HVT变速箱在流动式起重机中的应用与维护

李磊　何强

摘 要：液压机械无级变速箱（以下简称为HVT变速箱）由于采用静压传动和功率分流传动技术，综合了液压传动和机械传动的优点，实现了传动系统无级变速和节能降耗等目标，不仅提高了传动效率，而且最高节油幅度可达25%，同时还具备噪声低、操作灵敏准确和故障低等优势[1]。

关键词：节能环保；HVT变速箱；静压传动；功率分流

中图分类号：TH137.5                              文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）07-0042-03

0 引言

卡尔玛ECO正面起重機是世界上首款搭载HVT变速箱的节能环保型正面起重机，变速箱型号为HVT-R2，由美国德纳控股与德国博世力士乐的合资公司生产。截至2023年1月，卡尔玛ECO正面起重机全球销量已达500台。HVT变速箱通过将传动速度与发动机转速去耦合，降低发动机在整个工作周期和怠速时转速，可显著降低油耗，还实现了敏感精确的车辆定位功能。无级变速功能可在改善加速性能的同时保持牵引力，通过静压制动和无磨损无离合换向提升了使用寿命，降低了维护成本。

1 HVT变速箱传动系统的概述

HVT变速箱传动系统主要由无级静压变速系统、机械变速系统和变速箱控制系统构成。由于静压变速系统与机械变速系统采用并联方式，因此发动机动力可以通过变速箱从两个途径输出到驱动轮。静压变速系统可通过液压马达向机械变速系统提供动力，也可以从机械变速器获取动力。变速箱控制单元（简称TCU）通过各种传感器以及与其他控制器通讯，实时监控运行状态，并根据油门踏板和车速等信号精确的改变传动进行换挡控制。TCU能保证发动机始终工作在最佳工作点，不受负载变化影响，从而提高了作业效率及燃油经济性。

2 HVT变速箱工作原理

HVT变速箱传动方案示意图如图1所示，HVT变速箱有3个前进挡和2个倒挡，4个离合器用于挡位切换，分别为CR、C1、C2和C3。

当行驶速度小于5 km/h，变速箱处于第一挡位，驱动方式为纯静压驱动。发动机输出功率通过减震联轴器、CR/2离合器和泵驱动齿轮副传递至变量泵。变量泵从油底壳中抽油，斜盘倾角增大，液压油压力增大，带动变量马达转动。变量马达输出功率再经过C1离合器及其他齿轮副，最终传递到变速箱输出轴上。

该变速箱静压传动系统主要由变量泵和变量马达组成，采用电比列控制，可以实现泵排量和输入电流的比例调节，改变斜盘倾角和方向即可完成平稳加速和换向。采用电比列控制的液压马达，斜盘倾角改变，即排量的变化，可影响输出转速和转矩。斜盘倾角越大，产生的转矩就越大，在输入流量不变的情况，转速会相应的降低[2]。在需要大扭矩起步行驶阶段，静压系统可在发动机较低转速、较小输出功率情况下实现起步和行驶，损耗功率小，传动效率高。

当行驶速度处于6～26 km/h时，变速箱处于第二挡或第三挡，驱动方式为功率分流驱动，即液压与机械混合传动。发动机动力进入变速箱后，通过CR/2离合器分成两路动力传递：一路动力通过泵驱动齿轮副，经过变量泵-变量马达液压传动系统传到行星排太阳齿轴，为液压流。另一路动力通过C3离合器和传动齿轮副传到行星排内齿圈，为机械流。液压流和机械流在行星排中汇流后动力传递到行星架，最终通过其他传动齿轮副传递到输出轴上，经输出轴输出动力[3]。在此过程中，虽然发动机和行星排齿圈转速是一定的，但通过控制变量泵或变量马达排量改变行星排太阳轮转速，那么即可改变行星架转速，最终实现在各区段实现无级调速功能。行星排行星架转速计算公式如式（1）[4]。

ω₃=1/（K_p+1）ω₁+ K_p/（K_p+1）ω₂（1）

式中：ω₁为太阳齿转速，ω₂为太阳齿转速齿圈转速，ω₃为行星架转速，K_p为行星排机构特性参数，为齿圈与太阳轮的齿数比。

3 HVT变速箱动力换挡过程

HVT变速箱实现第一驱动挡位为纯液压驱动，其他挡位均为机-液动力分流驱动。第一挡和第二挡之间转换是以同步切换方式实现，无需中断牵引力。第二挡和第三挡之间以非同步换挡重叠的方式实现，这种方式可以不完全中断动力，并缩短换挡时间[5]。

4 HVT变速箱液压系统

HVT变速箱液压原理图如图2所示，HVT变速箱液压系统主要由泵-马达容积调压回路和湿式离合器换挡控制回路构成。

容积调速静压回路主要由A4VG110EP2型电比例双向液压泵和A6VM150EP2型电比例液压马达组成，分别对应图中编号9和10。变量泵通过增压泵（编号2）输出的控制由经过比例换向阀到变量活塞的控制腔，改变换向阀两端的比例电磁铁a和b的输入电流来控制变量活塞位移，即可实现泵排量和输入电流的比例调节。若控制斜盘摆过中位，就可以平稳的改变液体流动方向。高压溢流阀（编号RV1和RV2）起到安全保护作用，同时还具有补油阀的功能，保证低压管路中压力值不变，避免系统中形成真空，产生气蚀。压力传感器（编号PA和PB）用于实时检测静压系统压力值，控制变速箱输入和输出扭矩。冲洗阀（编号FV）可以将低压侧液压油引入马达壳体中，与壳体泄油一起返回油底壳。冲洗阀一方面是用于消除液压回路的热量，另一面是冲洗液压回路中磨损下来的微小金属颗粒，从而提高液压回路的清洁度，延长液压元件的使用寿命。

湿式离合器换挡控制回路由吸油滤网、增压泵、高压过滤装置、压力传感器、湿式离合器、比例电磁阀、储能器和溢流阀，在图2中编号分别为1～8。增压泵通过过滤精度为2 mm的滤网从油底壳吸油，然后通过高压过滤装置将增压后的液压油输送至比例换向阀前。

当离合器所对应比例换向阀通电时，阀芯换位，阀前液压油进入离合器液压缸，推动活塞移动压紧湿式离合器的钢片与摩擦片，离合器开始传递动力。当比例换向阀断电时，阀芯复位，湿式离合器离合器液压缸里液压油返回油底壳，实现快速卸油并切断离合器的动力传递。变速箱在每一个工作挡位仅有一个离合器处于工作状态，离合器工作压力范围为28～33 MPa。增压泵工作压力范围为32～38 MPa，排量为55.86 mL/r。高压过滤装置还安装有滤芯堵塞压差开关和安全阀。变速箱控制阀组上安装有4个压力传感器、4个比例电磁阀、1个储能器和1个溢流阀。

压力传感器用于检测对应离合器的工作压力。比例电磁阀接收控制器传来的电信号，并将电信号转化为液压压力，进而控制离合器精准和快速的结合与分离。储能器用于补充增压泵在某时刻的流量不足，并吸收液壓系统中产生的液压冲击，保持系统压力稳定。溢流阀用于限定系统工作压力不超过3 MPa，溢流后的油液与冲洗阀油液汇合，经散热器冷却，再对变速箱各轴系和离合器进行润滑，最终返回油底壳。

5 HVT变速箱传动系统的优势

5.1 传动效率优势

HVT变速箱传动系统取消了液压变矩器，避免了在大扭矩、低速工况时传动效率低的问题，并在高速时可转为高效率的机械传动，使得整个工作循环的传动效率大幅提高。

5.2 功率管理优势

HVT变速箱采用液压传动和机械传动混合传动的方式，利用行走静压传动与整机液压系统联合控制，合理分配发动机功率，充分利用发动机功率，使液压系统和发动机都工作在高效省油的工作区域内。通过联合控制，切断了发动机转速、行驶速度和驱动力矩之间的强制关系，节约能耗，减少尾气排放和噪声。

5.3 操作性能优势

液压变矩器无法实现反转功能，切换倒挡时必须采用机械传动系统相配合，换挡过程中易引起动力中断与衰竭。变矩器主、被动元件之间存在相对滑动，加速性能差，反应比较滞后。HVT变速箱静压传动系统操作简单、灵活和准确，可实现快速起动和加速，提高了驾驶员舒适性。动效率密度大，转动惯量比大，因此速度变化时冲击小，急加速或急转弯不会损伤传动系统。

5.4 经济优势

HVT变速箱传动系统具有独特的发动机转速匹配功能，使得发动机的最佳性能得以体现，与带变矩器的变速箱传动系统相比，可节省约25%的燃油。制造精良的静压系统在工作时几乎没有机械磨损，使用寿命长，维护成本低[6]。静压传动系统还具备无磨损制动功能，可以在平地和一定坡度的斜坡上保持机车静止。

6 HVT变速箱维护要求

HVT变速箱使用寿命在很大程度上取决于变速箱润滑油的品质。应定期更换变速箱润滑油，油液污染度等级参照ISO4406标准，须保持在20/18/14洁净度等级。润滑油品牌目前只能选用SHELL SPIRAX S4 TXM，工作坏境温度在-30～40℃时，油品选用级别为SAE10W-30。

6.1 首次保养

必须在至少5 h后（最迟在250 h之后）更换变速箱润滑油滤芯。

6.2 日常油位检查

启动和预热设备，直到变速箱油温达到75℃左右，从而使节温器关闭，散热器中充满油液。然后让变速箱油冷却至30℃，让发动机处于怠速运转状态（发动机转速约为700 r/min）。将量油尺擦拭干净，用量油尺检查油位应处于最高标记处。

6.3 每运行1000h保养

保养内容有以下两点：①检查蓄能器充压压力，使用充氮工具与蓄能器预充压力测量孔相连接，读取氮气压力应为2±0.1 MPa。②更换变速箱液压油及滤芯。

6.4 HVT变速箱自动校准

如果想长期保持HVT变速箱良好的驾驶舒适性，就必须定期对变速箱执行元件的参数进行校准。例如：对静压系统中液压泵和液压马达电磁阀线圈最小和最大控制电流进行校准，对离合器液压缸充油时间和换挡重叠特性进行校准。变速箱自动校准过程较为复杂，大约需要20 min。

如遇到以下情况，需要对HVT变速箱进行校准：①变速箱首次运行前。②每运行1 000 h，更换变速箱油及滤芯后。③更换液压泵或液压马达后。④更换离合器部件或阀组控制阀后。

校准前，将设备必须停放在安全区域内的水平地面上，使驻车制动器接合，挡位处于空挡状态。自动校准过程中操作人员禁止离开驾驶室。变速箱油温需保持在30～50℃范围内，若温度过低，预热功能自动启动，开始加热。若温度超过60℃，校准工作将中断，直到温度降低至50℃。自动校准必须通过指定的CAN通讯接口进行，校准完成后，点火开关关闭至少30 s，以保存校准后的数据。如遇到紧急情况，需要停止校准工作，可通过将挡位手柄移至相反行走方向，退出校准菜单，松开驻车制动器等方法，随时取消校准。此时TCU将重置，并忽略之前获得的校准结果[7]。

参考文献

[1] 鄢万斌，梁振国，谭艳辉，等.CONEXPO2014展上的装载机HVT混合传动系统分析[J].建筑机械技术与管理，2014（6）： 64-65.

[2] 王岩，付永领，牛建军.变量泵-变量马达自适应控制算法研究[J].中国机械工程，2009，20（10）：1173-1175.

[3] 刘天豪，刘衡.芬特Vario900拖拉机传动系统研究[J].机床与液压，2011，39（18）：110-112.

[4] 马鹏飞.全液压推土机液压行驶驱动系统动力学研究[D].西安：长安大学，2006.

[5] 马丁.M.布伦纳格.芬特无级变速箱在农业拖拉机中的应用[Z].SAE技术文件，2007-01-4205.

[6] 苏恩一.静压传动技术在工程机械中的应用[J].物流技术与应用，2004（7）：86-87.

[7] R.赫尔曼.R2无级变速箱操作和维修手册[Z].德纳力士乐变速器系统，2015-09-24.