越离合器的 内环凸轮与外环齿轮处于楔紧状态。这时，一、二级涡轮实际上就像一个整体涡 轮，一起起作用，以增大变矩器克服外界阻力的能力。此时，一级涡轮的传动路 线为：一级涡轮一一级涡轮轮毂一一级涡轮输出轴一变速箱超越离合器。 二级涡轮输出路线则为：二级涡轮一二级涡轮输出轴一变速箱超越离合器。 当装载机高速、轻载运行时，虽然一、一级涡轮的动力输出路线相同，但是， 由于内环凸轮的转速高于外环齿轮，外环齿轮处于空转状态。此时，只有二级涡 轮输出动力，一级涡轮处于空转状态，对外无动力输出阴j 。 2 3z l 5 0 装载机变速机构的传动原理 我公司z l 5 0 f 系列装载机变速箱变矩器的传动原理如图2 - 4 所示( 我公司 现有产品已取消脱桥机构) 。 l o 第2 章滚柱式超越离合器装载机传动系统 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼蔓曼! 曼曼曼曼曼曼皇! m aw! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼舅舅曼曼曼曼曼蔓曼窒! 曼曼! 曼曼舅曼曼曼曼量皇 图2 - 4z l 5 0 装载机变速箱一变矩器传动原理简图 卜弹性板；2 一二级涡轮：3 一一级涡轮；4 一泵轮：5 一分动齿轮；6 - - - 级输入齿轮； 7 一一级输入齿轮；8 一倒档离合器；9 一一档离合器；1 0 - - - 档离合器；1 1 - 输出齿圈： 1 2 一输出轴；1 3 - 输出齿轮；1 4 - 脱桥滑套；1 5 - 太阳轮；1 6 - 超越离合器；1 7 - 中间输 入轴；1 8 一导轮 z l 5 0 f 装载机液力变矩器采用单级、两相、四元件的结构型式【3 3 1 。液力变 矩器的一、二级涡轮输出的动力分别通过与它们啮合的一级输入齿轮7 和二级输 入齿轮6 将转矩传给变速箱的超越离合器1 6 ，并由超越离合器中的中间输入轴 1 7 传给变速箱内的太阳轮1 5 。当倒档离合器结合时，右行星排不工作，左行星 排工作。此时，倒档行星架被固定，太阳轮为输入，齿圈为输出，为“倒转减速” 传动方案。其传动比为gi = k 。 当i 档离合器结合时，左行星排不工作，右行星排工作。此时，l 档齿圈被 固定，太阳轮为输人，行星架为输出，为“大减”传动方案。其传动比为：i - - - 1 + k 。 i i 档离合器结合时，超越离合器的中间输入轴的动力直接经太阳轮传给i i 档 山东大学硕士学位论文 离合器输人轴，由于i i 档离合器的结合，i i 档离合器输入轴的动力便传给i 档受 压盘。此时的传动比为：i = 1 。 在变矩器上设有分动齿轮，柴油机输出的动力直接经分动齿轮传给齿轮油 泵。 2 4 z l 5 0 装载机变速箱传动路线 z l s o 装载机变速箱共有三个档位( 两个前进挡和一个倒退档) ，各档的传 动路线如图2 5 所示。 1 倒档传动路线 当变速操纵阀的阀杆置于倒档位置时，压力油从变速操纵阀进入变速箱箱体 上的倒档进油孔，流人倒档油缸( 在变速箱体上) ，推动倒档活塞右移，使倒挡 的主动摩擦片与固定在箱体上的从动摩擦片压合。 由于主动摩擦片套在行星架上，与行星架连接，而从动片与固定在箱体上的 隔离架连接，因此，行星架被固定。根据倒档行星变速机构的原理，由于行星架 被固定，从太阳轮传来的动力经行星轮从倒档内齿圈输出。而倒档内齿圈又与i 档行星架相连，这时从倒档内齿圈的动力经i 档行星架传给i i 档受压盘，再由i i 档受压盘传给输出齿轮输出。 倒档的传动路线如下：中间输入轴一太阳轮一倒档行星轮一倒档内齿 圈一i 档行星架一i i 档受压盘一中间输出齿轮一输出轴齿轮一输出轴。 2 i 档传动路线 变速操纵阀杆的阀杆置于i 档位置时，压力油从变速操纵阀进入i 档油缸， 推动i 档活塞左移，使i 档的主动摩擦片与从动摩擦片压合。由于i 档齿圈与i 档主动摩擦片啮合，而i 档从动摩擦片通过圆柱销与固定在箱体上的隔离架相连。 所以，i 档齿圈被固定，太阳轮输入的动力经i 档行星轮传给i 档行星架，由于 i 档行星架与直接档连接盘联成一体，直接档连接盘又与直接档受压盘用花键连 接。因此，从i 档行星架输出的动力经直接档连接盘传到直接档受压盘输出。 i 档的传动路线如下：中间输入轴一太阳轮一i 档行星轮一i 挡行星架 一直接档受压盘一中间输出齿轮一输出轴齿轮一输出轴。 3 i i 档传动路线 变速操纵阀杆的阀杆置于i i 档位置时，压力油从变速操纵阀进入箱体的i i 档 进油口，流入直接档油缸，推动直接档活塞左移，使直接档主动摩擦片与从动摩 擦片压合。由于i i 档主动摩擦片与i i 挡输入轴连接，从动摩擦片通过圆柱销与直 1 2 第2 章滚柱式超越离合器装载机传动系统 接挡受压盘连接，而直接档受压盘又与中间输出轴齿轮连接在一起。这时从太阳 轮输入的动力经直接档轴传给i i 档主动摩擦片，并由直接档从动摩擦片传给受压 盘，最后经输出齿圈输出。i i 档不是行星式变速机构，离合器的结合只是为了传 递动力。这是与采用行星式变速机构的i 、i i 离合器不同的。 直接档的传动路线如下：中间输入轴一太阳轮一直接档轴一直接档摩 擦片一中间输出齿轮一输出轴齿轮一输出轴。 聋l 譬入 出 图2 5 变速箱传动路线传动路线 1 3 山东大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章详细介绍了装载机的相关知识，包括装载机的总体构造、液力变矩器的 结构、z l 5 0 装载机传动系统的基本原理和z l 5 0 装载机变速箱传动路线，简单 介绍了滚柱式超越离合器的工作过程以及滚装式超越离合器在装载机传动系统 中的作用。 1 4 第3 章滚柱式超越离合器有限元分析 第3 章滚柱式超越离合器有限元分析 3 1 概述 超越离合器是装载机传动系统的重要组成部分，是保证发动机动力高效、合 理使用的基础 2 9 】。因此，超越离合器的受力分析是整个传动系统动力匹配与受 力计算的一部分，也是影响其使用寿命的主要因素。为此本章从超越离合器计算 工况确定、动力系统匹配计算、受力分析【3 5 】以及采用有限元工具a n s y sw o r k b e n c h 软件对超越离合器进行有限元分析等几个方面分别进行阐述。 3 2 有限元法简介 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种有效解决数学问题的解题方法， 也是目前在工