取力器（Power Take Off，簡稱PTO），又稱功率輸出器，是一種通過齒輪嚙合來傳遞動力的裝置，一般由齒輪箱、離合器、控制器組合而成，與變速箱低檔齒輪或副箱輸出軸連接，將動力輸出至外部工作裝置，如舉升泵等。取力器是應(yīng)用于專用汽車上的一種關(guān)鍵設(shè)備，使專用汽車具有車輛行駛外的動力輸出，實(shí)現(xiàn)特殊的專用功能。
第一臺自動變速器是奔馳汽車公司1914年推出，之后美國為了讓戰(zhàn)爭期間的JEEP滿足于生產(chǎn)和作業(yè)的需求，新型的取力器裝置就誕生了。取力器發(fā)展大概分為三個時期：初期的取力器采用多軸式直齒滑動塊嚙合傳動，其特點(diǎn)是換擋工作步驟清晰，缺點(diǎn)是會出現(xiàn)打齒、脫擋現(xiàn)象；發(fā)展時期的取力器采用全斜齒傳動，齒輪平穩(wěn)嚙合，但仍會出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象。20世紀(jì)末汽車同步器的成功研制使得取力器的換擋性能大大提高有效地防止了脫擋、跳擋現(xiàn)象但換擋變得繁瑣；21世紀(jì)進(jìn)入了取力器的成熟期，這時期全球的研發(fā)專利大量增加。在換擋機(jī)構(gòu)、箱體制造方法和齒輪潤滑方面均改進(jìn)后，取力器品質(zhì)得到大幅度提高。
取力器是完成專用汽車與其上裝設(shè)備之間動力傳遞的重要構(gòu)件，主要由傳動齒輪、軸類、軸承和相關(guān)殼體組成。取力器的分類方式有很多種，常見的就是根據(jù)功率輸出渠道來分類，功率輸出渠道是由取力器的所在位置決定的，一種是按最終功率輸出形式，還有一種是按取力器本身結(jié)構(gòu)的擋位。取力器的功率輸出可以通過很多渠道來完成，籠統(tǒng)地可以分為從發(fā)動機(jī)兩端取力、從變速箱取力、從傳動軸取力。取力器的性能和參數(shù)主要根據(jù)車輛的用途而定，并且必須與所連接的變速器、發(fā)動機(jī)、齒輪泵或空壓機(jī)的性能參數(shù)匹配。不同用途的專用車輛需配置不同性能、參數(shù)的取力器。結(jié)合汽車取力器的發(fā)展歷程和現(xiàn)代市場的需求，兼具各項(xiàng)優(yōu)良性能如振動小、噪聲低等的低成本輕量化設(shè)計將成為取力器的發(fā)展方向。
簡史
世界上第一臺自動變速器是由梅賽德斯-奔馳集團(tuán)在1914年推出，后來美國為了讓JEEP在戰(zhàn)爭期間盡可能滿足生產(chǎn)和作業(yè)的需求，在此背景下研究開發(fā)了作為功率輸出裝置的新式的取力器，取力器的誕生為美國在第二次世界大戰(zhàn)取得勝利作了巨大的貢獻(xiàn)。
取力器的發(fā)展衍變在總體上可以劃分成三個階段：
開始時，取力器應(yīng)用多根軸的直齒滑塊嚙合來實(shí)現(xiàn)動力傳遞，其外殼體一般使用沙型鑄造工藝，操縱機(jī)構(gòu)配備多個拉桿或者拔擋搖桿。優(yōu)點(diǎn)為在掛擋過程中的工作進(jìn)程條理，不容易發(fā)生掛錯擋的故障。缺點(diǎn)為直齒的滑動塊在進(jìn)入嚙合的過程中存在打齒的風(fēng)險，滑塊嚙合發(fā)熱量比較大，容易掉擋，殼體比較粗笨，因?yàn)闅んw精細(xì)度不夠而造成氣密性差，由于殼體外壁較厚而導(dǎo)致取力器的散熱性不好。
中期的取力器應(yīng)用全斜齒的齒輪進(jìn)行動力傳遞，通過法蘭滑塊嚙合實(shí)現(xiàn)掛擋動作，外殼體采用鑄鐵工藝生產(chǎn)加工，操縱機(jī)構(gòu)配備多個拉桿或者拔擋搖桿。其優(yōu)點(diǎn)是斜齒輪在嚙合傳遞動力的工作時比較穩(wěn)定，不會產(chǎn)生打齒現(xiàn)象。缺點(diǎn)則與早期的取力器相同，在動力傳遞過程中存在脫檔的風(fēng)險，同時由于殼體笨重，氣密性和散熱性能較差。
到了20世紀(jì)末，取力器采用了可以使兩對轉(zhuǎn)速不同的齒輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相同的同步器，使得掛擋性能大幅提升。由于引進(jìn)了同步器，在原理上可以較好地避免出現(xiàn)掉擋的問題。但此時的取力器還是采用多拉桿、多撥擋搖桿，存在掛擋操作復(fù)雜的劣勢。取力器的發(fā)展在21世紀(jì)進(jìn)入了成熟期，在操縱機(jī)構(gòu)、殼體加工制造工藝和齒輪潤滑方面的技術(shù)均有較為明顯的進(jìn)步，齒輪和軸承的潤滑環(huán)境得到優(yōu)化，齒輪在嚙合時產(chǎn)生的噪聲也大大減小，取力器整體的散熱性能也顯著改進(jìn)，取力器綜合性能得到極大程度的提升。
基本原理
取力器按照結(jié)構(gòu)形式可以分為接合套式和齒輪式兩種。
接合套式取力器的工作原理
需要取力器截取汽車柴油機(jī)的動力前，必須是汽車在停止行駛的狀態(tài)下進(jìn)行。踩下離合器，打開取力器開關(guān)，在操縱裝置的作用下，取力器撥叉軸向左運(yùn)動。撥叉軸帶動撥叉推動接合套向左移動，與變速器中間軸上的動力輸出齒圈嚙合。
當(dāng)接合套與動力輸出齒圈完全嚙合后，掛上相應(yīng)的檔位，抬起離合器。此時，柴油機(jī)的動力傳遞關(guān)系為：柴油機(jī)飛輪一汽車離合器一主變速器一副變速器中間軸一動力輸出齒圈一接合套一輸出軸一輸出軸連接凸緣。柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩即可由取力器截取并從輸出軸連接突緣輸出。
當(dāng)需要斷開取力器的動力輸出時，踩下離合器，變速器掛空擋，關(guān)閉取力器開關(guān)。在操縱裝置的作用下，取力器撥叉軸向右運(yùn)動。撥叉軸帶動撥叉推動接合套向右移動，與動力輸出齒圈脫離嚙合。此時，取力器輸出軸不轉(zhuǎn)，取力器停止向外輸出旋轉(zhuǎn)力矩。
齒輪式取力器的工作原理
在汽車停止行駛的狀態(tài)下，當(dāng)需要取力器截取汽車柴油機(jī)的動力時，踩下離合器，打開取力器開關(guān)，在操縱裝置的作用下，取力器撥叉軸向右運(yùn)動。撥叉軸帶動撥叉推動滑動齒輪向右移動，與中間齒輪嚙合。
當(dāng)滑動齒輪與中間齒輪完全嚙合后，抬起離合器。此時，柴油機(jī)的動力傳遞關(guān)系為：柴油機(jī)飛輪→汽車離合器→變速器中間軸→中間軸取力齒輪→取力器取力齒輪→中間齒輪→滑動齒輪→輸出軸→輸出軸連接凸緣，柴油機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩即可由取力器截取并從輸出軸連接突緣輸出。
當(dāng)需要斷開取力器的動力輸出時，踩下離合器，關(guān)閉取力器開關(guān)。在操縱裝置的作用下，取力器撥叉軸向左運(yùn)動。撥叉軸帶動撥叉推動滑動齒輪向左移動，與中間齒輪脫離嚙合。此時，取力器輸入軸及輸人軸上的齒輪在變速器中間軸取力齒輪的帶動下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但輸出軸不轉(zhuǎn)，取力器停止向外輸出旋轉(zhuǎn)力矩。
構(gòu)造組成
接合套式取力器的構(gòu)造
接合套式取力器的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，其通常安裝在副變速器的中間軸后端。
在加長的中間軸的后端制有花鍵，花鍵上套裝有動力輸出齒圈。齒圈后端用止退墊片和鎖緊螺母固定。
輸出軸通過前后滾珠軸承支撐在取力器殼體上。前后軸承中間有隔套定位。輸出軸內(nèi)端制有花鍵，接合套套裝在花鍵上，并可以在輸出軸上軸向滑動。軸的外端連接有突緣，可以將動力輸出。
接合套內(nèi)孔中的一端制有花鍵槽，另一端制有內(nèi)齒。接合套的外圈上開有環(huán)槽，以利于撥叉的工作，故稱為撥叉槽。
撥叉固定在撥叉軸上，撥叉軸支撐在取力器的孔內(nèi)，另一端在操縱裝置的操縱下，可以軸向運(yùn)動。
齒輪式取力器的構(gòu)造
齒輪式取力器的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，主要由輸入軸、取力齒輪、輸出軸、滑動齒輪、撥叉撥叉軸取力器殼等組成。
輸入軸兩端通過軸承支撐在取力器殼體上。軸上設(shè)置有取力齒輪和中間齒輪，取力齒輪與變速器中間軸取力齒輪常嚙合在一起。
輸出軸前、后方通過軸承支撐在取力器殼體上，軸的中部制有花鍵，滑動齒輪在花鍵軸上可以軸向滑動，軸的后端安裝有連接突緣，以便動力輸出。
滑動齒輪的內(nèi)部制有花鍵，外緣一端制有齒，在取力時與主動軸的中間齒輪嚙合，外緣的另一端制有撥叉槽。
撥叉軸前、后方支撐在取力器殼的孔中，中間固定有撥叉。撥叉軸在操縱裝置的帶動下軸向運(yùn)動，通過撥叉推動滑動齒輪在輸出軸上軸向運(yùn)動。
操縱機(jī)構(gòu)
取力器的操縱機(jī)構(gòu)，可分機(jī)械式和氣壓式。機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)的操縱桿一般位于駕駛室內(nèi)，平時被鎖止在空擋位置，以免發(fā)生意外的接合。氣壓式操縱機(jī)構(gòu)用一個安裝在儀表板上的開關(guān)控制一個電磁空氣閥向取力器氣缸中供氣或排氣，使取力器接通或脫開，它的結(jié)構(gòu)一般分為單向氣操縱及雙向氣操縱。
常見分類
取力器的分類方式有很多種，常見的就是根據(jù)功率輸出渠道來分類，功率輸出渠道是由取力器的所在位置決定的，一種是按最終功率輸出形式，還有一種是按取力器本身結(jié)構(gòu)的擋位。取力器的功率輸出可以通過很多渠道來完成，籠統(tǒng)地可以分為從發(fā)動機(jī)兩端取力、從變速箱取力、從傳動軸取力。在車輛應(yīng)用上，采用最多的還是從變速箱和傳動軸取力。
按取力方式分類
1、發(fā)動機(jī)后端取力。發(fā)動機(jī)后端取力，一般都是在飛輪處，它的優(yōu)點(diǎn)是不受主離合器控制，但因改變了曲軸末端的結(jié)構(gòu)，對于平衡會有一些影響。這種取力形式的應(yīng)用比較常見，液壓水泵專用車的取力方式也是采用此種。
2、發(fā)動機(jī)前端取力。發(fā)動機(jī)前端取力，通常是曲軸連接，一般都是從發(fā)動機(jī)前端曲軸皮帶輪上用三角皮輸出動力，由正時齒輪室或由風(fēng)扇、水泵的皮帶輪輸出，例如氣剎制動系統(tǒng)中的氣泵，某些專用工作裝置所用的液壓馬達(dá)等。由于該方式的取力器到附加裝置的距離較長，且需要轉(zhuǎn)換傳動方向，機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，所以一般采用液壓傳動。
3、變速箱后蓋取力。變速箱后蓋取力，這種結(jié)構(gòu)的取力齒輪裝在中間軸上的兩個相鄰擋齒輪之間的空間部分，不需要加長。取力齒輪多為直齒輪。故當(dāng)取力器為單擋時，結(jié)構(gòu)非常簡單。例如，在自卸車舉升泵應(yīng)用中，取力器是一組變速齒輪，它與變速箱使用齒輪連接與舉升泵軸連接。取力器在變速箱里有一個單獨(dú)擋位，掛上這擋加油門后，舉升泵就可以運(yùn)轉(zhuǎn)。
4、變速箱上蓋取力。此方案是改裝變速箱的上蓋，將取力器疊置于變速箱之上，用一個惰輪和變速輪常嚙合，再由該惰輪將動力傳給取力器的輸出軸。這種取力器有與發(fā)動機(jī)同轉(zhuǎn)速輸出的特點(diǎn)，因而適合于需要有高轉(zhuǎn)速輸入的工作裝置，多用于消防車。變速箱側(cè)蓋取力又可分為左側(cè)蓋取力和右側(cè)蓋取力。一般在變速箱左側(cè)和右側(cè)都留有標(biāo)準(zhǔn)的取力接口。也有專門生產(chǎn)與之配套的取力器廠家，所以這種取力器較常用。
5、從傳動軸取力。從傳動軸取力，可以從分動器或者傳動軸輸出功率。對于有分動器的汽車底盤，可采用分動器取力方式。
當(dāng)從分動器輸入軸取力齒輪取力時，其轉(zhuǎn)速和扭矩變化也很大，取力器用單擋即可滿足要求。多用于液罐車、絞盤、液壓起重機(jī)或木材裝卸起重機(jī)的液壓泵。當(dāng)從分動器輸入軸后端取力時，先把變速箱掛直接擋，再通過一個轉(zhuǎn)換裝置，取力時就會自動切斷傳動軸后段的傳動，齒輪不受力，可以實(shí)現(xiàn)全功率輸出。這種裝置主要用于水泥液壓水泵專用車。傳動軸取力是將取力器作為獨(dú)立總成，設(shè)置于傳動軸之間。它轉(zhuǎn)動的過程中具有良好的動平衡性能，工作可靠性高，結(jié)構(gòu)也比較簡單。在消防車上有應(yīng)用。
按功率輸出分類
取力器按功率輸出形式可分為部分功率輸出和全功率輸出兩種。全功率輸出下可以得到發(fā)動機(jī)最大扭矩。根據(jù)取力器本身的速比i來看，i=1.00就是全功率取力，主要用于液壓水泵專用車、混凝土攪拌車、水泥液壓水泵專用車、高空消防車等需要大功率的專用車上。
全功率取力器取力形式也有兩類。一種是在離合器外殼和變速箱之間，在變速箱一軸上有個常嚙合齒，接通和斷開時要分開離合器，使用時變速箱掛空擋，這種結(jié)構(gòu)主要用于高規(guī)格消防車；另一種全功率取力器設(shè)置在傳動軸中間，用一個轉(zhuǎn)換裝置，取力時會自動切斷傳動軸后段的傳動，此時變速箱要求掛直接擋，這種裝置主要用于水泥液壓水泵專用車。
部分功率輸出，具體可以分為i=0.37~0.48的助力器用于自卸汽車舉升泵，i=0.48~0.88用于液壓起重機(jī)液壓泵，i=0.88~1.54用于液罐車液壓泵，i=1.51~1.87用于市政工程車高壓泵。
功率輸出同時再根據(jù)使用要求細(xì)分兩種情況。一種是行車和停車時都能輸出功率，如攪拌車在行車攪拌，停車攪拌、裝料、卸料多個工況下均需要取力器帶動液壓泵液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。另一種是只在停車時輸出功率兩種形式。
按擋數(shù)分類
取力器有一個單擋或多擋的齒輪箱，按照擋位多少其可分為單擋式和多擋式兩種。單擋式主要用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)、自卸車液壓泵等機(jī)構(gòu)，多擋式主要用于驅(qū)動絞盤（需要正、倒兩個擋位）等機(jī)構(gòu)。如果取力點(diǎn)設(shè)在變速器后端或分動器上，則只要一個擋位即可。
按實(shí)現(xiàn)掛擋的方式分類
取力器掛擋的方式分為很多種，按控制方式的不同可分為機(jī)械控制、液壓控制、氣控、真空源控制、電控等操縱方式，其中氣控比較常見。
主要特點(diǎn)
取力器實(shí)質(zhì)上是一種單級變速器，其基本參數(shù)有總速比（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與取力器輸出轉(zhuǎn)速之比）、額定輸出轉(zhuǎn)矩、輸出軸旋向和結(jié)構(gòu)質(zhì)量等。取力器的性能和參數(shù)主要根據(jù)車輛的用途而定，并且必須與所連接的變速器、發(fā)動機(jī)、齒輪泵或空壓機(jī)的性能參數(shù)匹配。不同用途的專用車輛需配置不同性能、參數(shù)的取力器。為了滿足各類專用汽車不同的需求，取力器的結(jié)構(gòu)類型、產(chǎn)品規(guī)格和技術(shù)形式也都不相同，使得針對不同上裝設(shè)備，取力器的額定轉(zhuǎn)速、額定功率和輸出接口條件也都有差別。
取力器在設(shè)計和制造過程中是嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造，并已大致確定了其使用工況范圍。如自卸車，由于受其用途限制，單次連續(xù)工作時間不是很長，因而不必選擇功率太大，要求連續(xù)工作的取力器，以免造成不必要的資源浪費(fèi)。而液壓水泵專用車、消防車、散裝水泥車、水泥攪拌運(yùn)輸車、起重車及油田專用車等，因需要連續(xù)工作較長時間，就要選擇功率較大、能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的取力器。
應(yīng)用領(lǐng)域
取力器為應(yīng)用于專用汽車上的一種關(guān)鍵設(shè)備，使專用汽車具有車輛行駛外的動力輸出，實(shí)現(xiàn)特殊的專用功能。專用汽車一般是為了實(shí)現(xiàn)某種專用功能，在通用的汽車底盤上進(jìn)行改裝而成的一類汽車。大多數(shù)汽車僅有一個發(fā)動機(jī)作為動力來源，其動力輸出主要為汽車行走提供動力。為滿足專用汽車的多功能動力需要，一般在車輛上采用取力器以提供專用功能的動力輸出。在企業(yè)應(yīng)用方面：取力器大都應(yīng)用在環(huán)衛(wèi)車、自卸車、公安消防車、建筑材料攪拌車、危化品車等專用車輛上面，針對不一樣車輛使用環(huán)境對取力器各方面的性能要求也都不一樣。
發(fā)展趨勢
結(jié)合汽車取力器的發(fā)展歷程和現(xiàn)代市場的需求，取力器的發(fā)展趨勢主要包括以下幾點(diǎn)：
1、兼具各項(xiàng)優(yōu)良性能如振動小、噪聲低等的低成本輕量化設(shè)計將成為汽車取力器研究工作的一大難題更是發(fā)展方向。
2、取力器輕量化技術(shù)有望結(jié)合逐漸精細(xì)化的納米技術(shù)，進(jìn)一步尋求取力器輕量化技術(shù)和成本的新平衡。
3、專用汽車取力器各項(xiàng)參數(shù)的系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計服務(wù)于取力器的動態(tài)特性及有關(guān)設(shè)計理論方法。
4、針對取力器的專業(yè)虛擬樣機(jī)綜合開發(fā)技術(shù)不斷的完善和成熟，通過靜力學(xué)與動力學(xué)的緊密結(jié)合以及不同類型軟件聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的動力學(xué)分析平臺，提高取力器動態(tài)特性分析的合理性、時效性及精確性。
故障檢修
重型自卸汽車當(dāng)取力器出現(xiàn)故障，最直接且顯而易見的結(jié)果就是齒輪泵不轉(zhuǎn)，液壓傾卸系統(tǒng)失去動力源，整個系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，無法工作。應(yīng)從機(jī)械傳動、氣路控制和電器控制方面進(jìn)行判斷和排除。
機(jī)械類故障
取力器正常工作需要可靠的機(jī)械傳動，包括花鍵副傳動、軸承、嚙合齒套、傳動齒輪等，主要失效形式有以下幾種：
1、掛擋異響。聲音一般來自嚙合齒套，掛擋沖擊導(dǎo)致其內(nèi)、外齒出現(xiàn)毛刺、翻邊，甚至引起變形或打齒，需拆箱檢查嚙合齒套，采用油石人工修復(fù)，變形嚴(yán)重需換件。
2、傳動齒輪打齒。齒輪打齒一般為長期潤滑不良、箱內(nèi)含有機(jī)械雜質(zhì)、齒輪質(zhì)量缺陷引起，需更換配件，并按要求保養(yǎng)。
3、軸承燒蝕、散架。軸承損壞也是需拆箱檢查潤滑油是否變質(zhì)及有異物，換件處理。
控制氣路類故障
氣路控制系統(tǒng)由氣缸、活塞、電磁閥、減壓閥、連接氣管路等組成，結(jié)合氣路原理，可以清楚地判斷出故障元件，主要原因有：
1、氣路件生銹、卡滯?？諝庵械乃址e存于氣缸、電磁閥內(nèi)部引起生銹、卡滯、無動作，應(yīng)進(jìn)行除銹或換件處理。
2、密封件老化、磨損。密封件失效后會引起氣缸各腔竄氣、漏氣，可拆開氣管路接頭檢查，確認(rèn)故障件并更換。
電路類故障
電路元器件由電磁閥、取力及空擋翹板開關(guān)、反饋信號開關(guān)以及連接線路等，主要故障有：
1、電磁閥損壞。常閉、常通電磁閥通電后閥芯無動作，可以確定其損壞，換件處理。
2、翹板開關(guān)無電。測量來電保險及電線電壓，可以做出判斷。特殊情況是設(shè)計上為防止誤操作而增加了“互鎖”電路，如分動箱空擋互鎖、手制動互鎖等，滿足條件才能來電。
3、取力器工作指示燈不亮。指示開關(guān)損壞或行程調(diào)整不到位引起，可掛合取力后，進(jìn)行調(diào)整或換件處理。
參考資料 >