Allison 700系列自动变速箱整改手动换挡功能的实现与应用

周永胜，颜菁菁，顾金彪，滕 湃，丁 辉

(1. 中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452；2. 中海油天津分公司 天津300452)

0 引 言

由美国Allison公司生产的700系列变速箱因其功率覆盖范围大、可自动进行 7个前进挡自动换挡、性能可靠等诸多优势，在20世纪90年代被大量引进至中海油海上油田。但在实际应用中发现油田设备在作业中并不需要高转速但需要高扭矩，而700系列变速箱档位自动更换的原理是根据发动机油门变量提高转速来进行档位变换(油门越大，档位越高，转速越快)，在海上油田发动机油门增减的主要目的是希望提高变速箱的扭矩而不是转速。那么 700系列所标榜的自动在 7个前进挡中精准换向功能不仅变得毫无意义，并且该型变速箱故障率相较其他同类型产品故障率增大32%，更因为输出扭矩和转速奇怪的比例给设备操作人员带来了许多困难。因此，将 700系列变速箱由自动档改为手动挡不仅可提高设备使用效率，更能降低设备维修费，解决设备使用现状。

1 液控自动换挡变速箱的特点

目前的 Allison 700系列变速箱，是根据其前端发动机输出转速的变化使飞轮壳内的油液产生压差，再通过飞轮内的调速器产生液压速度信号，带有压力的速度信号进入变速箱液压控制系统，通过这些信号压力来控制变速箱自动换挡，改变变速箱后部行星齿轮的传动比，信号越高，档位挂合得越高(该型变速箱前进挡为 7档)，转速越高，扭矩越低，燃油越经济。该功能非常适合于驱动车辆，并且已在各国大功率运输车辆上得到普遍应用。而对于海上油田上使用的泥浆泵、修井机等大型设备来说，它们提高发动机输出转速的原因是希望获得更大的输出扭矩来提高作业效率。但发动机转速提高后的结果是变速箱以一种不可控制的方法自行将转速提得飞快，扭矩却降低到无法作业。这造成采用该类变速箱的设备不易受现场操作人员控制，导致海上设备运转不稳定。对于泥浆泵来说，不容易控制其流量和压力，对于钻机来说其起升和下放钻杆的速度也不容易控制。

长期在不适应工况的情况下强行作业，造成变速箱维修频率非常高，Allison公司生产的其他系列变速箱，与该型号变速箱的维修比例相比增高了约32%。并且，对 700系列变速箱内部零部件拆检时发现，绝大部分损坏的都是一二档和三四档，而且这两个档位的故障类型也基本上全部都是过度磨损故障，故障发生后带伤工作，致使箱体内的残渣进入控制液路中堵塞控制阀，造成设备瘫痪。综上，可知 700系列变速箱在海上设备使用过程中主要使用的是前三个档位，其余档位使用率极低。

举例：泥浆泵需要高泵压、高排量时，需要提高发动机转速，由于检测到发动机油门和变速箱输出转速的变化，变速箱自动将挡位提升，从而使其传动比减小，此时，泥浆泵的转速提高，扭矩不足；当泥浆泵的压力升高时，所需的扭矩增大，变速箱的输出转速降低时，变速箱会突然降档，传动比突然增大，虽然产生大扭矩，但泵的转速会大幅度降低，造成排量不足。反复上述操作，极易造成设备的损坏，也容易出现操作事故。

2 Allison700系列液力变速箱的控制原理及构造简介

2.1 主压力油路(见图1)

从油泵输出的油经外部滤清器过滤后进入主调压阀，通过阀内的油道进入阀的上端。上端的油压克服弹簧力使阀芯下移，直到油进入变矩器进油道。当流量超过需要时，多余的油经变矩器旁通阀泄入旁通油路。

图1 主油压调节回路Fig.1 Main oil pressure regulating loop

主压力由阀芯下面的弹簧和阀芯上面的液压力的平衡来控制，同时还受前进挡调节压力的作用。调压阀中存在前进挡调节压力时，主压力被调节到较低值。

2.2 选速阀和前进挡调节油路

手动选速阀用于选择所需要的档位。选速阀的每一个位置使相应的一组阀建立一个油路，实现所要求的档位工作。

当选速阀在除倒档以外的任何档位时，前进档调节压力从选速阀导入主调压阀。在空档和所有前进挡，这个调节压力帮助主液压力向下压主调压阀阀芯。在倒档时，没有前进档调节压力作用于主调压阀，因此主压力值升高。

2.3 后调速器油路(见图2)

图2 后调速器回路Fig.2 Back governor loop

主压力作用到调速器。调速器的离心重块由变速箱输出轴驱动旋转，控制调速器阀的位置，其位置决定调速器油路的压力。当变速箱输出轴不转动时，调速器压力大约为 14,kPa。当变速箱输出轴旋转时，调速器压力随转速器而变化。

2.4 调制器压力油路(见图3)

图3 调制器压力油路Fig.3 Modulator oil pressure

①调制器系统使变速箱的档位和换挡点与发动机的动力及车辆的负荷相协调。正确调整此系统的外部控制杆很重要。②在油门关闭时，调制器油路上的弹簧和液压力相平衡，产生最大调制压力。③在油门全开时，外控制杆销推动调制器阀，克服弹簧张力，主压力不能进入调制器油路，调制器压力为零。④在2-3、3-4和4-5换挡阀，调制器压力帮助调速器压力克制弹簧压力，提前换挡，当关闭油门自动减档时，档位维持较长时间。⑤当调制器压力降低，而调速器压力不足以克服换挡信号阀弹簧力时，变速器将自动减档。⑥当调制器压力作用到缓冲调节阀时，通向缓冲阀的“增强”缓冲调节压力被隔断。

3 Allison700系列液力变速箱自动改手动控制系统设计

本设计需要改造后调试器与变速器内部油路，以将自动控制改成手动控制。

3.1 调速器油路修改设计

700系列变速箱的换挡器的操纵会产生一种保持压力，通过改变其液压控制系统的油路流向，可以将其导入的变速箱输出速度信号油路，同时将原有的速度信号油路阻塞，从而使换挡器操作产出的保持压力代替变速箱调速器产生的速度信号压力控制变速箱的换挡。换挡手柄不同的位置对应着选挡阀阀芯的不同位置，这将引导保持压力作用于不同的信号阀，使信号阀动作，以实现手动操作换挡。调速器油路改造如图4所示。

图4 调速器油路改造Fig.4 Governor oil loop modification

3.2 “2-3”档信号调制阀改造设计

换挡信号阀的作用是当调速器油压推动信号阀克服弹簧力动作后，使主油压进入继动阀，通过继动阀动作接通离合器油路，使离合器结合实现换挡。

现将换挡阀去掉 2-3档，信号阀回位，弹簧添加垫块至阀芯与定位销中。在上下阀芯中添加弹簧并且重新加工阀芯。改变调制器与保持压力油路，使自动控制的油路失去作用。“2-3”档信号调制阀改造如图5所示。

图5 “2-3”档信号调制阀改造Fig.5 The“2-3”signal modulation valve reconstruction

3.3 保持阀改造设计

由于在各个行驶档位，选挡阀向信号阀引入保持压力，其作用为：阻止调速器压力推动信号阀，从而限制可达到的最高档。这个引入的保持压力是在保持调压阀从主压力分流出来的并且经过调节和减小的压力。在每一个信号阀，保持油压推动信号阀克服调速油压，将信号滑阀保持不动。

现将保持阀上端添加定位销，保持信号阀不动。保持阀将不再调节压力，信号阀所引入的压力不再经过减小和调节，保持油压与主油压相同，从而完全将挡位固定。保持阀改造如图6所示。

图6 保持阀改造Fig.6 The holding valve reconstruction

3.4 整体油路板改造设计

油路板有两处小孔，其目的是协助保持调压阀对主油压的压力调节，现取消保持调压阀的作用，故此应将两小孔改为正常油路从而避免油速过缓和憋压现象。

4 结 语

通过本文的研究，可以得出如下结论：①Allison 700系列自动挡液力变速箱，对于驱动车辆载荷，具有良好适应性，但对于驱动海上钻修机泵类载荷不能使用，在使用该变矩器驱动海上泵类载荷时，需要进行自动挡变手动挡改造。②通过修改控制系统调速器的油路、2-3挡信号控制阀、改造保持阀、调整油路板等相对简单的改造，可以将 Allison 700系列自动挡液力变速箱改变为手动挡控制模式。③经过 1台改造验证和 10 h的现场使用，表明上述改造方案是成熟和经济有效的改造方案。

［1］ 滕湃，丁辉，张超. 4500系列艾里逊液力变速箱替代应用技术研究[J]. 天津科技，2017(6)：90-92.

［2］ ALLISON Transmission. HT750，HT755 and C(L)700 Series Product Exit and HD Variant Availability [Z]. 2003.

［3］ 美国通用汽车公司. Allison Transmissions CT，CBT 750，754系列维修手册[Z].

［4］ 美国通用汽车公司. 艾里逊 700系列自动变速箱维修手册[Z].