第4章 变速箱

合，传动强度比移动齿轮式大，啮合套的移动距离
比前述齿轮小，也提高了换挡时的抗冲击能力。

变速箱齿轮为常啮合，可采用斜齿轮，传力平稳。
未传动的齿轮工作时在轴上空转，其润滑问题需充
分考虑。

常用于转矩较大，对换挡过程无严格要求的机械，
如推土机等。
3. 同步器换挡

同步器可看作是啮合套的改进，其基本原理是 挂挡前先利用摩擦力使两个元件同步，然后进 行换挡。
制动布置于变速箱外周，尺寸大，工作容量大。
结构复杂，零件多，制造困难。
复习思考题
1. 试述变速箱的功用。
2. 变速箱有哪些类型？各有什么特点？试各举一例说
明各种变速箱的动力传递路线分析及其传动比计算。
3. 人力换挡变速箱有哪些换挡方式？各种换挡方式有 何特点？ 4. 试述变速箱挡位、传动比、转速、扭矩之间的关系。
nd=0，由(a)得：nb= (1+k2)nc ，代入(b)得: i=nb/n2=(1+k2)(1+k3)/(k2+k3+1)=1.94
③接合制动器Z3 nc=0，代入(b)得：i=nb/n2=k3+1=3.84 ④接合制动器Z4 ne=0，由(c)得：nc= (1+k4)n2 ，代入(b)得 ： i=nb/n2=1-k3k4= - 4.35 （4）变速箱总速比（表4-4） i=i前×i后
CL7型铲运机变速箱的总传动比
顺序
1
表4-4
实际采用挡位
进Ⅰ
接合的操纵元件
离L1和制Z3
传动比
i=1×3.81=3.81
理论挡位
进Ⅰ
2
3 4 5 6 7 8
离L1和制Z2
离L1和离L2 制Z1和制Z3 制Z1和制Z2 制Z1和离L2 离L1和制Z4 制Z1和制Z4
i=1×1.94=1.94
i=1×1=1 i=0.72×3.81=2.74 i=0.72×1.94=1.4 i=0.72×1=0.72 i=1×(-4.35)=-4.35 i=0.72×(-4.35)=-3.13

高速轻载 i1 = iA×i1′ ×(ZC/ZD) 低速重载 i1 = iA-B×i1′×(ZC/ZD)

②接合离合器7，实现前进二挡 i 2′ = 1 高速轻载 i2 = iA×i2′ ×(ZC/ZD) 低速重载 i2 = iA-B×i2′×(ZC/ZD) ③接合制动器5，实现倒挡 i倒′ = -k 高速轻载 i倒 = iA×i倒′×(ZC/ZD) 低速重载 i倒 = iA-B×i倒′×(ZC/ZD)
（2）自由度和挡数分析 a.前行星变速箱 b.后行星变速箱 ①结构分析：五个旋转构件（B、C、D、E、2）。 两个操纵元件，可实现两个挡。
②自由度分析：Y = m – p = 5 – 3 = 2（m、p分别为旋转
构件数和行星排数）。
③挡数分析：二自由度，四操纵元件，可实现四个挡。
（3）计算各挡速比
（如稳定土拌合
机）。
2.空间三轴变速箱 输入轴、中间轴和输

出轴呈三角形布置。

五个前进挡和四个倒
退挡，由于发动机功率
较大，全部采用啮合套 换挡。
（空间三轴变速箱）

动力传递路线（表4-1） 空间三轴变速箱在倒退频繁的机械（如推土机）上 使用的较多。
（三）操纵机构
1.换挡机构
实现换挡，由
变速杆1、换向滑杆
（拨叉轴）6和拨叉
7等组成。
4-8
2.锁止机构 （1）锁定机构 锁销，保证不会自动脱 挡。 （2）互锁机构
导向框板，防止同时挂
两个挡。 （3）联锁机构 带铣槽的锁轴，防止离 合器未分离而换挡。
4-9
（四）特点
1.需切断动力后再换挡，换挡时间较长。 2.传递力矩不能太大，挡位不能太多。
3.对提高作业效率和减轻司机劳动强度不利。
4.结构简单，传动效率高，常与主离合器配合使用。
（五）使用保养和故障排除
1. 使用要点

换挡时应使离合器完全分离； 换入挡后应平稳接合离合器； 低挡换高挡应顺序加挡，轮式机械应适应车速；

高挡换低挡应与车速、车况、路况适应，运行换挡要根
据车速、车况、路况控制好空油，必要时可以越级减挡


有直接挡的机械，一般应多用直接挡以油门控制车速
二、人力换挡变速箱
（一）换挡基本原理
1.移动式齿轮换挡
固定联接
空转联接 滑动联接
（1）工作原理

图示状态，Z1、Z2、Z3、Z4均不互相啮合，轴Ⅰ
与轴Ⅱ的转动间没有关系，变速箱为空挡状态。

双联齿轮向右移动，Z1与Z2啮合，则： i1 Z 2

n1 此时， n2 i1 双联齿轮向左移动，Z3与Z4啮合，则： i2 Z 4
（2）动力换挡
采用换挡离合器将变速箱中的某两
个换挡元件接合，或采用换挡制动器将某一换挡元
件制动实现换挡的，由于其换挡动作是通过液压系 统借助发动机的动力实现的，所以称为动力换挡变 速箱。
（变速箱的类型） 2.按轮系形式分 （1）定轴式（轴线固定式） （2）行星式（轴线旋转式） 3.工程机械变速箱类型 人力换挡变速箱、定轴式动力换挡变速箱和行 星式动力换挡变速箱。 人力换挡和动力换挡 动力换挡
（4）“三合一”机 构

组成
啮合套X和齿轮E、F、G、H等。
将啮合套X接合，则车轮带动变速箱输出
工作原理
轴转动，通过齿轮E、F、自由轮9传给齿轮G、H，
带动转向泵8和发动机转动，从而解决了发动机熄火
后不能拖起动、拖转向和拖行时制动的问题。

发动机起动后，转速很快升高，动力传到不能反向传
动的自由轮9时便被切断，以防止“三合一”机构被
（1）三基本元件 太阳轮t、行星架j、齿圈q。
（2）行星排转速方程式
nt+knq - (1+k)nj = 0
（3）二自由度行星排

固定某一元件（如采用制 动器），行星排成为一自 由度系统，即可由转速方 程式确定行星排传动比。 六种传动方案。
图4-13 简单行星排的传动方案

简单行星排六种方案传动比
a.前行星变速箱速比计算 前行星排转速方程式为：
na + k1nb - (1+k1) n1= 0 ①接合离合器L1 na=n1，i=n1/nb=1，为直接挡。 ②接合制动器Z1 na=0，i=n1/nb=k1/(k1+1)=0.72 (k1=59/23)
b.后行星变速箱速比计算 各行星排转速方程式
Z3
Z1
此时， n2 n1 i2 显然，n2 n2
（2）特点

行进中换挡时两齿轮啮入时的线速度不同（不同
步），使换挡较困难，齿轮易损坏。

换挡时齿轮移动距离较长。 采用斜齿轮几乎不能换挡，传力不平稳。 零部件数量少，结构简单，传动效率高。



常用于小型机械（如拖拉机）和不太常用的挡位
（如汽车倒挡）。
2. 啮合套换挡
（1）工作原理

图示状态，啮合套A随轴Ⅰ转动，但齿轮Z1与齿 轮Z3在轴Ⅰ空转，变速箱为空挡状态。

啮合套A向右移动，轴Ⅰ 的动力通过啮合套传到
齿轮Z1实现Ⅰ挡。

啮合套A向左移动，轴Ⅰ 的动力通过啮合套传到
齿轮Z3实现Ⅱ挡。
（2）特点

换挡时啮合套的一圈内齿与齿轮的一圈外齿同时啮
主动轴相连。

左齿圈、右行星架和离合器被动鼓连成一体，行星
变速机构的输出轴。

左行星架和右齿圈上分别设倒挡制动器5和一挡制 动器6。 两行星排间有四个旋转构件，二自由度变速箱；三 个操纵元件可实现三个挡位。

（3）变速箱速比计算
行星排转速方程式为：
nt + knq - (1+k) nj= 0
①接合制动器6，实现前进一挡 i1′= 1 + k
-k
-1/k
（4）结论
简单行星排变速箱可得到6种传动方案，
但其传动比受k的限制，尚不能满足工程机械的要求。
因此行星变速箱通常由几个简单行星排组合而成。
2.CL7铲运机行星变速箱
图4-14 CL7铲运机变速箱传动简图
（1）变速箱组成 a.前行星变速箱 b.后行星变速箱 第一行星排。 第二、三、四行星排。
（3）与液力变矩器配合使用，可保护发动机和传动系 统。
（4）与人力换挡变速箱相比，传动效率较低。
（5）采用旋转接头引入液压油，带来密封问题。
四、行星式动力换挡变速器
1.简单行星排动力换挡变速箱
图4-12 简单行星排动力换挡变速箱简图 1-太阳轮；2-齿圈；3-行星架；4-行星轮；5-制动器；6-行星轮轴
损坏；发动机起动后同时也应即行摘开啮合套X。
4. 特 点

几个齿轮同时传递动力，可采用小模数齿轮 。

零件受力平衡，轴承、轴、壳体等受力较小，结构紧
凑，尺寸小 。


结构刚度大，齿轮接触良好，使用寿命长。
换挡主要采用制动器、固定油缸和固定密封，避免了
大量的旋转油缸和旋转密封，操纵系统可靠性提高。

一、概述
（一）变速箱的功用
1.变换挡位 改变发动机与驱动轮间的传动比，使
机械的牵引力和行驶速度适应各种工况的需要。 2.实现倒挡 3.实现空挡 使机械实现后退行驶。 使发动机和传动系保持分离，机器较
长时间停车。
4.使发动机处在最佳工作状态
（二）变速箱的类型
1.按换挡方式分 （1）人力换挡（机械换挡）
机械未完全停车前，不要反向换入倒挡。
2. 保养要点
（1）注意润滑，定期检查油面，定期更换齿轮油或机油，
经常检查油塞是否紧固，是否有漏油现象； （2）注意各轴，不应有轴向松动，必要时调整各轴轴承。
3. 常见的故障
（1）齿轮有强烈的声响； （2）换挡困难； （3）跳挡； （4）漏油。
三、定轴式动力换挡变速箱

广泛应用于汽车等高速机械。
（二）基本类型
1.平面三轴变速箱

输入轴、中间轴和输出轴
在同一平面内。

变速箱有五个前进挡和一
个倒退挡：二、三、四、五 挡采用同步器换挡；倒挡和 一挡采用移动齿轮换挡。
（平面三轴变速箱）

平面三轴变速箱广 泛应用于倒退不太
频繁的机械（如汽
车），也可用于液
压驱动的传动系中
以前进1挡为例： 输入轴→Z1/Z2→Z7/Z8 →Z10/Z11→输出轴 （3）传动比
Z7
Z6
Z2
Z10
Z11 Z8
Z3
z 2 z8 z11 i1 z1 z7 z10
Z12 Z9
Z4
3.RM80清筛机变速箱
3. 特 点 （1）可在不切断动力（甚至在大载荷）情况下换挡。
（2）可减轻司机操作强度，提高生产效率。
齿圈固定 传 动 类 型 太阳轮主 动为大减 (方案1) 太阳轮从 动为大增 (方案2) 太阳轮固定 齿圈主动 为小减 (方案3) 齿圈从动 为小增 (方案4)
表4-3
行星架固定为倒转 太阳轮主 动为减速 (方案5) 齿圈主动 为增速 (方案6)
传动比
i
1+k
1/(1+k)
(1+k)/k
k/(1+k)
进Ⅲ
进Ⅴ 进Ⅱ 进Ⅳ 进Ⅵ 倒Ⅰ 倒Ⅱ
进Ⅱ
进Ⅲ
进Ⅳ 倒Ⅰ 倒Ⅱ
3.ZL50装载机行星变速箱
图4-15 ZL50装载机变速箱传动简图 1-泵轮；2Ⅰ-一级涡轮；2Ⅱ-二级涡轮；3-导轮；4-单向离合器；5-换 挡制动器Ⅰ；6-换挡制动器Ⅱ；7-换挡离合器；8-转向泵；9-自由轮
（1）双涡轮液力变矩器
nb + k2nd - (1+k2)nc = 0(k2=59/31)
nb + k3nc - (1+k3)n2 = 0(k3=59/21)
（a）
（b）
nc + k4ne - (1+k4)n2 = 0(k4=59/31)
①接合离合器L2 nb=nc，代入(b)得：i=nb/n2=1 ②接合制动器Z2
（c）

高速轻载时 超越离合器分离，
2Ⅱ单独传递动力。

低速重载时 超越离合器接合，
2Ⅰ和2Ⅱ共同传递动力。

4-16
4-15
结论
双涡轮液力变矩器相当于两挡自动变速箱，可
相应减少变速箱挡数，以简化变速箱结构。
（2）行星变速机构

行星变速机构由两个相同的简单行星排组成。 两太阳轮制成一体，与变速箱输入轴和换挡离合器
1.W90-3装载机变速箱
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如图b为定轴式动力换挡变
速箱的换挡离合器与齿轮：换 挡离合器接合，则齿轮与轴一 起旋转；换挡离合器分离，则 齿轮在轴上空转。

如图a，W90-3装载机变速
4-10
箱原理图。

动力传递路线（表4-2）
4-2
2.ZLM50装载机变速箱 （1）组成 空间六轴。
Z5 Z1
（2）传动路线