液力变速器可靠性台架试验方法研究

液力变速器可靠性台架试验方法研究

盛化哲卢宏宇

哈尔滨东安汽车动力股份有限公司黑龙江哈尔滨150066

摘要：液力变速器是装载机的核心传动部件之一，在装载机工作过程中起到中枢连接作用，即发动机将动力以转速和转矩的形式传递到液力变速器，驾驶员根据作业工况合理地操纵变速器挡位来实现整机牵引特性和速度特性。由于装载机的作业工况大多比较恶劣，且驾驶员在作业过程中需要频繁地在F挡与R挡之间切换挡位，在此过程中，液力变速器同时受到内部与外部动载荷、冲击载荷、交变载荷的影响，液力变速器的可靠性在一定程度上影响了装载机整机的可靠性。

关键词：液力变速器；可靠性；台架试验

我国液力变速器是装载机的核心传动部件之一，是连接发动机与桥的纽带，也是工作液压泵、转向液压泵的取力单元。装载机作业工况恶劣，液力变速器承受着高频的冲击载荷和交变载荷，维修市场反馈表明，装载机传动部件中尤以液力变速器故障率最高，液力变速器的可靠性很大程度上决定了装载机的可靠性。

一、载荷谱测试

当前我国额定载重量配置为5t级的装载机约占我国装载机保有量的85％～90％，5t级装载机中传动系统配置国产双涡轮液力变速器的约有70％～80％。针对某品牌zL50型装载机，通过区分不同物料、不同驾驶员进行大量场地试验，高频率的采集发动机转速、液力变速器输出转速／转矩等在作业过程中随时间变化的数据，作为开展液力变速器可靠性台架试验方法研究的必要依据。试验装载机采用“v型6段”作业模式，每一斗的工作循环由“空载前进接近物料”“铲装”“满载倒退”“满载前进举升”“卸料”“空载倒退”6个作业段组成，即在循环的初始状态，装载机的工作装置和附属装置降低到铲土位置，并以发动机最大转速行驶到铲装区域，再将铲斗插入物料向前行驶，然后进行收斗铲满物料。铲满物料后，换倒挡回到作业开始时的位置并调整方向使装载机垂直于卸料位置，然后驶向卸料位置。整个工作循环的时间会因驾驶员、物料、转运距离的不同略有差异。选取小石子铲掘作业工况，截取某个循环周期的载荷谱数据进行分析，其中包括发动机转速、液力变速器输出转速和转矩信号，对液力变速器输出转速及转矩在时间序列的基础上进行联合分布分析（见图1）。

图1F1挡“空载前进接近物料”及“铲装”数据联合分布

以图1为例进行简要分析：20～23s期间为装载机由怠速空挡转变为F1挡加速前进过程，驾驶员持续踩下油门踏板，发动机转速由750r／rnin增高到2200r／111in，此时液力变速器输出转速也会由。增高到800r／mill左右，在此过程中，液力变速器的输出转矩一方面克服装载机轮胎与地面的滚动阻力矩，一方面克服装载机加速过程中的惯性转矩。随着加速过程的完成，惯性转矩会消失，所以液力变速器输出转矩呈现出先升后降的趋势。23～25s期间为装载机以F1挡近似匀速接近物料过程，驾驶员略微抬起油门踏板，发动机转速回落，液力变速器输出转速维持在一个稳定的范围内；此时液力变速器的输出转矩只克服装载机轮胎与地面的滚动阻力矩，故数值也基本维持在一个恒定范围内。25—28s期间为装载机F1挡铲装物料过程，装载机遇到物料阻力时，根据液力传动特性，此时液力变速器会自适应的降低转速增大转矩以克服外界阻力。

二、我国试验台架的搭建

装载机传动系统是整机所有系统中零部件最多，结构最复杂的系统之一，包括液力变速器、传动轴、桥等总成，各部件之间通过各种形式的连接，构成了力学特性较为复杂的传动链；此外，传动系统的受力情况复杂，不仅受到来自发动机的周期激励，还受到路面的各种激励，以及在起步、换挡、制动、加速或者减速等工况下的冲击。目前我国工程机械传动系统零部件的强度设计仍然主要采用静强度设计，即按最大载荷并考虑安全系数的方法设计。为了提高传动系统零部件的使用寿命和可靠性，常规设计往往采用增大安全系数的方法，然而该方法不能反映出载荷随机变化的规律，不能反映出载荷幅值的大小及出现的次数，因而也就难以获知载荷幅值大小及出现的次数对零件的损伤程度。

驱动电机1的性能参数：

标称功率：200kw

额定转速：1500r／rnin

额定转矩：1273N·m

恒转矩频率：5～50Hz（150～1500r／f11in）

恒功率频率：50～83Hz（1500～2500r／rnin）

加载电机9的性能参数：

标称功率：500kw。

额定转速：750r／IIlin

额定转矩：6666N·m

恒转矩频率：3—25Hz（90一750r／111in）

恒功率频率：25—50Hz（750～1500r／mill）

驱动电机1能够实现变频调速，达到±1r／111in的稳定速度控制精度，完全能够模拟现有zL50型装载机用发动机的动力特性。加载电机9能够实现电回馈加载，既可以作为发电机加载，又可以作为电动机拖动；加载特性好，在额定转速以下可以保持恒转矩加载（5Hz以上），在额定转速以上可以实现恒功率加载；响应快，特别适合程序谱试验等加载试验。

1.驱动电机2．油路冷却过滤系统3．变矩器驱动装置4．被试液力变速器5．集油箱6．换挡控制装置7．转速转矩传感器8．制动器9．加载电机10．底座平台

力变速器自动换挡流程。试验台架配备有油路冷却过滤系统2，可实现对变矩器出口油液的冷却过滤，并起到冷却润滑的作用。

三、可靠性试验

装载机用液力变速器所处工况复杂多变，实际作业工况载荷谱难以控制，此外，液力变速器总成的可靠性取决于最薄弱零件的可靠性，但是又不能简单等同于对最薄弱的零部件做台架试验（箱体变形、轴变形、装配状况、润滑条件等因素对齿轮、轴承等零部件的寿命有着重要的甚至是决定性的影响）。结合载荷谱及液力传动特性，对试验流程进行处理，近似还原装载机的作业循环过程。试验条件：液力变速器的进口工作油温为80～100℃；变速器滤油器及冷却器等的布置与其在车辆上的实际安装方式一致。试验流程：根据整机载荷谱数据，明确各挡位使用率以及变矩器各转速比i值工况下的工作时间占比。操纵变速器换挡装置，进行各挡加载试验，设定强化载荷输入转速n1，和输出转速n2，运行（保持）时间t，完成该挡位要求的试验时间。试验时测试数据：输入转速n1、输出转速n2、输入转矩M1、输出转矩M2、变矩器进口油温t1、变矩器出口油温t2、工作油流量Q、变矩器进口压力p1、变矩器出口压力P2、操作油压p3、润滑压力p4及主压力p5等。液力变速器可靠性试验结果用首次故障时间、故障停机次数及故障平均间隔（即运行持续时间与故障次数之比）来评定。评定方法：试验中，在没有重大的结构损坏前提下，允许更换少量的零部件；运行持续时间达到相关的规定才进行评定；试验中更换的零部件未达到设计寿命，则该零件可靠性不合格。

总之，基于载荷谱及液力传动特性设计的液力变速器可靠性台架试验方法，具有较好的实用性和通用性，可为液力传动系统零部件的可靠性研究提供参考。

参考文献：

[1]常礼超，张永臣。工程车辆载荷谱试验方法及应用2016.

[2]刘代竹．齐美英，浅谈液力变速器可靠性台架试验方法研究.2017