国产ＺＬ４０／５０行星变速箱超越离合器故障分析及对策

国产ＺＬ４０／５０行星变速箱超越离合器故障分析及对策
徐工研究院　　赵丽娟　杨小兵
国产ＺＬ４０／５０行星变速箱，采用滚柱式超越离合器，该技术最早来源于五六十年代国外进口装载机，后经过了国内专家的吸收和改进。其最初的设计理念是为了满足四吨装载机的工况要求。在实现国产化后，又应用于五吨装载机传动系。随着近年来五吨装载机新机型的推陈出新，尤其是ＺＬ５０Ｇ装载机机型的问世，整机性能得到了极大提升，因此对配置国产ＺＬ４０／５０变速箱的传动系来说，已显得极为脆弱。这可从最初常见的的变矩器弹性板撕裂可见一斑。在增加弹性板厚度或数量之后，失去了较好缓冲保护的超越离合器，其工况适应性越来越差，滚柱的承载能力明显不足，早期故障频繁出现，呈现逐年增加趋势。
大超越离合器总成常见故障表现：打滑、抱死。
其失效型式表现如下：
ｌ、弹簧、顶销失效；
２、保持架损坏
３、内环凸轮工作平面过早出现弧线压痕；
４、滚柱过度磨损。
目前国产ＺＬ４０／５０变速箱采用的是滚柱式超越离合器，按其具体的结构又可分为带保持架结构和弹簧顶销结构两种。其中采用保持架结构的如柳工、厦工、临工，采用弹簧顶销结构的如杭齿、徐工。
下面就其失效形式，作一些分析：
一、弹簧顶销结构的超越离合器弹簧顶销结构的滚柱式超越离合器，一般采用２０颗Φ１５直径的滚柱，４０个小弹簧、顶销，滚柱楔紧角一般定位在６．８～７．２°左右。
由于空间限制，该结构形式无法保证弹簧、顶销的安装角轴线通过滚柱中心，顶销端部与滚柱发生偏磨，同时顶销受到滚柱一个偏离轴线的力，在频繁的挤压、推进过程中，顶销与凸轮的４０个小孔孔口发生刮削摩擦。孔口如果倒钝不好或毛刺未去清，易使顶销配合面受伤，发生卡滞，造成滚柱楔紧时的弹簧推力不均，滚柱发生倾斜，易造成滚柱的卡死，即通常所说的超越离合器抱死。
由于４０根小弹簧的直径很小，仅为Φ０．３ｍｍ，当其发生疲劳强度失效时，顶销会全部嵌入小孔中失效。此外，当变速箱中油液清洁度很差时，脏物进入凸轮小孔后不能排出，使弹簧失效，与顶销一同嵌入孔内。
超越离合器在频繁的超越与结合过程中，由于离心力的作用，滚柱与凸轮的尖角处存在撞击和摩擦，滚柱面容易受伤，凸轮的尖角处容易受损。由于滚柱表面的损伤，楔紧时凸轮承载工作面会受到破坏，同时滚柱的磨损使楔角不断增大，使超越逐渐发生打滑。
而且超越离合器的顶销端部泄油小孔容易受损后堵塞，使顶销在内环小孔中形成油缸效应，无法正常工作，从而造成失效。
弹簧顶销结构的优点是楔紧工作时对同步性要求低，弹簧顶销对滚柱的磨损有一定的自动补偿能力；缺点是实际楔紧工作时承载的滚柱数量较少，承载能力较低。
二、带保持架结构的超越离合器
带保持架结构滚柱式超越离合器，一般采用２０颗Φ１３滚柱，楔紧角在７°左右。在同是２０颗数量滚柱楔紧工作情况下，从理论计算的角度来考虑，因其直径小，强度不如由Φ１５的滚柱。但保持架结构存在一个最大优点：工作时的同步性好，实际结合工作的滚柱数量多。因此，实际的承载能力可能比弹簧顶销式的还要高一些。其同步性的实现如下：在装载机铲装作业时，离合器内外环同向旋转；当重载时，内环由于受到外载传来的阻力，转速迅速降低，２０颗滚柱在保持架的强制性带动下，同时进入楔紧工作。
从同步性可以看出保持架结构对以下面两点要求很高：（１）保持架的等分精度、强度，热处理变形（２）滚柱的尺寸大小精度
如果等分精度不高，变形较大或者滚柱的尺寸大小不一致，都会影响进入楔紧工作的滚柱数目。在超越的离合过程中，保持架受到频繁的冲击，如果同时存在应力，特别容易导致损坏，必须有较高的强度。
无论弹簧顶销结构还是带保持架结构的超越离合器，对内环凸轮的工作面都要求有一定的硬化层深度，以保证硬度。内环凸轮一般采用轴承钢ＧＣｒｌ５材料，进行渗碳淬火处理至５９～６４ＨＲＣ。渗碳层太浅，硬度过低容易过早出现弧线状压痕；渗碳层太深，虽然提高了硬度，但材料容易发生淬裂。因此对热处理工艺要求较高。
结合以上情况分析，对于弹簧顶销结构的滚柱式超越离合器，可参考以下方法进行改进提高：
ａ．改变内环凸轮结构，使顶销、弹簧中心尽量通过滚柱中心。滚柱在超越状态时与凸轮伸出部分的平面相接触，消除了原结构凸轮尖角部易损坏的现象。结构如下：
ｂ．调整热处理工艺流程。使凸轮平面的渗碳层硬度尽量提高至上限６４ＨＲＣ，使承载能力提高。
ｃ．控制箱体清洁度，保证油液的清洁。
以上提出的改进分析，仅能使超越离合器的寿命在现有基础上略有提高，而不能从根本上触决其承载能力不足的问题。由此我们可以寻求其他承载能力较强的超越结构型式：从设计手册不难看到，超越离合器除了最常见的滚柱式结构外还存在其他结构型式。如棘轮棘爪式、楔块式。以下便简单介绍两种很具发展潜力，并有望替代滚柱式的两种型式的超越离合器型式。
１．一种依靠磁力复位棘爪的棘轮超越离合器
磁力复位棘爪的棘轮超越构滚柱式超越离合器，一般采用２０颗Φ１３滚柱，楔紧角在７°左右。在同是２０颗数量滚柱楔紧工作情况下，从理论计算的角度来考虑，因其直径小，强度不如由Φ１５的滚柱。但保持架结构存在一个最大优点：工作时的同步性好，实际结合工作的滚柱数量多。因此，实际的承载能力可能比弹簧顶销式的还要高一些。其同步性的实现如下：在装载机铲装作业时，离合器内外环同向旋转；当重载时，内环由于受到外载传来的阻力，转速迅速降低，２０颗滚柱在保持架的强制性带动下，同时进入楔紧工作。
从同步性可以看出保持架结构对以下面两点要求很高：（１）保持架的等分精度、强度，热处理变形（２）滚柱的尺寸大小精度
如果等分精度不高，变形较大或者滚柱的尺寸大小不一致，都会影响进入楔紧工作的滚柱数目。在超越的离合过程中，保持架受到频繁的冲击，如果同时存在应力，特别容易导致损坏，必须有较高的强度。
无论弹簧顶销结构还是带保持架结构的超越离合器，对内环凸轮的工作面都要求有一定的硬化层深度，以保证硬度。内环凸轮一般采用轴承钢ＧＣｒｌ５材料，进行渗碳淬火处理至５９～６４ＨＲＣ。渗碳层太浅，硬度过低容易过早出现弧线状压痕；渗碳层太深，虽然提高了硬度，但材料容易发生淬裂。因此对热处理工艺要求较高。
结合以上情况分析，对于弹簧顶销结构的滚柱式超越离合器，可参考以下方法进行改进提高：
ａ．改变内环凸轮结构，使顶销、弹簧中心尽量通过滚柱中心。滚柱在超越状态时与凸轮伸出部分的平面相接触，消除了原结构凸轮尖角部易损坏的现象。结构如下：
ｂ．调整热处理工艺流程。使凸轮平面的渗碳层硬度尽量提高至上限６４ＨＲＣ，使承载能力提高。
ｃ．控制箱体清洁度，保证油液的清洁。
以上提出的改进分析，仅能使超越离合器的寿命在现有基础上略有提高，而不能从根本上触决其承载能力不足的问题。由此我们可以寻求其他承载能力较强的超越结构型式：从设计手册不难看到，超越离合器除了最常见的滚柱式结构外还存在其他结构型式。如棘轮棘爪式、楔块式。以下便简单介绍两种很具发展潜力，并有望替代滚柱式的两种型式的超越离合器型式。
１．一种依靠磁力复位棘爪的棘轮超越离合器
磁力复位棘爪的棘轮超越离合器，为科泰传动技术（天津）有限公司最新推出的专利产品。该技术最早是为了解决石油工业抽油机的超越离合器可靠性问题。该种超越离合器的优点是：传递扭矩大，扭矩值可根据工况要求进行调整设计；采用永磁铁的吸力可确保棘爪与棘轮的啮合，消除了弹簧复位的金属疲劳问题，确保棘爪长时间工作的可靠性；单个棘爪的损坏不会影响离合器的可靠性；同时离合器对油液清洁度不敏感，随工作时间的增加，棘爪与棘轮啮合的同步性提高，传扭的承载能力也相应提高。
不足处：为了保证啮合的同步性要求对加工分度的误差控制特别高。工作时存在一定的的冲击及噪音，对轴承的耐冲击强度要求较高。因此，该结构设计中采用了两个圆柱滚子轴承进行支撑。随着使用时间的增加，棘爪与棘轮啮合的同步性会逐渐提高，载荷分配会变得均匀。
就目前该产品在二级市场（配件市场）的使用情况来看，其寿命不会低于６０００小时。
２．ＨＲＤ双保持架型楔块式超越离合器（ＤＣ１８４１８０Ｃ）
ＨＲＤ双保持架型楔块式超越离合器ＤＣ１８４１８０Ｃ由厦门恒瑞达机械有限公司生产。该离合器是针目前滚柱式超越离合器早期失效的现状，进行的特殊工况设计，在保持原有超越总成（二轴）通用件的基础上，改变内环凸轮为内圈，使结构更为简单、合理。该离合器采用双保持架结构，将４４个楔块精准定位，达到全同步效果，提升扭矩到１０，０００Ｎ．ｍ以上。其中楔块采用ＳＫＤ１１材料纳米加工方法，尺寸精度达３，０００纳米，工作面采用对数螺旋曲线保证其长寿命，经使用分析其寿命在８０００小时以上。存在以下两大特性：
●全同步：
离合器的全部楔块被双隔离环予强制定位，当啮合同时发生时能精确地保持其位置，使每个楔块受到控制并强制地受到适当份额的工作载荷，避免了个别楔块在负荷下逆转，使得其载荷转移到相邻的楔块上而产生不同步现象。
●预压力：
预压力由作用在楔块上的弹簧带来完成，楔块与内外滚道保持着力的接触，以便保证需要时的啮合。
与传统滚柱式超越离合器比较，其存在以下优点：
○超越工况楔块基本无摩擦
○４４个楔块保持全同步
○能保证自锁角恒定
○受力均匀，工作稳定
○承受扭矩大，使用寿命长
○相同工况作业量，整机油耗少。