大型養路機械摩擦片離合器換擋機構車軸齒輪箱研究

羅立紅

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

大型養路機械換擋機構主要有兩類：滑移齒式換擋機構和離合器換擋機構。

（1）滑移式換擋機構

此種換擋機構結構簡單，一般采用氣缸或液壓缸作為動力源，沿軸向或轉動撥動換擋齒輪與被動齒輪嚙合的換擋機構，造價低，被廣泛用于不超過四軸同時換擋的車軸齒輪箱的嚙合和脫開。 如圖1 所示：

圖1 滑移式換擋機構

（2）離合器換擋機構

此種換擋機構結構復雜，可采用氣動、液壓、電磁作為動力源， 通過操控主被動離合器實現擋位脫掛，主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機構、壓力檢測裝置或接口等組成，成本高；每個離合器單獨控制，換擋可靠，可實現多軸同時脫掛。

大型養路機械上使用離合器主要有兩種，牙嵌式（端面齒）離合器和摩擦片式離合器。

牙嵌式離合器：牙嵌式離合器結構簡單外形尺寸小，傳遞扭矩大，接合后主從動軸無相對滑動，傳動比不變。 但接合時有沖擊，為確保安全只能適用于完全靜止接合，主要用于低速機械不需要經常離合的傳動軸系如圖2 所示。

圖2 牙嵌式離合器

摩擦片離合器：大機運用摩擦片離合器主要采用濕式離合器，離合器浸泡在油中，能有效降低磨損，緩沖沖擊載荷。主要由主動摩擦片、從動摩擦片、換擋操縱機構、復位彈簧、壓力檢測裝置或接口等組成。

車軸齒輪箱作為涉及整車安全和性能的重要部件， 以上滑移式換擋機構目前國內自主設計制造比較成熟，成本可控；而采用離合器換擋的車軸齒輪箱主要依賴進口，造價昂貴，技術上受制于人，供貨周期長，且無法掌握其內部結構和關鍵技術， 后期售后服務等均需要依靠廠商，在車軸齒輪箱的后期維修保養，配件供應、整機大修以及開拓海外市場等多方面均受制于人，制約大型養路機械的發展。 本文主要研究自主離合器換擋機構車軸齒輪箱， 適應新形勢下大型養路機械的長遠發展，為大型養路機械的兩條腿打好堅實基礎。

1 離合器換擋機構結構設計

摩擦片式離合器技術成熟，是運用最廣也是歷史最久的一類離合器，可適用于高速、重載工況，在國內國外多種大型養路機械上均有運用，特別是在需要多軸同時實現脫掛擋的車軸齒輪箱，片式離合器脫掛擋結構就有著明顯的優勢，目前國內一些大型養路機械如打磨、清篩等車型均采用片式離合器脫掛擋進口車軸齒輪箱，該類型車軸齒輪箱在大型養路機械多軸同時驅動走行系統具有較廣泛的應用。

1.1 車軸齒輪箱結構形式

采用離合器換擋的車軸齒輪箱的動力輸入采用液壓馬達，液壓馬達體積小，其安裝和布置比較靈活，所以本方案選擇漸開線圓柱齒輪，輸入軸與輸出軸平行。

1.2 整體布置方案設計

針對離合器在齒輪箱上的布置形式制訂了如下三個方案。

1.2.1 方案一

離合器采用半獨立模組， 直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達先連接離合器外摩擦片，再通過內摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。 離合器的冷卻油共用車軸齒輪箱冷卻油；離合器采用獨立換擋液壓油，標準液壓旋轉接頭安裝于車軸齒輪箱軸端如圖3 所示。

圖3 方案一

1.2.2 方案二

如圖4 所示，離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達安裝在離合器另一側，馬達經過一級圓柱齒輪傳動后，連接離合器外摩擦片，再通過內摩擦片連接傳動軸， 動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱。 離合器采用獨立的冷卻油供給；離合器采用獨立換擋液壓油， 標準液壓旋轉接頭安裝于離合器軸端。

圖4 方案二

1.2.3 方案三

如圖5 所示，離合器采用獨立模組，直接安裝在齒輪箱軸上，輸入馬達安裝在齒輪箱另一側，先連接離合器外摩擦片，再通過內摩擦片連接傳動軸，動力通過傳動軸傳入車軸齒輪箱；此種結構采用大小花鍵確保動力輸入和輸出在同一側，車軸齒輪箱采用內外心軸結構。 離合器采用獨立的冷卻油供給；離合器采用獨立換擋液壓油，標準液壓旋轉接頭安裝于離合器軸端。

圖5 方案三

綜合以上三個方案，均為離合器外置方案，此種結構可滿足模塊化設計，故障易判斷，責任明確。但方案一離合器更換不方便，齒輪箱軸端懸臂太長；方案二齒輪箱軸端懸臂長，結構復雜，空間位置占比大；方案三離合器、馬達分置齒輪箱兩側，便于拆卸和維護，優選方案三，優化后最終方案如圖6 所示。

此車軸齒輪箱為平行軸圓柱齒輪傳動兩級減速車軸齒輪箱，離合器安裝在馬達輸入端，確保脫擋狀態馬達浮動；離合器與馬達分置在齒輪箱兩側，輸出齒輪軸采用空心軸結構形式。

圖6 離合器齒輪箱結構

1.3 內部結構設計

1.3.1 安裝接口及連接方式

液壓馬達與輸入軸連接方式為花鍵或平鍵連接；輸入軸與外摩擦片連接方式為花鍵連接；內摩擦片與傳動軸連接方式為平鍵連接；外摩擦片與輸出齒輪軸連接方式為花鍵連接。

1.3.2 各軸固定方式

輸出齒輪軸兩端布置圓錐滾子軸承承載在箱體上； 輸入軸馬達側通過圓柱滾子軸承固定在箱體上，離合器側通過花鍵與傳動軸連接；離合器內摩擦片與傳動軸過盈連接或鍵連接，外摩擦片一側固定在軸承上，另一側與輸出齒輪軸花鍵連接。

1.3.3 傳動方式

動力傳遞路線（見圖6）：離合器掛擋—1 液壓馬達輸入動力—2 輸入軸—9 傳動軸—10 內摩擦片—7外摩擦片—5 輸出齒輪軸—車軸—車輪；空擋反拖路線：離合器脫擋—車輪轉動—車軸轉動—5 輸出齒輪軸—7 外摩擦片—內外摩擦片相對轉動。

1.4 換擋和潤滑設計

1.4.1 擋位切換

通過外部掛擋液壓油增壓在規定范圍內， 則內外摩擦片吸合；泄壓后離合器摩擦片通過復位彈簧分離。

1.4.2 潤滑設計

離合器傳動軸在對應軸承、掛擋油孔、離合器摩擦片位置設置潤滑油道，確保進入旋轉接頭的潤滑油和掛擋油分配到位。

離合器內所有軸承均配置強制潤滑，離合器摩擦片也采用強制潤滑方式，強制潤滑油通過車軸齒輪箱潤滑泵經過濾后送至各潤滑點如圖7 所示。

圖7 離合器潤滑系統

2 結語

摩擦片離合器換擋車軸齒輪箱采用平行軸硬齒面傳動，離合器與液壓馬達位于齒輪箱左右兩側的結構，便于拆卸維護和模塊化設計；同時離合器與車軸齒輪箱基本屬兩個獨立箱體， 性能不會相互影響；離合器采用系統液壓油控制換擋，增壓吸合掛擋，卸壓分離脫擋，液壓油通過旋轉接頭供給；離合器冷卻采用強制冷卻，軸承采用強制潤滑，冷卻液及潤滑液均取自車軸齒輪箱齒輪油。該離合器采用濕式內外摩擦片結構，在行業內首次自主化設計。