裝載機(jī)雙變糸統(tǒng)進(jìn)化的路徑

提到雙變，甲友們都知道是指變矩器和變速箱，知道其結(jié)構(gòu)和維修的人不在少數(shù)。但關(guān)于它們的靈魂世界，或者說是基因編組，多數(shù)人還是不甚了了。直白說的話就是它長成什么很清楚，它為什么長成這樣不清楚。當(dāng)下節(jié)能風(fēng)潮興起，雙變的更新?lián)Q代已成必然趨勢，兵法說上兵伐謀，本帖不論結(jié)構(gòu)論謀略，嘗試對雙變作別樣剖析。
為什么裝載機(jī)上會(huì)使用雙變呢？這就要從頭說起。液力機(jī)械的出現(xiàn)最初是為了解決軍用越野車輛在野外的通行能力。在這種路況下，沿用干式離合器的手動(dòng)機(jī)械變速器換檔頻繁，離合器摩擦片壽命大大縮短。舉個(gè)例子，工程上常用的自卸車陷車后的情形大家都不陌生，這時(shí)的操作是大油門緩抬離合。因?yàn)檫@時(shí)需要最大驅(qū)動(dòng)力來使車輛脫困，同時(shí)為了不使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)糸結(jié)構(gòu)件因離合器猛然結(jié)合而被沖擊破壞而又不得不使用半離合操作，這種工況簡直就是干式離合器的惡夢 。液力耦合器和變矩器的柔性傳動(dòng)取代干式離合器的剛性傳動(dòng)就解決了這一難題，使軍用越野車輛傳動(dòng)系的可靠性大大提高。關(guān)于這一內(nèi)容，大家可到優(yōu)酷觀看《自動(dòng)變速箱液力耦合器傳動(dòng)原理》。有句話叫按下葫蘆浮起了瓢，液力傳動(dòng)解決了起步困難但又帶來了高油耗，因?yàn)樗膫鲃?dòng)效率較低，這又是為什么呢？

液力傳動(dòng)是靠封閉在殼體內(nèi)的高速流動(dòng)的傳動(dòng)油的沖擊力來傳遞功率的，可以認(rèn)為是葉輪機(jī)械的一個(gè)特例。水力發(fā)電機(jī)組就是葉輪機(jī)械的代表作，大壩蓄水使水流的壓力和速度提高，然后沿管道沖擊水輪機(jī)做功發(fā)電，就像耦合器泵輪對渦輪的作用過程。俗話說的樹大招風(fēng)，講的就是葉輪機(jī)械的一個(gè)重要特性，就是葉輪在流體流向上的投影面積越大，流體給它的作用力就越大，請記住這一點(diǎn)，這對理解液力傳動(dòng)的特性十分重要。水力發(fā)電利用的工作流體是無限制，流過葉輪后就不管了，耦合器內(nèi)的傳動(dòng)油是連續(xù)循環(huán)的：從泵輪獲得速度，沖擊渦輪后，速度減小使渦輪獲得動(dòng)能，然后再流回泵輪。流過渦輪后的傳動(dòng)油仍然帶有部分泵輪給它的動(dòng)能，如同水電站機(jī)房排出的滾滾水流一樣，尤其是渦輪因外負(fù)荷轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，流回泵輪的傳動(dòng)油的速度仍然很高，為利用這部分油流的動(dòng)能，引入了固定不動(dòng)的導(dǎo)輪，將回流向泵輪的油流偏轉(zhuǎn)再次流向渦輪，這樣渦輪葉片的正反兩面都受到了推動(dòng)力，相當(dāng)于成倍增大了葉片在流體中的受沖擊力面積，渦輪的輸出力矩可以大于泵輪力矩。但問題又來了，導(dǎo)輪不能將傳動(dòng)油的回流阻斷，那樣泵輪就無油可用，然后Game over。因此，變矩器的存在本身就是矛盾與平衡的產(chǎn)物。因?yàn)楸幂嗊M(jìn)出口油流速度不能相差太過懸殊，始終有部分功率在油流中循環(huán)，變矩器的效率無論如何也做不到百分百。將渦輪和導(dǎo)輪的葉片做大，或者個(gè)數(shù)增加，使傳動(dòng)油阻力面積擴(kuò)大，也就是提高變矩比(符號K)，變矩器效率就低，二者不可兼得。這是由變矩器的原理本質(zhì)決定的。因?yàn)樵跉んw內(nèi)的傳動(dòng)油的質(zhì)量和體積是近似不變的，各元件間的油流速度互相影響，這邊高了那邊就低。所以變矩器的變矩比(傳動(dòng)比)是有限的，它必須要有齒輪變速箱的配合才能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系的給定傳動(dòng)比，就是說，液力機(jī)械依然是有檔位的，它只是能在某個(gè)檔位的最高速和零速間自動(dòng)變速，通常所說的自動(dòng)檔是指在微電腦監(jiān)控操作下變速箱自動(dòng)變換檔位，不需要司機(jī)踩踏離合器和選檔掛檔，變速器自身有一定的智能。傳統(tǒng)的國產(chǎn)裝載機(jī)雙變用的機(jī)液控制方式，只是把相當(dāng)于把踩離合和掛檔合成為一個(gè)動(dòng)作，與自動(dòng)檔邊都靠不上，連行車電腦都沒有，何談自動(dòng)兩字？要知道國產(chǎn)化的Z F4W G200在正式的論文中也只是半自動(dòng)檔而已。
傳統(tǒng)國產(chǎn)5噸級中型裝載機(jī)上配用的有兩大類型雙變系統(tǒng)。市場上較多見的是雙渦輪+兩進(jìn)一倒行星箱，另一種是山工/宇通的單渦輪+4前三倒定軸箱。都已是國外淘汰的技術(shù)。唉，萬惡的資本主義，它們?yōu)槭裁蠢鲜穷I(lǐng)先？

液壓控制原理

行星箱結(jié)構(gòu)圖

借用甲友的宇通變速箱圖

變矩器性能是各因素妥協(xié)的結(jié)果，大變矩糸數(shù)和傳動(dòng)效率只能取其一。雙渦輪變矩器用兩個(gè)渦輪來擴(kuò)大傳動(dòng)油的沖擊面積，提高了變矩比，同時(shí)效率低下。為了將兩個(gè)渦輪的動(dòng)力輸出，超越離合應(yīng)運(yùn)而生。在兩個(gè)渦輪和雙排行星排組合后，二進(jìn)一倒實(shí)際上是四進(jìn)二倒，但每個(gè)檔位下的效率都不高。不知甲友們有這樣的體驗(yàn)沒有，有的不大不小的坡，行星箱用二檔爬一半不動(dòng)了，用一檔發(fā)動(dòng)機(jī)又干吼跑不快。根據(jù)相關(guān)論文，一二級渦輪是在泵渦輪轉(zhuǎn)速比在0.8左右時(shí)脫開，脫開后的一級渦輪不但不傳遞功率，還會(huì)干擾傳動(dòng)油的流動(dòng)，形成湍流。單獨(dú)工作的二級渦輪受油流沖擊面積小，驅(qū)動(dòng)力銳減，阻力稍大，兩渦輪又匯合傳遞功率(因?yàn)槌诫x合器里那幾個(gè)小彈簧不可能抵住一渦輪的力矩的)。以多數(shù)50裝載機(jī)一檔最大速度11K M為例，泵渦轉(zhuǎn)速比為0.8時(shí)車速8.8K M。以裝車作業(yè)為例，全過程中裝載機(jī)有可能短暫達(dá)到這個(gè)速度就會(huì)減速或換向，而實(shí)際工作中幾乎沒有司機(jī)會(huì)一直把油門踩到底不放的，至于像其它重工況大驅(qū)動(dòng)力更不用說了。通常的柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速在1400—1600轉(zhuǎn)之間，平時(shí)大家也多是這樣在踩油門，而雙渦輪變矩器設(shè)計(jì)匹配上卻避開了這一區(qū)間，關(guān)注點(diǎn)在最大驅(qū)動(dòng)力和額定轉(zhuǎn)速上，其實(shí)際表現(xiàn)注定就是高油耗，在最大驅(qū)動(dòng)力附近僅有40.5K W輸出。出現(xiàn)這一癥結(jié)的關(guān)鍵在于將總傳動(dòng)比中分配給變矩器的部分太多，在實(shí)際工作中，兩渦輪大多數(shù)時(shí)候是一起工作的，泵—渦輪速比值沒有落在高效區(qū)。這種變矩器泵輪吸收功率能力強(qiáng)，傳輸效率低，原始設(shè)計(jì)上就壓制了車速的快速提高，全部設(shè)計(jì)都指向
低速大驅(qū)動(dòng)力，這和提高平均車速從而提高效率的光明之路是在背道而馳。卡特的雙泵輪變矩器就是針對這一情況設(shè)計(jì)的。需要大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，雙泵輪同時(shí)發(fā)力，根據(jù)需要可以用踩下泵輪離合器踏板的方法來隨時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的大小。

山工/宇通的單渦輪定軸箱將總傳動(dòng)比分給變矩器的調(diào)小，加大了齒輪箱的傳動(dòng)比，使渦輪平均轉(zhuǎn)速得到提高，變矩器效率得到提升。這類傳動(dòng)糸雖然在單個(gè)檔位上實(shí)現(xiàn)了高效率，但換檔繁鎖，拖累了平均車速，多數(shù)時(shí)候還沒有行星箱表現(xiàn)好，尤其山工還加了個(gè)撥叉滑套的高低速檔?；蛟S是受限于制造能力，采用分體式結(jié)構(gòu)，各離合器缸也采用單體制造而不是像ZF那樣的背靠背方式，體積上還有縮小的空間。這兩類傳動(dòng)糸的共同缺點(diǎn)是都采用桓定壓力的液壓換檔方式，不論發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速如何，換檔反應(yīng)都一樣，怠速起步還好點(diǎn)，其它時(shí)候就duang ！ duang！因?yàn)楹蜋C(jī)械變速箱一樣，要使換檔平穩(wěn)，要變換的兩個(gè)檔位齒輪圓周線速度基本上要相同才行。而這兩類傳動(dòng)系因?yàn)樽兙仄鞑荒芮袛鄤?dòng)力，實(shí)際上是把機(jī)械傳動(dòng)中的干式摩擦離合片和換檔撥叉/同步器的功能集中給了濕式離合器，換檔過程中的沖擊是不可能消除的！

在改進(jìn)上述定軸箱結(jié)構(gòu)，各檔齒輪傳動(dòng)比與變矩器變矩比的乘積的級差值平緩，減小變矩器變矩比使渦輪經(jīng)常工作在高效率區(qū)，引入電控技術(shù)，換檔過程中的液壓壓力隨檔位車速可調(diào)，代表作就是下面這兩個(gè)。

Z F4W G200雙變總成，論壇甲友奉獻(xiàn)

徐工的電控定軸箱，精勇供圖

精勇提供：行星箱速比參數(shù)

精勇提供：徐工電控定軸箱速比參數(shù)

傳統(tǒng)行星箱

電控定軸箱的價(jià)格一直讓甲友們耿耿于懷，但它的高效率使每個(gè)工作小時(shí)的油耗降低，在質(zhì)量得到保證的前提下，平均成本比行星箱要低。當(dāng)然，回收周期也要長一些。在眼下，電控定軸箱更適合在有長期大工作量的大港口大煤礦使用。
廠家可以將電控箱的機(jī)械部分放大，換檔時(shí)結(jié)合速度隨檔位從低到高由慢到快變化，推出機(jī)械—液壓操縱的低檔型號。
進(jìn)化之路還在延續(xù)，前面說的分類，變矩器是全時(shí)段工作的，效率還有提升的空間。因?yàn)檠b載機(jī)只在重載鏟掘時(shí)需要變矩器產(chǎn)生較大驅(qū)動(dòng)力，其他情形下和機(jī)械傳動(dòng)的貨車的需求相同，于是又出現(xiàn)了變矩器帶鎖止離合器的電控定軸箱。

根據(jù)前文所講裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)力的變化特征，用液壓馬達(dá)負(fù)責(zé)低速時(shí)大驅(qū)力任務(wù)，速度提高后由液壓機(jī)械共同傳動(dòng)的混合傳動(dòng)技術(shù)目前已有樣品。也就是所謂C V T/H VT變速箱。這是目前的最先進(jìn)技術(shù)，卡特宣稱它的這種變速箱比上一代液力變速箱最高能節(jié)油25%。國產(chǎn)傳統(tǒng)變速箱的差距可不是一步兩步。
為什么中國在與工業(yè)制造相關(guān)的領(lǐng)域都不強(qiáng)？這個(gè)問題的本質(zhì)還是在文化上。當(dāng)代全球大國都已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)文明時(shí)代，而中國還在堅(jiān)持用農(nóng)耕文明時(shí)代的儒家思想來指揮工業(yè)進(jìn)程。勞動(dòng)者是賤民，知識分子“理所當(dāng)然”的高高在上的理念不革除，全民素質(zhì)沒有實(shí)質(zhì)意義的提高，工業(yè)強(qiáng)國就只能是嘴上功夫。

• 卡特彼勒