林內作業機中央變速器傳動機構的設計

渠聚鑫，郭克君，滿大為，湯晶宇

林內作業機中央變速器傳動機構的設計

渠聚鑫1,2，郭克君1,2，滿大為1,2，湯晶宇1,2

(1.國家林業局 哈爾濱林業機械研究所 黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林科院 林業新技術研究所 北京100091)

對林內作業機中央變速器傳動機構的主要零部件做了詳細分析和參數設計，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做了系統的論證說明，滿足林內作業機的多檔位變速需求，為林內作業機的整體功能實現提供了理論基礎和有力保證。

變速器；機構設計；多檔變速

林內作業機是為了適應林區多變的地況條件下的作業需求而設計，它具有轉彎半徑小，驅動力大，爬坡能力強，多檔位，林間通過性能優等特點。作業機可以配備各種形式的專用設備從而用于滿足不同的林業生產需求：挖穴、開溝、施肥施藥、中耕除草、林果采摘集運、伐根清理、衛生清潔、工程施工和運輸等等。林內作業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，實現了9進3退共計12檔速度的輸出，滿足林間生產作業各種需求。

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,它的功用是根據作業機在不同的行駛條件下提出的要求，改變發動機的扭矩和轉速，使作業機具有適合的牽引力和速度，并同時保持發動機在最有利的工況范圍內工作。為保證林內作業機倒車以及使發動機和傳動系統能夠分離，變速器具有倒檔和空檔。在有動力輸出需要時，還應有功率輸出裝置[1]。

變速器應滿足的基本要求是：應保證作業機具有高的動力性和經濟性指標。作業機的整體設計時，根據作業機載重量、發動機參數及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數及傳動比；工作可靠，操縱輕便。林內作業機在行駛過程中，變速器內不應有自動跳檔、亂檔、換檔沖擊等現象的發生；重量輕、體積小、傳動效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應有直接檔。提高零件的制造精度和安裝質量，采用適當的潤滑油都可以提高傳動效率；噪聲小。選擇合理的變位系數，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

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

圖1 林內作業機中央變速器的動力傳遞Fig.1 Schematic of power path in central transmission

林內作業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和驅動軸3分別在三個不同的平面內，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通過離合器與發動機相連，驅動軸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：發動機的動力通過位于發動機和變速箱之間的離合器，經輸入軸0、直接進入傳動軸1。傳動軸上的雙聯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反過來驅動中間軸2，最終將動力傳遞給驅動軸3（見圖2左上及左下）。

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

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

中、高、低變速齒輪都位于驅動軸3上，通過內置的定位鍵滑動分別與驅動軸3實現聯動，它們分別與中間軸2上相對應的齒輪是處于常嚙合傳動狀態的。

傳動軸1上的后輸出雙聯齒輪通過移動可分別與中間軸上的雙聯齒輪嚙合，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參數

3.1 變速器主要參數的選擇

(1) 檔數和傳動比：林內作業機中央變速器共

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，應根據其最大爬坡度、驅動輪與路面的附著力、作業機的最低穩定車速以及主減速比和驅動輪的滾動半徑等來綜合考慮、確定。作業機爬坡時車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅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為車輛總質量；g為重力加速度；ψmax為道路最大阻力系數；rr為驅動輪的滾動半徑；Temax為發動機最大轉矩； i0為主減速比；η為傳動系的傳動效率。

根據驅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動橋給路面的載荷；φ為路面的附著系數，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量有直接影響，所選的中心距、應能保證齒輪的強度。中心距可根據發動機標定扭矩, 參考已有變速器的統計數據而得出的經驗公式初定。

(3) 齒輪模數：設計齒輪時應在滿足彎曲強度的前提下采用較小的模數。為了制造方便，變速箱各個齒輪采用統一的一種模數，模數可按統計資料初步選定，根據發動機標定扭矩初步確定模數m=3。

(4) 齒輪變位系數：齒輪的變位是齒輪設計中一個非常重要的環節。采用變位齒輪，除了為避免齒輪產生根切、湊中心距以外，它還影響齒輪的強度，使用平穩性，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，此時應對齒輪進行變位[4-11]。

3.2 各檔傳動比及其齒輪齒數的確定

在初選了中心距、齒輪的模數后，可根據預先確定的變速器檔數、傳動比和結構方案來分配各檔齒輪的齒數。通過反復的設計計算，最終得到林內作業機中央變速器主要的技術參數如表1所示。

表1 林內作業機中央變速器技術參數Table1 Technical parameters of central transmission for forest task machine

4 變速器的操縱機構設計

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生，設計變速器操縱機構時應設置自鎖裝置。林內作業機中央變速器采用檔位桿與變速桿組合操作，設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。掛檔機構示意見圖4。

圖4 掛檔機構Fig.4 Transmission shift mechanism

5 結 論

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

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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，從事森林工程技術裝備的研究與開發；E-mail: qujuxin@126.com

[本文編校：吳 毅]