第四章 变速箱.ppt

1、第四章 变速箱,目前工程机械上广泛采用的柴油机（活塞式内燃机），其扭矩变化范围小，而工程机械使用情况非常复杂，为了解决这一矛盾，在传动系统中设置了变速箱。,一、变速箱的作用,（1）、变矩变速;,（2）、实现空档;,（3）、实现变向。,二、变速箱的分类,变速箱一般分为两部分,一是变速传动机构；,二是变速操纵机构。,本章要求：掌握几种典型变速箱的结构和各档传动比的计算。,变速器工作原理视频,目前一般铲土运输机械采用有级式变速箱，一般具有48个前进档，和与之相同（或少于）数量的倒退档。,变速箱档位愈多，表示这种工程机械对不同作业条件或行驶条件的适应性愈好。,无级变速箱,能使传动比在一定范围内连续变化

2、为任意值，即传动比在一定范围内为无限多的变速箱。,铲土运输机械上使用的变速箱大多为液力机械传动的动力换档变速箱。,变速箱的分类方法,根据档位数多少分为有级式和无级式；,根据换档方法分为机械换档（或非动力换档）变速箱和动力换档变速箱。,汽车自动换档变速箱,变速机构 换档执行机构 换档原理 换档规律,自动变速器(Automatic transmission) 在某一传动范围内（一般是在前进挡），由变速器的自动控制系统根据发动机的负荷和车速的变化自动选定挡位并变换档位，即自动地改变传动比。驾驶员只需要操纵加速踏板以便控制车速。 如丰田轿车自动变速器有：OD档（超速档，在1、2、3、4档之间进行无级变

3、速），档（锁定在1挡），挡（在1、2档之间进行变速），D档（在1、2、3挡之间进行变速），N档（空档），P挡（驻车档）和R档（倒档）。,自动换档原理图（液力式）,传感器和控制开关,执行器,ECT（或PCM）,模式选择开关 发动机转速传感器 节气门位置传感器 车速传感器 油温传感器 输入轴转速传感器 0D超速挡开关 挡位开关 强制降挡开关 空挡启动开关 制动灯开关,换挡电磁阀A 换挡电磁阀B 锁定正时电磁阀 锁定电磁阀 主油路油压电磁阀,换挡控制 主油路油压控制 模式选择控制 锁定离合器控制 发动机制动控制 改善换挡感觉控制 输入轴转速传感器控 制 故障诊断和失效保护 控制,自动变速器电控系统的

4、组成,三、对变速箱的要求,所设计的变速箱应能保证作业机械具有良好的经济性和生产率，即应有适宜的排档数目，以使作业机械能以合适的牵引力与速度去完成不同的作业。另外变速箱应当工作可靠、结构紧凑、操纵轻便、制造与维修比较方便。,四、设计变速箱的步骤,1、明确设计要求:根据机器类型、使用要求以及制造厂的条件，确定所设计变速箱的结构型式；根据使用要求，经总体计算后确定其档位数和各档传动比；由机械总体布置要求，确定所设计的变速箱外形尺寸允许范围，输入输出轴的相对位置和两轴之间的距离。,2、草拟变速箱传动简图；,4、主要零部件的强度、刚度和寿命计算进而确定其尺寸，如齿轮、轴和轴承等；,四、设计变速箱的步骤,

5、3、确定变速箱的主要参数：如中心距、齿轮模数、齿宽和斜齿轮螺旋角等；,5、进行整体结构设计，绘制总装配图；,6、进行零件的结构设计。,变速箱的设计，必须与总体设计相协商，并充分考虑在各机型之间实现系列化、通用化、标准化的问题。,在进行工程机械的设计时，往往不会设计变速箱，而是根据所设计的工程机械的具体情况，在工程机械现有配套件的基础上，进行选型设计。也就是说，只要选择出满足所设计工程机械使用要求的标准变速箱就行了。,第一节 非动力换档机械传动变速箱,由于机械传动系的效率远比液力机械传动、液压传动高，机械传动人力换档与湿式主离合器组合方式，依然广泛应用于履带式工程机械上。,变速箱变速的原理,一、

6、传动变速部分,右图为T-240（320）型推土机变速箱的构造。,该变速箱共有三根轴：输入轴20、输出轴24和中间轴28。,（1）、输入轴20,左端有联轴节12，动力由此联轴节输入变速箱。该轴的右端伸出箱体，伸出轴上有花键，作功率输出用。,前进档主动齿轮A和倒档主动齿轮E通过花键固装在轴20上，五、六档主动齿轮O和Q通过双金属衬套滑动轴承支承在轴20的花键上，花键套通过花键固装在轴上。花键啮合毂通过花键固装在轴上，其啮合齿上套着啮合套。,（2）、中间轴28,前进档被动齿轮D、倒档齿轮F和一、二、三、四档主动齿轮都是通过衬套滑动轴承支承在轴的花键套上，轴上还有三个花键毂和啮合套。,（3）、输出轴2

7、4,输出轴和驱动桥主动螺旋锥齿轮制成一体，16档的从动齿轮H、J、L、N、P、R通过花键固装在轴上。前进档双联中间齿轮BC通过三对滚柱和球轴承支承在轴上，该轴的轴向位置可用钢制垫片9来进行调整，以保证驱动桥螺旋锥齿轮的正确啮合。,前进档传动比,后退档传动比,二、换档操纵部分,基本要求,（1）、所有啮合齿轮（或滑动齿轮）的移动，用尽可能用较少的（1根或2根）操纵杆来操纵；,（2）、不自动挂档或脱档；,（3）、保证啮合套和啮合套（滑动齿轮和啮合齿轮）能对正啮合；,（4）、不能同时挂上两个档位；,（5）、如果用一根操纵杆来操纵所有档位时，应有防止意外挂上倒档的装置。,1、操纵机构和互锁装置,右图4-

8、3 为 T150（200）型推土机变速箱换档操纵机构。,该操纵机构共有四个拨叉，其中三个由变速操纵杆操纵，另一个拨叉由倒顺档操纵杆操纵，称为倒顺拨叉。,2、联锁机构,作用,一、在离合器接合时变速杆是扳不动的；,二、工作时即离合器接合时，齿轮不会自由滑动而引起“跳档”；,三、如果齿轮没有拨到位，主离合器就拉不到接合位置，防止了齿轮在半齿啮合的状态下工作。,联锁机构保证了变速箱工作可靠与安全。,右图4-4为T150（200）五进四退推土机变速箱联锁机构。,当离合器“接合”，四根拨叉轴就都由锁销锁定在一定位置。换句话说，如果要到任何一个档位，或者要把变速杆回到中间都必须首先推开离合器到“分离”位置才

9、行。,挂进倒档时挂不上五档，而挂前进五档之前，又必须先挂上前进档。就是由这套联锁机构保证。变速箱本身不起作用，其本身结构在挂五档时根本不必挂前进档。,特点：,对于降低中间轴和轴上空套着的齿轮之间的相对运动速度很有利，从而减轻了磨损和发热。,东风EQ1141G汽车三轴式五挡变速器,图14-4 东风EQ1141G型汽车变速器 1-第一轴；2-第一轴油封； 3-第一轴常啮合齿轮； 4-四、五挡锁环式同步器； 5-第二轴四挡齿轮；6-第二轴三挡齿轮 7-二、三挡锁销式同步器； 8-第二轴二挡齿轮； 9-第二轴倒挡齿轮； 10-一、倒挡接合套； 11-第二轴一挡齿轮； 12-第二轴后轴承盖； 13-速度

10、表蜗杆；14-油封； 15-第二轴凸缘；16-中间轴； 17-中间轴一挡齿轮； 18-中间轴倒挡齿轮；19-倒挡轴； 20、21-倒挡中间双联齿轮； 22-中间轴二挡齿轮； 23-中间轴三挡齿轮； 24-中间轴四挡齿轮； 25-中间轴常啮合传动齿轮; 26-第二轴；27-轴承盖,图14-5 东风EQ1141G型汽车变速器的传动示意图 1-第一轴(输入轴)； 2-第一轴常啮合传动齿轮； 3-第一轴齿轮接合齿圈； 4、9-同步器；5-四挡齿轮接合齿圈； 6-第二轴四挡齿轮； 7-第二轴三挡齿轮；8-三挡齿轮接合齿圈； 10-二挡齿轮接合齿圈； 11-第二轴二挡齿轮； 12-第二轴倒挡齿轮； 13-

11、第二轴一挡齿轮； 14-接合套；15-第二轴（输出轴）； 16-中间轴一挡齿轮；17-中间轴； 18-倒挡轴；19-中间轴倒挡齿轮； 20-倒挡大齿轮；21-倒挡小齿轮； 22-中间轴二挡齿轮； 23-中间轴三挡齿轮； 24-中间轴四挡齿轮； 25-中间轴常啮合传动齿轮； 26、27-花键毂,东风EQ1141G型汽车变速器的传动示意图,东风EQ1141G型汽车变速器各挡齿轮的动力传递路线及传动比表,第二节 ZL50装载机的行星动力换档变速箱,ZL50装载机所用变速箱是较简单的行星齿轮变速箱，档位较少，只有两个前进档、一个后退档。,右图4-5（a）为ZL50装载机变矩器变速箱的结构图。,其简化传

12、动图见右图4-6。,一、变矩器,ZL50装载机采用双涡轮液力变矩器。变矩器与变速箱连成一体，变矩器部分已在变矩器一章中讲述，这里不再重复。,二、变速箱,参看右图4-5和图4-6，此变速箱由两个行星排、制动器、制动器、离合器等组成。,前进低速档：,制动器接合，将后行星排齿圈刹住不转，这时前行星排不起作用，仅后行星排传动，如图4-6（b）所示。,行星传动齿轮运动特征方程,设作用于太阳轮、齿圈和行星架上的力分别为P1、P2、P3,则作用于太阳轮、齿圈和行星架上的力矩分别为,M1=P1R1 M2=P2R2 M3=P3R3,式中 R1 太阳轮的节圆半径； R2 齿圈的节圆半径； R3 行星轮与太阳轮的中

13、心距。,令齿圈与太阳轮的齿数比为K，则,因此有 R2=KR1,又因,故,因R2R1，所以K1。,式中 Z1 太阳轮的齿数； Z2 齿圈的齿数。,由行星轮4的力平衡条件得,P1=P2，P3=-2P2,因此太阳轮、齿圈和行星架上的力矩分别为,根据能量守恒定律，三个元件上输入和输出的功率的代数和应等于零，即,式中n1、n2、n3 分别为太阳轮、齿圈和行星架的转速。,将（4-1）代入（4-2）中，即可得到单排行星齿轮机构一般运动规律的特征方程,注：齿圈与太阳轮的齿数比为K； n1、n2、n3 分别为太阳轮、齿圈和行星架的转速。,常见行星传动类型及传动比,行星架为被动（两种、减速）,行星架为主动（两种、

14、增速）,行星架固定（两种、逆转）,太阳轮输入、齿圈固定,太阳轮固定、齿圈输入,行星架输入、齿圈固定,太阳轮固定、齿圈输出,太阳轮主动、齿圈输出,太阳轮输出、齿圈输入,三、“三合一”机构,采用变矩器、动力换档变速箱的工程机械，变速箱换档离合器、制动器的操纵油泵和行驶转向操纵油泵当然要由主发动机驱动，发动机熄火，这些油泵也都不能工作，因此无压力油。变速箱处于空档位置无法进入各档也不能操纵转向。另外，一般变矩器反向传动性能差，即输出轴（涡轮轴）将力矩反传到输入轴（泵轮轴）的能力很差。,液压转向系是无效的，也不能利用发动机制动，因此一旦发动机熄火就不能拖运，而这时恰恰正需要拖运。,解决上述矛盾的方法一

15、般是,在变矩器泵轮和涡轮之间设超越离合器（自由轮）或闭锁离合器，以解决变矩器不能反向传力的问题。,这样变速箱操纵油泵和转向操纵油泵各一只，与行走部分（车轮）相连接，只要车轮转动，这两台油泵就转动，供给压力油操纵换档和转向。,一套机构解决了拖启动、拖转向和拖运时可利用发动机制动这三项任务，故称“三合一”机构。,ZL50装载机设计了结构简单的“三合一”机构（见图4-6和图4-5（b）,“三合一”作用,（1）、拖启动；,（2）、拖转向；,（3）、拖行时制动。,根本问题还是要从柴油机本身解决低温启动性能和起动系保持良好状态，发动机坏了机器需要运输也应尽量装运避免拖运。,“三合一”机构特别在拖启动上效果

16、显著，值得推荐。但拖转向仍然沉重，在主制动失效后，手制动和辅助制动的制动效能有限、操作不便，长途拖行并不安全。,四、变速操纵阀,变速操纵阀是变矩器液压系统的主要部件。,右图4-8为ZL50装载机的变速操纵阀。,变速箱油底壳的油液由齿轮泵吸出，经滤清器（滤清器上装有旁通阀，当滤清器堵塞时，油液经旁通阀流出，旁通阀开启压力为0.080.10MPa），进入压力阀（有时称作减压阀）。,压力油从压力阀杆2上的小孔流至压力阀杆的右侧，推动压力阀杆向左移动。压力油分两路：一路经变矩吕压力 阀进入变矩器，变矩器压力阀控制进入变矩器的油液压力为0.56MPa；,另一路压力油经制动阀（有时称作离合器切断阀，机器不

17、制动时油路开启），再进入变速分配阀。,操纵变速分配阀杆可将油引到某一换档离合器（制动器），实现某一档位。,当机器运行制动时，一路压缩空气从换档离合器切断阀左侧进入，使制动阀杆右移，阻止压力油进入变速分配阀，也就是切断了通往换档离合器的油路，同时，已进入离合器的压力油从回油孔流回油箱，油压迅速降到零，离合器自动进入空档。在制动的同时，另有小球阀在压力差的作用下打开，卸去减压阀滑阀左腔的油压，使减压阀恢复最初状态。,机器解除制动后，制动阀杆回移到原位，开通变速分配阀油路，变速箱自动进入档位。,变矩器压力阀的工作压力为0.56MPa，变矩器工作油的出口压力为0.280.45MPa。,油液从变矩器出来

18、以后，经油冷却器、润滑油压力阀、进入变速箱中间输入轴（图4-5之12）和直接档轴的中心孔，流经变速箱各个相对运动面上进行润滑。,润滑油压力阀的压力控制在0.10.2MPa。,第三节 Caterpillar铲运机的行星动力换档变速箱,右图4-13为Caterpillar铲运机的变速箱传动简图。,变速箱档位：前八后一。,不同档位时，换档离合器的接合情况见表4-3。,Zt、Zx、Zq分别为太阳轮、行星轮和齿圈。,该变速箱的显著特点：,液力机械传动（取其恶劣工况下特性好）和直接机械传动（取其传动效率高）相结合、不设专门的闭锁离合器的动力换档变速箱。,这种专门为铲运机设计的变速箱，充分考虑了铲运机的作业

19、特点，即铲装时驱动力矩适应阻力变化而变化，运行时有高的机械传动效率。,第四节 单向离合器,根据单向离合器作用的不同，它又称单向轮、超越离合器或限速器。,单向离合器广泛用于机械传动和液力机械传动式工程机械的传动系。,一、单向离合器的作用原理,单向离合器的作用原理如图4-25所示。,设外圈角速度为1、内圈角速度为2,当2 1时，可将外圈视为静止，内圈以2- 1逆时针旋转，内圈与滚柱的接触点的瞬时速度方向如图4-25（a）箭头A所示。,此运动不足以带动滚柱，并经由滚柱带动外圈旋转，自由轮分离，内圈与外圈分别以不同的角速度旋转。,当2逐步降低至2 1时，即1- 2的相对角速度的方向与1同向，可将内圈视

20、为相对静止并迫使自由轮接合，外圈的转矩可以传至内圈。,将图4-25（a）作局部放大如图4-25（b）以分析其力的相互作用。,当2 1， 1- 2为负时，如图4-26所示。,二、单向离合器主要参数的确定,自由轮机构主要尺寸的确定系根据线接触挤压应力来考虑,式中 R 外圈接触点处半径，R=D/2； r 滚柱半径，r=d/2； l 滚柱长度（cm）； E1、E2- 外圈和滚柱材料的弹性模量（N/cm2）。,通常滚柱及座圈均采用钢，E1=E2=E，得,因D远大于d，所以1/R可略去，有,又 N22Rz=Mk,式中 z 滚柱数目。,对于硬度为HRC60以上的淬火钢jy=120000-150000N/cm

21、2，滚柱数量及z和主要参数的确定，可参考表4-6。,第五节 ZF定轴式动力换档变速箱,德国ZF公司的动力换档变速箱分为定轴式（WG系列）与行星式（PW系列）两大系列，均广泛应用于各种工程机械上，如推土机、装载机、平地机、汽车起重工业机、越野载重车、叉车、圆木拖运机、轨道车等。,杭州齿轮箱厂已引进该公司生产技术生产WG系列定轴式动力换档变速箱。,图4-27所示为其结构剖视图。,变速箱的主要参数列于表4-7。,一、结构原理,图4-27（a）为长中心距变速箱传动简图见图4-28。,图4-28 （a）所示为采用三元件普通变矩器，具有六档或五档（不用六档）速度，带应急液压泵及一桥驱动脱卸器的传动方式。,

22、图4-28 （b）所示为采用带闭锁离合器的三元件综合式变矩器，具有六档或五档速度，带可锁定的轴间差速器的传动方式。,图4-28 （c）所示为前三后三的变速箱传动简图。,表4-8为不同档位时，各档工作的离合器接合情况。,表4-9为WG系列变速箱各档位的速比。,从表4-9可以看出，ZF变速箱高低档的速度范围可以比较窄（3：1），也可以很宽（10：1)。再对齿轮传动副的齿数作适当调整，可以使各档得多种不同的速比，以适应不同的工程机械的需要。,二、结构特点,1、适应性广是ZF变速箱的最主要的特点；,2、变速箱、变矩器与发动机组合成一体，也可以分置；,3、可以配以不同的变矩器，也可以不用变矩器；,特点4、而变矩器可以有闭锁离合器，也可以装液力减速器，如图4-29所示。,用户或设计者完全可以根据需要选配不同的部件，满足使用要求。,三、操纵系统,图4-30为ZF-4WG180型变速箱的手控液压系统原理图。,小 结,综上所述，工程机械采