HVT變速箱在流動式起重機中的應用與維護

李磊　何強

摘 要：液壓機械無級變速箱（以下簡稱為HVT變速箱）由于采用靜壓傳動和功率分流傳動技術，綜合了液壓傳動和機械傳動的優點，實現了傳動系統無級變速和節能降耗等目標，不僅提高了傳動效率，而且最高節油幅度可達25%，同時還具備噪聲低、操作靈敏準確和故障低等優勢[1]。

關鍵詞：節能環保；HVT變速箱；靜壓傳動；功率分流

中圖分類號：TH137.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）07-0042-03

0 引言

卡爾瑪ECO正面起重機是世界上首款搭載HVT變速箱的節能環保型正面起重機，變速箱型號為HVT-R2，由美國德納控股與德國博世力士樂的合資公司生產。截至2023年1月，卡爾瑪ECO正面起重機全球銷量已達500臺。HVT變速箱通過將傳動速度與發動機轉速去耦合，降低發動機在整個工作周期和怠速時轉速，可顯著降低油耗，還實現了敏感精確的車輛定位功能。無級變速功能可在改善加速性能的同時保持牽引力，通過靜壓制動和無磨損無離合換向提升了使用壽命，降低了維護成本。

1 HVT變速箱傳動系統的概述

HVT變速箱傳動系統主要由無級靜壓變速系統、機械變速系統和變速箱控制系統構成。由于靜壓變速系統與機械變速系統采用并聯方式，因此發動機動力可以通過變速箱從兩個途徑輸出到驅動輪。靜壓變速系統可通過液壓馬達向機械變速系統提供動力，也可以從機械變速器獲取動力。變速箱控制單元（簡稱TCU）通過各種傳感器以及與其他控制器通訊，實時監控運行狀態，并根據油門踏板和車速等信號精確的改變傳動進行換擋控制。TCU能保證發動機始終工作在最佳工作點，不受負載變化影響，從而提高了作業效率及燃油經濟性。

2 HVT變速箱工作原理

HVT變速箱傳動方案示意圖如圖1所示，HVT變速箱有3個前進擋和2個倒擋，4個離合器用于擋位切換，分別為CR、C1、C2和C3。

當行駛速度小于5 km/h，變速箱處于第一擋位，驅動方式為純靜壓驅動。發動機輸出功率通過減震聯軸器、CR/2離合器和泵驅動齒輪副傳遞至變量泵。變量泵從油底殼中抽油，斜盤傾角增大，液壓油壓力增大，帶動變量馬達轉動。變量馬達輸出功率再經過C1離合器及其他齒輪副，最終傳遞到變速箱輸出軸上。

該變速箱靜壓傳動系統主要由變量泵和變量馬達組成，采用電比列控制，可以實現泵排量和輸入電流的比例調節，改變斜盤傾角和方向即可完成平穩加速和換向。采用電比列控制的液壓馬達，斜盤傾角改變，即排量的變化，可影響輸出轉速和轉矩。斜盤傾角越大，產生的轉矩就越大，在輸入流量不變的情況，轉速會相應的降低[2]。在需要大扭矩起步行駛階段，靜壓系統可在發動機較低轉速、較小輸出功率情況下實現起步和行駛，損耗功率小，傳動效率高。

當行駛速度處于6～26 km/h時，變速箱處于第二擋或第三擋，驅動方式為功率分流驅動，即液壓與機械混合傳動。發動機動力進入變速箱后，通過CR/2離合器分成兩路動力傳遞：一路動力通過泵驅動齒輪副，經過變量泵-變量馬達液壓傳動系統傳到行星排太陽齒軸，為液壓流。另一路動力通過C3離合器和傳動齒輪副傳到行星排內齒圈，為機械流。液壓流和機械流在行星排中匯流后動力傳遞到行星架，最終通過其他傳動齒輪副傳遞到輸出軸上，經輸出軸輸出動力[3]。在此過程中，雖然發動機和行星排齒圈轉速是一定的，但通過控制變量泵或變量馬達排量改變行星排太陽輪轉速，那么即可改變行星架轉速，最終實現在各區段實現無級調速功能。行星排行星架轉速計算公式如式（1）[4]。

ω₃=1/（K_p+1）ω₁+ K_p/（K_p+1）ω₂（1）

式中：ω₁為太陽齒轉速，ω₂為太陽齒轉速齒圈轉速，ω₃為行星架轉速，K_p為行星排機構特性參數，為齒圈與太陽輪的齒數比。

3 HVT變速箱動力換擋過程

HVT變速箱實現第一驅動擋位為純液壓驅動，其他擋位均為機-液動力分流驅動。第一擋和第二擋之間轉換是以同步切換方式實現，無需中斷牽引力。第二擋和第三擋之間以非同步換擋重疊的方式實現，這種方式可以不完全中斷動力，并縮短換擋時間[5]。

4 HVT變速箱液壓系統

HVT變速箱液壓原理圖如圖2所示，HVT變速箱液壓系統主要由泵-馬達容積調壓回路和濕式離合器換擋控制回路構成。

容積調速靜壓回路主要由A4VG110EP2型電比例雙向液壓泵和A6VM150EP2型電比例液壓馬達組成，分別對應圖中編號9和10。變量泵通過增壓泵（編號2）輸出的控制由經過比例換向閥到變量活塞的控制腔，改變換向閥兩端的比例電磁鐵a和b的輸入電流來控制變量活塞位移，即可實現泵排量和輸入電流的比例調節。若控制斜盤擺過中位，就可以平穩的改變液體流動方向。高壓溢流閥（編號RV1和RV2）起到安全保護作用，同時還具有補油閥的功能，保證低壓管路中壓力值不變，避免系統中形成真空，產生氣蝕。壓力傳感器（編號PA和PB）用于實時檢測靜壓系統壓力值，控制變速箱輸入和輸出扭矩。沖洗閥（編號FV）可以將低壓側液壓油引入馬達殼體中，與殼體泄油一起返回油底殼。沖洗閥一方面是用于消除液壓回路的熱量，另一面是沖洗液壓回路中磨損下來的微小金屬顆粒，從而提高液壓回路的清潔度，延長液壓元件的使用壽命。

濕式離合器換擋控制回路由吸油濾網、增壓泵、高壓過濾裝置、壓力傳感器、濕式離合器、比例電磁閥、儲能器和溢流閥，在圖2中編號分別為1～8。增壓泵通過過濾精度為2 mm的濾網從油底殼吸油，然后通過高壓過濾裝置將增壓后的液壓油輸送至比例換向閥前。

當離合器所對應比例換向閥通電時，閥芯換位，閥前液壓油進入離合器液壓缸，推動活塞移動壓緊濕式離合器的鋼片與摩擦片，離合器開始傳遞動力。當比例換向閥斷電時，閥芯復位，濕式離合器離合器液壓缸里液壓油返回油底殼，實現快速卸油并切斷離合器的動力傳遞。變速箱在每一個工作擋位僅有一個離合器處于工作狀態，離合器工作壓力范圍為28～33 MPa。增壓泵工作壓力范圍為32～38 MPa，排量為55.86 mL/r。高壓過濾裝置還安裝有濾芯堵塞壓差開關和安全閥。變速箱控制閥組上安裝有4個壓力傳感器、4個比例電磁閥、1個儲能器和1個溢流閥。

壓力傳感器用于檢測對應離合器的工作壓力。比例電磁閥接收控制器傳來的電信號，并將電信號轉化為液壓壓力，進而控制離合器精準和快速的結合與分離。儲能器用于補充增壓泵在某時刻的流量不足，并吸收液壓系統中產生的液壓沖擊，保持系統壓力穩定。溢流閥用于限定系統工作壓力不超過3 MPa，溢流后的油液與沖洗閥油液匯合，經散熱器冷卻，再對變速箱各軸系和離合器進行潤滑，最終返回油底殼。

5 HVT變速箱傳動系統的優勢

5.1 傳動效率優勢

HVT變速箱傳動系統取消了液壓變矩器，避免了在大扭矩、低速工況時傳動效率低的問題，并在高速時可轉為高效率的機械傳動，使得整個工作循環的傳動效率大幅提高。

5.2 功率管理優勢

HVT變速箱采用液壓傳動和機械傳動混合傳動的方式，利用行走靜壓傳動與整機液壓系統聯合控制，合理分配發動機功率，充分利用發動機功率，使液壓系統和發動機都工作在高效省油的工作區域內。通過聯合控制，切斷了發動機轉速、行駛速度和驅動力矩之間的強制關系，節約能耗，減少尾氣排放和噪聲。

5.3 操作性能優勢

液壓變矩器無法實現反轉功能，切換倒擋時必須采用機械傳動系統相配合，換擋過程中易引起動力中斷與衰竭。變矩器主、被動元件之間存在相對滑動，加速性能差，反應比較滯后。HVT變速箱靜壓傳動系統操作簡單、靈活和準確，可實現快速起動和加速，提高了駕駛員舒適性。動效率密度大，轉動慣量比大，因此速度變化時沖擊小，急加速或急轉彎不會損傷傳動系統。

5.4 經濟優勢

HVT變速箱傳動系統具有獨特的發動機轉速匹配功能，使得發動機的最佳性能得以體現，與帶變矩器的變速箱傳動系統相比，可節省約25%的燃油。制造精良的靜壓系統在工作時幾乎沒有機械磨損，使用壽命長，維護成本低[6]。靜壓傳動系統還具備無磨損制動功能，可以在平地和一定坡度的斜坡上保持機車靜止。

6 HVT變速箱維護要求

HVT變速箱使用壽命在很大程度上取決于變速箱潤滑油的品質。應定期更換變速箱潤滑油，油液污染度等級參照ISO4406標準，須保持在20/18/14潔凈度等級。潤滑油品牌目前只能選用SHELL SPIRAX S4 TXM，工作壞境溫度在-30～40℃時，油品選用級別為SAE10W-30。

6.1 首次保養

必須在至少5 h后（最遲在250 h之后）更換變速箱潤滑油濾芯。

6.2 日常油位檢查

啟動和預熱設備，直到變速箱油溫達到75℃左右，從而使節溫器關閉，散熱器中充滿油液。然后讓變速箱油冷卻至30℃，讓發動機處于怠速運轉狀態（發動機轉速約為700 r/min）。將量油尺擦拭干凈，用量油尺檢查油位應處于最高標記處。

6.3 每運行1000h保養

保養內容有以下兩點：①檢查蓄能器充壓壓力，使用充氮工具與蓄能器預充壓力測量孔相連接，讀取氮氣壓力應為2±0.1 MPa。②更換變速箱液壓油及濾芯。

6.4 HVT變速箱自動校準

如果想長期保持HVT變速箱良好的駕駛舒適性，就必須定期對變速箱執行元件的參數進行校準。例如：對靜壓系統中液壓泵和液壓馬達電磁閥線圈最小和最大控制電流進行校準，對離合器液壓缸充油時間和換擋重疊特性進行校準。變速箱自動校準過程較為復雜，大約需要20 min。

如遇到以下情況，需要對HVT變速箱進行校準：①變速箱首次運行前。②每運行1 000 h，更換變速箱油及濾芯后。③更換液壓泵或液壓馬達后。④更換離合器部件或閥組控制閥后。

校準前，將設備必須停放在安全區域內的水平地面上，使駐車制動器接合，擋位處于空擋狀態。自動校準過程中操作人員禁止離開駕駛室。變速箱油溫需保持在30～50℃范圍內，若溫度過低，預熱功能自動啟動，開始加熱。若溫度超過60℃，校準工作將中斷，直到溫度降低至50℃。自動校準必須通過指定的CAN通訊接口進行，校準完成后，點火開關關閉至少30 s，以保存校準后的數據。如遇到緊急情況，需要停止校準工作，可通過將擋位手柄移至相反行走方向，退出校準菜單，松開駐車制動器等方法，隨時取消校準。此時TCU將重置，并忽略之前獲得的校準結果[7]。

參考文獻

[1] 鄢萬斌，梁振國，譚艷輝，等.CONEXPO2014展上的裝載機HVT混合傳動系統分析[J].建筑機械技術與管理，2014（6）： 64-65.

[2] 王巖，付永領，牛建軍.變量泵-變量馬達自適應控制算法研究[J].中國機械工程，2009，20（10）：1173-1175.

[3] 劉天豪，劉衡.芬特Vario900拖拉機傳動系統研究[J].機床與液壓，2011，39（18）：110-112.

[4] 馬鵬飛.全液壓推土機液壓行駛驅動系統動力學研究[D].西安：長安大學，2006.

[5] 馬丁.M.布倫納格.芬特無級變速箱在農業拖拉機中的應用[Z].SAE技術文件，2007-01-4205.

[6] 蘇恩一.靜壓傳動技術在工程機械中的應用[J].物流技術與應用，2004（7）：86-87.

[7] R.赫爾曼.R2無級變速箱操作和維修手冊[Z].德納力士樂變速器系統，2015-09-24.