ZL15装载机斜齿变速箱设计

王志丹，李 军，杨建科，文 傲

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

随着国家对环保力度的不断加大，工程机械发动机的排放标准由国Ⅱ升级为国Ⅲ，升级后发动机降速增扭，ZL15 小型装载机变速箱传统离合器结构已不能满足大扭矩的输入要求；ZL15 小型装载机主要使用在市内及周边小型工程，对噪声要求也十分严格，各主机厂家越来越重视对整机噪声值的控制，变速箱噪声值的大小成为衡量变速箱质量水平的重要指标。

1 传统变速箱离合器结构

ZL15 装载机变速箱具有前进、后退、低速、高速4 个挡位，对应4 个离合器，每个离合器含有4 组摩擦片和光片，如图1 所示。离合器储备系数为离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大扭矩之比，必须大于1。储备系数是离合器设计时用到的一个重要参数，反映了离合器传递发动机最大扭矩的可靠程度。

图1 传统4组摩擦片离合器结构

升级国Ⅲ后发动机降速增扭，变速箱的输入扭矩由原来的691N/m 增至774N/m，扭矩增加12%，此时传统结构离合器的储备系数由1.3下降为1.02，参照6t 以下变速箱离合器储备系数1.20～1.75，已不能满足使用要求。此外输入扭矩增大也会影响离合器内轴承的承载能力和寿命，经校核，扭矩增大后，离合器内轴承也不能满足使用要求。针对以上两点，只有对离合器结构进行加强，才能保证变速箱的正常使用。

2 离合器加强设计

为可靠传递发动机最大扭矩和防止极限工况离合器滑磨，必须增大离合器储备系数。影响离合器储备系数的因素有很多，摩擦副数目、摩擦片摩擦系数、摩擦片面积、工作压力等。经多方案论证后，本设计最终采用增加摩擦副数目的方法来提高离合器储备系数，即增加摩擦片和钢片的组数。经计算，6 组摩擦片的方案最为合理，此时离合器储备系数为1.5，满足使用要求。摩擦片数目增加，离合器结构需重新布置（图2）。新变速箱设计了新型的摩擦片压板、离合器壳体、活塞，保证活塞的行程为3～3.5mm。

图2 新型6组摩擦片离合器结构

新变速箱还对离合器内轴和轴承进行了加强，通过校核对薄弱轴承增大型号规格，配合轴相应增大轴径。如一挡齿轮内6008 轴承（内径40mm，外径80mm），加强后采用6009 轴承（内径45mm，外径85mm），配合轴的轴径由40 mm 改为45mm。

3 变速箱降噪设计

引起变速箱噪声的原因主要是齿轮啮合噪声。变速箱内齿轮目前有直齿和斜齿两种，直齿齿轮传递平稳性较差，直齿与直齿之间是直接接触，易产生冲击、震动和噪音；斜齿声音相对直齿较小，齿宽不变的情况下，重合度系数增大，既增加齿轮强度，又使斜齿与斜齿之间处于长咬合状态，以减轻齿轮在运转时的噪音。现代汽车变速箱内的齿轮大都是斜齿设计，而老式ZL15装载机变速箱依旧为传统直齿结构。

为降低变速箱噪音，本设计将变速箱传动齿轮设计为斜齿。斜齿箱开发的难点在于斜齿轮参数的设计和轴承的选用。斜齿轮参数设计除设计齿轮的模数、齿数、压力角、变位系数外，还需要考虑斜齿轮的旋向和螺旋角。斜齿轮会产生一定的轴向力，所选轴承要有“止推”功能，新斜齿箱在各轴的两端选用了圆锥滚子轴承。轴向力的大小主要受斜齿轮的旋向和螺旋角影响，旋向设计时要考虑同一轴上各斜齿轮的旋向，尽量平衡轴向力减轻圆锥轴承的载荷，同时又能满足装配的要求。螺旋角β值越大，则重合度越好，对运动平稳和降低噪声有利，但工作时产生的轴向力也增大，考虑本变速箱的工作要求，本设计将各斜齿轮螺旋角β设计为15°左右。

圆锥滚子轴承安装时必须进行轴承间隙调整，如果调整不当，容易造成离合器轴向窜动，造成离合轴头磨损，进而引发变速箱换挡无力，脱挡、无挡位等故障。如图3 所示，为了进行圆锥滚子轴承的间隙调整，新变速箱在轴承端盖上设计了调整螺丝，通过调整螺丝推动调整环将圆锥滚子轴承外圈压紧。

图3 轴承间隙调整结构

为进一步降低齿轮啮合噪音，为斜齿变速箱增加润滑系统，对斜齿轮进行强制润滑。本设计在斜齿轮齿槽部位设计了润滑油孔，该孔为从齿槽通向齿轮内腔的斜孔。当变速箱工作时，离合器包内是充满油的状态，这些油液通过轴上的油道流入离合器包内，一部分油液用来润滑轴承和摩擦片，一部分油液通过润滑孔流到齿轮的啮合面进行润滑。通过在斜齿轮齿槽间设计润滑油孔，将齿轮内腔油液引流至齿轮啮合面，可以保证油液连续不断的润滑齿面，形成油膜，减少振动和齿轮间的冲击，降低噪声。

4 结语

为满足ZL15 装载机发动机国Ⅲ升级需要，对ZL15 传统变速箱进行了加强设计和降噪设计。

1）对离合器内部结构进行强化设计，增大了离合器的储备系数，满足了国Ⅲ排放升级后的发动机大扭矩要求。

2）变速箱传动齿轮采用斜齿设计，并设计了润滑系统，使传动更加平稳，传动噪音大大降低。

3）作为传统直齿箱的升级换代产品，该款斜齿型变速箱具有传递扭矩大、传动平稳、噪音小等优点，极大提升了驾驶员舒适度，是未来ZL15装载机变速箱的发展趋势。