改善特種作業車性能的16速變速器方案

軍事交通學院 張雨佳

改善特種作業車性能的16速變速器方案

軍事交通學院 張雨佳

匹配特種作業車的變速器在國內尚處于起步階段，然而在歐美等國家已獲得較快發展，針對目前大功率變速器面臨的問題，提出了一種能夠有效改善特種作業車性能的16速變速器方案，首先對其齒輪傳動的結構特點和工作原理予以詳細介紹，然后通過與傳統變速器的對比，分析16速變速器的性能優勢，最后對該型變速器未來的應用構想進行研究。

特種作業車變速器現狀

特種作業車是指具備特殊結構或特殊作業裝置，在特定場所使用或具有特殊用途的機動車。該類車型設置有典型工作裝置，根據車輛行駛路面的不同，可分為軌道作業車及工程作業車兩種。

（1）軌道作業車能在鐵路線路上進行運行、牽引作業，主要用于鐵路上的施工養護，材料機具和人員的運送以及其他特殊作業用途，是鐵路公務、工程牽引及其他建設養護部門類型獨特的一種特種作業車，通常由液力機械式變速器（簡稱AT 變速器）傳動，通過行星齒輪裝置換向，典型車型有公鐵兩用車及、測試車。公鐵兩用車如圖1所示。

（2）工程作業車的工作環境大多為專用路面或野外道路，作業對象多變，常常在大功率、變載荷的情況下工作，通過專用裝備進行挖掘、裝卸等作業，由大功率AT變速器傳動。主要類型有供采礦、挖掘用的非公路自卸車以及對路面進行破碎、壓實的高能沖擊式壓路機，如圖2～4所示。

就目前而言，我國的特種作業車變速器還處于起步階段。近年來，AT 變速器由于其傳遞功率大、轉矩高的特點，在特種作業車輛領域中被廣泛應用[1]，一些主要型號AT的參數如表1所示。但作為執行設備維修、保養、基建等施工部門任務的主要作業工具[2]，特種作業車變速器卻面臨以下問題：

a.傳動效率偏低。由于特種作業車的負載大、作業條件惡劣、零件磨損嚴重，往往在低速比區域工作，傳動效率普遍比較低。對于典型的5擋AT ，不同擋位的傳動效率有很大的差異，平均傳動效率為60%。因此，提升AT 變速器的傳動效率具有很強的現實意義。

b.設計安裝成本較高。大功率變速器的研發成本和生產成本是變速器領域的兩項主要開銷，由于許多核心技術被國外公司掌握，這極大地增加了引進國外技術的生產成本。在我國，研發并建造一條AT 變速器的生產流水線需要約15億元人民幣的投入，在汽車上安裝AT 變速器大約需要花費2萬多元。

表1 大功率AT 變速器性能參數表

c.整體體積較大、零件眾多、維修成本高。大功率AT變速器的結構十分復雜，各種行星齒輪組特別多，體積較大，通過液力變矩器與行星齒輪組合進行傳動，里面的電子元件多達幾千個，使得尋找故障點十分困難，通常需要更換變速器總成，維修成本較高。

16速變速器的結構

16速變速器是指含有16個速比，通過換向行星排切換傳動方向，能夠實現正向16擋和反向16擋傳動的一種多擋位變速器，如圖5所示，匹配改變速器的整車模型如圖6所示。

圖5 變速器樣機

圖6 整車模型

16速變速器包括五組雙內嚙合齒輪裝置，傳動簡圖如圖7所示（B 表示制動器，C 表示離合器），可實現正向、反向各16個速比的傳動。其行星輪結構為環形，可同時與齒圈和太陽輪嚙合，結構簡圖如圖8所示。每組行星排有“開”（離合器工作）和“關”（制動器工作）兩種工況，能夠提供兩個不同的傳動比。16速變速器還包括一組換向行星排，可實現特種作業車的雙向行駛。

圖7 16速變速器傳動方案

圖8 雙內嚙合齒輪裝置

16速變速器優點分析

16速變速器采用雙內嚙合齒輪結構，同傳統特種作業車變速器相比，具有諸多明顯優勢：

圖9 變速器樣機效率

圖10AT變速器效率

a.提高傳動效率。16速變速器的傳動效率極高，根據試驗測試知其效率可達到90%以上（如圖9），這是未安裝液力變矩器的16速變速器的優點之一。傳統大功率AT的效率較低，通常只能達到50%左右（如圖10），其余能量轉化為液力變矩器的熱能而消散在冷卻液和空氣中。特種作業車的匹配發動機功率較大，變速器長時間的低效率工作造成了巨大的能量損失，16速變速器可以更加高效地利用發動機功率，有助于提升特種作業車輛的經濟性。

b.改善燃油經濟性，降低產熱。輸入液力變矩器的能量除了傳遞至車輪的動能，其余大部分會被變速器的冷卻系統帶走，叫做冷卻損失，這部分損失比重較大，約占總能量的40%左右，但這確實是無法避免的能量損失。試驗結果表明，16速變速器的熱損失可以降低至20%以下（如圖11），整車的燃油經濟性也會隨之提升，不僅可以降低經濟成本，還可以降低排量，為保護環境做出積極貢獻。

圖11 樣機的效率和散熱情況

c.增強動力性能。借助于雙內嚙合行星排的高能量密度，16速變速器重合度能達到十幾，傳遞發動機動力更加高效，并且噪聲很小，傳統變速器齒輪采用漸開線設計，16速變速器采用擺線設計，二者重合度仿真結果如圖12所示。使用雙內嚙合行星齒輪裝置的變速器與目前特種作業車上的變速器相比，具有更大的輸入扭矩，最高可達660kW，同時特種作業車的動力性能和作業效率得到增強，特種作業車作業量得到增加。

圖12 重合度對比

d.降低了體積、質量和零件數量。得益于雙內嚙合行星排簡化了變速器的結構，16速變速器的體積、質量以及零件數目均可以降低30%～40%左右，如圖13所示，這就帶來了省油的優點。同時，在生產過程中，16速變速器取消了液力變矩器，一旦開始大量生產，成本將大大降低。

圖13 變速器體積對比

16速變速器的應用構想

基于以上諸多優異性能，應用雙內嚙合行星齒輪的多擋位變速器在國外已經進行了深入研究，尤其在美國及加拿大，相關專利已經進行了20多年的申報和維護。目前，國內一些科研單位和企業也都在對該型變速器進行研發以提高特種作業車輛性能。對于16速變速器的研究，有望提高特種作業車輛的自動化水平，改善高端工程、礦用和重型特種車輛技術，但是在我國仍處于起步階段，對于其應用領域和方式仍有待探索。

a.作為特種作業車變速器的替代品。對于傳統AT變速器，只有在擋位較高，速比較小、高效區域內才具有較高的傳動效率。對于特種作業車低擋位、大速比的作業條件，則容易造成較大的功率損失；同時對于傳統行星齒輪，并不具備高速比傳動的能力，從而限制了使用范圍。而16速變速器因為具有體積小，效率高的優點成為適用于低擋位、高速比、大扭矩傳動條件下一個較為理想的解決方案。

b.與多種動力源的匹配。動力源作為特種作業車的動力來源，其排放物直接影響到大氣環境。然而，目前柴油機動力源在作業過程中產生大量廢氣，污染物排量增加，燃油經濟性降低，同時加劇了能源危機。若匹配風力動力源或者電力動力源，特種作業車可以在較清潔、可再生的能源下驅動，減少了污染物的排放，也節省了一部分不可再生能源；此外，混合動力驅動能夠進一步增強動力性，提升特種作業車性能。

c.促進衍生產品的研制。所謂衍生產品就是利用16速變速器行星齒輪裝置進行其他產品研發，使用雙內嚙合齒輪裝置可以充分利用效率高、扭矩大、體積小的優勢，從而達到提升齒輪類產品性能的目的。然而傳統的行星齒輪產品，如差速器，主要使用漸開線、外嚙合行星齒輪，在傳動時需要一定的空間進行設計安裝，這就限制了產品的性能。對于雙內嚙合行星齒輪而言，由于重合度高、能量密度大、噪聲低，產品可以非常有效地傳遞動力，對于增強特種作業車性能有著重要作用。

2017-09-05