滑動齒輪換擋搬運機變速箱的改進設計

李學文，黎巧安

廣西玉柴機器集團有限公司

隨著農機補貼逐年加大，臺灣廣泛使用的農用搬運機也進入了農民的視野。不少農民購買農用搬運機替代操作不方便的手扶拖拉機的趨勢正逐年增大。但是農用搬運機核心部件的質量要求相應提升。最核心部件是變速箱，其直齒滑動齒輪變速箱換擋時沖擊過大，容易打齒、脫擋、跳擋，而且噪音大、操作不方便、可靠性差，對變速箱的改進優化是急需解決的問題。

一、設計原則

①農用搬運機總體結構不變，各聯接方式保持不變；②保持皮帶傳動方式，低擋與高擋行駛速度保持不變；③變速箱箱體由冷拉鋼板沖壓件改為球鐵450鑄造而成，各軸承孔位采取加工中心加工，保證了裝配精度；④齒輪、軸等零部件重新設計；⑤保證扭矩滿足額定重載的情況下結構簡單。

二、方案設計

①目前農用搬運機換擋結構形式，一般是直齒滑動齒輪，同類型貨車類變速箱還有嚙合套和同步器換擋方式。這三種換擋方式的優缺點見如下：

三種換擋結構形式的優缺點

同步器結構換擋方式比較先進，機械性能好，但其結構相對另外兩種也更復雜，制造成本高。據農用搬運機的工作工況條件以及企業實際生產條件和工藝水平，選擇斜齒輪嚙合套換擋結構作為優化方案的實施。

②直齒滑動齒輪換擋傳動路線，變速箱為（2+1）型式，主變速為兩個前進擋，一個后退擋。Ⅰ擋、Ⅱ擋、倒擋通過撥叉撥動輸入齒輪傳動扭矩，Ⅰ擋被動齒輪兼作倒擋主動齒輪，然后通過倒擋軸上的過渡齒輪與Ⅰ擋軸的輸入齒輪嚙合，實現倒擋。

改進優化的設計思路：主變速仍為兩個前進擋，一個后退擋。為了操縱方便，采用單獨撥叉控制倒擋齒輪嚙合，操縱機構必須變換傳動線路，嚙合套換擋傳動路線簡圖如圖。將Ⅰ擋和Ⅱ擋之間設計嚙合齒座，倒擋仍采用滑動齒輪換擋，用兩個撥叉操縱；將倒擋齒輪與Ⅰ、Ⅱ擋主動齒輪常嚙合，通過向后撥動倒擋被動齒輪來實現倒擋。將兩個輸入齒輪設置在帶離合器的輸入軸上，Ⅰ、Ⅱ擋被動齒輪在同一軸，倒擋被動輪在另一軸上。倒擋嚙合的主動齒輪與輸入軸嚙合常轉，這樣就可以保證只需一根操縱手柄實現主變速。

三、結構設計

嚙合套斜齒輪換擋變速箱簡圖如圖，空擋時Ⅰ、Ⅱ擋被動齒輪與輸入軸上的主動輪常嚙合，Ⅰ、Ⅱ擋被動齒輪通過襯套空套在花鍵軸上，不隨花鍵軸旋轉。處于輸入軸上的Ⅰ、Ⅱ擋之間嚙合齒輪座與嚙合齒座通過內花鍵與軸同步。Ⅰ、Ⅱ擋換擋時通過撥叉撥動嚙合齒套左右移動，齒輪齒圈相互嚙合，達到傳遞力矩的目的，最終將力矩通過輸出軸輸出。倒擋時，Ⅰ、Ⅱ擋撥叉回到空擋位置，倒擋撥叉向右撥動，使嚙合齒套與齒輪齒圈嚙合，從而實現倒擋的目的。

嚙合套換擋變速箱簡圖

①齒輪設計

Ⅰ、Ⅱ擋采用斜齒輪，可以提高齒輪嚙合強度，降低齒輪嚙合噪音。斜齒輪會產生較大的軸向力，齒輪螺旋角β不能太大，參考《機械設計手冊》后，取12°。主動小齒輪外花鍵、主動大齒輪換擋外花鍵外側頭部內縮，主動小齒輪外花鍵外側頭部側邊與主動小齒輪外花鍵側邊形成角度為δ的夾角，主動大齒輪換擋外花鍵外側頭部側邊與主動大齒輪換擋外花鍵側邊形成角度為δ的夾角，換擋嚙合套內花鍵在中部切槽，將內花鍵分成左右對稱的兩部分，左、右兩部分內花鍵各自在靠端面處兩側頭部內縮，頭部兩側邊分別與換擋嚙合套內花鍵兩側邊形成角度為δ的夾角，前述夾角角度δ值均相等，角度δ范圍為15°～75°。

②齒輪襯套設計

齒輪襯套既是起到支承齒輪的目的，又要保證徑向可靠定位，同時需保證支承剛性，襯套帶內花鍵。在齒輪高速旋轉的情況下，襯套容易出現因潤滑不足而造成咬合破壞。因此必須在主動、被動齒輪上加工潤滑油孔，同時在齒輪襯套上亦加工油槽，這樣在空擋或掛擋后達到潤滑、減少齒輪旋轉阻力的目的。

③軸承設計

原來冷拉鋼板沖壓而成的變速箱殼輸入軸和剎車轂軸兩端均為普通深溝球軸承，而改為鑄鐵變速箱后，由于采用斜齒輪，兩根軸上存在軸向力。斜齒輪螺旋角β為12°，考慮到軸承承受到軸向力不大，因此選擇α為15°的角接觸球軸承。

④換擋撥叉優化設計

撥叉軸擋位定位半圓孔根據嚙合套行程重新定位設計，半圓弧深度加深。采用嚙合套換擋系統后，撥叉結構形式改變，必須對撥叉重新設計。

四、試驗結果

改進優化后的變速箱經過小批次樣件的裝配、重載爬坡測試，基本達到了設計原則的要求。經過噪音測試，嚙合套換擋變速箱噪音比滑動齒輪換擋變速箱降低5dB左右。脫擋、跳擋問題亦得到有效解決。