【技术】装载机动力换挡变速器的性能对比与未来趋势

1.变速器功用

变速器是轮式装载机传动系统的核心部件，主要有4个功用:一是改变柴油机和车轮之间的传动比，从而改变装载机的行驶速度和牵引力，以适应作业和行驶需要。二是能使装载机倒退行驶(挂倒挡)。柴油机只有一个旋转方向，要实现车辆前进和后退只能依靠变速箱。

换挡快，换挡时动力切断的时间少，能实现在大负荷的工况下换挡不停车，从而大大提高了装载机的作业效率。不足之处在于结构复杂、精度高、质量大，总体造价较高，同时传动效率比人力换挡要低。虽然动力换挡变速器存在一些不足之处，但由于其优势明显，还是在国内装载机上得到了广泛应用。

三是切断传给行走装置的动力(即挂空挡)，按轮系形式不同，动力换挡变速器可分能使发动机在运转情况下，不将动力传给行走装置，便于发动机的启动和停车安全。四是将柴油机输出的范围不大的扭矩或转速变为工作机构所需的范围较大的转矩和转速。

装载机对变速器的要求有以下3点:一是具有足够的挡位和适合的传动比;二是工作可靠，使用寿命长，传动效率高，结构简单，且制造维修方便;三是换挡轻便，接合平稳，不出现卡滞和跳挡现象。

2.变速器分类

变速器按操纵方式分为人力换挡、动力换挡。人力换挡变速器是用人力拨动变速器齿轮或啮合套进行换挡的。人力换挡变速器换挡时需先踩下离合器，然后再变换挡位。动力换挡变速器通过相应的换挡离合器可分别将不同档位的齿轮相固连，从而实现换挡。动力换挡变速器换挡离合器的分离与接合一般采用液力操纵，其源动力由发动机提供，所以称为动力换挡。

与动力换挡相比，人力换挡的优点是结构简单、工作可靠、制造方便、质量轻、传动效率高。其缺点是操作人员劳动强度大，换挡冲击大，作业效率较低，同时装载机在复杂路面的行驶通过性能较差。为此除了极少数低端小型装载机外，人力换挡变速器已经很少采用。

动力换挡变速器优点是操纵轻便、简单，为定轴式和行星式2种。行星式变速器中有的齿轮的轴线在空间旋转，即没有固定的轴线，而定轴式变速器中所有的齿轮都有固定的轴线。

行星式变速器的优点是受力分散。由于构成变速器的行星中，设置了多个行星轮，载荷由几对齿轮共同承担，减小了啮合齿轮的受力。行星式变速器可选用较小的齿轮模数，从而减小了齿轮体积，为此其径向尺寸较为紧凑。传统的定轴式变速器(如BS428型变速器)齿轮受力集中，径向尺寸较大，换挡操作较为复杂，对装配质量要求较高。为此大多数国产ZL系列装载机采用行星式变速器，只有少数采用了传统定轴式变速器。

3.变速器对比

近几年来，以ZF4WG200为代表的半自动换挡定轴式变速箱陆续配置在国内外众多高端机型上。从实际的应用效果来看，其综合性能明显优于传统的定轴式变速器和行星式变速器，特别是在可靠性、维保性、操控性、作业效率等均表现出较大优势。本文重点对传统的ZL50型行星式变速器和ZF4WG200型定轴式变速器进行对比分析。

通常，配置在ZL50系列装载机上的动力换挡行星式变速器由液力变矩器、行星式变速箱、变速操纵系统等零部件组成。液力变矩器采用单极、双相、四元件向心涡轮结构形式，主要由泵轮、一级与二级涡轮、导轮、分动齿轮、导轮座等组成，变矩器输入端通过弹性板与柴油机飞轮相连接。

变速箱由超越离合器、行星变速机构、摩擦片、离合器、油缸、活塞、变速泵、变速操纵阀、滤油器、齿轮、轴承、箱体组成。换挡离合器的分离与接合一般采用液力控制，通过变速操纵阀分配油路。有2个前进挡，1个后退挡，用1个手柄操作实现不停机变换挡位，在重载低速情况下，超越离合器啮合，一二级涡轮共同输出力矩，在轻载工况超越离合器分离，仅二级涡轮输出力矩，基本满足了轮式装载机的使用要求。

传统的变速操纵阀由挡位阀、溢流阀、缓冲阀及气动阀组成，采用连杆操纵换挡，操纵力约30N，每挡操纵行程10mm。总体上看，这种变速阀性能尚可，但由于装载机换挡操作频繁，驾驶员劳动强度较大。

ZF4WG200型半自动动力换挡定轴式变速器由液力变矩器、定轴式变速箱、电液控制变速系统组成。液力变矩器采用单极、单相、三元件向心涡轮结构形式，其主要由泵轮、涡轮、导轮组成，泵轮和罩轮焊在一起，变矩器输入端与柴油机飞轮相连接。变速器由离合器、摩擦片、输入轴、输出轴、变速泵、电液控制变速操纵阀、滤油器、齿轮、轴承、箱体等组成。

该型变速器的变速箱为定轴式4挡结构，4个前进挡，3个后退挡。变速箱内部有6个分布于3根平衡轴上的多片湿式摩擦离合器，能在带负荷状态(不切断动力)下接合与分离。换挡时相应的离合器摩擦片被受轴向作用的油压所推动的活塞压紧。离合器摩擦片的分离则是靠复位弹簧的作用力将活塞压回。

电液控制变速系统分为液压控制系统和电气控制系统。液压控制系统由变速泵、滤油器、电控操纵阀、安全阀、油散热器等组成，电气控制系统由EST-17/T型挡位控制器、DW3型换挡选择器、传感器及连接电路组成，如图3所示。

挡位手柄控制方向，通过向前或向后推操纵杆可得到“前进一空挡一倒挡”的位置，转动手柄可设定不同的挡位。另外在挡位手柄内部还有一空挡锁止机构。半自动换挡先进性表现在:采用电脑集成控制系统EST-17/T控制的电液操纵，并带有KD换挡功能(II挡强制跳工挡)，减少了作业换挡频繁，同时操纵也十分灵活轻巧。

从结构特点比较，传统ZL50型动力换挡行星式变速器结构紧凑复杂，零件多，设计难度大。箱体、行星架、齿圈制造工艺难度大，对加工精度要求较高。其负荷分配在行星排的齿轮上，受力分散，齿数模数小，总体尺寸较小。ZF4WG200型半自动换挡定轴式变速器结构简单，对加工精度要求较低。它采用多对齿轮传动，容易实现变轴距、变挡位、变速比，适应性更强。其齿数模数较大，变速器横向尺寸大，结构上不够紧凑。

从使用性能上比较，传统ZL50型动力换挡行星式变速器采用连杆操纵换挡，操纵力为30N，每挡操纵行程10mm。装载机作业时换挡操作频繁，有轻微冲击，整机振动较大、噪声大，驾驶员劳动强度较大，作业效率中等。ZF4WG200型半自动换挡定轴式变速器具半自动换挡(KD挡)功能，操作程序简化。电控换挡操纵力6N，每挡操纵行程极短，操纵性好，驾驶员操作强度低。换挡平稳，整车振动较小、噪声低，驾驶员舒适感强。整体作业效率较高，且具有一定的节能效果。正常维护条件下，传统动力换挡行星式变速器的使用寿命在3000~5000h，综合故障率较高。ZF4WG200型半自动换挡定轴式变速器的使用寿命为8000~10000h，综合故障率很低。

4.未来趋势

以ZF4WG200为代表的定轴式变速器在可靠性方面具有明显优势，它的低故障率减少了用户的停机时间，降低用户维修费用，由此受到了众多国内港口、矿山、钢厂等行业中高端客户的青睐。ZF4WG200型半自动换挡定轴式变速器不足之处有2点:一是售价较高，约为传统ZL50型行星式变速器的3倍;二是电液控制变速系统技术含量较高，对维修人员的专业性要求较高，国内市场维修布点尚未普及。

随着电子技术的不断发展，定轴变速器多采用了半自动及自动电液换挡控制系统。它通过相应的优化换挡策略，提高了变速器的换挡品质，使得设备的工况适应性更加符合用户需求。

目前，国内很多装载机厂制造商都在自主研发变速器，其所配变速箱趋向采用电液换挡的定轴式变速箱。相信未来，带电控盒的电液换挡形式的定轴式动力换挡变速箱将成为国内装载机市场主流配置。随着用户对设备全寿命周期价值的不断重视，采用电液换挡变速器的装载机也必将受到更多用户的垂青。

节选自2016年《工程机械与维修》第一期