由于矿用汽车使用中路况复杂、冲击大、满载上下坡时间长，故其对变速箱的技术要求较高。本文介绍的 ZBYX4451 型变速箱采用液力驱动，配置液力变矩器和缓行器，机械传动采用行星齿轮结构，结构紧凑，可传递较大功率，可以被广泛用于 40t 矿用汽车及同级别的公路汽车。

　　近年来国内矿用汽车发展迅速，但与之配套的液力变速箱发展较缓慢，总体寿命较短，主要是矿山道路标准低、弯道多、坡路多、转弯半径小，多数矿用汽车矿山满载连续上坡，发动机和传动系满负荷运行时间长所致。在国外变速箱的基础上，从事矿山设备研究的 科技人员研制出 ZBYX4451 型液力变速箱。此变速箱采用液力驱动，配置液力变矩器和缓行器，机械传动采用行星齿轮结构，结构紧凑，可较好适应矿山工作环境。

　　一、液力变速箱结构

　　图 1 所示为变速箱结构简图。液力变速箱主要包括液力变矩器、液力缓行器、六组湿式离合器和四组行星排、双联泵及液压附件等元件, 动力由前端输入轴 1 到变矩器涡轮 2 和变矩器泵轮 3，经过液力缓行器 16 传递到前进挡离合器 4，经过中间传动轴 15 将动力传递到行星齿轮排 (以下简称行星排) (11 ~ 14)，由压力油驱动控制不同的挡位离合器 (5 ~ 9)，可以使相应的行星齿轮副动作，输出 5 个前进挡和 1 个倒退挡，最终由输出轴 10 输出动力。

　　液力变矩器

　　该变速箱使用的是单级三元件综合式变矩器，工作时变矩器的泵轮 3 由发动机驱动，带动变矩器内的液力油转动，从泵轮空腔的液力油冲击涡轮空腔中的斜面，驱使涡轮 2 转动，再通过变矩器导轮 18 的叶面回到泵轮，液力油在变矩器中循环流动，实现由泵轮到涡轮的动力传递。

　　当负荷较大、转速较低时，涡轮出口处液流冲击在导轮的叶片上，安装在导轮上的超越离合器压紧工作，导轮不转动但要承受扭矩，涡轮输出扭矩较小。此时变矩器效率较低，车辆处在起动或上坡工况。泵轮转速继续升高，接近涡轮转速时，导轮的超越离合器开始放松，此时变矩器转入耦合器工况工作，泵轮与涡轮转矩相近，效率较高。当闭锁离合器工作时，涡轮和泵轮成刚性连接，传动效率接近100% ，此工况是矿用汽车在平路工作时运行使用。

　　液力缓行器

　　变速箱配有液力缓行器，其处于变矩器和行星齿轮之间，由变速箱的壳体组成封闭空腔，内部有转子可以随传动轴转动。车辆在平路正常行驶时，液力缓行器空腔内没有液压油，转子在空腔内转动，搅动空气只损耗极少的功率，车辆下坡时，通过液控阀向液力缓行器空腔充油液，转子转动油液造成阻力，用于抵消下坡产生过多的机械能，对汽车起辅助制动作用。液力缓行器转子转速与转矩的关系如图 2 所示。

　　行星齿轮机械变速器

　　变速箱换挡装置采用行星齿轮传动和湿式离合器结构，共有 4 套行星排 (11 ~ 14) 和 6个离合器 (4 ~ 9)，每套行星排包括 1 个太阳轮、4 个行星轮 (构成行星轮架) 和 1 个内齿圈。动力由中间传动轴可以传递到三、四级行星排的太阳轮，通过不同离合器的接合，控制行星排中的构件，以不同速度的输出动力。挡位和离合器接合对应表如表 1 所示。

　　下面介绍挡位传动比的计算。

　　一个独立运行的行星排的构件角速度方程式为

　　式中，ω_a 为行星排太阳轮的角速度；ω_b 为行星排内齿圈的角速度；ω_H 为行星排行星轮架的角速度；p 为行星排的特性参数， z_b 是行星排内齿圈的齿数，z_a 是行星排太阳轮的齿数。

　　计算行星齿轮机械变速器的挡位传动比，在角速度方程式基础上，由星结构的连接关系得出关系式，经换算整理就可计算出输入和输出速度的比值。

　　一挡：由前进挡离合器 4 和一挡离合器 9 接合完成，动力由前进挡离合器传到中间传动轴 15，然后传到四级行星排 14 的太阳轮上，由行星轮架直接输出。

　　由角速度方程式得

　　一挡离合器接合后，内齿圈的速度为 0，即 ω_b4 = 0。

　　式中，i₁为一挡变速箱传动比。

　　二挡：由前进挡离合器 4 和二挡离合器 8 接合完成，动力由前进挡离合器传到中间传动轴 15，再传到三级行星排 13 的太阳轮上，由行星轮架输出。

　　计算方法与一挡一样，由 z_a3 = 42，z_b3 = 92 可得出

　　式中，i₂ 为二挡变速箱传动比。

　　三挡：由前进挡离合器4 和三挡离合器7接合完成，动力被传递到中间传动轴15，使三级行星排 13 的太阳轮和二级行星排 13 的内齿圈同转速，然后由二级行星排的行星轮架输出。

　　一级和二级行星排的角速度方程式为

　　由于一挡离合器接合，一级行星排的行星轮架固定，则 ω_H1 = 0。

　　由行星排的连接关系可得 ω_a1 =ω_a2 ，ω_b1 =ω_H2 。

　　式中，i₃为三挡变速箱传动比。

　　四挡：由前进挡离合器 4 和四挡离合器 6 接合完成，此时动力由中间传动轴 15 传到二级行星排 13 的内齿圈，再由二级行星排的行星轮架输出。

　　由二级行星排的角速度方程式得

　　四挡离合器接合后，二级行星排的太阳轮固定，即 ω_a2 = 0。

　　式中，i₄为四挡变速箱传动比。

　　五挡：由前进挡离合器 4 和五挡离合器 5 接合完成，动力传到二级行星排 13 的内齿圈，同样由二级行星排的行星轮架输出。

　　由二级行星排的角速度方程式得

　　五挡离合器接合后，二级行星排的太阳轮和内齿圈转速相等，即 ω_a2 =ω_b2 ，解得

　　式中，i₅ 为五挡变速箱传动比。

　　倒挡：由五挡离合器 5 和一挡离合器 9 接合完成，此时动力传到二级行星排的太阳轮，由二级行星排的内齿圈传通过三级行星排的太阳轮递到四级行星排的太阳轮，再由四级行星排的行星轮架输出。

　　由二级和四级行星排的角速度方程式得

　　根据行星排之间的连接关系得 ω_b2 =ω_a4 ，ω_H2 =ω_H4。

　　一挡离合器接合后，四级行星排的太阳轮固定，故 ω_b4 = 0。

　　液压系统

　　液力变速箱的液压系统有换挡、润滑、保证变矩器和液力缓行器运转的功能，液压系统原理如图 3 所示。

　　此变速箱液压系统有 2 个油泵 26 和 27，吸油前均先经过吸油过滤器 28，油泵 27 提供的液压油经过精滤器 25 后给换挡系统和变矩器供油，安全阀 18 保证液压油压力小于 2. 8 MPa。当换挡回路中挡位控制阀 (8 ~ 19) 打开时，液压油通至换挡油缸 (1 ~ 6) 实现换挡。需要闭锁时，液力变矩器闭锁控制阀 8 打开，液压油通至前进挡换挡油缸 1 实现变矩器闭锁。油泵 26 直接将液压油提供至变速箱的润滑系统，润滑调压阀 24 保证润滑压力小于 0. 3 MPa，多余的液压油通至液力变矩器。

　　不打开挡位控制阀时，液压油通过主压调压阀 17 进入液力变矩器 16，变矩器调压阀 23 保证液压油压力小于 0. 8 MPa 以确保变矩器正常工作。液压油通过液力变矩器进入缓行器控制阀 19，经过油水热交换器 21 冷却后，再经过回油调压阀回到油箱，回油调压阀的作用是保证整个系统压力大于 0. 1MPa。

　　液压油由换挡回路引入缓行器先导阀 15，当打开先导阀电磁开关时，阀芯滑动使缓行器控制阀 19 的液压油压力升高，控制阀滑阀换位，此时油水热交换器 21 的液压油经过缓行器控制阀 19 的一个腔进入液力缓行器 20 的转子室，产生制动力矩。液压油再通过缓行器控制阀 19 的另外一个腔进入油水热交换器 21，形成液力缓行器的循环回路。

　　二、结论

　　本论文主要论述了用于矿用汽车的 ZBYX4451 型液力变速箱的结构，包括液力变矩器、液力缓行器、行星齿轮变速机构和液压系统。此变速箱对行驶过程中的冲击可实现有效缓冲，下坡时避免制动装置过度使用而产生高温，车辆更加安全，可以很好地适应矿山的工作环境。