近年來國(guó)內(nèi)礦用汽車發(fā)展迅速，但與之配套的液力變速箱發(fā)展較緩慢，總體壽命較短，主要是礦山道路標(biāo)準(zhǔn)低、彎道多、坡路多、轉(zhuǎn)彎半徑小，多數(shù)礦用汽車礦山滿載連續(xù)上坡，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)所致。在國(guó)外變速箱的基礎(chǔ)上，從事礦山設(shè)備研究的 科技人員研制出 ZBYX4451 型液力變速箱。此變速箱采用液力驅(qū)動(dòng)，配置液力變矩器和緩行器，機(jī)械傳動(dòng)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可較好適應(yīng)礦山工作環(huán)境。
一、液力變速箱結(jié)構(gòu)
圖 1 所示為變速箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。液力變速箱主要包括液力變矩器、液力緩行器、六組濕式離合器和四組行星排、雙聯(lián)泵及液壓附件等元件, 動(dòng)力由前端輸入軸 1 到變矩器渦輪 2 和變矩器泵輪 3，經(jīng)過液力緩行器 16 傳遞到前進(jìn)擋離合器 4，經(jīng)過中間傳動(dòng)軸 15 將動(dòng)力傳遞到行星齒輪排 (以下簡(jiǎn)稱行星排) (11 ~ 14)，由壓力油驅(qū)動(dòng)控制不同的擋位離合器 (5 ~ 9)，可以使相應(yīng)的行星齒輪副動(dòng)作，輸出 5 個(gè)前進(jìn)擋和 1 個(gè)倒退擋，最終由輸出軸 10 輸出動(dòng)力。
液力變矩器
該變速箱使用的是單級(jí)三元件綜合式變矩器，工作時(shí)變矩器的泵輪 3 由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)變矩器內(nèi)的液力油轉(zhuǎn)動(dòng)，從泵輪空腔的液力油沖擊渦輪空腔中的斜面，驅(qū)使渦輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過變矩器導(dǎo)輪 18 的葉面回到泵輪，液力油在變矩器中循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由泵輪到渦輪的動(dòng)力傳遞。
當(dāng)負(fù)荷較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，渦輪出口處液流沖擊在導(dǎo)輪的葉片上，安裝在導(dǎo)輪上的超越離合器壓緊工作，導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)但要承受扭矩，渦輪輸出扭矩較小。此時(shí)變矩器效率較低，車輛處在起動(dòng)或上坡工況。泵輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，接近渦輪轉(zhuǎn)速時(shí)，導(dǎo)輪的超越離合器開始放松，此時(shí)變矩器轉(zhuǎn)入耦合器工況工作，泵輪與渦輪轉(zhuǎn)矩相近，效率較高。當(dāng)閉鎖離合器工作時(shí)，渦輪和泵輪成剛性連接，傳動(dòng)效率接近100% ，此工況是礦用汽車在平路工作時(shí)運(yùn)行使用。
液力緩行器
變速箱配有液力緩行器，其處于變矩器和行星齒輪之間，由變速箱的殼體組成封閉空腔，內(nèi)部有轉(zhuǎn)子可以隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。車輛在平路正常行駛時(shí)，液力緩行器空腔內(nèi)沒有液壓油，轉(zhuǎn)子在空腔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，攪動(dòng)空氣只損耗極少的功率，車輛下坡時(shí)，通過液控閥向液力緩行器空腔充油液，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)油液造成阻力，用于抵消下坡產(chǎn)生過多的機(jī)械能，對(duì)汽車起輔助制動(dòng)作用。液力緩行器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖 2 所示。
行星齒輪機(jī)械變速器
變速箱換擋裝置采用行星齒輪傳動(dòng)和濕式離合器結(jié)構(gòu)，共有 4 套行星排 (11 ~ 14) 和 6個(gè)離合器 (4 ~ 9)，每套行星排包括 1 個(gè)太陽輪、4 個(gè)行星輪 (構(gòu)成行星輪架) 和 1 個(gè)內(nèi)齒圈。動(dòng)力由中間傳動(dòng)軸可以傳遞到三、四級(jí)行星排的太陽輪，通過不同離合器的接合，控制行星排中的構(gòu)件，以不同速度的輸出動(dòng)力。擋位和離合器接合對(duì)應(yīng)表如表 1 所示。
下面介紹擋位傳動(dòng)比的計(jì)算。
一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的行星排的構(gòu)件角速度方程式為
式中，ωa 為行星排太陽輪的角速度；ωb 為行星排內(nèi)齒圈的角速度；ωH 為行星排行星輪架的角速度；p 為行星排的特性參數(shù)， 
zb 是行星排內(nèi)齒圈的齒數(shù)，za 是行星排太陽輪的齒數(shù)。
計(jì)算行星齒輪機(jī)械變速器的擋位傳動(dòng)比，在角速度方程式基礎(chǔ)上，由星結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系得出關(guān)系式，經(jīng)換算整理就可計(jì)算出輸入和輸出速度的比值。
一擋：由前進(jìn)擋離合器 4 和一擋離合器 9 接合完成，動(dòng)力由前進(jìn)擋離合器傳到中間傳動(dòng)軸 15，然后傳到四級(jí)行星排 14 的太陽輪上，由行星輪架直接輸出。
由角速度方程式得
一擋離合器接合后，內(nèi)齒圈的速度為 0，即 ωb4 = 0。
式中，i1為一擋變速箱傳動(dòng)比。
二擋：由前進(jìn)擋離合器 4 和二擋離合器 8 接合完成，動(dòng)力由前進(jìn)擋離合器傳到中間傳動(dòng)軸 15，再傳到三級(jí)行星排 13 的太陽輪上，由行星輪架輸出。
計(jì)算方法與一擋一樣，由 za3 = 42，zb3 = 92 可得出
式中，i2 為二擋變速箱傳動(dòng)比。
三擋：由前進(jìn)擋離合器4 和三擋離合器7接合完成，動(dòng)力被傳遞到中間傳動(dòng)軸15，使三級(jí)行星排 13 的太陽輪和二級(jí)行星排 13 的內(nèi)齒圈同轉(zhuǎn)速，然后由二級(jí)行星排的行星輪架輸出。
一級(jí)和二級(jí)行星排的角速度方程式為
由于一擋離合器接合，一級(jí)行星排的行星輪架固定，則 ωH1 = 0。
由行星排的連接關(guān)系可得 ωa1 =ωa2 ，ωb1 =ωH2 。
式中，i3為三擋變速箱傳動(dòng)比。
四擋：由前進(jìn)擋離合器 4 和四擋離合器 6 接合完成，此時(shí)動(dòng)力由中間傳動(dòng)軸 15 傳到二級(jí)行星排 13 的內(nèi)齒圈，再由二級(jí)行星排的行星輪架輸出。
由二級(jí)行星排的角速度方程式得
四擋離合器接合后，二級(jí)行星排的太陽輪固定，即 ωa2 = 0。
式中，i4為四擋變速箱傳動(dòng)比。
五擋：由前進(jìn)擋離合器 4 和五擋離合器 5 接合完成，動(dòng)力傳到二級(jí)行星排 13 的內(nèi)齒圈，同樣由二級(jí)行星排的行星輪架輸出。
由二級(jí)行星排的角速度方程式得
五擋離合器接合后，二級(jí)行星排的太陽輪和內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速相等，即 ωa2 =ωb2 ，解得
式中，i5 為五擋變速箱傳動(dòng)比。
倒擋：由五擋離合器 5 和一擋離合器 9 接合完成，此時(shí)動(dòng)力傳到二級(jí)行星排的太陽輪，由二級(jí)行星排的內(nèi)齒圈傳通過三級(jí)行星排的太陽輪遞到四級(jí)行星排的太陽輪，再由四級(jí)行星排的行星輪架輸出。
由二級(jí)和四級(jí)行星排的角速度方程式得
根據(jù)行星排之間的連接關(guān)系得 ωb2 =ωa4 ，ωH2 =ωH4。
一擋離合器接合后，四級(jí)行星排的太陽輪固定，故 ωb4 = 0。
液壓系統(tǒng)
液力變速箱的液壓系統(tǒng)有換擋、潤(rùn)滑、保證變矩器和液力緩行器運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，液壓系統(tǒng)原理如圖 3 所示。
此變速箱液壓系統(tǒng)有 2 個(gè)油泵 26 和 27，吸油前均先經(jīng)過吸油過濾器 28，油泵 27 提供的液壓油經(jīng)過精濾器 25 后給換擋系統(tǒng)和變矩器供油，安全閥 18 保證液壓油壓力小于 2. 8 MPa。當(dāng)換擋回路中擋位控制閥 (8 ~ 19) 打開時(shí)，液壓油通至換擋油缸 (1 ~ 6) 實(shí)現(xiàn)換擋。需要閉鎖時(shí)，液力變矩器閉鎖控制閥 8 打開，液壓油通至前進(jìn)擋換擋油缸 1 實(shí)現(xiàn)變矩器閉鎖。油泵 26 直接將液壓油提供至變速箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑調(diào)壓閥 24 保證潤(rùn)滑壓力小于 0. 3 MPa，多余的液壓油通至液力變矩器。
不打開擋位控制閥時(shí)，液壓油通過主壓調(diào)壓閥 17 進(jìn)入液力變矩器 16，變矩器調(diào)壓閥 23 保證液壓油壓力小于 0. 8 MPa 以確保變矩器正常工作。液壓油通過液力變矩器進(jìn)入緩行器控制閥 19，經(jīng)過油水熱交換器 21 冷卻后，再經(jīng)過回油調(diào)壓閥回到油箱，回油調(diào)壓閥的作用是保證整個(gè)系統(tǒng)壓力大于 0. 1MPa。
液壓油由換擋回路引入緩行器先導(dǎo)閥 15，當(dāng)打開先導(dǎo)閥電磁開關(guān)時(shí)，閥芯滑動(dòng)使緩行器控制閥 19 的液壓油壓力升高，控制閥滑閥換位，此時(shí)油水熱交換器 21 的液壓油經(jīng)過緩行器控制閥 19 的一個(gè)腔進(jìn)入液力緩行器 20 的轉(zhuǎn)子室，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。液壓油再通過緩行器控制閥 19 的另外一個(gè)腔進(jìn)入油水熱交換器 21，形成液力緩行器的循環(huán)回路。
二、結(jié)論
本論文主要論述了用于礦用汽車的 ZBYX4451 型液力變速箱的結(jié)構(gòu)，包括液力變矩器、液力緩行器、行星齒輪變速機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)。此變速箱對(duì)行駛過程中的沖擊可實(shí)現(xiàn)有效緩沖，下坡時(shí)避免制動(dòng)裝置過度使用而產(chǎn)生高溫，車輛更加安全，可以很好地適應(yīng)礦山的工作環(huán)境。