渠聚鑫，郭克君，滿大為，湯晶宇

林內(nèi)作業(yè)機中央變速器傳動機構(gòu)的設(shè)計

渠聚鑫1,2，郭克君1,2，滿大為1,2，湯晶宇1,2

(1.國家林業(yè)局 哈爾濱林業(yè)機械研究所 黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林科院 林業(yè)新技術(shù)研究所 北京100091)

對林內(nèi)作業(yè)機中央變速器傳動機構(gòu)的主要零部件做了詳細分析和參數(shù)設(shè)計，研究并確定了變速器的傳動方案，對各檔位的齒輪傳動機構(gòu)做了系統(tǒng)的論證說明，滿足林內(nèi)作業(yè)機的多檔位變速需求，為林內(nèi)作業(yè)機的整體功能實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)和有力保證。

變速器；機構(gòu)設(shè)計；多檔變速

林內(nèi)作業(yè)機是為了適應(yīng)林區(qū)多變的地況條件下的作業(yè)需求而設(shè)計，它具有轉(zhuǎn)彎半徑小，驅(qū)動力大，爬坡能力強，多檔位，林間通過性能優(yōu)等特點。作業(yè)機可以配備各種形式的專用設(shè)備從而用于滿足不同的林業(yè)生產(chǎn)需求：挖穴、開溝、施肥施藥、中耕除草、林果采摘集運、伐根清理、衛(wèi)生清潔、工程施工和運輸?shù)鹊?。林?nèi)作業(yè)機中央變速器是其最重要的部件之一，具有動力性能強，體積小，傳遞效率高，實現(xiàn)了9進3退共計12檔速度的輸出，滿足林間生產(chǎn)作業(yè)各種需求。

1 變速器的功用和要求

變速器是機械式傳動系中的一個重要部件,它的功用是根據(jù)作業(yè)機在不同的行駛條件下提出的要求，改變發(fā)動機的扭矩和轉(zhuǎn)速，使作業(yè)機具有適合的牽引力和速度，并同時保持發(fā)動機在最有利的工況范圍內(nèi)工作。為保證林內(nèi)作業(yè)機倒車以及使發(fā)動機和傳動系統(tǒng)能夠分離，變速器具有倒檔和空檔。在有動力輸出需要時，還應(yīng)有功率輸出裝置[1]。

變速器應(yīng)滿足的基本要求是：應(yīng)保證作業(yè)機具有高的動力性和經(jīng)濟性指標。作業(yè)機的整體設(shè)計時，根據(jù)作業(yè)機載重量、發(fā)動機參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數(shù)及傳動比；工作可靠，操縱輕便。林內(nèi)作業(yè)機在行駛過程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生；重量輕、體積小、傳動效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接檔。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當?shù)臐櫥投伎梢蕴岣邆鲃有?；噪聲小。選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲[2-3]。

2 中央變速器的傳動方案

林內(nèi)作業(yè)機中央變速器由傳動機構(gòu)與操縱機構(gòu)組成，采用兩級變速的組成式變速箱，傳動機構(gòu)最終獲得9進3退共計12檔速度。多檔位是由檔位桿和變速桿結(jié)合共同實現(xiàn)的，檔位桿通過撥叉調(diào)節(jié)共有3個前進檔位和1個后退檔位，變速桿通過撥叉控制驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動軸與不同齒輪的結(jié)合而獲得高、中、低3種速度，最終變速器的輸出速度為12種。變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動機的功率利用效率、作業(yè)機的燃料經(jīng)濟性及平均車速，從而可提高林內(nèi)作業(yè)機的運輸效率，降低運輸成本。采用手動的機械式操縱機構(gòu)和具有獨立操縱機構(gòu)的副變速器，實現(xiàn)迅速、無聲換檔。

圖1 林內(nèi)作業(yè)機中央變速器的動力傳遞Fig.1 Schematic of power path in central transmission

林內(nèi)作業(yè)機中央變速器傳動部分由7根軸和22個齒輪（包括齒輪軸）組成，動力傳遞如圖1所示。傳動軸1，1&2檔軸4和倒檔軸5，中間軸2和驅(qū)動軸3分別在三個不同的平面內(nèi)，并通過不同齒輪對的嚙合可以獲得（3+1）×3=12個檔位。輸入軸0通過離合器與發(fā)動機相連，驅(qū)動軸3通過錐齒輪及其他中間傳動部分與前后橋差速器相連，動力輸出軸6為后懸掛設(shè)備提供動力。

各檔位動力傳遞簡圖如圖2所示，下面分三種情況分析說明：

圖2 各檔位的動力傳遞Fig.2 Schematic of power path in each gear

1) 一檔與二檔：發(fā)動機的動力通過位于發(fā)動機和變速箱之間的離合器，經(jīng)輸入軸0、直接進入傳動軸1。傳動軸上的雙聯(lián)齒輪可通過撥叉移位分別與1&2檔軸4上的齒輪嚙合，軸4和倒檔軸5是常嚙合傳動，倒檔軸5反過來驅(qū)動中間軸2，最終將動力傳遞給驅(qū)動軸3（見圖2左上及左下）。

2) 倒檔：傳動軸1通過雙聯(lián)齒輪移位，驅(qū)動倒檔軸5，接著驅(qū)動中間軸2，然后再將動力傳遞給驅(qū)動軸3（見圖2右上）。

3) 三檔：在這種情況下，傳動軸1直接驅(qū)動中間軸2，然后將動力傳遞給驅(qū)動軸3（見圖2右下）。

中、高、低變速齒輪都位于驅(qū)動軸3上，通過內(nèi)置的定位鍵滑動分別與驅(qū)動軸3實現(xiàn)聯(lián)動，它們分別與中間軸2上相對應(yīng)的齒輪是處于常嚙合傳動狀態(tài)的。

傳動軸1上的后輸出雙聯(lián)齒輪通過移動可分別與中間軸上的雙聯(lián)齒輪嚙合，從而將動力通過軸2，軸3的常嚙合齒輪傳遞給動力輸出軸6（見圖3）。

3 變速器主要傳動技術(shù)參數(shù)

3.1 變速器主要參數(shù)的選擇

(1) 檔數(shù)和傳動比：林內(nèi)作業(yè)機中央變速器共

圖3 后輸出的動力傳遞Fig.3 Schematic of power path in output shaft

有12檔位，選擇最低檔傳動比時，應(yīng)根據(jù)其最大爬坡度、驅(qū)動輪與路面的附著力、作業(yè)機的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑等來綜合考慮、確定。作業(yè)機爬坡時車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動力用于克服輪胎與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有

則由最大爬坡度要求的變速器一檔傳動比為:

式中 m為車輛總質(zhì)量；g為重力加速度；ψmax為道路最大阻力系數(shù)；rr為驅(qū)動輪的滾動半徑；Temax為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩； i0為主減速比；η為傳動系的傳動效率。

根據(jù)驅(qū)動車輪與路面的附著條件:

求得的變速器一檔傳動比為：

式中G2為車輛滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給路面的載荷；φ為路面的附著系數(shù)，計算時取φ=0.5～0.6。

(2) 中心距：中心距對變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距、應(yīng)能保證齒輪的強度。中心距可根據(jù)發(fā)動機標定扭矩, 參考已有變速器的統(tǒng)計數(shù)據(jù)而得出的經(jīng)驗公式初定。

(3) 齒輪模數(shù)：設(shè)計齒輪時應(yīng)在滿足彎曲強度的前提下采用較小的模數(shù)。為了制造方便，變速箱各個齒輪采用統(tǒng)一的一種模數(shù)，模數(shù)可按統(tǒng)計資料初步選定，根據(jù)發(fā)動機標定扭矩初步確定模數(shù)m=3。

(4) 齒輪變位系數(shù)：齒輪的變位是齒輪設(shè)計中一個非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除了為避免齒輪產(chǎn)生根切、湊中心距以外，它還影響齒輪的強度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。為保證各對齒輪有相同的中心距，此時應(yīng)對齒輪進行變位[4-11]。

3.2 各檔傳動比及其齒輪齒數(shù)的確定

在初選了中心距、齒輪的模數(shù)后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器檔數(shù)、傳動比和結(jié)構(gòu)方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。通過反復(fù)的設(shè)計計算，最終得到林內(nèi)作業(yè)機中央變速器主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 林內(nèi)作業(yè)機中央變速器技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of central transmission for forest task machine

4 變速器的操縱機構(gòu)設(shè)計

在掛檔的過程中，若操縱變速桿推動撥叉前后移動的距離不足時，齒輪將不能在完全齒寬上嚙合而影響齒輪的壽命。為了防止這種情況的發(fā)生，設(shè)計變速器操縱機構(gòu)時應(yīng)設(shè)置自鎖裝置。林內(nèi)作業(yè)機中央變速器采用檔位桿與變速桿組合操作，設(shè)置用彈簧壓緊的球形鎖定器來保證全齒寬參加嚙合，并防止自動跳檔和掛檔。掛檔機構(gòu)示意見圖4。

圖4 掛檔機構(gòu)Fig.4 Transmission shift mechanism

5 結(jié) 論

林內(nèi)作業(yè)機中央變速器實現(xiàn)了12檔行進速度和高低兩種后懸掛動力的輸出，滿足林間生產(chǎn)作業(yè)不同工況的需求，保證了林內(nèi)作業(yè)機多速、重載、強爬坡的多功能性，將有效降低人工林間作業(yè)的勞動強度，獲得良好的經(jīng)濟效益，整機應(yīng)用推廣前景十分廣闊。

[1] 郝喜斌.DC10J130T多檔變速箱的設(shè)計[J].機械管理開發(fā)，2001,(8):40-41.

[2] 吉林工業(yè)大學(xué).拖拉機構(gòu)造[M].北京：機械工業(yè)出版社，1974:26-41.

[3] 許家駒.我國載貨汽車應(yīng)推廣應(yīng)用多檔變速器[J].汽車技術(shù)，2000,(12):47-49.

[4] 張 陽，席軍強，陳惠巖.半掛牽引車自動變速器換檔策略研究[J].車輛與動力技術(shù),2006,(2):1-4.

[5] 宮文龍.7m電機車傳動機構(gòu)設(shè)計[J].機械管理開發(fā)，2011,(3):49-50.

[6] 甘 輝，雷正保，王素娟. 基于實車的螺紋剪切式吸能裝置單電機傳動系統(tǒng)設(shè)計[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2010,30(6):132-135.

[7] 林義彬.關(guān)于標準直齒圓柱齒輪的設(shè)計計算[J].煤炭技術(shù)，2005,(1)：10-12.

[8] 程建民.一種新型的鏈輪傳動機構(gòu)設(shè)計與研究[J] .機械與電子，2011,(10):79-80.

[9] 徐 敏，李立君，高自成. 五個精確點軌跡發(fā)生鉸鏈四桿機構(gòu)的運動學(xué)仿真[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2009,29(2):107-112.

[10] 高維山.汽車設(shè)計叢書-變速箱[M].北京：人民交通出版社，1990.

[11] 李翔晟，李小青，鄧海英，等. 汽車變速器能量回饋試驗系統(tǒng)動態(tài)特性仿真[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2007,27(4):116-118.

Drive mechanism design of central transmission for forest task machine

QU Ju-xin1,2, GUO Ke-jun1,2, MAN Da-wei1,2, TANG Jing-yu1,2
(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery, State Administration of Forestry, Harbin 150086, Heilongjiang, China; 2.Forestry New Technology Research Institute, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

The main components of the central transmission, which is used in forest task machine were analyzed and theirs parameters were designed. The transmission scheme has been determined. Specially, the gear mechanisms with different gears were discussed and explained. It is proved that the designed mechanisms can meet the requirements of forest task machine’s multi- speed, and provides a theoretical basis and guarantee for achieving the overall function of the forest task machines.

forest task machine; transmission；mechanism design；multi-speed-shifting

S776.2

A

1673-923X (2012)07-0124-04

2012-04-20

國家林業(yè)局“948”項目（2009-4-69）

渠聚鑫（1984—），男，山西大同人，工程師，從事森林工程技術(shù)裝備的研究與開發(fā)；E-mail: qujuxin@126.com

[本文編校：吳 毅]