牛鵬

摘? 要：車軸齒輪箱作為涉及整車安全和性能的重要部件，以上滑移式換擋機(jī)構(gòu)目前國內(nèi)自主設(shè)計制造比較成熟，成本可控;而采用離合器換擋的車軸齒輪箱主要依賴進(jìn)口，造價昂貴，技術(shù)上受制于人，供貨周期長，且無法掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，后期售后服務(wù)等均需要依靠廠商，在車軸齒輪箱的后期維修保養(yǎng)，配件供應(yīng)、整機(jī)大修以及開拓海外市場等多方面均受制于人，制約大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展。本文主要分析大型養(yǎng)路機(jī)械摩擦片離合器換擋機(jī)構(gòu)車軸齒輪箱研究。

關(guān)鍵詞：車軸齒輪箱;換擋機(jī)構(gòu);摩擦片離合器

引言

摩擦片離合器換擋車軸齒輪箱采用平行軸硬齒面?zhèn)鲃樱x合器與液壓馬達(dá)位于齒輪箱左右兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，便于拆卸維護(hù)和模塊化設(shè)計;同時離合器與車軸齒輪箱基本屬兩個獨立箱體，性能不會相互影響;離合器采用系統(tǒng)液壓油控制換擋，增壓吸合掛擋，卸壓分離脫擋，液壓油通過旋轉(zhuǎn)接頭供給;離合器冷卻采用強(qiáng)制冷卻，軸承采用強(qiáng)制潤滑，冷卻液及潤滑液均取自車軸齒輪箱齒輪油。該離合器采用濕式內(nèi)外摩擦片結(jié)構(gòu)，在行業(yè)內(nèi)首次自主化設(shè)計。

1、大型養(yǎng)路機(jī)械換擋機(jī)構(gòu)

滑移式換擋機(jī)構(gòu)。此種換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，一般采用氣缸或液壓缸作為動力源，沿軸向或轉(zhuǎn)動撥動換擋齒輪與被動齒輪嚙合的換擋機(jī)構(gòu)，造價低，被廣泛用于不超過四軸同時換擋的車軸齒輪箱的嚙合和脫開。

離合器換擋機(jī)構(gòu)。此種換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可采用氣動、液壓、電磁作為動力源，通過操控主被動離合器實現(xiàn)擋位脫掛，主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機(jī)構(gòu)、壓力檢測裝置或接口等組成，成本高;每個離合器單獨控制，換擋可靠，可實現(xiàn)多軸同時脫掛。大型養(yǎng)路機(jī)械上使用離合器主要有兩種，牙嵌式（端面齒）離合器和摩擦片式離合器。牙嵌式離合器：牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)簡單外形尺寸小，傳遞扭矩大，接合后主從動軸無相對滑動，傳動比不變。但接合時有沖擊，為確保安全只能適用于完全靜止接合，主要用于低速機(jī)械不需要經(jīng)常離合的傳動軸系。摩擦片離合器：大機(jī)運用摩擦片離合器主要采用濕式離合器，離合器浸泡在油中，能有效降低磨損，緩沖沖擊載荷。主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機(jī)構(gòu)、復(fù)位彈簧、壓力檢測裝置或接口等組成。

2、換擋機(jī)構(gòu)總體設(shè)計

2.1換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計

本文研究液壓驅(qū)動鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械，其車軸齒輪箱采用平行軸圓柱齒輪傳動，動力源液壓馬達(dá)直接安裝在齒輪箱上。擋位變換通過第1級傳動的外嚙合直齒圓柱齒輪副的嚙合和分離來實現(xiàn)。采用撥動氣缸為動力源，帶動撥叉指示塊沿導(dǎo)向桿作水平往復(fù)運動，通過撥叉拉桿帶動撥叉沿?fù)懿鎸?dǎo)桿往復(fù)移動，進(jìn)而帶動雙聯(lián)齒輪在輸入花鍵軸上移動，從而實現(xiàn)換擋動作。擋位位置通過鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動鎖定。

2.2擋位檢測系統(tǒng)設(shè)計

擋位檢測采用電感式傳感器，高速擋和作業(yè)擋安裝在撥叉指示塊頂部，空擋設(shè)置在指示塊底部。當(dāng)接收到換擋指令后，撥動氣缸走完行程，撥叉指示塊運行到固定的位置，傳感器感應(yīng)到設(shè)置在撥叉指示塊上部或下部的感應(yīng)片，將信號傳輸給車輛控制系統(tǒng)，從而在操縱面板上顯示相應(yīng)的擋位。傳感器與感應(yīng)片之間的距離Sn設(shè)計為2～5mm，使得指示塊位置得到靈敏的感應(yīng)。

2.3換擋齒輪間隙設(shè)計

換向器齒輪組設(shè)計是該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵之一，大會后換向器沖擊強(qiáng)度較大，齒輪端面損壞;兩個齒輪的端面太小，容易受到干涉。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，滑動齒輪的端面和分離固定齒輪的端面之間不發(fā)生碰撞的軸向間隙δ的最小理論值為1 ～ 4mm。此外，為了避免相互摩擦，叉面和叉槽之間必須有一定的間隙，設(shè)計值為0.2mm，因此，影響齒輪集主要包括每個齒輪的寬度公差、叉桿寬度公差和叉槽寬度公差、軸向桿間隙。

2.4換擋和潤滑設(shè)計

擋位切換通過外部掛擋液壓油增壓在規(guī)定范圍內(nèi)，則內(nèi)外摩擦片吸合;泄壓后離合器摩擦片通過復(fù)位彈簧分離。潤滑設(shè)計，離合器傳動軸在對應(yīng)軸承、掛擋油孔、離合器摩擦片位置設(shè)置潤滑油道，確保進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭的潤滑油和掛擋油分配到位。離合器內(nèi)所有軸承均配置強(qiáng)制潤滑，離合器摩擦片也采用強(qiáng)制潤滑方式，強(qiáng)制潤滑油通過車軸齒輪箱潤滑泵經(jīng)過濾后送至各潤滑點。

3、擋位鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計

鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計為埋在范圍內(nèi)的彈簧鋼球鎖定機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由彈簧、鋼球和調(diào)整零件組成。叉導(dǎo)向桿具有對應(yīng)于三個鎖定位置的鎖定槽，切換鎖定槽在鋼球?qū)χ小Ｔ趬毫椈勺饔孟?，球射進(jìn)槽中，叉導(dǎo)向桿受鎖扣力鎖定叉的位置?？梢酝ㄟ^調(diào)整彈簧壓縮量來調(diào)整夾緊力。還在閉鎖位置設(shè)計了滑塊鎖緊裝置。當(dāng)車輛需要長時間停放或停放時，它通過操縱牽引線鎖定裝置來鎖定空擋位置和確保安全操作，起到雙重保護(hù)作用。叉指塊設(shè)計為具有防誤差插入框架。僅當(dāng)固定位置為空時才可以插入。其他位置由框架鎖定，以避免出現(xiàn)故障;此外，還設(shè)計了鎖定位置限制開關(guān)，一旦處于鎖定位置，警報指示燈就會亮起，便于操作人員確認(rèn)。

4、離合器換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

摩擦片式離合器技術(shù)成熟，是運用最廣也是歷史最久的一類離合器，可適用于高速、重載工況，在國內(nèi)國外多種大型養(yǎng)路機(jī)械上均有運用，特別是在需要多軸同時實現(xiàn)脫掛擋的車軸齒輪箱，片式離合器脫掛擋結(jié)構(gòu)就有著明顯的優(yōu)勢，目前國內(nèi)一些大型養(yǎng)路機(jī)械如打磨、清篩等車型均采用片式離合器脫掛擋進(jìn)口車軸齒輪箱，該類型車軸齒輪箱在大型養(yǎng)路機(jī)械多軸同時驅(qū)動走行系統(tǒng)具有較廣泛的應(yīng)用。車軸齒輪箱結(jié)構(gòu)形式，采用離合器換擋的車軸齒輪箱的動力輸入采用液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)體積小，其安裝和布置比較靈活，所以本方案選擇漸開線圓柱齒輪，輸入軸與輸出軸平行。整體布置方案設(shè)計，針對離合器在齒輪箱上的布置形式制訂了如下三個方案。

方案一：離合器采用半獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)先連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。離合器的冷卻油共用車軸齒輪箱冷卻油;離合器采用獨立換擋液壓油，標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于車軸齒輪箱軸端

方案二：離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)安裝在離合器另一側(cè)，馬達(dá)經(jīng)過一級圓柱齒輪傳動后，連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。離合器采用獨立的冷卻油供給;離合器采用獨立換擋液壓油，標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于離合器軸端。

方案三：離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達(dá)安裝在齒輪箱另一側(cè)，先連接離合器外摩擦片，再通過內(nèi)摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱;此種結(jié)構(gòu)采用大小花鍵確保動力輸入和輸出在同一側(cè)，車軸齒輪箱采用內(nèi)外心軸結(jié)構(gòu)。離合器采用獨立的冷卻油供給;離合器采用獨立換擋液壓油，標(biāo)準(zhǔn)液壓旋轉(zhuǎn)接頭安裝于離合器軸端。

方案三：綜合以上三個方案，均為離合器外置方案，此種結(jié)構(gòu)可滿足模塊化設(shè)計，故障易判斷，責(zé)任明確。但方案一離合器更換不方便，齒輪箱軸端懸臂太長;方案二齒輪箱軸端懸臂長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間位置占比大;方案三離合器、馬達(dá)分置齒輪箱兩側(cè)，便于拆卸和維護(hù)，優(yōu)選方案三，優(yōu)化后最終方案如圖6所示。此車軸齒輪箱為平行軸圓柱齒輪傳動兩級減速車軸齒輪箱，離合器安裝在馬達(dá)輸入端，確保脫擋狀態(tài)馬達(dá)浮動;離合器與馬達(dá)分置在齒輪箱兩側(cè)，輸出齒輪軸采用空心軸結(jié)構(gòu)形式。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。安裝接口及連接方式液壓馬達(dá)與輸入軸連接方式為花鍵或平鍵連接;輸入軸與外摩擦片連接方式為花鍵連接;內(nèi)摩擦片與傳動軸連接方式為平鍵連接;外摩擦片與輸出齒輪軸連接方式為花鍵連接。各軸固定方式，輸出齒輪軸兩端布置圓錐滾子軸承承載在箱體上;輸入軸馬達(dá)側(cè)通過圓柱滾子軸承固定在箱體上，離合器側(cè)通過花鍵與傳動軸連接;離合器內(nèi)摩擦片與傳動軸過盈連接或鍵連接，外摩擦片一側(cè)固定在軸承上，另一側(cè)與輸出齒輪軸花鍵連接。傳動方式，動力傳遞路線：離合器掛擋—1液壓馬達(dá)輸入動力—2輸入軸—9傳動軸—10內(nèi)摩擦片—7外摩擦片—5輸出齒輪軸—車軸—車輪;空擋反拖路線：離合器脫擋—車輪轉(zhuǎn)動—車軸轉(zhuǎn)動—5輸出齒輪軸—7外摩擦片—內(nèi)外摩擦片相對轉(zhuǎn)動。

結(jié)束語

本文主要研究自主離合器換擋機(jī)構(gòu)車軸齒輪箱，適應(yīng)新形勢下大型養(yǎng)路機(jī)械的長遠(yuǎn)發(fā)展，為大型養(yǎng)路機(jī)械的兩條腿打好堅實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2021.

[2] 胡仁喜.UG零件設(shè)計實務(wù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[3] 張策.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

[5] 劉品.可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：中國計量出版社，2017.