1、工程機械變速器綜述 摘要：論述了我國工程機械用齒輪傳動裝置的發展狀況，介紹了該行業的研究現狀和研究內容，并指出了發展存在的關鍵科學問題，預測了我國變速箱行業的發展趨勢。關鍵詞：工程機械，重載汽車，變數箱，齒輪箱 Key words: Construction Machinery,Heavy vehicles,Transmission,Gearbox前言：變速器變是工程機械車的關鍵部件，通過變速器來改變傳動比，改變發動機曲軸的轉拒，適應在起步、加速、行駛以及克服各種道路阻礙等不同行駛條件下對驅動車輪牽引力及車速不同要求的需要。工程機械作業條件，作業環境十分復雜，多變，機動性強，工作過程中發動機負

2、載變化大，機械運行速度變化頻繁，為保證工程機械能夠實現高效的節能作業，快速機動，需要不斷調節機械的檔位。在工程領域，變速箱技術的應用還待快速的發展，工程機械多數是邊行邊施工，且作業環境復雜多變，操作手勞動強度大，更加凸顯了變速箱的重要性。目前，歐洲是變速器技術最成熟的地區之一，我國商用車的變速器主要依賴從歐洲進口。本文作者詳細闡述了國內外工程機械變速器的特點以及研究現狀，探討了變速箱存在的關鍵科學問題，最后對國內變速箱行業的發展趨勢進行了預測。1國內外工程機械變速箱的發展現狀1.1我國重型變速器行業不斷發展壯大 從1983年，我國開始引進奧地利斯太爾公司整車制造技術(含發動機、變速器、車橋)，

3、其中配套變速器的任務交給了陜西齒輪廠(“陜西法士特傳動集團有限公司”的前身)和重慶綦江齒輪廠，1984年，陜西齒輪廠與美國伊頓公司簽署技術轉讓協議，并在西安建立新的生產基地，開始生產雙中間軸變速器。1985年，重慶綦江齒輪廠引進德國采埃孚公司機械變速器系列制造技術，生產重型車變速器，為斯太爾重卡配套。1986年，大齒引進日產柴TMH402變速器制造技術，生產5、6檔的產品，主要為東風卡車配套。1986年12月，哈齒正式更名為第一汽車制造廠哈爾濱汽車齒輪廠，在吸收日野變速器技術基礎上開發出一系列產品，主要為一汽解放卡車配套。大齒和哈齒的變速器與陜齒和綦齒不同，其傳遞扭矩要小些，在800Nm左右，

4、而陜齒和綦齒的變速器傳遞扭矩在1000Nm以上。上世紀80年代中后期，法士特主要配備260馬力以上產品，綦齒是260馬力以下產品，哈齒和大齒則為準重卡配套，彼此間利益沖突小，市場相對平和有序。至90年代初，大齒進入客車市場并迅速發展，曾經一度占領了國內客車變速器總量的60%，后來因產能問題，大齒向卡車市場轉向，但是錯過2001年2004年15噸級以上重卡市場的井噴，但法士特借機一躍成為行業領先者。綦齒雖然也錯過重卡井噴，但因大齒的方向調整而奪取客車變速器行業的領先地位。進入新世紀，法士特加入湘火炬后得到充足發展，與伊頓合資后技術上也得到支持，幾年資產就翻了數倍，目前，8t以上重型汽車市場占有率

5、超過86%、15t以上超過92%、并廣泛出口十多個國家和地區。大齒因產能問題得到解決，從2006年開始發力客車市場，重新成為宇通、安凱、黃海、申沃和恒通等客車廠家的配套供應商。目前，國內重型汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團有限責任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾大家包攬。1.2國外變速箱行業的發展現狀1.21德國ZF9S109多檔變速器結構特點德國ZF公司生產的9S109同步器型倍檔9檔組合式變速器，主變速器有5個前進檔，副變速器為行星齒輪系傳動結構。當副變速器中的同步器接合套與固定外齒圈接合時，行星齒輪內齒圈被固定而不能轉動，則副變速器掛入低檔，

6、此時將主變速器分別掛入5個不同檔位可得到組合式變速器5個較大的傳動比。當使接合套與副變速器高檔齒圈接合時，行星齒輪軸、輸出軸、行星齒輪內齒圈和副變速器輸入軸齒輪固定在一起而同步旋轉，則副變速器掛入高檔(直接檔)，主變速器的5個檔位傳動比即分別等于組合式變速器5個較小的傳動比。由于有兩個傳動比數值很接近，故省掉一個傳動比，組成9檔變速器。變速器最大輸入扭矩1250Nm，總質量310kg，與發動機直接連接或獨立安裝，左臥式或右臥式。變速器的操縱系統由旋轉軸遠距離操縱或直接操縱，雙XH型換檔排列，副變速器由壓縮空氣自動換檔，爬行檔和倒檔用嚙合套換檔，其他檔用同步器換檔。1.22美國伊頓公司富勒系列雙

7、副軸變速器結構特點 美國伊頓公司生產的BT-11509C雙中間軸倍檔9檔組合式機械變速器，主副變速器皆采用雙中間軸結構。主變速器有5個前進檔。副變速器為2檔(高檔和低檔)齒輪傳動，由于有2個傳動比很接近，故省掉一個，組成9檔變速器。雙中間軸倍檔組合式變速器具有如下優點：(1)由于一軸和二軸上各檔齒輪同時與兩根中間軸上對應的齒輪相嚙合，功率分流，從理論上講，每對齒輪上傳遞的扭矩為1/2，這就使每對齒輪傳遞的扭矩減少50%，使變速器的中心距、齒輪模數和寬度可以減小，從而減小變速器的質量和尺寸，特別是長度尺寸。(2)由于二軸從動齒輪在軸上處于徑向浮動狀態，兩根中間軸的軸心線均勻分布在以二軸理論軸心為

8、圓心、以中心距為半徑的圓柱面上，所以二軸上各檔齒輪及一軸齒輪在與兩根中間軸上的對應齒輪相嚙合產生的徑向力達到平衡，即互相抵消。二軸不承受徑向力，只傳遞扭矩，這樣二軸可以設計得細一些，結構可以簡單一些，其后軸承可以選擇較小的規格，這也有助于減小變速器的質量和尺寸。(3)由于二軸齒輪的徑向浮動和二軸的鉸接式浮動的結果，使得齒輪在嚙合時能自動抵消一部分制造和裝配誤差，嚙合質量優于單中間軸。嚙合區容易達到設計要求，實際使用情況也證實了這點。這就有利于降低嚙合噪聲和提高耐用度。(4)由于雙中間軸倍檔組合式變速器可以明顯地減小變速器的質量和軸向尺寸，利用這種優點，可提高變速器的最大傳遞功率和扭矩，擴大使用

9、范圍。這是短軸距大功率重型汽車和特種車輛最理想的變速器。RT-11509C型變速器最大輸入扭矩1500Nm，最大輸入功率265kW，總長度735mm，XXH或單H操縱，可左操縱亦可右操縱，總質量270kg。2國內外變速箱的研究現狀變速箱是工程機械中必不可少的部件，到目前為止，國內外主要研究的是動力換擋變速箱，采用液壓多片式離合器換擋，按操縱方式可分為機械操縱電控及介于兩者之間的電氣液控按結構型式可分為行星式和定軸式兩類行星式輸入軸與輸出軸同軸布置由行星齒輪排傳遞動力，傳動齒輪為直齒齒輪，模數比定軸式小，傳動效率比定軸式低。常用于推土機，裝載機等，定軸式各傳動軸平行布置，傳動齒輪為直齒或斜齒，齒

10、輪模數較大，傳動效率高，常用于裝載機，叉車，平地機和壓路機等。行星式液力變速箱采用雙渦輪液力變矩器，在輪式裝載機上的應用較為廣泛，如我國柳工和廈工生產的ZL50型裝載機和日本神鋼生產的CM200型裝載機$這種雙渦輪4元件變矩器+2進1退行星式變速器，因有超越離合器自動對變矩器的1渦輪和2渦輪進行動力整合輸出，使變矩器能實現重載和輕載兩種工況的自動轉換.實際上這種變速器具有4進2退的擋位，因此采用雙渦輪*元件變矩器可減少變速器的擋位數，簡化變速器的結構，尤其是可簡化變速操縱機構，只用1個變速手柄即可完成所有換擋換向操作。定軸式變速箱以單渦輪3元件變矩器Z4進3退電液動力換擋為主，代表廠家為柳州Z

11、F和杭州前進齒輪箱集團.由于其性能可靠，國內高檔的產品幾乎皆使用這種變速箱$該變矩器的特點是采用沖焊型一體機芯，結構緊湊，相對于雙渦輪變速器其變矩比小，高效區較窄，但這種變速器每根軸上的零件都能準確定位，故障率比行星式變速器低.此外國內少數廠家和少數產品使用一種單渦輪3元件變矩器4進2退，4進2退或3進3退定軸式變速器，這種變速器一般采用3自由度變速器，采用機械-液壓動力變速時，需要2個變速操縱桿，1個用于換向操縱，1個進行換擋操縱，會增加司機的勞動強度和操縱難度，但其結構合理，故障點少，若能采用電子-液壓變速方式則是最好的選擇。3 變速箱存在的關鍵科學問題及缺陷3.1我國變速箱的研制存在的關

12、鍵技術問題根據我國目前的情況，研制工程機械變速箱需要解決的關鍵技術如下：(1)液力變矩器技術包括帶有扭轉減振器的閉鎖離合器和液力減速器的產品技術。(2)變速傳動裝置技術包括有：變速傳動的設計、加工技術；摩擦元件的設計與制造技術；高速精密軸承；密封技術等。(3)液壓操縱系統技術及設計變速器精密液壓系統的設計及加工技術。(4)系列化、通用化的電子控制系統軟硬件技術(智能化換擋控制軟件技術，包括故障診斷、容錯設計等)。(5)復雜箱體件和閥體的精密鑄造技術。(6)動力傳動一體化技術包括高功率密度的動力傳動組合技術；動力傳動系統一體化控制及總線技術。(7)AT的臺架試驗及道路試驗技術。（8）變速箱二檔齒

13、輪是工程機械行駛中靠摩擦作用換檔的重要部件，其換檔時的接觸部位是一個錐面，該齒輪由于整體加工困難，所以必須分別制造后，再采用電子柬焊接連接，因而焊接時必須保證零件的整體精度和焊接強度，以達到整體加工的效果。3.2工程機械變速箱存在的缺陷 由于變速箱在我國發展比較晚，國產的重型變速箱主要是8,9檔手動變速箱為主，部分高檔變速箱需從國外進口。現階段我國的變速箱技術主要是引進美國，德國，日本上世紀8090年代的產品，雖然已經取得了長足的進步，但是還是存在這很多的缺陷：(1)結構較復雜，制造精度要求高，成本較高。(2)傳動效率低，可通過結構和控制技術的改進來克服這一缺點。(3)燃油消耗比機械變速器高，

14、但如果與發動機匹配較好，并采用液力變矩器閉鎖等措施，也可使燃油消耗與機械變速器持平甚至更低。（4）沒有真正的核心技術產品，只是一般的簡單的開發過程，國內自主開發的變速箱產品很少，開發能力也很薄弱。4我國工程機械變速箱行業和國外的差距1，規模小工程機械行業齒輪生產企業規模普遍較小而分散,，缺乏話語權，必須依托大的主機廠，規模較大的只有杭州前進齒輪箱公司，柳州ZF，廈門廈工橋箱有限公司，徐州美馳，三明齒輪箱有限公司等少數企業。2，產品水平與國外差距較大國內幾家外資企業的產品水平雖然高,但其所占市場份額較小.絕大部分國內企業的產品水平與國外先進水平差距較大,可靠性差,壽命只是國外產品的一半左右,目前

15、是以極低的價格火拼市場.產品可靠性差將制約主機產品出口區域,無法拓展歐洲和北美市場,只能選擇非洲,東南亞,中東和俄羅斯.3，設備裝備和加工技術落后這幾年工程機械行業火爆,很多企業乘勢而上,加大技術改造力度#引進了一些先進設備特別是關鍵設備,但原有基礎薄弱,現有的裝備水平離國外企業有不小差距,特別是試驗設備距較大.4，自主創新能力差產品設計手段落后,試驗手段缺乏,產品多年不變,這將直接導致產品附加值低,競爭力低.5國內外研究工程變速箱的主要內容在工程領域，變速箱技術的應用還待快速的發展，工程機械多數是邊行邊施工，且作業環境復雜多變，操作手勞動強度大，更加凸顯了變速箱的重要性。國內外對工程變速箱都

16、做了很多的研究，研究的主要熱點主要集中在以下幾個問題：1對工程機械的特點及適合其應用的自動變速技術進行了研究。2分析了電控機械式自動變速器的組成及其關鍵技術，重點研究了對換檔品質影響巨大的換檔規律和離合器控制，分析了目前研究的最新成果。3研究了適合工程機械的自動變速控制策略，完成了換檔規律的選擇，并列出了計算方程；設計了離合器控制方法，找到了離合器控制速度變化點，并給出了離合器最大接合速度公式。4分析了電控機械自動變速系統操縱部分的組成和設計要求，并以采用四根換檔撥叉軸的手動變速器為基礎，進行了自動變速換檔機構和離合器控制機構的設計；設計了新的執行液壓缸，并采用了新的傳感器控制、檢測機構。5完

17、成了電控系統設計，根據所選擇的控制策略和工程機械的特點選擇80C196KB單片機，并進行了硬件電路設計和相應軟件開發。6. 工程機械變速箱的電液控制方案研究，并將電液比例技術應用于工程機械傳動系統，采用電液比例控制系統對工程機械變速箱進行電液控制，并對變速箱壓力時間離合曲線進行最佳擬合。7. 以工程機械變速箱為研究對象，分析了變速箱齒輪布局的拓撲結構，用平面多桿機構或采用有限元法與變密度法來表達其拓撲特征，并繪制了它的拓撲結構圖。以此拓撲為基礎，建立了以變速箱端面面積最小或結構質量為目標函數的齒輪布局優化數學模型，用遺傳算法對該優化模型進行求解。8，工程機械變速箱離線質量分析專家系統和旋轉動密

18、封機理及失效形式。9，工程機械變速箱齒輪變位系數的優化選擇。6我國自動變速器的發展趨勢展望自動變速器主要有液力自動變速器(AT)、電控機械式自動變速器(AMT)、無級自動變速器(CVT)。其技術關鍵是電子技術、電液控制和傳感技術。我國目前的基礎工業難以滿足AT的高技術、高投資要求，加之與這些產品匹配的發動機排量差異大，生產AT難以系列化。對于CVT，必須開發其關鍵部件液力變扭器，它性能優良，還可以與AMT組成新的液力機械傳動，是自動變速器的“靈魂”。我國目前的國情應以AMT為主方向，它性價比高，價格是AT的 1/41/3，人世之后它仍有競爭力；生產繼承性好，改造資金投入少；生產批量靈活，小批量

19、、小得益，大批量、大得益；相對于各種車型，其硬件開發和軟件研制在結構上、理論上是相通的，成果可推廣到各類型汽車上。重型汽車AT發展趨勢是：(1)多擋位化；(2)換擋規律的智能化；(3)提高換擋過渡過程的品質；4)傳動效率的進一步提高；(5)動力傳動系統一體化；(6)傳動的高功率密度。7結語為了節省能源，工程機械只有通過換擋才能達到最高工作效率，研究換擋技術和負載直接的關系也是工程機械中的常見問題。實驗表明，換擋能夠改進駕駛的工況，改變乘客的舒適性，此外，還能減小摩擦損失。隨著工程機械市場的發育成長，變速器產品型譜逐步細化，產品的針對性越來越強，因此在保證現有變速器生產和改進的同時，要充分認識到加入WTO后良好的合作開發機遇，取長補短，同時更應認識到供方、買方、替代者、產品競