農(nóng)用微型山地履帶車變速箱改進(jìn)方案的選擇及檔位設(shè)計

【摘要】第一代農(nóng)用微型山地履帶車是一種能夠適應(yīng)山地作業(yè)環(huán)境的山地微耕機(jī)，但其道路運輸行駛速度過慢，低速旋耕工作速度過快，變速箱尺寸過大，因此現(xiàn)需要設(shè)計一款檔位較多，檔速合理，結(jié)構(gòu)緊湊的第二代農(nóng)用微型山地履帶車變速箱。本文主要對其變速箱的改進(jìn)方案進(jìn)行對比選擇并確定設(shè)計檔位。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)用 ?微型山地履帶車 ?變速箱 ?檔位設(shè)計

【Abstract】The first generation of agricultural miniature mountain caterpillar vehicles is a kind of can adapt to the mountain mountain micro tillage machine， the working environment but the road transport speed too slow， low speed rotary tillage work too fast， transmission size is too big， so we need to design a gear， gear speed is reasonable， compact structure of the second generation of agricultural miniature mountain tracked vehicle transmission. In this paper， the improvement scheme of its gearbox is compared and selected and the design gear is determined.

【Keywords】agricultural; miniature mountain crawler; gearbox; gear design

【基金項目】學(xué)院資助項目：2019年度甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目，項目編號：GSJD2019ZR04。

【中圖分類號】G64 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）51-0255-02

1.引言

我國是一個多山國家，丘陵和山地面積占到了國土面積的2/3。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，山區(qū)糧食產(chǎn)量約占全國的51.4%，油料作物產(chǎn)量約占53.7%[1]。由此看來，山區(qū)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)好壞，將會直接影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。山地微型履帶車是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具，變速箱為微型車重要組成部分，故山地微型履帶車變速箱的設(shè)計具有重大意義。

2.第一代微型山地履帶車簡介

近幾年，國家對推動丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展給予較大力度的扶持。農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)科研單位與企業(yè)一道針對南方丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，開展了微型多功能作業(yè)機(jī)的機(jī)具研發(fā)、試驗、推廣工作[2]。西北農(nóng)林科技大學(xué)楊福增教授科研團(tuán)隊在2011年就自行設(shè)計研發(fā)了第一代微型山地履帶車。

該山地微耕機(jī)能夠適應(yīng)山地作業(yè)環(huán)境，采用液壓調(diào)平裝置、基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的雙向平衡鏟等裝置，解決了之前山地微型耕地機(jī)普遍存在的山地作業(yè)穩(wěn)定性不足、安全性得不到保障和操作復(fù)雜等問題。這樣一款集成機(jī)械、液壓技術(shù)的適于山地作業(yè)的山地微耕機(jī)，能夠有效地把丘陵山區(qū)農(nóng)民從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和繁重的體力勞動中解放出來，徹底改變山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來以人工、蓄力進(jìn)行勞作的落后、低效的原始生產(chǎn)方式，大幅度提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，受到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣部門和農(nóng)民的認(rèn)可[3]。

第一代微型山地履帶車變速器有四個檔位，三個前進(jìn)檔，一個后退檔。其中一檔為低速作業(yè)檔，能實現(xiàn)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為n1=110r/min，直線速度為V1=1.65km/h，不能滿足旋耕時的速度要求0.6km/h。二檔為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)檔，能實現(xiàn)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為n2=126.98r/min，直線速度為V2=1.91km/h;三檔為道路行駛檔，能實現(xiàn)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為n3=217.86r/min，直線速度為V3=3.28km/h，不能滿足空載運行時正常行駛速度6km/h。后退檔進(jìn)行倒車，能實現(xiàn)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為n=149.26r/min，直線速度V=2.25km/h。每檔可通過操縱換擋桿來實現(xiàn)。整機(jī)的轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向離合器實現(xiàn)。這種檔位設(shè)計不滿足現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，所以需要對變速箱進(jìn)行更大傳動比范圍的改進(jìn)設(shè)計。同時，第一代微型山地履帶車變速箱的箱體尺寸偏大，對機(jī)架造成負(fù)擔(dān)，同時對整機(jī)穩(wěn)定性造成影響。

3.微型山地履帶車變速箱的改進(jìn)

原方案存在的主要問題一是開溝速度過快，二是空載運行速度過低。本次研究任務(wù)是設(shè)計一套傳動方案使開溝速度由原來的1.65km/h下降到0.5km/h，使空載運行速度由原來的3.28km/h上升最大達(dá)到6km/h，并且盡量縮小變速箱尺寸，以便于安裝。為此主要考慮以下三種改進(jìn)方案。

本次改進(jìn)設(shè)計的主要目的是對變速箱進(jìn)行重新設(shè)計，以擴(kuò)大傳動比范圍，同時獲得更加合理的檔位配置，并要求箱體結(jié)構(gòu)更加緊湊。

3.1項目研究的重要性

變速箱的傳統(tǒng)設(shè)計效率低而且容易出錯，變速箱參數(shù)化設(shè)計是提高效率及設(shè)計精度的有效途徑。在討論研究國內(nèi)外農(nóng)用機(jī)具上變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀及參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，制定了變速箱參數(shù)化設(shè)計及運動仿真測試的總體方案和技術(shù)路線，利用機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理等專業(yè)知識完成變速箱中齒輪、軸、箱體等結(jié)構(gòu)的設(shè)計同時，利用Pro/E的參數(shù)化建模功能，建立變速箱零部件的三維參數(shù)化模型，利用Pro/E的運動仿真功能，對微型履帶式山地拖拉機(jī)變速箱進(jìn)行虛擬的裝配和運動仿真。

3.2 項目研究的內(nèi)容

第一代微型山地履帶車平地行駛速度過慢，工作速度過快?，F(xiàn)根據(jù)小型山地履帶車整車爬坡速度、最高行駛速度、轉(zhuǎn)向速度、最低工作速度等車輛性能指標(biāo)，對發(fā)動機(jī)、變速箱進(jìn)行匹配改進(jìn)設(shè)計。使低速更低，高速更高，檔位更合理。通過動力性能分析，得到最大爬坡速度、最大平地行駛速度、低檔加速度、最低工作速度等速度指標(biāo)及變速箱整體尺寸，以滿足設(shè)計要求。

利用計算機(jī)軟件輔助完成設(shè)計工作，可以顯著優(yōu)化機(jī)構(gòu)，節(jié)省材料，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計難度，提高設(shè)計質(zhì)量，具有傳統(tǒng)手工理論計算無可比擬的優(yōu)勢。

3.3 第二代微型山地履帶車變速箱方案選擇及檔位設(shè)計

3.3.1 改進(jìn)方案一：同軸式分布傳動變速箱

本設(shè)計采用現(xiàn)在大多數(shù)汽車所采用的同步器式變數(shù)器。使用同步器可減輕結(jié)合齒在換檔時引起的沖擊及零件的損壞。并且具有操縱輕便，經(jīng)濟(jì)性和縮短換檔時間等優(yōu)點，從而改善了整機(jī)的加速性，經(jīng)濟(jì)性和山區(qū)行駛的安全性。缺點是零件增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸向尺寸增加，制造要求高，同步環(huán)磨損大，壽命低[4]。

在大傳動比和減小箱體體積的要求下，采用汽車目前廣泛應(yīng)用的常嚙同軸式傳動方案。基于最合理的傳動方案是第一軸與第二軸同軸布置的傳動方案（在這種情況下，掛直接檔的損失最?。┮约皩嶋H使用中直接檔的機(jī)械變速器比重較大的情況，再加上傳動比比較大的條件，本設(shè)計擬以平面三軸式最高檔為直接檔的五檔變速器。

3.3.2 改進(jìn)方案二：高低檔分布傳動變速箱

原變速箱只有三個前進(jìn)檔，檔位較少達(dá)不到要求，參照一般拖拉機(jī)變速箱設(shè)計，在原來的基礎(chǔ)上加上高低檔，使新變速箱有六個前進(jìn)檔，高一、二、三檔和低一、二、三檔。

3.3.3 改進(jìn)方案三：采用HST液壓無級變速器

HST又稱液壓無級變速器，是根據(jù)液壓靜力原理工作的。它由兩個柱塞泵組成，一個作為油泵，另一個作為液壓馬達(dá)。液壓泵通過換向閥管路連接液壓馬達(dá)構(gòu)成無級變速機(jī)構(gòu)。在使用中將需要變速的電機(jī)和液壓泵傳動連接，通過調(diào)節(jié)液壓泵輸出的液壓油的壓力和流量來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，即可進(jìn)行無級變速。

通常機(jī)械結(jié)構(gòu)變速依靠齒輪實現(xiàn)，為實現(xiàn)不同的傳動比無可避免的需要換檔（切換到不同直徑的齒輪），而液壓無級變速裝置是依靠液壓油這個介質(zhì)將液壓系統(tǒng)能量傳遞下去實現(xiàn)的，流量的不同即可實現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化，控制流量非常方便，可以通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油泵變量、液壓閥（流量閥，比例閥，伺服閥都可以）。

HST傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，采用靜液壓無級變速系統(tǒng)，使農(nóng)業(yè)機(jī)械實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量更輕、噪音更低、操縱更方便，可以完全無級調(diào)節(jié)機(jī)器行走速度，行走控制和換向更加方便，驅(qū)動更加靈活，作業(yè)效率更高。但是，由于HST總傳動效率在80%左右，因此與齒輪傳動相比，其傳動效率偏低;而且液壓元件制造精度要求較高，從國外部分拖拉機(jī)使用的情況來看，其噪聲和油溫高的問題還沒有徹底解決，目前仍然作為一個難題在研究;加之其對液壓用油清潔度要求也比傳統(tǒng)的傳動系用油要高。這都是采用HST方案需要解決的難點[5]。

3.3.4 ?各改進(jìn)方案的比較選擇

同軸式傳動方案對各組齒輪的要求不是很高，有利于延長機(jī)械壽命，且便于設(shè)計計算，但是傳動比分配較困難，而且此方案要使用同步換擋裝置，設(shè)計較為復(fù)雜，斜齒輪制作工藝較復(fù)雜費用多，變速箱整體尺寸較大。在方案一與方案二相比之中發(fā)現(xiàn)，齒輪數(shù)不變，但是方案一對殼體的制作工藝要求更高，安裝過程也比較麻煩，故不選方案一為本次改進(jìn)設(shè)計方案。方案三大大簡化了傳動系結(jié)構(gòu)，幾乎可以省略傳統(tǒng)的主變速箱。簡化操作，利用踏板或手柄可實現(xiàn)區(qū)段式無級變速。可方便的獲得爬行速度，有利于配置爬行速度要求的農(nóng)機(jī)具，但其傳動效率偏低，制造精度要求高，噪聲和油溫高問題還沒有徹底解決，用油清潔度要求高，因此不適合作為本次微型山地履帶車改進(jìn)設(shè)計方案。方案二齒輪雖然有所增多，但變速箱尺寸明顯減小，且各檔轉(zhuǎn)速達(dá)到了理想值，相比之下，此方案更合理，故選擇方案二高低檔式變速箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行最終改進(jìn)。

3.4 高低檔分布傳動變速箱的設(shè)計簡述

依據(jù)方案二的設(shè)計傳動簡圖，按等比級數(shù)分配的各檔傳動比的計算，根據(jù)整車的性能分析，得到變速器各檔的傳動比，如表1所示。

改進(jìn)設(shè)計后的變速箱的軸1、軸2和軸3上共有四個滑移齒輪，實現(xiàn)1、2、3檔和倒檔四個檔位的變化，并在軸4上有高低檔兩個滑移齒輪，這就實現(xiàn)了四個檔位的高低檔的變化，即突破性的變成了八個檔位，其最大轉(zhuǎn)速為169.49r/min，最小轉(zhuǎn)速為5.9r/min，不僅滿足了原設(shè)計要求，而且提供了更多的速度選擇情況。

根據(jù)計算校核，確定了所有齒輪的參數(shù)，確定了各軸的參數(shù)[6]，確定了各軸承和花鍵連接的參數(shù)[7]，最終確定箱體尺寸。為三維造型設(shè)計與仿真奠定了基礎(chǔ)。

4.結(jié)語

通過對第一代微型山地履帶車變速箱的改進(jìn)，解決了原方案存在的開溝速度過快、空載運行速度過低這兩個主要問題，實現(xiàn)了擴(kuò)大傳動比范圍，同時獲得更加合理的檔位配置，并使得箱體結(jié)構(gòu)更加緊湊這一新目標(biāo)。為后續(xù)的變速箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]杜白石，楊福增，等.三維機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009年3月.

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[5]秦劍秋.靜液壓傳動技術(shù)（HST）在拖拉機(jī)上的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車. 2006年4月第33卷第2期.

[6]吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊（第二版）[M].高等教育出版社.

[7]機(jī)械工程手冊機(jī)電工程手冊編輯委員會.機(jī)械工程手冊： 專用機(jī)械卷（一）[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1997.

作者簡介：

王瓊（1981-），女，甘肅天水人，工程碩士，甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計。