第11章变速箱课件

第十一章变速箱(变速器）

第一节工程机械变速箱的发展状况第二节变速箱的功用及工作原理第三节机械换挡变速箱第四节定轴式动力换挡变速箱第五节行星齿轮式动力换挡变速箱第一节工程机械变速箱的发展状况仅靠柴油机和变矩器，其输出的转矩和转速不能满足车辆在各种工况下对牵引力和行驶速度的要求，需采用变速箱。目前工程机械变速系统主要有：机械传动、液力传动、静液压传动。变速箱有人力换挡和动力换挡。有定轴式和行星式。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展，变速箱向着自动化方向发展。在国内，工程机械自动变速箱是目前应用研究的重要发展方面；在国外，自动变速箱已应用到工程机械上。第二节变速箱的功用及工作原理一、变速箱的功用（1）变换排挡，改变发动机和驱动轮间的传动比，使车辆的牵引力和行驶速度适应各种工况的需要。（2）实现倒挡，使车辆能前进与倒退。（3）实现空挡，可切断传动系统的动力，实现在发动机运转情况下，车辆能长期停止，便于发动机启动和动力输出的需要。

二、变速箱的工作原理

传动比：（1为主动齿轮，2位从动齿轮）前进档后退档三、变速箱的类型（1）按操纵方式的不同可分为动力换挡变速箱和人

力换挡变速箱两种。动力换挡：齿轮a、b用轴承支承在轴上，与轴空转连接，通过相应的换挡离合器可分别将不同挡位的齿轮相固连，从而实现换挡。换挡离合器的分离与结合一般是液压操纵，液压油是由柴油机带动的液压泵供给的，可见，换挡的动力是由柴油机提供的，所以称为“动力换挡”。人力换挡：人力换挡变速箱是用人力拨动变速箱齿轮或啮合套进行换挡的。同汽车用变速箱一样，人力换挡变速箱换挡时，需先踩下离合器，然后变换挡位。汽车人力换挡两档变速箱简单模型1挡空挡五档手动变速箱简易模型在变速箱中齿轮与轴的连接情况有如下几种：固定连接空转连接滑动连接机械挂档的两种方式：拨动滑移齿轮换挡拨动啮合套换挡与动力换挡变速箱相比，人力换挡变速箱的结构简单、工作可靠、制造方便、重量轻、传动效率高。但人力换挡变速箱采用人力操纵，劳动强度大。同时在换挡时，动力切断的时间较长，这些因素影响了工程机械的作业效率的提高，并使工程机械在恶劣路面上行驶时通过性差。目前人力换挡变速箱已很少采用。

动力换挡变速箱结构复杂、制造困难、精度高、重量大、体积也比较大，而且由于换挡元件（离合器）有摩擦功率损失，传动效率较低。但是动力换挡变速箱操纵轻便，换挡快，换挡时动力切断的时间可降低到最低限度，能实现在大负荷的情况下换挡不停车，这大大有利于工程机械生产效率的提高。由于工程机械作业时换挡频繁，迫切需要改善换挡操作。因此，虽然动力换挡变速箱的结构复杂、制造困难，动力换挡变速箱在工程机械上的应用愈来愈广泛。（2）

按轮系型式的不同可分为行星式变速箱和定轴式变速箱。定轴式变速箱：变速箱中所有的齿轮都有固定的旋转轴线，这种齿轮轴线均固定的变速箱为定轴式变速箱。定轴式变速箱的换挡方式可有两种：人力换挡和动力换挡。

按前进挡时参加传动的轴数不同，定轴式变速箱可分为二轴式、平面二轴式、空间三轴式与多轴式等不同类型。由于二轴式变速箱挡数较少，变速范围较小，一般用在小型车辆上。行星式变速箱：变速箱中有的齿轮轴线在空间旋转（即没有固定的轴线），这种轴线旋转的齿轮与行星的运动相似，故称为行星轮。装有这种行星轮的变速箱称为行星式变速箱。行星式变速箱只有动力换挡一种方式。随着挡数增多，变速箱中齿轮啮合对数相应增多，结构也随之复杂，因此，变速箱的挡位数是有限的，各挡传动比之间有一定间隔，故称它为有级式变速箱。不同车辆的变速箱挡位数与结构形式不完全一样，但对变速箱的基本要求则是相同的。

无级变速——变矩器，CVT，静液压传动第三节机械换挡变速箱一、变速传动机构T220履带推土机空间三轴式变速箱。三根轴呈空间三角形布置，以保证各挡齿轮副的传动关系它是由箱体、齿轮、轴和轴承等零件组成的，具有五个前进挡和四个倒挡。二、变速操纵机构变速操纵机构包括换挡机构与锁止装置，其功能是保证按需要顺利可靠进行换挡。对操纵机构的要求一般是：保证工作齿轮正常啮合；不能同时换入两个挡；不能自动脱挡；在离合器接合时不能换挡；要有防止误换到最高挡或倒挡的保险装置。对于每一种机械的变速箱的操纵机构，应根据不同的作业和行驶条件来决定对它的要求。（一）换挡机构换挡机构主要由变速杆、滑杆等组成。变速杆用球头支承在支座内，由弹簧将球头压紧在支座内；球头受销子限制不能随意旋转，以防止变速杆转动。滑杆上有V形槽可由锁定销（属锁定装置）锁定在某一位置上；滑杆端有凹槽，变速杆下端可插入其中进行操纵。换挡时，操纵变速杆通过滑杆拨动滑动齿轮以实现换挡。每根滑杆可以控制两个不同挡位，根据挡位的数目确定滑杆数目。

（二）锁止装置对变速箱操纵机构的要求，主要由锁止装置来实现。锁止装置一般包括锁定机构、互锁机构、联锁机构以及防止误换到最高挡或倒档的保险装置。1．锁定机构锁定机构用来保证变速箱内各齿轮处在正确的工作位置，在工作中不会自动脱挡。2．互锁机构用来防止同时拨动两根滑杆而同时换上两个挡位。常用的互锁机构有框板式和摆架式。框板式互锁机构是一块具有“王”字形导槽的铁板，每条导槽对准一条滑杆；由于变速杆下端只能在导槽中移动，从而保证了不会同时拨动两根滑杆，也就不会同时换上两个挡。3．摆架式互锁机构

是一个可以摆动的铁架，用轴销悬挂在操纵机构壳体内。变速杆下端置于摆架中间，可以作纵向运动。摆架两侧有卡铁A和B，当变速杆1下端在摆架2中间运动而拨动某一根滑杆3时，卡铁A和B则卡在相邻两根滑杆3的拨槽中，因而防止了相邻滑杆也被同时拨动，故而不会同时换上两个挡。4．联锁机构联锁机构是用来防止主离合器未彻底分离时换挡。变速杆与换向杆的换挡位置如图11—5所示

三、T220推土机变速箱的润滑和密封

T220推土机变速箱采用强制润滑与飞溅润滑相结合。该变速箱各空转齿轮的滑动轴承和前盖上的三个轴承采用强制润滑。中间轴和输出轴前端有挡油盘44和合金铸铁密封圈43挡油，防止大量润滑油经双列球面滚柱轴承而流失（回变速箱底部）。挡油盘上设有节流小孔，适量的润滑油可经此小孔去润滑双列球面滚柱轴承。三根轴后端的滚柱轴承和所有齿轮，都是通过飞溅的润滑油来润滑。为了防止变速箱漏油，所有可能外泄的静止结合面都用O形橡胶密封圈来密封。前端伸出箱体外的输入轴用自紧橡胶油封来密封。花键与万向节接盘连接处用O形橡胶密封圈和橡胶垫来防止漏油。

强制润滑效果好，但结构较复杂，经常用在工作条件较差的齿轮和轴承上，而工作条件较好的齿轮与轴承则采用飞溅润滑。第四节定轴式动力换挡变速箱ZL15动力换挡变速箱与液力变矩器24组装后工作，动力经变矩器，由涡轮轴25上的齿轮23传给变速箱内的齿轮2和4。变速箱内装有前进低挡离合器轴总成19和倒退高速挡离合器轴总成16。离合器的从动摩擦片通过渐开线花键分别套在离合器毂体5和22的内花键上。离合器主动摩擦片通过渐开线花键分别套在齿轮2、20、4和双联齿轮17的外花键上。齿轮8、14通过渐开线花键安装在中间轴12上，齿轮10通过渐开线花键安装在输出轴9上。变速箱前输出端或后输出端安装手制动装置。变速箱壳体的下部（即变速箱的吸油管处）装有滤网26、磁铁螺塞27。一、ZL15装载机定轴式动力换挡变速箱（一）工作原理由发动机传来的动力经液力变矩器增大扭矩后传至与涡轮轴相联的齿轮Z1。当速度操纵杆和换向操纵杆处于中间位置（即空挡）时齿轮Z2、Z3空转，因此车辆停止不动。当换向操纵阀杆处于前进位置，速度操纵杆处于低速挡位置时，从操纵阀出来的压力油经管道和前进低挡端盖及离合器毂体轴的轴向孔油道进入离合器活塞，活塞在压力油作用下使F、I两离合器的主从动磨擦片接合。由输入齿轮Z1输入的动力，经齿轮Z2、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11传给输出轴，带动前后驱动桥驱动轮胎转动，实现前进一挡。当换向操纵杆处于前进位置，速度操纵杆处于高速挡位置时，与一挡相同。压力油进入离合器活塞，使F、Ⅱ两离合器的主从动摩擦片接合，动力经齿轮Z1、Z2、Z4、Z5、Z8、Z9、Z10、Z11传到输出轴，使前后传动轴旋转，通过前后驱动桥驱动轮胎转动，实现前进二挡。倒退一挡、倒退二挡实现的过程与前进挡相同。其传动路线为：倒退一挡：由齿轮Z1输入的动力经齿轮Z3、离合器R、齿轮Z5、Z4、离合器I、齿轮Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11传给输出轴并带动前后传动轴转动，通过前后驱动桥驱动轮胎转动，实现倒退一挡。倒退二挡：由齿轮Z1输入的动力经齿轮Z3、离合器I、齿轮Z5、Z4、离合器Ⅱ、齿轮Z8、Z9、Z10、Z11传给输出轴并带动前后传动轴转动，通过前后驱动桥驱动轮胎转动，实现倒退二挡。（二）换挡离合器变速箱中装有四个换挡离合器，即前进挡离合器，倒退挡离合器，I挡离合器，Ⅱ挡离合器。图11—9所示为换挡离合器的结构简图。

换挡离合器为湿式离合器。主动片2和从动片3各有四片，主动齿轮1的外花键为离合器的主动毂，用两个轴承支承的轴7上，主动齿轮的外花键与主动片2的内花键连接，并可在其上做轴向移动，从动片3的外花键与被动毂4的内花键连接也可在其上做轴向移动，弹簧6一端抵住活塞5的左侧面，另一端通过弹簧支承座9和挡圈11支承在轴7上。当压力油经过油道A进入活塞5右面油室时，活塞便克服弹簧力左移，将所有的主动片和从动片压紧，离合器结合，传递动力。位于变速箱上方安装在变矩器壳体上的变速齿轮泵12，通过滤网3从变速箱油底壳吸油。从齿轮泵输出的油经滤油器11进入主调压阀6。进入主调压阀的油分两路，一路到变速箱操纵阀5，另一路经主调压阀进入液力变矩器1，从变矩器出来后通过油冷却器4进入两离合器毂体，以润滑离合器摩擦片，最后回到变速箱内。（三）变速箱油路系统（四）操纵阀图11—11操纵阀1.阀体；2.速度阀杆；3.换向阀杆；4.5.9.弹簧；6.截断阀阀芯；7.油封；8.截断活塞；10.钢球变速箱操纵阀由速度阀、换向阀和截断阀及阀体等组成.

速度阀由速度阀杆2、弹簧9和钢球10组成，拉动速度阀杆2可使变速箱分别处于一挡、空挡和二挡。换向阀由换向阀杆3、弹簧4和钢球组成，拉动换向阀杆3可使变速箱分别处于前进挡、空挡和倒退挡。换向阀和速度阀的组合就可以实现前进一挡和二挡，倒退一挡和二挡。例如，当拉出换向阀杆3时，从主调压阀来的压力油进入换向阀，通过a孔进入变速箱的前进离合器，压力油推动活塞，使离合器主从动片接合，变速箱就挂上了前进挡。当速度阀处于一挡或二挡位置时，就实现了前进一挡或前进二挡。同理，当压下换向阀杆时，压力油从b孔进入变速箱倒退离合器，压力油推动活塞，使离合器主、从动片结合，变速箱就挂上了倒退一挡或倒退二挡。截断阀由控制阀总成、阀芯6、弹簧5组成。当装载机在道路上行驶不踩制动踏板时，截断阀处于中间位置，当驾驶员踏下踏板时从制动系统来的压力油进入控制油室推动活塞8，活塞推动阀杆使阀芯6运动，压缩弹簧5。此时截断阀阀芯将换向阀去往变速箱离合器的油道（a孔和b孔）截断，使前进或倒退离合器分离，不再传递动力。这样不但有利于装载机制动，还可在装载机铲装时将全部动力用于工作装置。第五节行星齿轮式动力换挡变速箱齿圈行星齿轮行星架太阳轮行星齿轮式变速箱是由简单行星排组成。由于行星排中有轴线旋转的行星轮，故行星变速箱只能采用动力换挡方式。行星变速箱的主要优点是：可通过的行星排中设置多个行星轮，使载荷由几对齿共同传递，减轻了每对齿上的载荷，以便选用较小的模数，从而减小齿轮体积，因此，行星变速箱在径向方向尺寸较紧凑；但轴向尺寸则与所采用的行星排数目有关，当行星排数量较多时，则轴向尺寸较大。另外，还可实现输入与输出轴同心传动。行星变速箱结构较复杂。但随着制造水平的提高，行星变速箱在工程机械上的使用也日益广泛。行星排各元件装配图单行星行星排TY320推土机行星式变速器具有4个行星排，5个操纵元件：4个制动器、1个离合器，3进3退变速箱。Caterpillar行星式动力换挡变速器一、简单行星排简单行星排是由太阳轮t、齿圈q、行星架j和行星轮4组成。由于行星轮轴线旋转与外界连接困难，故在行星排中只有太阳轮t、齿圈q和行星架j等三个元件能与外界连接，并称之为基本元件。在行星排传递运动过程中，行星轮只起到传递运动的惰轮作用，与传动比无直接关系。行星排的运动分析

把行星排的运动看成两部分运动的合成１、牵连运动：整个行星排以行星架nj转速作整体转动２、相对运动：各齿轮相对行星架作啮合转动由相对运动得：

此式为行星排三元件的转速关系式，有二个自由度。当某一元件固定后，则行星排变成一自由度系统，即可由转速方程式确定另外两元件的转速比（即行星排传动比）。这样，通过将行星排三个基本元件分别作为固定件、主动件或从动件，则可组成六种方案。三元件中给一个元件以约束，整个轮系就有了确定的运动关系齿圈固定（nq=0）A：t输入，j输出B：j输入，t输出太阳轮固定（nt=0）A：q输入，j输出B：j输入，q输出行星架固定（nj=0）A：t输入，q输出B：q输入，t输出可作倒档位直接挡传动使用闭锁离合器将三元件中的任何两个元件连成一体，则行星排中所有元件（包括行星轮）之间都没有相对运动，如像一个整体，各元件以同一转速旋转，传动比为1，从而形成直接挡传动。例如使太阳轮和齿圈连成一体

同理，当

或时，都可得出同一结论。

如果行星排中三个基本元件都不受约束，则各元件处于运动不定的自由状态，此时行星排不能传递运动。方案主动件被动件固定件传动比备注1太阳轮行星架齿圈1+α

减速增扭2齿圈行星架太阳轮（1+α

）/α3太阳轮齿圈行星架－α4行星架齿圈太阳轮α/（1+α

）增速减扭5行星架太阳轮齿圈1/（1+α

）6齿圈太阳轮行星架－1/α7任意两个连成一体1直接档8无任意元件制动又无任二元件连成一体三元件自由转空档行星齿轮机构（行星排）变速方案表

由上述可见，一个简单行星排可以给出六种传动方案，但其传动比数值因受特性参数值的限制，尚不能满足机械的要求，因此，行星变速箱通常是由几个行星排组合而成，以便得到所需的传动比。

行星齿轮变速器中的所有齿轮都处于常啮合状态，挡位变换必须通过以不同方式对行星齿轮机构的基本元件进行约束(即固定或连接某些基本元件)来实现。能对这些基本元件实施约束的机构，就是行星齿轮变速器的换挡执行机构。执行机构主要由离合器、制动器和单向离合器三种执行元件组成，离合器和制动器是以液压方式控制行星齿轮机构元件的旋转，而单向离合器则是以机械方式对行星齿轮机构的元件进行锁止。二、换挡执行机构

1.

多片离合器(1)

作用

自动变速器中的湿式多片离合器是用来连接输入轴或输出轴和某个基本元件，或将行星齿轮机构中某两个基本元件连接在一起实现转矩的传递。(2)

构造

一般为多片摩擦式，是液压控制的执行元件。基本组成:离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、离合器片（钢片、摩擦片）、花键毂

摩擦片与旋转的花键毂的齿键连接，可轴向移动，为输入端，片上有钢基粉末冶金层或合成纤维层。从动钢片与转动鼓的内花键连接也可轴向移动，可输出扭矩。活塞为环状，另外活塞上有密封圈、回位弹簧。花键毂输入轴弹簧活塞壳体主动盘压盘从动盘卡环(3)工作情况：离合器接合：当压力油经油道进入活塞左面的液压缸时，液压力克服弹簧力使活塞右移，将所有离合器片压紧。离合器分离：当控制阀将作用在离合器液压缸的油压力撤除后，离合器活塞在回位弹簧的作用下回复原位，并将缸内的变速器油从进油孔排出。离合器自由间隙：离合器处于分离状态时，离合器片之间有一定的轴向间隙，以保证钢片和摩擦片之间无轴向压力。2.制动器

制动器的功用是固定行星齿轮机构中的基本元件，阻止其旋转。其结构与片式离合器相同。不同之处是制动器从动片的外缘花键齿与固定的变速器外壳连接，可轴向移动，以便接合时将主动件制动，使行星齿轮机构改组换挡。该种制动器接合的平顺性好，间隙无须调整，其缺点是轴向尺寸大。片式制动器工作过程3.

单向离合器（自由轮机构或超越离合器）

作用：单方向固定行星齿轮机构中某个基本元件

的转动。

常见形式：滚柱斜槽式和楔块式。楔块式单向离合器卡特彼勒平地机机械变速箱F8R6三、ZL50装载机双涡轮变矩器＋行星变速箱采用双涡轮液力机械变矩器，如图传动简图1、变矩器增速齿轮对减速齿轮对工作原理（１）高速轻载工况22的被动齿轮A的转速高于21的B的转速，自由轮脱开，21空转，22单独传递动力（２）低速重载工况当外载增加，A和22的转速一同下降，当降到na<nb时，自由轮接合，21和22同时传递动力，K增大，适应了工况的要求。此变矩器的作用：相当于一个随外载变化而自动换档的二档变速器，从而可减少变速箱的档位数，使变速箱的结构简化且紧凑。2、变速箱（１）传动简图结构：由两个行星排组成，相互间有元件相联系；α1=α2（两个行星排完全一样）控制件：两个制动器，一个离合器；（2）运动分析（a）旋转构件

4个（b）控制件

3个（c）自由度

Y=旋转构件数－行星排数=4－2=2（d）档位数