第1章　工程机械变速器的设计

1.1　概述

1.1.1　变速器的功用

（1）改变动力机械和作业机械间的传动比，以满足作业机械对作业速度和转矩变化范围的需要。

（2）改变作业机械的作业方向，实现正向运行和逆向运行。

（3）利用变速器空挡切断动力，在动力运行情况下，作业机械能停止运行，便于启动和运行工况下实现安全停车。

（4）需要有动力输出时，应有动力输出装置。

1.1.2　对变速器的要求

（1）具有足够的挡位与合适的传动比，使工程机械具有良好的牵引性、高的生产率及燃料使用经济性。

（2）结构简单，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，维护方便。

（3）操作轻便、可靠，不会出现同时挂两个挡、自行脱挡和跳挡现象。

（4）动力换挡变速器则要求其换挡离合器接合平稳、传动效率高。

（5）重量轻、体积小，噪声低等。

1.1.3　变速器的类型

按操纵方式和轮系型式分类

1.1.3.1　按操纵方式分类

（1）机械换挡　操作者用人力操纵换挡机构直接进行换挡。换挡时需中断动力机械传给变速器的动力。机械换挡变速器的优点是结构简单，工作可靠，零件少，体积和重量一般较小，制造方便，传动效率较高、价格便宜。其缺点是操纵复杂，换挡时需切断动力、劳动强度大。该变速器一般用于装有主离合器的机械传动系中。

①机械换挡变速器按前进挡参加传动轴的数目不同，可分为二轴式，平面三轴式，空间三轴式和多轴式几种。

a.二轴式变速器各个前进挡是由输入轴与输出轴之间的一对齿轮啮合传出。该变速器的特点是结构简单，传动效率高。该变速器只满足挡位数较少，传动比范围小的设计要求。

b.平面三轴式变速器是输入轴、输出轴布置在同一轴线上，可以获得直接挡。由于输入轴、输出轴、中间轴处在同一平面内，因此称为平面三轴式变速器。该变速器的每个挡位由两对齿轮啮合传出、其中输入轴至中间轴的一对齿轮称为常啮合齿轮。

c.空间三轴式变速器是输入轴，中间轴和输出轴在空间呈三角形布置，在输入轴与输出轴之间装有倒挡惰轮，可以获得多个倒退挡。

d.完成前进挡的轴数大于三轴的变速器为多轴变速器。

②机械换挡变速器按自由度可分为单级变速器（或称非组成式变速器）和串联变速器（或称组成式变速器）。

a.单级变速器为两自由度，只要结合一个接合元件就能得到一个挡位。

b.串联变速器由两个或两个以上变速器串联组成。自由度为3或3以上，需要结合两个或两个以上接合元件才能得到一个挡位。

串联变速器又可分为轴向串联和横向串联两种。

轴向串联是将变速器按轴线方向串联布置。该变速器轴向尺寸长，横向尺寸小，适用于输入轴和输出轴需要在同一轴线的场合。

横向串联是将变速器横向串联连接。该变速器横向尺寸大，轴向尺寸短，适用于输出轴相对输入轴需要有降距的场合。

③机械换挡变速器按换挡方式可分为滑动齿轮换挡、啮合套换挡和同步器换挡三种。

a.滑动齿轮换挡的优点是结构简单、紧凑。缺点是换挡不轻便、换挡时齿端面受到较大冲击，导致齿轮早期损坏，滑动花键磨损后易造成脱挡，噪声大。

b.啮合套换挡一般适用于斜齿轮传动。由于齿轮常啮合，减少了噪声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套换挡结构简单，缺点是还不能完全消除换挡冲击。

c.同步器换挡可保证齿轮在换挡时不受冲击，操纵轻便，缩短换挡时间。缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。

（2）动力换挡　在动力换挡变速器中，齿轮通过轴承支承在轴上，齿轮与轴的结合和分离通过离合器来实现。离合器的分离和接合一般是用油压操纵，离合器的接合和分离借助于动力机的动力，故称动力换挡。

动力换挡的优点是操纵轻便简单，换挡快，换挡时动力切断的时间可降低到最低限度，可以实现负荷下不停车换挡。缺点是结构复杂，换挡元件（离合器或制动器）上有摩擦功率损失。

该变速器多数用于液力机械传动系统中。

1.1.3.2　按轮系形式分类

按轮系形式可分为定轴变速器和行星变速器。

（1）定轴变速器　该变速器中所有齿轮的支承轴都是固定的，且有两种换挡方式：机械换挡和动力换挡。定轴变速器的优点是结构简单，加工与装配精度容易保证，造价低。其缺点尺寸、重量较大。

动力换挡定轴变速器全部采用摩擦离合器换挡，由于离合器工作条件较行星变速器恶劣，在一定程度上影响变速器使用寿命。

（2）行星变速器　行星变速器只有动力换挡一种方式。行星变速器的优点是结构紧凑，载荷容量大、传动效率高、齿间负荷小，以制动器代替旋转离合器、径向载荷相互平衡、采用浮动支承使行星轮载荷均衡。输入输出轴同轴线，容易实现动力换挡。其缺点是结构复杂，制造和安装比较困难。

1.1.4　基本原理

1.1.4.1　变速、变矩原理

一对齿数不同的齿轮啮合传动时，即可变速、变矩。例如，小齿轮的齿数z₁=17，大齿轮的齿数z₂=34，大齿轮的直径是小齿轮的两倍，则在相同的时间内小齿轮转过一圈时，大齿轮只转过半圈，大齿轮的转速为小齿轮的一半，而转矩为小齿轮的两倍。可见两齿轮的转速与其齿数成反比、转矩与其齿数（直径）成正比。若小齿轮是主动轮，其转速经大齿轮传出时就降低了，而转矩却增大了。工程机械变速器就是根据这一原理，利用若干大小不同的齿轮副传动而实现变速、变矩的。

1.1.4.2　换挡原理

（1）机械换挡变速器　若将图1-1中齿轮3与4脱开，改为齿轮6与5啮合，则由于齿数z₆＞z₅、z₅＜z₃，于是，普通齿轮变速器就是通过改换大小不同的齿轮副啮合、改变传动比，满足所需要的输出转速和转矩。

齿轮1与2、3与4分别啮合时，输出轴的转速高，则转矩小，此时的齿轮啮合挡位称为高速挡；齿轮1与2、5与6分别啮合时，输出轴的转速低、转矩大，此时齿轮啮合挡位称为低速挡；齿轮4、6均不与齿轮3、5啮合时，则动力不能传递到输出轴，这就是变速器的空挡。

（2）动力换挡变速器　动力换挡变速器的挡位变换是通过液压操纵换挡离合器来实现的，其基本原理如图1-2所示。其由动力输入轴、中间轴，动力输出轴，换挡离合器及齿轮等组成。换挡离合器的主动片通过主动毂固装在动力输入轴上，并随之转动。从动片分别与

齿轮2、5的轮壳固装在一起。齿轮2、5滑套在动力输入轴上，并各自单独旋转。齿轮8、10固装在动力输出轴上，分别与齿轮2、5相啮合。齿轮6滑套在中间轴上（而中间轴在此仅起支承作用），并同时与齿轮5、8相啮合。

换挡离合器3、4都处于分离状态时，动力传至主动片后便无法继续传递，变速器处于空挡。若换挡离合器3接合，4分离时，动力自输入轴经换挡离合器3、齿轮2及10，最后由输出轴输出。此时的齿轮5、6、8及换挡离合器4的从动片随输出轴空转，主动片随输入轴旋转，互不干涉。同时，换挡离合器4接合、3分离时，变速器便实现另一个挡位。

上述动力换挡变速器的传动特点是，齿轮与轴的位置固定，故又称其为定轴动力换挡变速器。与此对应的行星动力换挡变速器如图1-3所示。其包括太阳轮、内齿圈、行星架和三个行星轮等主要零件。行星轮滑套在行星架上，同时与太阳轮、内齿圈相啮合。该变速器可以在太阳轮、内齿圈和行星架三个基本元件中任选两个作为动力输入和输出元件，采用制动或其他方法使另一元件固定，或以给定速度旋转（称为给该元件一个约束），这样，单排行星齿轮传动变速器就以某一传动比传递动力。如果改变被固定元件，则动力输入与输出元件的传动比也随之改变。如果所有元件均无约束，则行星轮失去传递作用。根据这个原理，单排行星齿轮传动可以具有六个不同传动比方案，如图1-4所示。

方案①内齿圈固定，动力由太阳轮输入、行星架输出，两者转向相同。

方案②内齿圈固定，动力由行星架输入、太阳轮输出，两者转向相同。

方案③太阳轮固定，动力由内齿圈输入、行星架输出，两者转向相同。

方案④太阳轮固定，动力由行星架输入、内齿圈输出，两者转向相同。

方案⑤行星架固定，动力由太阳轮输入、内齿圈输出，两者转向相反。

方案　行星架固定，动力由内齿圈输入、太阳轮输出，两者转向相反。

图1-3所示的传动属上述方案①，其内齿圈2被换向离合器刹住，动力由太阳轮输入、行星架输出。显然，当换向离合器处于分离状态时，则无约束，行星轮失去传递作用。

行星齿轮动力换挡变速器，就是由这样一排或两排行星齿轮传动而构成，通过液压操纵换向离合器实现各个挡位的变换。

1.1.4.3　换向原理

由图1-5可知，由于相啮合的一对齿轮旋转方向相反，所以每经一齿轮副传动，其输出轴便改变一次旋转方向，如图1-5（a）所示经过两对齿轮1和2、3和4传动时，其输出轴与输入轴的旋转方向又相同，这就是普通三轴式变速器在工程机械前进时的传动情况。如图1-5（b）所示，在中间轴与输出轴之间加上第四根轴，并在其上装有惰轮4，则由于又多了一个齿轮传动副，从而使输出轴与输入轴的转向相反，这就是普通三轴式变速器在工程机械倒车时的传动情况。惰轮称为倒挡轮，其轴为倒挡轴。