一種拖拉機(jī)離合器散熱裝置設(shè)計(jì)

白 楊 ，蔣亞波 ，原志華 ，管 磊 ，羅躍輝

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

離合器是拖拉機(jī)的關(guān)鍵部件，在拖拉機(jī)使用過程中起著傳遞和切斷動力的作用，并對變速箱起到一定的安全保護(hù)的作用。獨(dú)立干式雙作用離合器由于結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且可以分別控制變速箱和拖拉機(jī)的動力輸出的動力結(jié)合與切斷，因此在200 馬力以下的拖拉機(jī)中被廣泛應(yīng)用[1-3]。

隨著國家對農(nóng)業(yè)的重視程度的不斷增強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中農(nóng)機(jī)手對作業(yè)速度和效率的要求越來越高，因此更多的人傾向于大馬力拖拉機(jī)[4]。拖拉機(jī)馬力越大，所需要匹配的離合器尺寸也越大[5-6]。大尺寸干式離合器在拖拉機(jī)上的使用越來越普遍，而大尺寸離合器在使用過程中因摩擦產(chǎn)生的熱量更多，離合器摩擦片在熱變形后會導(dǎo)致離合器分離不徹底，從而引起摘掛擋困難。同時(shí)，半結(jié)合狀態(tài)會加速摩擦片的磨損，縮短離合器的使用壽命。

從對大馬力拖拉機(jī)離合器市場故障信息的分析來看，由于離合器摩擦片變形導(dǎo)致的離合器分離不徹底等故障在整個(gè)離合器故障中占比相對較高。因此，如何解決大馬力拖拉機(jī)離合器散熱問題是當(dāng)下各大拖拉機(jī)主機(jī)廠亟待解決的事項(xiàng)。

1 離合器發(fā)熱成因

1.1 儲備系數(shù)不足

儲備系數(shù)是離合器配套中最為重要的性能參數(shù)之一，它是指離合器所能傳遞的最大扭矩和發(fā)動機(jī)輸出扭矩的比值[7-9]。離合器傳遞的最大扭矩由離合器摩擦片作用半徑、離合器碟簧壓緊力、摩擦片材料等決定。離合器儲備系數(shù)不足會嚴(yán)重影響其使用壽命，拖拉機(jī)作業(yè)過程中整機(jī)負(fù)荷的突然增大，會導(dǎo)致離合器打滑，并產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得離合器各個(gè)部件性能嚴(yán)重下降。儲備系數(shù)過大則會導(dǎo)致離合器分離力過大，從而引起離合器操縱力過大，影響用戶操縱性；同時(shí)，分離力過大會引起發(fā)動機(jī)曲軸潤滑不良，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障，無法起到保護(hù)發(fā)動機(jī)和變速箱的作用。在進(jìn)行拖拉機(jī)離合器的配套時(shí)，必須滿足儲備系數(shù)要求。國內(nèi)拖拉機(jī)行業(yè)中，一般建議主離合器的儲備系數(shù)按不小于2.4 進(jìn)行配套選型[10]。

1.2 操作習(xí)慣

使用離合器進(jìn)行完換擋或其他操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡快松開離合器[11]。由于拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)一般需要較低的車速，個(gè)別農(nóng)機(jī)手使用拖拉機(jī)時(shí)為了控制車速和機(jī)具作業(yè)，習(xí)慣一只腳一直放在離合器踏板上，使離合器一直處于半分離狀態(tài)。如此一來，離合器一直處于滑磨狀態(tài)，不僅產(chǎn)生的摩擦熱多，還嚴(yán)重影響離合器的使用壽命。根據(jù)對用戶市場的走訪和調(diào)查，不良的使用習(xí)慣是拖拉機(jī)離合器故障高的一個(gè)重要原因。

1.3 使用頻率高

拖拉機(jī)在工作中，離合器的使用頻率要比汽車大得多。特別是水田作業(yè)等工況，由于地塊較小，需要頻繁轉(zhuǎn)向，因此需要頻繁操縱離合器。此外，配套部分特殊農(nóng)具時(shí)會頻繁使用離合器，如拖拉機(jī)配套打捆機(jī)時(shí)，幾乎1 min～2 min 就要使用一次離合器[6]。在離合器不斷接合與分離過程中會產(chǎn)生大量的摩擦熱，這種情況是由于配套農(nóng)具的工作特性使然，不可避免。若對離合器進(jìn)行散熱，則可以有效減少部件的熱變形，延長離合器的使用壽命。

1.4 空間密閉

拖拉機(jī)的作業(yè)環(huán)境和商用車相比更加惡劣，一般多塵土和泥水。因此，拖拉機(jī)離合器箱體有一定的防泥水要求，故而其安裝空間比較密閉。同時(shí)，拖拉機(jī)箱體有較高的強(qiáng)度要求，離合器箱體一般壁厚較大，就更不利于離合器的散熱。由于安裝在密閉且壁厚大的空間內(nèi)，離合器因摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排出，易導(dǎo)致離合器從動盤及摩擦片的熱變形問題。大尺寸干式離合器由于尺寸大，產(chǎn)生的摩擦熱也更多，散熱不及時(shí)的問題更為突出。

2 離合器散熱設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

由于拖拉機(jī)使用的干式離合器一般都布置在相對密閉的空間內(nèi)，傳統(tǒng)的水冷和油冷的散熱方式難以應(yīng)用到。因此，能夠考慮到的拖拉機(jī)離合器散熱方式只有風(fēng)冷的散熱方式。在進(jìn)行風(fēng)冷設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇自然風(fēng)冷或強(qiáng)制風(fēng)冷兩種方式。若采用自然風(fēng)冷的散熱方式，需要對離合器的安裝空間進(jìn)行改造，以便于自然風(fēng)的進(jìn)入和流出。此方法對拖拉機(jī)來講改動大，產(chǎn)生的生產(chǎn)成本高，且已經(jīng)投放市場的拖拉機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。因此，如何在最小的改動下實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)離合器的散熱是本研究的關(guān)鍵所在。

2.2 設(shè)計(jì)過程

本研究將如何在離合器附近產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)作為重點(diǎn)研究對象。實(shí)際上，離合器在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)。若是能在離合器上裝上類似于風(fēng)扇的葉片，則在離合器的轉(zhuǎn)動下便能不斷產(chǎn)生風(fēng)，帶散熱的離合器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，離合器新殼體和散熱葉片通過螺釘連接，離合器散熱葉片的形狀及數(shù)量可根據(jù)離合器的結(jié)構(gòu)布局確定，不影響離合器自身的分離機(jī)構(gòu)。

圖1 帶散熱的離合器結(jié)構(gòu)圖

在離合器上安裝若干個(gè)散熱葉片，隨著離合器殼體的轉(zhuǎn)動，離合器所在空間便會產(chǎn)生空氣流動，散熱葉片轉(zhuǎn)動過程中也會產(chǎn)生朝向離合器摩擦片方向的風(fēng)。離合器的旋轉(zhuǎn)方向和散熱葉片的送風(fēng)方向如圖2所示。

圖2 離合器的旋轉(zhuǎn)方向和散熱葉片的送風(fēng)方向

僅僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)的產(chǎn)生還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，要實(shí)現(xiàn)離合器散熱還需要將熱風(fēng)排出，并引入新鮮的冷風(fēng)。為了實(shí)現(xiàn)離合器箱體內(nèi)的空氣循環(huán)流動，借助于拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管路，本研究設(shè)計(jì)了如圖3 所示的離合器散熱循環(huán)系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是在離合器箱體側(cè)面開孔后通過出氣管和空氣濾清器進(jìn)氣管相連接，在離合器箱體上方開孔后通過進(jìn)氣管和空氣濾清器相連接。離合器上的散熱葉片隨離合器轉(zhuǎn)動產(chǎn)生流動的風(fēng)，同時(shí)由于離合器箱體與發(fā)動機(jī)的空氣濾清器進(jìn)氣管和空氣濾清器之間有管路連接，從而實(shí)現(xiàn)離合器箱體里面的空氣循環(huán)。

圖3 離合器散熱循環(huán)系統(tǒng)

2.3 具體實(shí)現(xiàn)過程

本研究所描述的拖拉機(jī)離合器散熱裝置的具體工作過程：拖拉機(jī)啟動后，離合器總成隨發(fā)動機(jī)飛輪快速轉(zhuǎn)動，帶動散熱葉片一起轉(zhuǎn)動。離合器箱體內(nèi)的空氣在散熱葉片的轉(zhuǎn)動下沿離合器旋轉(zhuǎn)方向流動，從而使得離合器箱體內(nèi)形成一個(gè)負(fù)壓狀態(tài)，空氣濾清器進(jìn)氣管的空氣在離合器箱體的負(fù)壓作用下流向離合器箱體內(nèi)部。散熱葉片在轉(zhuǎn)動過程中會使空氣沿葉片垂直方向流向離合器摩擦片，從而對離合器摩擦片進(jìn)行散熱。流向離合器摩擦片的空氣受到離合器摩擦片的阻擋后會改變空氣的流向，并流向垂直于離合器摩擦片的方向，流向離合器箱體。在離合器箱體被吹空氣的位置連接有出氣管，可將吹經(jīng)離合器摩擦片的空氣排出。如此一來，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后便會在離合器箱體里面形成一個(gè)空氣循環(huán)，從而對離合器殼體和離合器摩擦片進(jìn)行散熱，達(dá)到降低離合器溫度的目的。

3 結(jié)語

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的散熱裝置通過離合器殼體的轉(zhuǎn)動加快離合器所在空間的空氣流動，同時(shí)通過管路連接將熱空氣引至拖拉機(jī)空氣濾清器管路中，起到降低離合器溫度的作用，從而降低離合器的故障率，并具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的離合器散熱裝置對拖拉機(jī)的改動小且容易實(shí)現(xiàn)，能夠有效地對拖拉機(jī)離合器進(jìn)行散熱，從而延長離合器的使用壽命。