礦用裝載機換擋變速箱濕式離合器波形彈簧的設計

蔡小亮

(維爾利環保科技集團股份有限公司， 江蘇 常州 213000)

0 引言

某礦用裝載機使用的變速箱為定軸式換擋變速箱，其擋位的切換方式為多片濕式摩擦片方式，主要通過壓力油控制活塞軸向移動，從而控制主從動摩擦片的壓緊和分離，實現擋位的切換[1]。活塞的復位方式為主從動摩擦片間的波形彈簧和活塞與缸體之間的彈簧拉桿[2]，如圖1所示。該機在前進后退擋的使用過程中，出現活塞回位不暢、擋位分離不清、換擋慢等現象。針對該變速箱濕式離合器中波形彈簧的材料和回復力、活塞的密封方式等方面進行了分析，提出了波形彈簧的設計方法和活塞密封方式，以提高變速箱的性能[3-4]。

1 波形彈簧的改進措施

基于圖1所示的舊結構，取消了彈簧拉桿，其前進擋和后退擋各增加一組摩擦片，以提高容量。活塞與缸體內外徑軸向密封采用了專用活塞或活塞桿密封，活塞增加漸開線外花鍵，與內齒圈連接，其目的是防止活塞慣性回轉并起導向作用。改進后的結構件如圖2所示[5]。

1-內齒圈;2-主動摩擦片;3-從動摩擦片;4-波形彈簧;5-活塞; 6-缸體;7-活塞用密封;8-活塞桿用密封;9-壓力油道。圖2 改進后的前進后退擋濕式離合器結構

2 波形彈簧的設計計算

2.1 活塞推力計算

計算的基本參數見表1。

表1 活塞推力基本參數

活塞推力計算公式為：

Fi=Pi×Si

(1)

2.2 摩擦片間隙及充液量

計算的基本參數見表2。

表2 摩擦片間隙基本參數

摩擦片間總間隙：

Δyi=Δi-δ1×n1-δ2×n2

(2)

式中：Δyi為摩擦片間總間隙，mm。

在初始無壓及磨損前后狀態都看作此值。

活塞作用后缸體充液量：

L=Si×Δyi/1 000

(3)

式中：L為活塞動作后與缸體之間的腔體充液量，mL。

2.3 波形彈簧的總彈力

由于受到內部結構的影響，故在現有波形彈簧的基礎上不改變彈簧原始高度h1，保持原有的波峰、波谷數量，主要通過改變彈簧的截面尺寸，并選用更高性能的材料及熱處理來滿足使用要求[6]。

波形彈簧的安裝高度：

h2=Δyi/n2+δ2

(4)

式中：h2為波形彈簧的安裝高度，mm。

波形彈簧的彈性系數：

σi=σ/n2

(5)

式中：σi為波形彈簧的總彈性系數，N/mm；σ為波形彈簧的彈性系數，N/mm；

波形彈簧的總彈力：

fi=(h1-h2)×σ

(6)

式中：fi為波形彈簧的總彈力,N;h1為波形彈簧原始高度h1，mm。

2.4 摩擦片的壓合力

在作用油壓施加壓力后，活塞總的位移量近似看作初始狀態下的摩擦片間總間隙Δyi，此時摩擦片已經壓合，摩擦片間總間隙和摩擦片每面間隙都為0。

壓合狀態下波形彈簧的總彈力：

F∑=fi+Δyi×σi

(7)

式中：F∑為壓合時波形彈簧的總彈力，N。

摩擦片的壓合力：

Hi=Fi-F∑

(8)

式中：Hi為壓合狀態下摩擦片收尾總壓合力，N。

2.5 摩擦扭矩的計算

在壓合狀態下，還要計算摩擦片組在輸入最大扭矩時所要承受的摩擦扭矩，用于驗證波形彈簧組對該離合器總傳遞力矩的影響。

摩擦片單面最大摩擦力：

Ni=Hi×fi

(9)

式中：Ni為摩擦片的單面最大摩擦力，N；fi為摩擦片的摩擦因數，取0.08～0.12。

單面摩擦面積：

(10)

式中：D為摩擦片的單面摩擦面積，mm2；r1為摩擦片內半徑，mm，r1=d1/2；r2為摩擦片外半徑，mm，r2=d2/2。

摩擦片單面傳遞最大力矩的理論計算為：

(11)

簡化后：

(12)

式中：M2i為摩擦片單面傳遞最大力矩，N·m。

離合器傳遞總力矩：

M=M2i×ξ

(13)

式中：M為整個離合器傳遞的最大力矩，N·m；ξ為多片摩擦片損失系數，取0.9。

3 波形彈簧的測試要求

波形彈簧的材料要求使用65Mn或更高性能的材料，淬火、回火、洛氏硬度在45～50 HRC，成品后表面經氧化處理，各波峰、波谷高度差不得大于0.25 mm。波形彈簧在試驗臺上按照圖示要求進行測試，如圖3所示。

圖3 波形彈簧的疲勞測試

按照規定的往復行程進行至少50萬次以上的疲勞測試。試驗后，不得出現斷裂，負荷能力下降不大于25%。零件通過疲勞測試后，可以將波形彈簧裝配在離合器中進行臺架測試，通過加壓和泄壓[7]，記錄活塞壓緊和復位時間，以此判斷波形彈簧的設計以及密封性，如圖4所示。

4 結論

在對現有變速箱濕式離合器故障進行分析的基礎上，研究了波形彈簧的設計計算方法。

圖4 波形彈簧臺架測試

1) 通過對原結構的分析及計算方法的思考，研究了波形彈簧的設計計算方法，便于彈簧的設計。

2) 通過簡化活塞的復位結構，使波形彈簧的設計更趨簡潔，也提高了可靠性。

3) 波形彈簧復位功能與專用密封的配合使用，解決了壓力不足和換擋慢的問題，既提高了生產效率，又降低了成本。