手動(dòng)兩檔操縱全功率取力器開發(fā)

沙曉麗，李軍

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手動(dòng)兩檔操縱全功率取力器開發(fā)

沙曉麗1，李軍2

（1.陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119；2.西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，陜西 西安 710199）

設(shè)計(jì)了一款手動(dòng)兩檔操縱全功率取力器，適配附帶農(nóng)機(jī)具的農(nóng)業(yè)機(jī)械，如拖拉機(jī)等。分別對設(shè)計(jì)理念、技術(shù)特點(diǎn)及總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對總成布置及尺寸鏈計(jì)算進(jìn)行了要點(diǎn)介紹，除齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)外還利用有限元分析對重要零部件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證等，最后通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證了取力器總成的疲勞壽命及靜扭強(qiáng)度要求等。

全功率取力器；農(nóng)用機(jī)械；手動(dòng)兩檔

前言

隨著新農(nóng)村建設(shè)、西部大開發(fā)等大型國家戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，新農(nóng)村和新農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)農(nóng)用汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)也有效促進(jìn)了與之配套的農(nóng)用汽車取力器市場的快速發(fā)展。由于農(nóng)用汽車自身品種的多樣性，決定其取力器品種、規(guī)格、形式的多樣性，在我國農(nóng)業(yè)汽車取力器已有200多個(gè)類型，1000多個(gè)品種。取力器的工作原理是從汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)之中取出動(dòng)力，常采用的設(shè)計(jì)方法是在變速箱設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的取力窗口取力?，F(xiàn)階段，汽車零部件制造商和變速器廠只提供通用性強(qiáng)的幾種取力器，難以滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械的取力要求。

1 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

開發(fā)一款適配帶農(nóng)機(jī)具的拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)前取力器總成，要求實(shí)現(xiàn)兩擋輸出，即具有高、空、低擋，輸出軸位于變速箱一軸水平右側(cè)，取力器與變速箱分別離合，傳動(dòng)路線相互獨(dú)立。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該取力器為全功率取力器，采用三軸水平布置，兩級齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。輸出軸高、低齒擋與輸出軸之間設(shè)置滾針軸承，撥動(dòng)換擋滑套實(shí)現(xiàn)取力器的高低擋切換，換擋滑套外花鍵及輸出軸高、低擋齒輪內(nèi)花鍵采用倒錐齒結(jié)構(gòu)，減少掉擋風(fēng)險(xiǎn)。

2 技術(shù)方案

針對農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的特殊取力要求，需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小，并且能夠?qū)崿F(xiàn)行車取力的2擋全功率取力器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

該取力器由三根水平布置的平行軸，兩級齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其中，輸入軸為空心齒輪軸，空套在變速器輸入軸外；中間軸布置有低擋輪齒輪、高擋輪齒輪，其中中間軸高擋齒輪與輸入軸軸齒常嚙合；輸出軸上從左至右依次設(shè)置有輸出軸高擋齒輪、換擋滑套、輸出軸低擋齒輪，高、低擋齒輪與輸出軸之間設(shè)置有滾針軸承，換擋滑套左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)選擋，然后通過輸出法蘭盤實(shí)現(xiàn)取力器的兩擋輸出。

3 技術(shù)特點(diǎn)

取力器的輸入軸為空心齒輪軸，與變速器輸入軸分別由不同的離合器花鍵連接至發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪盤，實(shí)現(xiàn)了取力器的行車取力以及全功率取力。

取力器可根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)兩種輸出轉(zhuǎn)速及扭矩。取力器輸出軸上布置有高、低擋齒輪及換擋滑套，高、低擋齒輪與輸出軸之間布置有滾針軸承，滑套與輸入軸花鍵連接，撥叉撥動(dòng)滑套控制取力器的高、空、低擋，實(shí)現(xiàn)擋位切換。

取力器三根軸水平布置，取力器獨(dú)立密封，飛濺潤滑，齒輪、軸承潤滑可靠。

輸出軸上的換擋滑套采用倒錐齒結(jié)構(gòu)，具有自鎖功能，降低掉擋風(fēng)險(xiǎn)。

4 總體結(jié)構(gòu)

1.輸入軸 2.變速器輸入軸 3.中間軸 4.中間軸高擋齒輪 5.中間軸抵擋齒輪 6.輸出軸 7.輸出軸高擋齒輪 8.換擋滑套 9.輸出軸低擋齒輪 10.撥叉 11.撥叉軸

所設(shè)計(jì)的兩檔全功率取力器結(jié)構(gòu)如圖1所示，此時(shí)為不工作狀態(tài)，即取力器處于空擋位置。由三根水平布置的平行軸，兩級齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其中包括有取力器輸入軸1，該輸入軸為空心結(jié)構(gòu)的齒輪軸，空套在變速箱輸入軸2；中間軸3上帶有低擋軸齒，中間軸上設(shè)置有中間軸高擋齒輪4和中間軸常嚙合齒輪5，中間軸兩端通過兩個(gè)圓柱滾子軸承分別支撐在取力器殼體及端蓋上；輸出軸6，輸出軸上從左至右一次設(shè)置有輸出軸高擋齒輪7、換擋滑套8及輸出軸低擋齒輪9，輸出軸高、低擋齒輪與輸出軸之間分別設(shè)置有滾針軸承，滑套與輸出軸通過花鍵連接。

5 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)及尺寸鏈計(jì)算

該全功率取力器一共涉及3對齒輪傳動(dòng)，分別為常嚙合齒輪、低檔齒輪和高檔齒輪，根據(jù)所選配發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)（最大輸出扭矩）及拖拉機(jī)后接設(shè)備所需的速比進(jìn)行齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，利用常規(guī)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行齒輪參數(shù)及接觸、彎曲應(yīng)力計(jì)算，滿足空間結(jié)構(gòu)布置的同時(shí)，保證其應(yīng)有設(shè)計(jì)壽命。

齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，還需要對所選軸承進(jìn)行承載能力校核，然后是總成的尺寸鏈計(jì)算。尺寸鏈計(jì)算主要要保證定位卡環(huán)類零件有裝配間隙，且徑向保證卡環(huán)可以正常擴(kuò)大裝配；空轉(zhuǎn)齒輪能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向間隙不得過??；滾針軸承軸向不能卡死，徑向間隙不得過小，避免燒死；軸上配對支撐軸承保證其定位于殼體裝配完成后，軸向間隙不得過小，保證軸承不會(huì)卡死導(dǎo)致早期磨損。

6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證與有限元分析

對于個(gè)別有潛在風(fēng)險(xiǎn)的零件除了理論設(shè)計(jì)計(jì)算外，還需要輔助有限元分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。比如該全功率取力器的兩根輸入軸，一根細(xì)長軸自離合器穿過取力器至變速器內(nèi)部，另一根空心軸自離合器至取力器內(nèi)部，兩根輸入軸皆以漸開線花鍵傳遞扭矩。由于空間結(jié)構(gòu)布置需要，兩根輸入軸的軸徑均按照最大輸入扭矩進(jìn)行理論設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算，再利用有限元分析論證理論計(jì)算，變速器輸入軸結(jié)果如圖2所示，空心輸入軸結(jié)果如圖3所示。

圖2 變速器輸入軸應(yīng)力圖

圖3 取力器空心輸入軸應(yīng)力圖

通過有限元分析結(jié)果可以看到，兩根輸入軸均與理論設(shè)計(jì)計(jì)算一致，只需對個(gè)別薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)加強(qiáng)。除了對重要零件的有限元分析外，整個(gè)取力器產(chǎn)品還進(jìn)行了疲勞壽命及靜扭強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均與理論計(jì)算一致。

7 小結(jié)

手動(dòng)兩檔操縱全功率取力器的設(shè)計(jì)開發(fā)是在充分調(diào)研市場及實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，考慮到國內(nèi)農(nóng)業(yè)車輛匹配的要求，將汽車取力器的傳統(tǒng)優(yōu)勢延伸至農(nóng)業(yè)車輛。該取力器通過大量的理論計(jì)算，有限元分析及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，性能指標(biāo)得到優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)編著3版.北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8.

[2] 劉品,李哲.機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測基礎(chǔ)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2005.2.

[3] 中國機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編（滾動(dòng)軸承卷）,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第三編輯室全國中國滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)編中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008. 12.

Manual two-speed operation of full power power take-off development

Sha Xiaoli1, Li Jun2

( 1.Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Resarech Institute, Shaanxi Xi'an 710119; 2.Xi'an FC Intelligence Transmission Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710199 )

A type of a manual two-speed operation full power power take-off is designed, adapting agricultural machinery with agricultural machinery, such as tractors. The design concept, technical characteristics and assembly structure were introduced respectively. The main points layout and dimension chain calculation were introduced. In addition to the gear parametric design, the finite element analysis was used to verify the important components. Finally, The fatigue life and static torsion strength requirements of the power take-off assembly were verified by a test bench.

Full power PTO; Agricultural machinery; Manual two tranches

B

1671-7988(2018)20-163-02

U463.2

B

1671-7988(2018)20-163-02

U463.2

沙曉麗，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.059