山地全履帶拖拉機動力換擋裝置設計

摘要：針對目前動力換擋變速器結構復雜、自動化水平低、制造成本高等問題，以山地壘履帶拖拉機變速箱為基礎，設計了一個簡易版動力換擋裝置。主要由液壓離合器和行星輪系組成，結構簡單，降低了制造成本，實現了拖拉機傳統手動變速箱動力換擋功能，極大地解決換擋過程中出現動力中斷的問題，大大降低了換擋時的沖擊載荷，提高了換擋品質。

關鍵詞：山地拖拉機；動力換擋；液壓離合器；行星輪

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

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

0引言

拖拉機作為農業生產重要的工具，能提供強大牽引力，并且可以在各種凹凸不平的地面進行作業。

傳統的換擋多通過滑動齒輪、嚙合套等方式實現，在換擋過程中容易出現短暫的動力中斷，負載過大時，甚至會出現熄火停車現象。動力換擋是指在不切斷動力流的情況下進行換擋變速，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從增扭器的應用開始，它們常常獨立成套放置在傳動系統的前端。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，由一個摩擦式增扭器離合器、雙列外嚙合行星輪系和自由輪組成，結構簡單，換擋時不會產生寄生功率，但不能長時間使用，并且不能利用發動機制動拖拉機。在20世紀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，并且能實現發動機制動。

在此之后，動力換擋技術逐步發展，出現多種與萬國增扭器概念類似但結構各異的增扭器，都能在一定程度上實現動力換擋功能。

為改善山地全履帶拖拉機換擋品質，減少換擋頓挫感，設計一種山地全履帶拖拉機動力換擋裝置，該裝置由活塞式多盤液壓離合器與NGW型行星輪系組成，外置在傳統手動變速箱前端，讓傳統變速箱實現動力換擋功能，較目前動力換擋變速箱來說，其結構相對簡單，可降低制造及加工成本，提高拖拉機的動力性能、經濟性能和勞動生產率，減輕操作人員的勞動強度。

1方案設計

以萬國TA增扭器為原型，設計以活塞式多盤液壓離合器與NGW型行星輪系為基礎的增扭器，輸入端與發動機相連，輸出端與SR1002型拖拉機變速箱相連（圖1）。本裝置改進了TA增扭器不能用發動機制動拖拉機的缺點，而且結構更加緊湊，傳動功率范圍大，運動更加平穩。活塞式多盤液壓離合器通過液壓活塞的移動使摩擦盤處于接合狀態。制動太陽輪，齒圈和行星架轉動時，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，此時速比為1；制動行星架，行星傳動轉換為定軸傳動，速比gt;1。NGW型行星輪系增大力矩，實現換擋過程中動力補償的功能，達到動力連續效果。

2關鍵部件設計

2.1離合器

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

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到主、從動軸的離合；優點是傳遞轉矩大，外形尺寸小，結構簡單，工作時不打滑，可保證主、從動部分同步轉動，無摩擦損耗。摩攘式離合器是利用接合元件間的摩擦力達到傳動目的；優點是離合平穩，柔順無沖擊，可在高轉速差下進行離合，過載時打滑有安全保護作用，并有較高的適應性。

多片式離合器結構較為簡單，尺寸緊湊，散熱性好，在使用時較為平穩。活塞式多盤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，多個柱塞工作，加壓均勻，但是結構較為復雜。本動力換擋裝置設計采用結構為摩擦式離合器的活塞式多盤液壓離合器，可在換擋時減小沖擊，過程更加平穩。

2.1.1零件材料

摩擦元件的結構形式以圓形摩擦盤應用最廣，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摩擦材料，它是由石棉或石棉織物、黏結劑和特種添加劑熱壓而成，摩擦因素較高、密度小、機械強度較大、制造工藝簡單、價格便宜、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質的高精質鋼。對壓縮彈簧進行調質處理，能提高其承載能力。對壓縮彈簧進行強壓處理，使壓縮彈簧的高壓力區域因為塑性變形而產生了反向殘余應力。對凹表面進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摩擦材料。通過殼體將熱量帶到周圍空氣中，從而達到散熱效果，但是在拖拉機動力換擋過程中，散熱效果不太理想。必要時，可以采用外界因素強制對其散熱，如采用風扇強制冷卻等方式。

2.1.2離合器結構

離合器結構如圖2所示，油液經導由接口進入活塞缸中，隨后推動活塞，使內摩擦片與外摩擦片接合在一起，開始由于內摩擦片的內圈與軸上套筒相連接，軸可以將動力經套筒傳給內摩擦片；再到內外摩擦片應摩擦力相接合，而外摩擦片又通過齒圈與外部連接件連接，實現動力傳遞。

基礎發動機功率為73.5 kW，轉速為2 300 r/min。

由發動機最大扭矩選取摩擦片外徑標準，計算出單位壓強在石棉有機摩擦材料摩擦片單位壓力取值范圍內，符合設計要求。

驅動力由MO系列中低油缸結構提供，結構如圖3所示。

根據MO系列活塞參數，初步擬定缸徑為32 mm的油缸，計算柱塞缸壓緊力應大于摩擦片壓緊力，符合要求。同時，復位彈簧的彈簧力應大于壓力損失。

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行動力補償，增大力矩。本設計選用的是NGW型行星輪系。因為其效率高（97%～99%）、體積小、質量輕，而且結構簡單、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，行星輪數目越多越容易發揮行星齒輪傳動的優點，但行星輪數目的增加，會使機構復雜化，制造工藝難度增加，成本提高，而且難以使載荷均衡。在設計行星齒輪傳動時，通常采用3個行星輪，傳動比為2.1～13.7。

對于拖拉機動力傳動，在使用行星傳動時，不要求十分精確的傳動比。根據NGW行星齒輪傳動的齒數組合初步選定行星輪機構中心輪、行星輪及內齒輪的各齒數如表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矩。中心輪軸所受主要載荷來自液壓離合器的輸出轉矩，即載荷大小與液壓離合器輸出轉矩相似。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鍵槽的固定約束，網格劃分平均元素大小為0.05，最小元素大小為0.05，最大轉角60°，求得節點個數為23 174，分析結果如圖6所示。

由圖6可知，最大應力集中在鍵槽兩側，最大值為34.91 MPa；該軸安全系數為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矩，經計算為877.79N·m。軸材料選用45鋼，采用的約束主要來自兩個鍵槽的固定約束，網格劃分平均元素大小為0.05，最小元素大小為0.05，最大轉角60°，求得節點個數為21 550，分析結果如圖7所示。

由圖7可知，最大應力集中在鍵槽兩側，最大值為37.9 MPa；該軸安全系數為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，其屈服強度為355 MPa，許用應力為253 MPa。中心輪軸和行星架軸的最大應力值均在45鋼安全性能范圍之內，并且軸的變形較小，兩軸設計結構可靠，強度滿足設計要求。

3結束語

設計的簡易版動力換擋裝置，可以外置在傳統手動變速箱傳動系統前端，不需要改變變速箱結構就能實現動力換擋。動力流從SR1002發動機流出，通過液壓離合器流經NGW型行星輪系，最后傳到變速箱中。活塞式多盤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，彌補了部分動力。解決了拖拉機換擋時牽引力會降為0的問題，以及拖拉機在換擋時不能帶著負載工作的難題，實現了動力換擋過程，減少頓挫感，同時可降低操作難度和駕駛員勞動強度，提高作業質量，改善拖拉機操縱性能，實現作業效率提升。