山地全履帶拖拉機(jī)動力換擋裝置設(shè)計(jì)

摘要：針對目前動力換擋變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動化水平低、制造成本高等問題，以山地壘履帶拖拉機(jī)變速箱為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易版動力換擋裝置。主要由液壓離合器和行星輪系組成，結(jié)構(gòu)簡單，降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)傳統(tǒng)手動變速箱動力換擋功能，極大地解決換擋過程中出現(xiàn)動力中斷的問題，大大降低了換擋時(shí)的沖擊載荷，提高了換擋品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：山地拖拉機(jī)；動力換擋；液壓離合器；行星輪

中國分類號：S219 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號；2095-1795（2023）03-0106-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03 019

0引言

拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的工具，能提供強(qiáng)大牽引力，并且可以在各種凹凸不平的地面進(jìn)行作業(yè)。

傳統(tǒng)的換擋多通過滑動齒輪、嚙合套等方式實(shí)現(xiàn)，在換擋過程中容易出現(xiàn)短暫的動力中斷，負(fù)載過大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)熄火停車現(xiàn)象。動力換擋是指在不切斷動力流的情況下進(jìn)行換擋變速，換擋過程中牽引力不降為0，是一種特殊換擋方式Ⅲ。

早期動力換擋概念的出現(xiàn)從增扭器的應(yīng)用開始，它們常常獨(dú)立成套放置在傳動系統(tǒng)的前端。1954年，美國萬國公司推出第1種TA增扭器，這是最早動力換擋裝置的出現(xiàn)，由一個(gè)摩擦式增扭器離合器、雙列外嚙合行星輪系和自由輪組成，結(jié)構(gòu)簡單，換擋時(shí)不會產(chǎn)生寄生功率，但不能長時(shí)間使用，并且不能利用發(fā)動機(jī)制動拖拉機(jī)。在20世紀(jì)60年代，萬國公司推出新型動力換擋增扭器，由液壓操縱多片換擋離合器、雙列外嚙合齒輪副和自由輪組成，并且能實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動。

在此之后，動力換擋技術(shù)逐步發(fā)展，出現(xiàn)多種與萬國增扭器概念類似但結(jié)構(gòu)各異的增扭器，都能在一定程度上實(shí)現(xiàn)動力換擋功能。

為改善山地全履帶拖拉機(jī)換擋品質(zhì)，減少換擋頓挫感，設(shè)計(jì)一種山地全履帶拖拉機(jī)動力換擋裝置，該裝置由活塞式多盤液壓離合器與NGW型行星輪系組成，外置在傳統(tǒng)手動變速箱前端，讓傳統(tǒng)變速箱實(shí)現(xiàn)動力換擋功能，較目前動力換擋變速箱來說，其結(jié)構(gòu)相對簡單，可降低制造及加工成本，提高拖拉機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能和勞動生產(chǎn)率，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度。

1方案設(shè)計(jì)

以萬國TA增扭器為原型，設(shè)計(jì)以活塞式多盤液壓離合器與NGW型行星輪系為基礎(chǔ)的增扭器，輸入端與發(fā)動機(jī)相連，輸出端與SR1002型拖拉機(jī)變速箱相連（圖1）。本裝置改進(jìn)了TA增扭器不能用發(fā)動機(jī)制動拖拉機(jī)的缺點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動功率范圍大，運(yùn)動更加平穩(wěn)?；钊蕉啾P液壓離合器通過液壓活塞的移動使摩擦盤處于接合狀態(tài)。制動太陽輪，齒圈和行星架轉(zhuǎn)動時(shí)，行星架輸出動力，速比gt;1；放松制動，使太陽輪和行星架互鎖，此時(shí)速比為1；制動行星架，行星傳動轉(zhuǎn)換為定軸傳動，速比gt;1。NGW型行星輪系增大力矩，實(shí)現(xiàn)換擋過程中動力補(bǔ)償?shù)墓δ?，達(dá)到動力連續(xù)效果。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1離合器

液壓離合器在結(jié)合分離過程中可以產(chǎn)生較大的力矩，并且操作過程較為平穩(wěn)，適用于拖拉機(jī)動力換擋過程。

液壓離合器可分為牙嵌式和摩擦式。牙嵌式離合器是利用兩半離合器端面上的牙相互嵌合或脫開達(dá)到主、從動軸的離合；優(yōu)點(diǎn)是傳遞轉(zhuǎn)矩大，外形尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，工作時(shí)不打滑，可保證主、從動部分同步轉(zhuǎn)動，無摩擦損耗。摩攘式離合器是利用接合元件間的摩擦力達(dá)到傳動目的；優(yōu)點(diǎn)是離合平穩(wěn)，柔順無沖擊，可在高轉(zhuǎn)速差下進(jìn)行離合，過載時(shí)打滑有安全保護(hù)作用，并有較高的適應(yīng)性。

多片式離合器結(jié)構(gòu)較為簡單，尺寸緊湊，散熱性好，在使用時(shí)較為平穩(wěn)?；钊蕉啾P液壓離合器的活塞推力較大，動作靈敏。柱塞式多盤離合器是利用柱塞代替活塞，一般用于中小型離合器，多個(gè)柱塞工作，加壓均勻，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。本動力換擋裝置設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)為摩擦式離合器的活塞式多盤液壓離合器，可在換擋時(shí)減小沖擊，過程更加平穩(wěn)。

2.1.1零件材料

摩擦元件的結(jié)構(gòu)形式以圓形摩擦盤應(yīng)用最廣，典型圓形摩擦盤分為光盤和帶襯面摩擦盤。摩擦盤摩擦材料選用石棉有機(jī)摩擦材料，它是由石棉或石棉織物、黏結(jié)劑和特種添加劑熱壓而成，摩擦因素較高、密度小、機(jī)械強(qiáng)度較大、制造工藝簡單、價(jià)格便宜、耐熱性和耐磨性較好，并且由石棉基摩擦材料做成的摩擦盤有利于接合平順。

壓縮彈簧材料選用優(yōu)質(zhì)的高精質(zhì)鋼。對壓縮彈簧進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，能提高其承載能力。對壓縮彈簧進(jìn)行強(qiáng)壓處理，使壓縮彈簧的高壓力區(qū)域因?yàn)樗苄宰冃味a(chǎn)生了反向殘余應(yīng)力。對凹表面進(jìn)行噴丸處理從而提高壓縮彈簧的疲勞壽命。

摩擦盤襯面選用石棉有機(jī)摩擦材料。通過殼體將熱量帶到周圍空氣中，從而達(dá)到散熱效果，但是在拖拉機(jī)動力換擋過程中，散熱效果不太理想。必要時(shí)，可以采用外界因素強(qiáng)制對其散熱，如采用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻等方式。

2.1.2離合器結(jié)構(gòu)

離合器結(jié)構(gòu)如圖2所示，油液經(jīng)導(dǎo)由接口進(jìn)入活塞缸中，隨后推動活塞，使內(nèi)摩擦片與外摩擦片接合在一起，開始由于內(nèi)摩擦片的內(nèi)圈與軸上套筒相連接，軸可以將動力經(jīng)套筒傳給內(nèi)摩擦片；再到內(nèi)外摩擦片應(yīng)摩擦力相接合，而外摩擦片又通過齒圈與外部連接件連接，實(shí)現(xiàn)動力傳遞。

基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)功率為73.5 kW，轉(zhuǎn)速為2 300 r/min。

由發(fā)動機(jī)最大扭矩選取摩擦片外徑標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出單位壓強(qiáng)在石棉有機(jī)摩擦材料摩擦片單位壓力取值范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

驅(qū)動力由MO系列中低油缸結(jié)構(gòu)提供，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

根據(jù)MO系列活塞參數(shù)，初步擬定缸徑為32 mm的油缸，計(jì)算柱塞缸壓緊力應(yīng)大于摩擦片壓緊力，符合要求。同時(shí)，復(fù)位彈簧的彈簧力應(yīng)大于壓力損失。

2.2行星輪系

行星輪系可以在換擋過程中對液壓離舍器進(jìn)行動力補(bǔ)償，增大力矩。本設(shè)計(jì)選用的是NGW型行星輪系。因?yàn)槠湫矢撸?7%～99%）、體積小、質(zhì)量輕，而且結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、傳遞功率范圍大、軸向尺寸小，適用于各種各樣的工作條件。

在傳遞動力時(shí)，行星輪數(shù)目越多越容易發(fā)揮行星齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)，但行星輪數(shù)目的增加，會使機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，制造工藝難度增加，成本提高，而且難以使載荷均衡。在設(shè)計(jì)行星齒輪傳動時(shí)，通常采用3個(gè)行星輪，傳動比為2.1～13.7。

對于拖拉機(jī)動力傳動，在使用行星傳動時(shí)，不要求十分精確的傳動比。根據(jù)NGW行星齒輪傳動的齒數(shù)組合初步選定行星輪機(jī)構(gòu)中心輪、行星輪及內(nèi)齒輪的各齒數(shù)如表1所示。

2.2.1行星輪系三維建模

采用三維建模軟件Inventor，三維建模效果如圖4和圖5所示。

2.2.2軸有限元分析

換擋過程中，中心輪軸和行星架軸承受主要轉(zhuǎn)矩。中心輪軸所受主要載荷來自液壓離合器的輸出轉(zhuǎn)矩，即載荷大小與液壓離合器輸出轉(zhuǎn)矩相似。使用Ansys軟件完成軸的有限元分析。該軸材料選用45鋼，采用的約束主要是來自兩個(gè)鍵槽的固定約束，網(wǎng)格劃分平均元素大小為0.05，最小元素大小為0.05，最大轉(zhuǎn)角60°，求得節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為23 174，分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，最大應(yīng)力集中在鍵槽兩側(cè)，最大值為34.91 MPa；該軸安全系數(shù)為10.02～15.00；該軸受力情況與液壓離合器輸入軸相似，最大位移變化量集中在第1軸段，最大位移量在0.0067 mm。

行星架軸承受的主要載荷是行星架傳給其的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)計(jì)算為877.79N·m。軸材料選用45鋼，采用的約束主要來自兩個(gè)鍵槽的固定約束，網(wǎng)格劃分平均元素大小為0.05，最小元素大小為0.05，最大轉(zhuǎn)角60°，求得節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為21 550，分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，最大應(yīng)力集中在鍵槽兩側(cè)，最大值為37.9 MPa；該軸安全系數(shù)為5.46～15.00；軸的最大位移量為0.0019 mm，集中在輸出端。

軸的材料為45鋼，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，許用應(yīng)力為253 MPa。中心輪軸和行星架軸的最大應(yīng)力值均在45鋼安全性能范圍之內(nèi)，并且軸的變形較小，兩軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可靠，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)束語

設(shè)計(jì)的簡易版動力換擋裝置，可以外置在傳統(tǒng)手動變速箱傳動系統(tǒng)前端，不需要改變變速箱結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)動力換擋。動力流從SR1002發(fā)動機(jī)流出，通過液壓離合器流經(jīng)NGW型行星輪系，最后傳到變速箱中?；钊蕉啾P液壓離合器動力流失相對于一般摩擦離合器要小，NGW型行星輪系能夠增大力矩，使離合器傳過的動力得到加強(qiáng)，彌補(bǔ)了部分動力。解決了拖拉機(jī)換擋時(shí)牽引力會降為0的問題，以及拖拉機(jī)在換擋時(shí)不能帶著負(fù)載工作的難題，實(shí)現(xiàn)了動力換擋過程，減少頓挫感，同時(shí)可降低操作難度和駕駛員勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)質(zhì)量，改善拖拉機(jī)操縱性能，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率提升。