摘要：装载机用变速箱作为工程机械核心技术，一直是制约国内装载机技术发展的一个重要因素。作为跳出行业同质化竞争的有力支点，想在装载机核心技术上有所提升，尤其在变速箱上获得较大的突破，一直是广大工程传动技术人员的研究方向。本文是以工厂中实际问题为导向，以满足 大吨位 装载机要求情况下，研究出一种电液或液力换挡动力换档定轴式变速箱，直接替换传统变速箱，既适宜整机更新换代又能够满足老产品用户的配件要求。该变速箱通过多项试验结果表明已达到大吨位装载机的整机要求。
关键词：大吨位；装载机；动力换挡；变速箱
前言：装载机是工程机械的一种主要设备，它广泛应用于建筑、水利、电力、交通和国防等部门工程施工中。装载机是循环作业，工作时外载荷变化较大、频繁变换方向及挡位。为提高适应外载荷变化的能力，采用液力机械传动系。而作为液力机械传动系统的核心部件，液力机械变速箱由动力换挡变速箱、液力变矩器组成，其中动力换挡变速箱又由齿轮副、离合器、变速泵、变速阀、操纵机构、箱体等构成；变速换挡功能是通过离合器的结合、脱离，使相应的齿轮副工作来实现，从而改变装载机的作业速度与牵引力。随着我国经济的高速发展，市场对装载机的性能要求也越来越高。变速箱作为装载机的核心技术，其性能的高低会直接影响装载机的动力性、经济性、舒适性等性能。因此，动力换挡变速箱的高性能是装载机高水平的重要体现。
一、动力换挡自动变速箱工作原理
动力换挡自动变速箱的基本工作原理，由驾驶员通过油门踏板，制动踏板和换挡手柄向变速箱控制器，发动机转速、作业速度、挡位、油门开度等传感器实时监测大吨位器械的作业状况，并将相应的电信号输入TCU，TCU 按存储在其中的设定程序模拟熟练驾驶员的驾驶规律(最佳换挡规律、发动机油门的自适应调节规律等)，通过选换挡液压执行机构对换挡离合器的结合及分离进行控制，以实现发动机和变速箱的最佳匹配，从而获得优良的作业性能和迅速换挡能力。
二、国内外大吨位器械动力换挡变速箱的应用现状
动力换挡变速箱由于换挡操作简单且动力不中断，改善了大吨位器械的操纵性能，提高了工作效率。自 1959 年美国卡特彼勒公司在 D9D 大吨位器械上首次成功地应用动力换挡以来，由于其在换挡时所表现出的明显优点，吸引了许多厂家纷纷效仿 。如同时期的 Ford 公司在其 671/771/871/971大吨位器械上引入 Select － O － Speed 10 + 2 动力换挡变速箱，该变速箱作业速度范围 0． 9 ～30 km/h，可在作业阻力大的区域快速降挡以提升牵引力，通过后及时升挡以保证作业速度和燃油经济性，在此过程中不需要停车和操纵离合器，而且可保持动力输出轴速度不变，从而显著提升大吨位器械动力输出。
国内装载机市场现采用的“双变”两种都有，即：行星式及定轴式。用于 4 吨与 5吨装载机，一般为双涡轮、行星式结构的变速箱；3 吨装载机采用变速箱有三类。第一类为行星式结构的变速箱，用于老的机型，档位是前 2 后 1，铲装作业时前一后一档车速比前四后二的定轴箱分别快 22%和 32%，是少数特殊用户的的市场；第二类为前四后二定轴式结构的变速箱，采用单级三元件变矩器，定轴手控式换档，该箱结构简单，性能可靠，维修方便。但手动高低速换档，存在两个换档手柄，换档比较烦琐 ，切换时必须停车。第三类为前三后三定轴式结构的变速箱，没有高低速切换，在大作业场地的中、长距离转运工况下，因为没有机械式高低速切换，可以在不停车的情况下换高速档 。后两类均是多档动力换档变速箱，为平行轴（定轴式）传动结构。由液压控制的多片式摩擦离合器，能够在带负荷的状态下接合与脱开，与国外采用的当代先进的变速系统仍有一定的差距。
三、传动系统
大吨位器械主要从事田间作业和道路运输，多挡、大传动比范围和长时间大负荷作业是农业大吨位器械传动系的主要特点 。挡位的增多，一方面可以提高发动机的功率利用率，另一方面可以拓宽变速箱的速比范围，以适应各种复杂地况和特种作业要求。如果采用传统的两轴式或三轴式传动结构，必然会使变速箱结构复杂而笨重，所以大吨位器械动力换挡自动变速箱多采用主副变速相串联的多级组成式传动方案，主副变速分别由不同的操纵机构控制，其优点在于传动齿轮个数少，同等条件下变速箱结构尺寸和重量减小，且传动比变化率大，使大吨位器械的驱动力和行驶速度都有较宽的变化范围。
变速箱的功用可归纳为以下几个方面：
(1) 改变发动机与主驱动轮间传动比，从而改变车辆的牵引力和行驶速度，以适应车辆在作业与行驶工况中的需要；
(2) 使车辆倒退行驶；
(3) 当变速箱挂空挡时，发动机传给驱动轮的动力被切断，以便发动机启动或者在发动机运转的情况下，使车辆在较长的时间内停车；
(4) 起分动箱的作用，如车辆为全驱动时，发动机的动力经变速箱分别传给前桥和后桥。
四、变速箱的要求
4.1工程机械对变速箱的要求可归纳为以下几个方面：
4.1.1变速箱应具有足够的挡位数和合适的传动比，以使装载机在合适的牵引力和行驶速度下工作，保证装载机具有良好的牵引性能与经济性能并获得较高的生产率；
4.1.2工作可靠、使用寿命长、传动效率高、结构简单、制造容易、维修与保养方便；
4.1.3 换挡迅速、平稳、可靠。但不允许同时挂两个或两个以上挡位，不自动脱挡。
变速箱试验系统的组成和工作原理该系统采用 Labview 作为软件开发平台，运用测试技术与计算机技术相结合，利用功能强大的图形化编程平台和少量的标准化硬件，将虚拟仪器技术同计算机技术完美地结合起来，采用试验台架的试验配件和多种连接组合，即可完成不同型号变速箱的性能和可靠性试验。
五、 系统组成
5.1变速箱试验系统试验台采用“一”型布置，主要由变频电机、变速箱试验台架、工控机、数据采集系统、监视系统、试验台架控制系统、传感器等部分组成，此外还有控制柜、供电系统、变速箱供油管路和换挡装置等。
5.2 变速箱试验台架
试验台本身可根据试验件不同进行调整，可实现“T”字型和“一”字型等多种布置方式，变速箱试验台架一般采用“一”字型布置，试验室的布置如图 5.1 所示.
5.3系统工作原理
变速箱正常工作时，各传感器采集到的信号经信号调理电路处理后，经数据采集卡进入工控机，通过采集和控制程序进行处理，计算机系统实现程序控制、数据采集、数据存储、生成报表、绘制曲线、打印输出报告，通过网络通信数据信号在变速箱综合测试仪显示，实现信号以波形和数据的形式显示出来。
结束语：
大吨位机械是目前农业机械中最重要的农用设备，虽然我国大吨位机械保有量居世界前列，但与国外相比，其技术含量不高。根据国外大吨位机械近几十年的发展趋势而看，在大吨位机械上采用电子控制技术是其未来发展的必然方向。通过采用动力换挡自动控制技术，可使驾驶员从繁重的换挡操作中解放出来，更加专注于机体所带农机具的操作，减少工作量，提高生产效率。而且换挡过程由 TCU 根据当前作业工况以及驾驶员意图，采用最优化的换挡规律与发动机进行协同控制，可保证大吨位机械在理想的换挡点及时换挡，可避免换挡操作不当所引起的换挡冲击，提高了换挡品质，减小零部件的磨损，提高车辆的使用寿命和燃油经济性，降低排放污染。
参考文献：
「1」徐岩．基于工程训练大赛作品无碳小车进行实物仿真的研究「Ｊ」．现代企业教育，2011．
「2」王斌，王衍，李润莲，等.“无碳小车”的创新性设计「Ｊ」．山西大同大学学报，2012，28(1)：59-62．
论文作者:张春宁
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：变速箱论文; 换挡论文; 作业论文; 装载机论文; 动力论文; 大吨位论文; 发动机论文; 《基层建设》2018年第30期论文;