近年來國內(nèi)礦用汽車發(fā)展迅速，但與之配套的液力變速箱發(fā)展較緩慢，總體壽命較短，主要是礦山道路標準低、彎道多、坡路多、轉彎半徑小，多數(shù)礦用汽車礦山滿載連續(xù)上坡，發(fā)動機和傳動系滿負荷運行時間長所致。在國外變速箱的基礎上，從事礦山設備研究的 科技人員研制出 ZBYX4451 型液力變速箱。此變速箱采用液力驅動，配置液力變矩器和緩行器，機械傳動采用行星齒輪結構，結構緊湊，可較好適應礦山工作環(huán)境。
一、液力變速箱結構
圖 1 所示為變速箱結構簡圖。液力變速箱主要包括液力變矩器、液力緩行器、六組濕式離合器和四組行星排、雙聯(lián)泵及液壓附件等元件, 動力由前端輸入軸 1 到變矩器渦輪 2 和變矩器泵輪 3，經(jīng)過液力緩行器 16 傳遞到前進擋離合器 4，經(jīng)過中間傳動軸 15 將動力傳遞到行星齒輪排 (以下簡稱行星排) (11 ~ 14)，由壓力油驅動控制不同的擋位離合器 (5 ~ 9)，可以使相應的行星齒輪副動作，輸出 5 個前進擋和 1 個倒退擋，最終由輸出軸 10 輸出動力。
液力變矩器
該變速箱使用的是單級三元件綜合式變矩器，工作時變矩器的泵輪 3 由發(fā)動機驅動，帶動變矩器內(nèi)的液力油轉動，從泵輪空腔的液力油沖擊渦輪空腔中的斜面，驅使渦輪 2 轉動，再通過變矩器導輪 18 的葉面回到泵輪，液力油在變矩器中循環(huán)流動，實現(xiàn)由泵輪到渦輪的動力傳遞。
當負荷較大、轉速較低時，渦輪出口處液流沖擊在導輪的葉片上，安裝在導輪上的超越離合器壓緊工作，導輪不轉動但要承受扭矩，渦輪輸出扭矩較小。此時變矩器效率較低，車輛處在起動或上坡工況。泵輪轉速繼續(xù)升高，接近渦輪轉速時，導輪的超越離合器開始放松，此時變矩器轉入耦合器工況工作，泵輪與渦輪轉矩相近，效率較高。當閉鎖離合器工作時，渦輪和泵輪成剛性連接，傳動效率接近100% ，此工況是礦用汽車在平路工作時運行使用。
液力緩行器
變速箱配有液力緩行器，其處于變矩器和行星齒輪之間，由變速箱的殼體組成封閉空腔，內(nèi)部有轉子可以隨傳動軸轉動。車輛在平路正常行駛時，液力緩行器空腔內(nèi)沒有液壓油，轉子在空腔內(nèi)轉動，攪動空氣只損耗極少的功率，車輛下坡時，通過液控閥向液力緩行器空腔充油液，轉子轉動油液造成阻力，用于抵消下坡產(chǎn)生過多的機械能，對汽車起輔助制動作用。液力緩行器轉子轉速與轉矩的關系如圖 2 所示。
行星齒輪機械變速器
變速箱換擋裝置采用行星齒輪傳動和濕式離合器結構，共有 4 套行星排 (11 ~ 14) 和 6個離合器 (4 ~ 9)，每套行星排包括 1 個太陽輪、4 個行星輪 (構成行星輪架) 和 1 個內(nèi)齒圈。動力由中間傳動軸可以傳遞到三、四級行星排的太陽輪，通過不同離合器的接合，控制行星排中的構件，以不同速度的輸出動力。擋位和離合器接合對應表如表 1 所示。
下面介紹擋位傳動比的計算。
一個獨立運行的行星排的構件角速度方程式為
式中，ωa 為行星排太陽輪的角速度；ωb 為行星排內(nèi)齒圈的角速度；ωH 為行星排行星輪架的角速度；p 為行星排的特性參數(shù)， 
zb 是行星排內(nèi)齒圈的齒數(shù)，za 是行星排太陽輪的齒數(shù)。
計算行星齒輪機械變速器的擋位傳動比，在角速度方程式基礎上，由星結構的連接關系得出關系式，經(jīng)換算整理就可計算出輸入和輸出速度的比值。
一擋：由前進擋離合器 4 和一擋離合器 9 接合完成，動力由前進擋離合器傳到中間傳動軸 15，然后傳到四級行星排 14 的太陽輪上，由行星輪架直接輸出。
由角速度方程式得
一擋離合器接合后，內(nèi)齒圈的速度為 0，即 ωb4 = 0。
式中，i1為一擋變速箱傳動比。
二擋：由前進擋離合器 4 和二擋離合器 8 接合完成，動力由前進擋離合器傳到中間傳動軸 15，再傳到三級行星排 13 的太陽輪上，由行星輪架輸出。
計算方法與一擋一樣，由 za3 = 42，zb3 = 92 可得出
式中，i2 為二擋變速箱傳動比。
三擋：由前進擋離合器4 和三擋離合器7接合完成，動力被傳遞到中間傳動軸15，使三級行星排 13 的太陽輪和二級行星排 13 的內(nèi)齒圈同轉速，然后由二級行星排的行星輪架輸出。
一級和二級行星排的角速度方程式為
由于一擋離合器接合，一級行星排的行星輪架固定，則 ωH1 = 0。
由行星排的連接關系可得 ωa1 =ωa2 ，ωb1 =ωH2 。
式中，i3為三擋變速箱傳動比。
四擋：由前進擋離合器 4 和四擋離合器 6 接合完成，此時動力由中間傳動軸 15 傳到二級行星排 13 的內(nèi)齒圈，再由二級行星排的行星輪架輸出。
由二級行星排的角速度方程式得
四擋離合器接合后，二級行星排的太陽輪固定，即 ωa2 = 0。
式中，i4為四擋變速箱傳動比。
五擋：由前進擋離合器 4 和五擋離合器 5 接合完成，動力傳到二級行星排 13 的內(nèi)齒圈，同樣由二級行星排的行星輪架輸出。
由二級行星排的角速度方程式得
五擋離合器接合后，二級行星排的太陽輪和內(nèi)齒圈轉速相等，即 ωa2 =ωb2 ，解得
式中，i5 為五擋變速箱傳動比。
倒擋：由五擋離合器 5 和一擋離合器 9 接合完成，此時動力傳到二級行星排的太陽輪，由二級行星排的內(nèi)齒圈傳通過三級行星排的太陽輪遞到四級行星排的太陽輪，再由四級行星排的行星輪架輸出。
由二級和四級行星排的角速度方程式得
根據(jù)行星排之間的連接關系得 ωb2 =ωa4 ，ωH2 =ωH4。
一擋離合器接合后，四級行星排的太陽輪固定，故 ωb4 = 0。
液壓系統(tǒng)
液力變速箱的液壓系統(tǒng)有換擋、潤滑、保證變矩器和液力緩行器運轉的功能，液壓系統(tǒng)原理如圖 3 所示。
此變速箱液壓系統(tǒng)有 2 個油泵 26 和 27，吸油前均先經(jīng)過吸油過濾器 28，油泵 27 提供的液壓油經(jīng)過精濾器 25 后給換擋系統(tǒng)和變矩器供油，安全閥 18 保證液壓油壓力小于 2. 8 MPa。當換擋回路中擋位控制閥 (8 ~ 19) 打開時，液壓油通至換擋油缸 (1 ~ 6) 實現(xiàn)換擋。需要閉鎖時，液力變矩器閉鎖控制閥 8 打開，液壓油通至前進擋換擋油缸 1 實現(xiàn)變矩器閉鎖。油泵 26 直接將液壓油提供至變速箱的潤滑系統(tǒng)，潤滑調(diào)壓閥 24 保證潤滑壓力小于 0. 3 MPa，多余的液壓油通至液力變矩器。
不打開擋位控制閥時，液壓油通過主壓調(diào)壓閥 17 進入液力變矩器 16，變矩器調(diào)壓閥 23 保證液壓油壓力小于 0. 8 MPa 以確保變矩器正常工作。液壓油通過液力變矩器進入緩行器控制閥 19，經(jīng)過油水熱交換器 21 冷卻后，再經(jīng)過回油調(diào)壓閥回到油箱，回油調(diào)壓閥的作用是保證整個系統(tǒng)壓力大于 0. 1MPa。
液壓油由換擋回路引入緩行器先導閥 15，當打開先導閥電磁開關時，閥芯滑動使緩行器控制閥 19 的液壓油壓力升高，控制閥滑閥換位，此時油水熱交換器 21 的液壓油經(jīng)過緩行器控制閥 19 的一個腔進入液力緩行器 20 的轉子室，產(chǎn)生制動力矩。液壓油再通過緩行器控制閥 19 的另外一個腔進入油水熱交換器 21，形成液力緩行器的循環(huán)回路。
二、結論
本論文主要論述了用于礦用汽車的 ZBYX4451 型液力變速箱的結構，包括液力變矩器、液力緩行器、行星齒輪變速機構和液壓系統(tǒng)。此變速箱對行駛過程中的沖擊可實現(xiàn)有效緩沖，下坡時避免制動裝置過度使用而產(chǎn)生高溫，車輛更加安全，可以很好地適應礦山的工作環(huán)境。