手搖式農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊　琛，楊振坤，李　香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院 機(jī)械工程系，西安 710018）

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手搖式農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊琛，楊振坤，李香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院 機(jī)械工程系，西安 710018）

摘 要：針對(duì)目前傳統(tǒng)的小型農(nóng)用車依靠手搖起動(dòng)，速度慢、耗費(fèi)大量氣力，冬天氣溫低時(shí)更難以起動(dòng)的弊端，尤其是空巢老年農(nóng)民用戶迫切希望在不改動(dòng)原車輛（即不增加成本）的基礎(chǔ)上改進(jìn)起動(dòng)裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研制了一種新型的、可靠的機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置。試驗(yàn)證明，此裝置無(wú)需借助其它能源輔助設(shè)備即可完成整個(gè)起動(dòng)過(guò)程，不僅節(jié)省人力，提高起動(dòng)速度，并且安裝簡(jiǎn)單，操作、維護(hù)方便，使用成本低廉。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式；儲(chǔ)能起動(dòng)；手搖農(nóng)用車

0 引言

以單缸發(fā)動(dòng)機(jī)為配套動(dòng)力的6-28馬力之間的農(nóng)用三輪車、四輪車等早已走進(jìn)農(nóng)村的千家萬(wàn)戶。但是，這種類型的農(nóng)用車，一直沿用傳統(tǒng)的手搖起動(dòng)方式，既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，有時(shí)還會(huì)因操作不慎造成意外傷害事故。尤其是在冬季，由于氣溫過(guò)低，這類小型農(nóng)用車往往更難起動(dòng)，許多人不得不因起動(dòng)不便而放棄使用，甚至購(gòu)置新農(nóng)用車以此代替而徒增勞動(dòng)成本[1]，如圖1所示。如果能改進(jìn)起動(dòng)裝置，增加省力環(huán)節(jié)，在不增加農(nóng)民成本的基礎(chǔ)上，改良這類農(nóng)用車的起動(dòng)弊端，必將適應(yīng)農(nóng)民需求，降低勞動(dòng)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，不少農(nóng)用車輛安裝了電起動(dòng)或嘗試用其他方式代替手搖起動(dòng)，但終因安裝成本高，使用費(fèi)用大，安裝復(fù)雜且專業(yè)化，使用壽命短，性能差等原因而難以普及[1]。本文研究的是一種不用電，不受低溫等因素影響的新型起動(dòng)裝置，它一年四季均可連續(xù)起動(dòng)，成本低，壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，造型美觀，徹底解決了上述起動(dòng)方式的缺陷與不足。

本文在分析了現(xiàn)在農(nóng)用車起動(dòng)裝置的市場(chǎng)需求情況及其各個(gè)組成部分的基礎(chǔ)上，根據(jù)農(nóng)用車應(yīng)用的環(huán)境特點(diǎn)，比較了起動(dòng)裝置的幾種動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了手搖式農(nóng)用車起動(dòng)裝置的改進(jìn)方案，并通過(guò)計(jì)算、分析論證了設(shè)計(jì)的可行性。起動(dòng)裝置總體結(jié)構(gòu)包括省力機(jī)構(gòu)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，離合和釋放機(jī)構(gòu)等。

圖1　手搖式農(nóng)用三輪車圖

1 總體設(shè)計(jì)

小型農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置由省力機(jī)構(gòu)、動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（人力輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向力）、止動(dòng)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能裝置、離合機(jī)構(gòu)和釋放機(jī)構(gòu)組成，并考慮了軸向力轉(zhuǎn)換成輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

采用小齒輪帶動(dòng)大齒輪的嚙合機(jī)構(gòu)構(gòu)成省力機(jī)構(gòu)；為積累足夠的能量使發(fā)動(dòng)機(jī)，采用彈簧裝置；利用凸輪機(jī)構(gòu)將齒輪傳動(dòng)中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成彈簧軸向的軸向運(yùn)動(dòng)；為了防止起動(dòng)裝置動(dòng)力傳輸過(guò)程中儲(chǔ)能彈簧釋放能量時(shí)能量回流、輸入軸反轉(zhuǎn)，利用止動(dòng)機(jī)構(gòu)使動(dòng)力沿單一方向傳動(dòng)，提高能量利用率；利用齒輪齒條實(shí)現(xiàn)將軸向力轉(zhuǎn)換成輸出轉(zhuǎn)矩；最后應(yīng)用曲柄滑塊原理和止動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿運(yùn)動(dòng)等方式設(shè)計(jì)釋放機(jī)構(gòu)；在輸出軸末端安裝離合器，用來(lái)接合和脫開起動(dòng)裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2　起動(dòng)裝置

2 輸入機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 輸入裝置簡(jiǎn)介

人力輸入采用手搖動(dòng)力輸入裝置，一端用于手握搖動(dòng)，另一端用于與小齒輪輸入軸接合，小齒輪帶動(dòng)大齒輪嚙合，可大大節(jié)省人力，如圖3所示。

圖3　搖把裝置

凸輪機(jī)構(gòu)與棘齒條機(jī)構(gòu)通過(guò)彈簧相連，輸入動(dòng)能通過(guò)棘齒條儲(chǔ)存在后續(xù)機(jī)構(gòu)中。

2.2 省力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪嚙合機(jī)構(gòu)是人力輸入機(jī)構(gòu)，主要零件有輸入軸和傳動(dòng)齒輪副。根據(jù)齒輪傳動(dòng)類型、省力原理和基本要求，本文選用閉式外嚙合直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，包括：輸入軸、小齒輪、大齒輪和輸出軸。

輸入軸上的齒輪為小齒輪，依靠?jī)奢喌妮嘄X依次嚙合實(shí)現(xiàn)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪的杠桿原理達(dá)到省力目的。如圖4所示。

圖4　齒輪機(jī)構(gòu)

小齒輪的動(dòng)力來(lái)自于軸，阻力來(lái)自于大齒輪。

R軸不變，減小R輪則F阻增大。

大齒輪的動(dòng)力來(lái)自于小齒輪，阻力來(lái)自于軸。

R軸不變，加大R輪則F動(dòng)減小，依次達(dá)到省力目的。

2.3 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪，從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)便于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。本文選用無(wú)遠(yuǎn)休止和近休止的滾子對(duì)心移動(dòng)盤形凸輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件做無(wú)停歇的升—降—升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，避免柔性沖擊。

3 儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軸向力轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)計(jì)算

齒條直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將軸向彈簧勢(shì)能轉(zhuǎn)換成主軸轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)手搖式農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)需求，無(wú)特殊要求下，齒輪齒條均選用45鋼，采用軟齒面。齒輪用調(diào)制，硬度為240～270HBS；齒條用正火，硬度為200～230HBS。

齒輪力矩T1=70N.m，轉(zhuǎn)速：

n1=120r/min=2r/s

得：

一般農(nóng)用車起動(dòng)時(shí)間為2～3 s，起動(dòng)轉(zhuǎn)速r=t×n=2s×2r/s。

根據(jù)齒輪齒條傳動(dòng)效率為0.94～0.98，則輸入功率為：

取齒輪齒數(shù)z1=17，齒條齒數(shù)z2=68，可得傳動(dòng)比：

則齒條轉(zhuǎn)速n2=30r/min。

齒輪齒條彎曲疲勞極限應(yīng)力分別為σFlim1=240Mpa 和σFlim2=220Mpa，可得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，失效概率低于1/100 ，SFmin=1.25，許用彎曲應(yīng)力為：

齒輪齒條接觸疲勞極限應(yīng)力σHmin1=560MPa，σHmin2=500MPa，取aH=1，可得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

ZN1=1.7，ZN2=1.8。失效概率低于1/100，SHmin=1.0，可得許用接觸應(yīng)力：

設(shè)齒輪按8級(jí)精度制造，載荷均勻系數(shù)為K=1，齒輪相對(duì)軸承對(duì)稱布置，取Φd=1：

根據(jù)式( 1～6 )可得，Φa= 0 . 4。其彈性系數(shù)ZE=189.8，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5，直齒輪傳動(dòng)ε取1.1～1.9之間，重合度系數(shù)為：

中心距計(jì)算：

可取標(biāo)準(zhǔn)值a=90[4]。

設(shè)齒輪齒條的齒數(shù)Z1=17，Z2=μ× Z1=68，取m=2：

由式(18)可得，

調(diào)整Z1=18，Z2=72。

由此，實(shí)際齒數(shù)比為：

重合度：

由式(17)得：

確定齒寬：

齒條齒寬b2=36，齒輪齒寬b1=40。

3.2 軸向力轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

經(jīng)查表YFal=2.91，YFa2=2.24，應(yīng)力修正系數(shù)YFsl=1.53，YFs2=1.75，重合度系數(shù)為：

齒根彎曲應(yīng)力為：

由此驗(yàn)證出兩齒輪彎曲強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

考慮到齒條的運(yùn)行和安裝，一般齒條實(shí)際的長(zhǎng)度L大于有效長(zhǎng)度L'。

齒輪的輪齒所受水平力設(shè)為F1'，齒輪受齒條的作用力為F1，F(xiàn)2為反作用力。儲(chǔ)能彈簧所受的最大壓力即齒條所受力的水平分力。齒條齒廓上各點(diǎn)具有相同的壓力角α，即齒形角，標(biāo)準(zhǔn)值為20°。對(duì)齒輪齒條受力分析如圖5所示可知：

圖5　齒輪齒條受力分析[3]

3.3 儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)與論證

儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)主要由圓柱螺旋壓縮彈簧和主軸，與其配合的零件可實(shí)現(xiàn)兩大功能。第一，將前述人力輸人轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成的軸向力壓縮圓柱螺旋彈簧，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；其次，將彈簧勢(shì)能轉(zhuǎn)換成通過(guò)主軸輸出的轉(zhuǎn)矩，形成帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。本文選用彈簧材料為合金彈簧鋼絲60Si2Mn，如圖6所示。

經(jīng)查得，Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應(yīng)力為740MPa，切變模量為80MPa，由式(30)可得，彈簧受力為3.89kN。

彈簧旋繞比C取8，可得曲度系數(shù)：

彈簧絲直徑：

經(jīng)查表，選取d=12mmz，中徑D2=110mm。節(jié)距t取42.0mm，有效圈數(shù)n取2.5～12.5之間，由經(jīng)驗(yàn)值取n為12.5。

試驗(yàn)載荷下變形量：

彈簧剛度：

最大心軸直徑：

最小套筒直徑：

圖6　壓縮彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1）彈簧的強(qiáng)度校驗(yàn)

彈簧強(qiáng)度小于Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應(yīng)力，選取設(shè)計(jì)滿足要求。

2）彈簧的變形計(jì)算

3）彈簧穩(wěn)定性計(jì)算

可得彈簧鋼絲間距：

對(duì)于壓縮彈簧總?cè)?shù)n1的尾數(shù)宜取1/4、1/2或整圈數(shù)，常用1/2圈。該彈簧選有支撐圈（不參與變形的圈）的彈簧，一端的支撐圈數(shù)選取0.75～1.25之間，其總?cè)?shù)可計(jì)算：

n為工作圈數(shù)，可計(jì)算得n=10。

彈簧的自由長(zhǎng)度（兩端并緊磨平）：

高徑比：

彈簧穩(wěn)定可靠。

通過(guò)校驗(yàn)彈簧的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，選取材料均符合要求，彈簧可穩(wěn)定可靠的工作。

4 止動(dòng)機(jī)構(gòu)、釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和離合機(jī)構(gòu)的選型

4.1 止動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了防止起動(dòng)裝置動(dòng)力傳輸過(guò)程中儲(chǔ)能彈簧釋放能量時(shí)能量回流、輸入軸反轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)止動(dòng)機(jī)構(gòu)使動(dòng)力沿單一方向傳動(dòng)，提高能量利用率。本課題采用棘齒條機(jī)構(gòu)，它既可以保持移動(dòng)，又能達(dá)到止動(dòng)的效果[4]。如圖7所示。

圖7　棘齒條機(jī)構(gòu)

能量輸入時(shí)，使用扭動(dòng)插銷將止回棘爪旋轉(zhuǎn)至圖7中所示位置。當(dāng)釋放機(jī)構(gòu)將能量釋放，啟動(dòng)農(nóng)用車后，旋轉(zhuǎn)并拔下止回棘爪插銷，使止回棘爪彈起，棘齒條復(fù)位。

4.2 釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

釋放機(jī)構(gòu)是起動(dòng)機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)，主要零件有釋放桿和搖桿滑塊工作鏈，如圖8所示。操作者通過(guò)釋放桿實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)操作，拉釋放桿的目的是讓釋放機(jī)構(gòu)處于準(zhǔn)備儲(chǔ)能的狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，主軸的旋轉(zhuǎn)將被限制，以便實(shí)現(xiàn)彈簧的儲(chǔ)能。推釋放桿的目的是當(dāng)儲(chǔ)能過(guò)程完成，發(fā)動(dòng)機(jī)需要啟動(dòng)的時(shí)候，解除主軸旋轉(zhuǎn)的限制，同時(shí)完成圓柱螺旋壓縮彈簧釋能、主軸輸出轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)飛輪驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程[5]。

4.3 離合機(jī)構(gòu)的選型

離合機(jī)構(gòu)是使起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合和脫開的機(jī)構(gòu)，主要零件是飛輪驅(qū)動(dòng)齒輪，它借助于起動(dòng)機(jī)主軸上的離合器，當(dāng)需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，將起動(dòng)機(jī)主軸上的離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)上的飛輪齒圈嚙合；反之，當(dāng)起動(dòng)機(jī)工作完成，發(fā)動(dòng)機(jī)開始主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪帶動(dòng)飛輪驅(qū)動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使其沿軸線反向移動(dòng)，脫開齒輪的嚙合[6]。如圖9所示。

圖8　釋放機(jī)構(gòu)

圖9　離合機(jī)構(gòu)

5 結(jié)論

手搖式農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，成本低廉，無(wú)需借助其他能源輔助設(shè)備，極大地適應(yīng)和滿足了目前農(nóng)用車起動(dòng)裝置的市場(chǎng)需求，是一種新型、可靠的機(jī)械起動(dòng)裝置。本文通過(guò)計(jì)算分析、校驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了省力機(jī)構(gòu)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，離合和釋放機(jī)構(gòu)等，提供了農(nóng)用車啟動(dòng)裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的良好途徑。隨著科技技術(shù)的發(fā)展以及各種智能化儀器設(shè)備的出現(xiàn)，手搖式農(nóng)用車機(jī)械儲(chǔ)能起動(dòng)裝置還將不斷改進(jìn)，逐步增加自動(dòng)化、遙控式等功能。

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了該方案能夠在一定范圍內(nèi)的干擾下完成對(duì)小球的精確的定位，并且具有較好的實(shí)時(shí)性，證明了在球桿系統(tǒng)中采用基于機(jī)器視覺(jué)的圖像識(shí)別技術(shù)替代傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量的思路的實(shí)際可行性。

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作者簡(jiǎn)介：樊琛（1983 -），女，山東濟(jì)南人，講師，碩士，研究方向?yàn)橹悄芑O(jiān)控與檢測(cè)和機(jī)電一體化。

基金項(xiàng)目：西安交通大學(xué)城市學(xué)院科研基金項(xiàng)目（2014XJTUCC10013）

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號(hào)：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0097-05