推土机转向制动离合器设计思路及其应用

冯西友，蔡 娟，纪 红，宣苓娟
（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272023）

［摘要］介绍一种推土机转向、制动离合器的设计思路。工作状态时转向离合器闭合，按照离合器转矩容量满足整机最大牵引力所需转矩原则进行设计；同时根据推土机实际使用情况，按照变矩器输出最大转矩时二挡必须失速的原则进行设计。

［关键词］推土机；转向离合器；制动离合器；设计思路

DOI:10.14189/j.cnki.cm1981.2016.07.009 
［收稿日期］2016-03-23 
［通讯地址］冯西友，山东省济宁市327国道58号山推研究总院

湿式、多片、盘式摩擦离合器具有传递转矩大、效率高、结构简单、散热性好等特点［1］，在推土机转向制动系统中得到广泛应用。推土机使用工况恶劣复杂，工作过程中受到的冲击、惯性力大，而目前没有专门适用于推土机转向、制动离合器的设计方法。

针对上述问题，本文提出一种推土机转向、制动离合器的设计思路。对于转向离合器，工作状态时处于闭合状态，变速箱的动力通过转向离合器传递到终传动系统，转向离合器转矩的容量决定整车的牵引性能，因此按照其转矩容量满足整车最大牵引力要求的原则来设计。对于制动离合器，主要功能是实现整车的制动，因此按照能快速、有效地实现整车制动的原则进行设计。

图1所示为一种推土机转向、制动离合器的结构示意图。转向离合器主要包括转向摩擦片、转向光片、转向活塞、转向内毂、转向油缸体、转向弹簧、转向外毂等元件；制动离合器主要包括制动摩擦片、制动光片、制动活塞、制动内毂、制动油缸体、制动弹簧、外壳体等元件。

转向内毂与转向摩擦片通过齿轮啮合，转向光片通过销轴与转向外毂连接（也可通过齿轮啮合），转向弹簧布置于转向外毂与转向活塞之间，转向活塞与转向油缸体形成转向油腔。制动离合器的连接形式与转向离合器类似。

图1　履带式推土机转向制动离合器结构示意图

1. 外壳体 2. 制动弹簧 3. 制动活塞 4. 制动油缸体5. 制动内毂 6. 制动光片 7. 制动摩擦片 8. 转向外毂9. 转向弹簧 10. 转向活塞 11. 转向油缸体 12. 转向光片 13. 转向摩擦片 14. 转向内毂

正常工作时，转向油腔内没有压力，转向活塞在转向弹簧的作用下压紧转向摩擦片与转向光片，使转向离合器处于闭合状态，动力自变速箱经转向内毂传递到转向摩擦片，带动光片转动，转向光片通过销轴（或外齿）与转向外毂连接，再将动力传递至制动内毂。此时制动油腔充油，油压压缩制动活塞及制动弹簧，使制动摩擦片与制动光片分离，制动内毂只带动制动摩擦片转动，将动力传递至推土机终传动系统。

转大弯时，一侧转向油腔充油，油压压缩转向活塞及转向弹簧，使转向摩擦片与转向光片分离，转向内毂带动转向摩擦片空转，不传递动力。此时制动油腔也充油，制动离合器处于分离状态，输出轴仅在惯性的作用下转动，而另一侧转向离合器正常工作，两侧输出轴产生转速差，实现转大弯。

转急弯时，一侧转向油腔充油，转向离合器不传递动力，同时该侧制动油腔泄油，制动离合器制动输出轴；而另一侧转向离合器与制动离合器均为正常工作状态，即一侧输出轴制动，另一侧输出轴正常旋转，实现转急弯。

制动时，两侧制动油腔均泄油，在制动弹簧作用下压缩制动活塞，使制动摩擦片与制动光片结合，由于制动光片与外壳体结合，在摩擦力作用下使制动摩擦片停止转动，进而使制动内毂停止转动，切断传递的动力，实现制动。

发动机熄火状态时，转向、制动离合器油腔均泄压，在转向、制动弹簧作用下，两离合器处于结合状态，即整车处于制动状态，保证停车状态时的安全性。

2.1 转向离合器工作转矩计算

正常工作时，转向离合器处于闭合状态，将变速箱的动力传递至终传动，转向离合器的转矩容量决定了整车的牵引性能，因此转向离合器按照能满足整车最大牵引力的原则进行设计。

最大牵引力状态下终传动的工作转矩

式中 m——推土机质量，kg；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

f—— 地面附着系数，推土机常用工况下，一般取f=1.0；

D链——终传动链轮节圆直径，mm。

最大牵引力状态下单侧转向离合器的工作转矩

式中 K—— 系数，转向时一般认为发动机70%动力作用到单侧转向离合器上，故K=0.7；

i终——终传动总传动比。

2.2 转向离合器理论转矩计算［2］

首先根据部件总成的径向及轴向空间，初步确定摩擦片与光片的数量、摩擦片摩擦面的内外径及转向油腔的内外径。

根据整车提供的转向压力，在保证转向压力能打开离合器的前提下，初步确定转向弹簧的安装载荷，并满足

式中 Q——转向弹簧安装载荷，N；

P——转向液压力，MPa；

S——转向油腔作用面积，mm2。

计算转向离合器单片摩擦面压强

式中 b——摩擦面宽度；(www.xing528.com)

Rv——当量摩擦半径，mm。

其中 R2、R1——摩擦面的外、内半径。

对于推土机转向离合器，一般采用摩擦系数较大的纸基摩擦片，其许用压强一般为［p］= 1.0MPa［3］，如果计算的摩擦片压强值大于许用压强，要适当调整摩擦片的内外半径或转向弹簧的载荷，以保证摩擦片的压强在许用范围内。

根据初选的摩擦片片数，内、外径及计算所得的摩擦面压强，计算离合器理论摩擦转矩

式中 μ—— 摩擦片摩擦系数，对于湿式纸基摩擦片取μ=0.16，对于铜基摩擦片取μ=0.14；

A——离合器的总摩擦面积，mm2。

式中 z—— 摩擦面对数，通常湿式m=5～15，干式m=1～6。

式中 i1——光片数；

i2——摩擦片数。

转向离合器的转矩储备系数

推土机的作业工况比较恶劣，对离合器冲击较大，根据推土机设计实践，一般储备系数不小于1.2。

对于采用离合器结构的制动器，踩下制动踏板后，两侧制动离合器同时结合，切断动力传递，实现制动。根据推土机的实际使用情况，如果按照一挡最大转矩状态设计制动离合器，则离合器的转矩储备系数太大，且离合器的结构尺寸也很大。一挡为工作挡位，前进时受较大的阻力，且速度较慢。综合考虑推土机的实际使用情况，对一挡大油门的制动性能不作要求，按照二挡最大油门能制动的原则进行制动离合器的设计。

制动离合器的最大工作转矩

式中 Tmax——变矩器最大输出转矩，Nmm；

IⅡ——变速箱二挡传动比；

I中央——中央传动总传动比。

对于制动离合器，制动时冲击较大，一般采用抗冲击性较好的铜基摩擦片。制动离合器理论转矩计算与转向离合器类似，根据前述方法计算制动离合器的理论转矩后，得到制动离合器的转矩储备系数

为保证推土机的制动性能，使推土机在各种工况下能实现紧急制动，一般要求制动离合器的转矩储备系数不小于1.3。

本文提出一种针对双离合器结构的推土机转向、制动系统的设计思路。

对于转向离合器，工作状态下处于闭合状态，转向离合器的转矩容量决定整车的牵引性能，因此对于转向离合器，按照能够满足整车最大牵引力的原则进行设计。

对于制动离合器，根据推土机的工作实际情况，对一挡空载大油门状态下的制动性能不作要求，而要求二挡大油门时能够实现制动。因此按照变矩器最大输出转矩时，二挡必须实现制动的原则进行设计。

上述设计思路，既能使转向离合器提供足够的转矩容量，保证推土机的最大牵引性能；又能保证推土机的制动性能，确保推土机的安全性。

［参考文献］

［1］ 汤鹏翔，刘艳芳，王书翰，等. 多片湿式离合器优化设计［J］. 北京航空航天大学学报. 2010，36 （3）：7-10.

［2］ 贾云海. 多盘湿式摩擦离合器的设计与性能研究［J］. 矿山机械. 2007，3：51-54.

［3］ 秦大同，谢里阳. 现代机械设计手册［M］. 北京：化学工业出版社，2011.

A design method of clutch and brake of bull-dozer

FENG Xi-you，CAI Juan，JI Hong，XUAN Ling-juan

［中图分类号］TH133.3

［文献标识码］B

［文章编号］1001-554X（2016）07-0075-03