ZL20装载机行星式动力换挡变速箱设计说明书

ZL20装载机行星式动力换挡变速箱设计说明书

1.1装载机的总体构造

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

装载机以柴油发动机或电动机为动力装置，行走装置为轮胎或履带，由工作装置来完成土石方工程的铲挖、装载、卸载及运输作业。如图1-1所示，轮胎式装载机是由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成。

图1.1轮式装载机结构简图

1—柴油机 2—传动系统 3—防滚翻与落物保护装置4—驾驶室 5—空调系统 6

—转向系统 7—液压系统 8—前车架 9—工作装置 10—后车架11—制动系 12

—电器仪表系统

1.2整机传动系统设计

轮式装载机传动系统如图1.2所示，其动力传递路线为：发动机——液力变矩器——变速箱——传动轴——前、后驱动桥——轮边减速器——车轮。

图1.2轮式装载机传动系统

1.液力变矩器

装载机采用双涡轮液力变矩器，能随外载荷的变化自动改变其工况，相当于一个自动变速箱，提高了装载机对外载荷的自适应性。变矩器的第一和第二涡轮输出轴及其上的齿轮将动力输入变速箱。在两个输入齿轮之间安装有超越离合器。

当二级齿轮从动齿轮的转速高于一级从动齿轮的转速时，超越离合器将自动脱开，此时，动力只经耳机涡轮及二级齿轮传入变速箱。随着外载荷的增加，涡轮的转速降低，当二级齿轮从动齿轮的转速低于一级齿轮传动齿轮的转速时，超越离合器楔紧，则一级涡轮轴及一级齿轮于二级涡轮轴及二级齿轮一起回转传递动力，增大了变矩系数。

2.变速箱

变速箱是行星式动力换挡变速箱，由两个制动器和一个闭锁离合器实现三个档位。前进Ⅰ档和倒档分别由各自的制动器实现换挡；前进Ⅱ档（直接档）通过结合闭锁离合器实现。

3.驱动桥

采用双桥驱动，主传动采用一级螺旋锥齿轮减速器，左右半轴为全浮式。轮边减速器为行星传动减速。

2.传动系总体方案设计

2.1总体方案设计

参照同类机型，ZL20总体传动方案采用液力机械传动，如图1.2，其中采用双涡轮液力变矩器，变速箱采用行星式动力换挡变速箱，主传动采用一级螺旋锥齿轮，轮边减速采用单行星排行星齿轮传动。

2.2行星式动力换挡变速箱的设计步骤

（1）具体了解行星式动力换挡变速箱的结构，清晰设计任务，设计参数和已知数据及其参考机型。

（2）发动机与液力变矩器的匹配。

（3）根据总体计算确定档位数及各各档传动比。

（4）根据总体布置要求确定变速箱外形尺寸允许范围。

（5）草拟变速箱的传动方案。

（6）确定变速箱的主要参数，包括中心距A，齿轮模数m，齿宽b等。

（7）根据变速箱的传动比选配齿轮，确定各档齿轮的齿数。

（8）进行齿轮，轴，轴承等零件的寿命计算或强度，刚度计算，换挡离合器等的计算。

（9）进行结构设计，绘制装配图和零件图。变速箱的设计必须与总体设计相协调，并充分考虑在各机型间实现系列化，通用化和标准化。

最后,本设计为ZL20装载机行星式动力换档变速箱，结构紧凑、载荷容量大、传动效率高、齿间负荷小、结构刚度好、输入输出轴同心以及便于实现动力与自动换档等优点，同时也有结构复杂、零件多、制造精度高、维修困难等缺点。

3.发动机与液力变矩器匹配分析及其变速箱各档传动比的确定

3.1匹配相关数据

3.1.1液力变矩器

所选用的液力变矩器均为单级四元件双涡轮液力变矩器其结构形式及其有关资料。参考《机械设计手册》第5版第4卷表24.4-3，初选YJSW310型液力变矩器，其公称特性见图24.4-39,即表3.1

表3.1YJSW310型液力变矩器参数

3.1.2整机参数

与匹配有关但未在任务书中出现的数据[13]如下：

表3.2液压系统相关参数

3.1.3其他数据

其他相关数据，可见毕业设计任务书——主要技术参数。

3.2发动机与变矩器原始特性

3.2.1发动机原始特性曲线

根据毕业设计任务书已知：发动机eH n =2000r/min ，eH N =60KW ， 最大扭矩及相应转速eM M =300Nm/1600r ·p ·m 。 扭矩计算公式

[13]

()()

2

x e

2

e eH eH

emax emax X n n

n n M M M M ----

= （3-1）

x

x

x n N M 9550

= （3-2） 计算发动机原始特性曲线相关参数，见表3.3

表3.3发动机原始特性曲线相关参数

参照相关资料，发动机调速区（1.1~1.2）eH N , 取1.2eH N =1.2x2000=2400r/min

将上面数据以转速n 为横坐标，发动机输出扭矩M 为纵坐标画在图3.1发动机与双涡轮液力变矩器共同输入曲线上。

由于工程机械发动机的标定功率均为1小时功率，但未扣除发动机附件所消耗的功率。发动机附件所消耗的可按照发动机额定功率的10%计算，所以发动机传递给变矩器的有效功率有额定功率的的90%。

发动机的原始特性曲线可根据下面的经验公式计箅出不同转速所对应的发动

机扭矩，然后选择合适的比例在坐标纸上描点连线。

发动机用在装载机上时，除其附件外，还要带整机的辅助装置，如工作装置 油泵、转向油泵、变速操泵及变矩器补偿冷却油泵和气泵等。在绘制发动机和变矩器共同工作输入特性曲线时，必须根据装载机的具体工作情况，扣除带动这些辅助装置所消耗的发动机扭矩。这些油泵在装载机作业过程中，并不是同时满载工作的。

发动机与变矩器的匹配，一般分为两种方案，即全功率匹配和部分功率匹配。 全功率匹配：以满足装载机在作业时对插入力的要求为主，就是说此时变速操纵泵与变矩器共同工作，而转向泵和工作装置油泵空转，变矩器与发动机输出的全部功率进行匹配。

部分功率匹配：考虑工作装置油泵所需的功率，预先留出一定的功率，就是说这时工作装置油泵、变速操纵泵与变矩器共同工作，而转向泵空转，变矩器不是与发动机输出的全部功率进行匹配，而是与部分功率进行匹配。

两种匹配方案，对于小型装载机，为满足对插入力的要求，用全功率匹配为宜。对大中型转载机，因其储备功率较大，为提高其生产率，采用部分功率匹配较好。而ZL20装载机属于小型机，故采用全功率匹配为宜。发动机输入液力变矩器的净功率N ec 用如下公式[4]

计算：

g f eH ec N N N N ∑-∑-= (3-3)

式中——ec N 扣除辅助装置和工作油泵消耗后的发动机净功率，KW ； eH N ——发动机台架试验确定的标定功率； f N ∑——消耗在驱动辅助装置上的发动机功率； g N ∑——消耗在驱动工作液压泵的发动机功率。

一般发动机台架试验时都不带风扇、空气过滤器、消音器、发电机和空压机等附件，它们所消耗的功率约为发动机标定功率的5%-10%,按10%eH N 计算。 各工作液压泵所消耗的功率可按下式[4]

确定： η

60pQ

N g =

（3-4）

式中：p ——油泵的输出压力，MPa ； Q ——油泵的流量，L/min ；

η——油泵的效率，取η=0.75～0.85,取0.80

根据课程设计任务书可知，变速泵的压力工作1.1 Mpa ，工作流量为90 1/min ；转向泵的工作压力为10Mpa ，工作流量为651/min ；工作装置油泵的工作压力为6Mpa ，工作流量为200 1/min 。

根据式（3-3）和式（3-4）计算出发动机与变矩器的全功率匹配时，发动机在额定工时给变矩器传递的有效功率为N ec =52KW,再由式（3-2）计算出此时的扭矩M ec =248N ·m ，将发动机原始特性曲线按一定比例往纵坐标方向下移，使其通过点(n,M)=（2000,248），此时的发动机特性曲线即为发动机净输出特性曲线，见图3.1发动机与液力变矩器共同输入曲线。时的扭矩M ec =248N ·m ，将发动机原始特性曲线按一定比例往纵坐标方向下移，使其通过点(n,M)=（2000,248），此时的发动机特性曲线即为发动机净输出特性曲线，见图3.1发动机与液力变矩器共同输入曲线。

3.2.2发动机与液力变矩器的共同工作的输入特性曲线

变矩器输入特性是分析研究变矩器在不同工况i 时，变矩器与柴油机工作的转矩和转速变化的特征。不同转速比时，泵轮转矩MB 随泵轮转速的变化而变化。 由《机械设计手册》P24～66可知，对于每一i 值从变矩器的公称特性曲线上查相应的()1000B B M M =,K 。给出一系列泵轮转速21,B B n n …根据式

()()2

10001000/B B B n M M =,B T n i n ?=和()22

10001000??

? ??=T B T n i KM M 计算得相应一系列1B M , 2B M …,21,T T M M …,21,T T n n …值。

由公式()()2

10001000/B B B n M M =及表3.1 YJSW310型液力变矩器参数可算得每一i

值不同转速下的泵轮的扭矩M B ，相关数据见表3.4

表3.4每一i 值不同转速下的B M