动力换档变速器设计

第五章定轴式动力换挡变速器设计5.1概述与机械式变速器相比，相同之处是所有支承齿轮的轴是不动的；不同的是换挡形式采用动力换挡，也就是说，齿轮通过轴承支承在轴上，它与轴的分离和接合通过离合器来实现，而这个离合器的接合和分离是用油压操纵的，见图7-2。另外定轴式动力换挡变速器中轴的个数一般要比机械式变速器中轴的个数多。干涉是主要问题。2/1/20232/1/20232/1/2023定轴式动力换挡变速器构造图2/1/20235.2传动简图设计2/1/2023一、形式选择1、按自由度定轴式动力换挡变速器是以操纵液压离合器来获得挡位传动比。若只需接合一个离合器，就能得到一个挡位，则称为二自由度变速器；若要得到一个挡位，必须同时接合两个离合器，则称为三自由度变速器，它由两个二自由度机构串联组成。以此类推，四自由度变速器要得到一个挡位，就必须同时接合三个离合器，它由三个二自由度机构串联组成。用相同个数的离合器组成不同自由度的传动方案，最多能得到的挡位数亦不同。例如，用六个离合器组成二自由度三自由度四自由度可得最多档位数6

8～9

8挂某个挡时空转离合器数5

4

32/1/20232/1/2023，由用户要求而定。3、换档离合器布置位置

4、变速器轴的形式长轴式一根轴上装两个或以上离合器；可以减少轴的数目和变速器的径向尺寸，但轴向尺寸较大，轴的结构复杂。一根轴上装三个离合器的很少见。短轴式一根轴上只装一个离合器。2/1/2023二、二自由度变速器中空转离合器片间相对转速换档离合器可以装在主动齿轮轴上，也能装在被动齿轮轴上。在变速箱传动比确定的条件下，由于换档离合器的位置不同，其闭合时的工作转矩不同，分离时的空转转速也不同。2/1/2023

在二自由度变速器中，所有离合器的主动部分都通过齿轮或直接和输入轴相连，所有离合器的从动部分都通过齿轮或直接和输出轴相连。图

a）中，已知接合离合器，求另一个空转离合器主、从片间的相对转速。

设和分别代表离合器中主、从动部分的转速，，离合器的相对转速为：则接合离合器2/1/2023令输入轴到离合器

主动部分的传动比为

输出轴到离合器从动部分的传动比为

接合离合器，变速器的传动比为

若接合离合器，变速器的传动比为所以

或

2/1/2023

上式中，当，同为前进或倒退挡离合器时，和同号，；当，一为前进挡，一为倒退挡离合器时，和异号，。故上式又可写为：

上式中，当，同号则取“－”号，，异号则取“+”号。从上式可知：的大小与有关，即与离合器的安装位置有关，越大值越小，故从降低值出发，离合器应安装在低速轴上；当各离合器位置已定，当（挂最高挡），（计算最低挡）时，值最大，即变速器在最高挡工作，最低挡位离合器的相对转速最大。特别是最低挡的传动比与最高挡的传动比异号时，值更大。2/1/20232/1/2023例：解：当档处离合器的最大。三、离合器的工作转矩Mc

二自由度变速器中离合器所需传递的转矩由右图可知式中――输入轴至φ离合器的安装轴的传动比

――变速器的输入转矩。可见它与离合器的安装位置有关，从缩小离合器体积即减小的目的出发，离合器应安装在高速轴上。2/1/2023将离合器的空转相对转速和工作转矩相乘得，耗功（换档时，从XФ）由上式可知：对于二自由度变速器当输入转矩和输入转速一定，各挡传动比一定时，各离合器在各挡工作时的是常数，与传动简图无关，即通过改变离合器的位置虽能降低（或增大）值，但同时必然使值相应地增大（或减小）。要同时减小和值是不可能的。

2/1/2023设计中希望尽量减少离合器的规格（多数采用一种或两种），就须尽量使各离合器所需传递的转矩相差小。如果能做到各离合器所需传递的转矩，则可以采用一种规格离合器，而其传递转矩的差异可以通过增减摩擦片数或改变离合器油缸的油压来调整，也有不作任何更动就都采用一种规格的离合器，而使各离合器的储备系数不同。设计时，要控制空转离合器摩擦片的线速度：主从摩擦片同向旋转时，[V]≤50～60m/s，主从摩擦片反向旋转时，[V]≤40～50m/s。

2/1/2023四、二自由度变速器中的最大值

当时，值最大。定义变速箱的变速范围D

通常应满足以下条件：

则此变速器的变速范围只能达到某一数值

，对含倒顺变速器（

异号）取“—”号，对不含倒顺变速器（

同号）取“+”号。当设计所要求的变速范围时，则不能采用二自由度传动方案（因为不可能同时满足的条件）。一般，取C1＝1.5，C2＝3，由此可得，对于变速机构Dmax=5.5，换向机构Dmax=3.52/1/2023五、多档位、大变速范围时的处理方法

1）当变速范围较大时，可采用多级二自由度变速箱串联成多自由度变速箱的办法解决。通常铲土运输机械在相同档位时，倒退档速度比前进档快，这时换向机构应该在前面。2）如果换向机构的变速范围还比较大，可以将其设计为两个自由度变速箱的串联系统。3）在对操作方便性影响不大的条件下，可采用混合换档方案。即采用啮合套与离合器混合换档的办法。啮合套可以传递较大扭矩，也可以有较高的相对空转转速。2/1/2023

降低的措施——串联

对于前进档位数和倒退档位数相同的变速器，可把换向和变速分别各用一个二自由度机构，然后再串联起来，组成三自由度变速器。图中FR为换向机构，C为变速机构。

如果整个变速器的传动比可表示为：

图7-4串联方案那么，令：变速器变速范围，

换向机构变速范围

变速机构变速范围

2/1/20231、采用二自由度传动方案，则2、采用图a）三自由度传动方案，对于前变速器有：因为所以

对于后变速器有：显然

2/1/20233、采用图

b）三自由度传动方案，对于前变速器有：但是对后变速器，则有：

由此可见，对由换向机构和变速机构串联而成的变速器，换向机构应放在前面。且令，

即，解得：

2/1/20234、对变速范围大的变速器，仅把换向部分分出来，还不足以降低其片间相对转速，此时可将变速部分再分成两部分串联起来，如图

c）所示四自由度的变速器。式中——分别为A，B的变速范围；

——A机构中的最大和最小传动比；

——B机构中的最大和最小传动比。那么由于2/1/2023为使整个变速器得到最小的值，应使最后得

2/1/20235.3换档离合器、制动器设计一、换档离合器的结构类型1、组成选择单离合器：短轴。双离合器：长轴，外鼓连成一体，装在同一根轴上。2/1/20232/1/20232/1/20232、连接形式齿轮连内鼓，轴连外鼓；齿轮连外鼓，轴连内鼓。3、压紧方式活塞压紧，（油缸缸筒固定）；油缸缸筒压紧，（活塞固定）。4、分离方式中央弹簧式周缘弹簧式碟形弹簧式

a）用一个中心螺旋弹簧，该方案径向尺寸最小；b）用若干个布置在摩擦片内孔的螺旋弹簧，可得较大的回位力，工作较可靠；c）用若干个布置在摩擦片外周的螺旋弹簧；d）采用碟形弹簧；而e），f）中的碟形弹簧在压紧时还起杠杆作用。2/1/2023二、油缸旋转离心力压力及措施

离合器液压缸中的液压油由于旋转会产生离心压力pc。在半径R处取环形微元，其质量dm为：

由于dm的离心力产生的压力增量dp为2/1/2023对上式积分得离心压力pc与半径的关系

由于pc的作用，在活塞上产生的附加作用力为

2/1/20232/1/2023离心压力影响的消除方法：

l．增大分离弹簧的压力

2．在液压缸或活塞上开泄油小孔

3．减小活塞面积与分布圆直径

4.采用液压缸筒移动的双离合器2/1/2023

5．自动排油球阀

离心力F始终通过球心沿径向作用。支座反力N通过球心，垂直于支承面。作用在球上的总的液压油压力P1)球阀在关闭时，液压油的压力P通过球心，沿泄油孔中心方向。2/1/20232)球在打开位置时，油经球和孔之间月牙形通道A排出，由于狭小的通道产生节流作用，使液压缸中建立一定的油压。在略去球体背压的条件下，液压油的压力P在通过球心，沿平行泄油孔的中心方向。3)离合器的操纵压力解除后，球阀打开前，作用于球体上的油压力P3

2/1/2023

球的离心力使阀打开，油压力使阀关闭。球阀是开还是关，取决于两个力的大小。

球阀在打开状态时，离合器接通压力油要使其自动关闭的条件：P2cosα

＞Fsinα球阀在打开状态下保持关闭的条件为：P1cosα

＞Fsinα离合器的操纵压力解除后，要使球阀打开的条件为：P3cosα

＜Fsinα2/1/2023三、结构设计

2/1/2023

5.4动力换档变速箱的液压控制系统

一、对变速箱换档操纵系统的要求

1.离合器结合平顺性对换档操纵系统的要求换档平顺性的要求，是指从一个档位换到另一个档位时，在传动系中仅发生最小的转矩扰动。采用阶梯油缸的换档离合器

2/1/20232.离合器工作可靠性对换档操纵系统的要求

1）轮式车辆行走制动器与换档离合器操纵上应实现联锁。这样既可避免损坏传动系机件，又可提高车辆制动效能和减少制动器磨损。2）换档操纵油路中具有变矩器自动闭锁油路的脱开系统。当变矩器过渡到偶合器下换档时，应保证变矩器的闭锁离合器能自动脱开，否则发动机的巨大惯性力矩将使换档离合器严重磨损。换档后还应保证变矩器闭锁离合器可以平稳地重新结合。3）换档操纵系统最好采用一根变速杆换档，前进、后退分列在空档位置的两侧，且分别依次从低速档过渡到高速档，从而保证车辆起步后平