手搖式農用車機械儲能起動裝置的設計

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊　琛，楊振坤，李　香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學 城市學院 機械工程系，西安 710018）

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手搖式農用車機械儲能起動裝置的設計

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊琛，楊振坤，李香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學 城市學院 機械工程系，西安 710018）

摘 要：針對目前傳統(tǒng)的小型農用車依靠手搖起動，速度慢、耗費大量氣力，冬天氣溫低時更難以起動的弊端，尤其是空巢老年農民用戶迫切希望在不改動原車輛（即不增加成本）的基礎上改進起動裝置的現狀，設計研制了一種新型的、可靠的機械儲能起動裝置。試驗證明，此裝置無需借助其它能源輔助設備即可完成整個起動過程，不僅節(jié)省人力，提高起動速度，并且安裝簡單，操作、維護方便，使用成本低廉。

關鍵詞：機械式；儲能起動；手搖農用車

0 引言

以單缸發(fā)動機為配套動力的6-28馬力之間的農用三輪車、四輪車等早已走進農村的千家萬戶。但是，這種類型的農用車，一直沿用傳統(tǒng)的手搖起動方式，既費力又費時，有時還會因操作不慎造成意外傷害事故。尤其是在冬季，由于氣溫過低，這類小型農用車往往更難起動，許多人不得不因起動不便而放棄使用，甚至購置新農用車以此代替而徒增勞動成本[1]，如圖1所示。如果能改進起動裝置，增加省力環(huán)節(jié)，在不增加農民成本的基礎上，改良這類農用車的起動弊端，必將適應農民需求，降低勞動成本，提高勞動生產率，提高經濟效益。近年來，不少農用車輛安裝了電起動或嘗試用其他方式代替手搖起動，但終因安裝成本高，使用費用大，安裝復雜且專業(yè)化，使用壽命短，性能差等原因而難以普及[1]。本文研究的是一種不用電，不受低溫等因素影響的新型起動裝置，它一年四季均可連續(xù)起動，成本低，壽命長，操作簡單，安裝方便，造型美觀，徹底解決了上述起動方式的缺陷與不足。

本文在分析了現在農用車起動裝置的市場需求情況及其各個組成部分的基礎上，根據農用車應用的環(huán)境特點，比較了起動裝置的幾種動力轉換機構和儲能機構，設計了手搖式農用車起動裝置的改進方案，并通過計算、分析論證了設計的可行性。起動裝置總體結構包括省力機構，動力轉換機構，儲能機構，離合和釋放機構等。

圖1　手搖式農用三輪車圖

1 總體設計

小型農用車機械儲能起動裝置由省力機構、動力轉換機構（人力輸入轉矩轉換成軸向力）、止動機構、儲能裝置、離合機構和釋放機構組成，并考慮了軸向力轉換成輸出轉矩的設計，如圖2所示。

采用小齒輪帶動大齒輪的嚙合機構構成省力機構；為積累足夠的能量使發(fā)動機，采用彈簧裝置；利用凸輪機構將齒輪傳動中的回轉運動轉換成彈簧軸向的軸向運動；為了防止起動裝置動力傳輸過程中儲能彈簧釋放能量時能量回流、輸入軸反轉，利用止動機構使動力沿單一方向傳動，提高能量利用率；利用齒輪齒條實現將軸向力轉換成輸出轉矩；最后應用曲柄滑塊原理和止動機構連桿運動等方式設計釋放機構；在輸出軸末端安裝離合器，用來接合和脫開起動裝置和發(fā)動機。

圖2　起動裝置

2 輸入機構的設計

2.1 輸入裝置簡介

人力輸入采用手搖動力輸入裝置，一端用于手握搖動，另一端用于與小齒輪輸入軸接合，小齒輪帶動大齒輪嚙合，可大大節(jié)省人力，如圖3所示。

圖3　搖把裝置

凸輪機構與棘齒條機構通過彈簧相連，輸入動能通過棘齒條儲存在后續(xù)機構中。

2.2 省力機構設計

齒輪嚙合機構是人力輸入機構，主要零件有輸入軸和傳動齒輪副。根據齒輪傳動類型、省力原理和基本要求，本文選用閉式外嚙合直齒圓柱齒輪傳動，包括：輸入軸、小齒輪、大齒輪和輸出軸。

輸入軸上的齒輪為小齒輪，依靠兩輪的輪齒依次嚙合實現，小齒輪帶動大齒輪的杠桿原理達到省力目的。如圖4所示。

圖4　齒輪機構

小齒輪的動力來自于軸，阻力來自于大齒輪。

R軸不變，減小R輪則F阻增大。

大齒輪的動力來自于小齒輪，阻力來自于軸。

R軸不變，加大R輪則F動減小，依次達到省力目的。

2.3 轉換機構設計

凸輪機構是由凸輪，從動件和機架三個基本構件組成的高副機構便于將回轉運動轉化成直線運動。本文選用無遠休止和近休止的滾子對心移動盤形凸輪機構作為動力轉換機構，將回轉運動轉化成直線運動。從動件做無停歇的升—降—升連續(xù)往復運動，避免柔性沖擊。

3 儲能機構設計

3.1 軸向力轉換輸出轉矩的設計計算

齒條直線運動帶動齒輪轉動，將軸向彈簧勢能轉換成主軸轉矩，帶動柴油機旋轉。根據手搖式農用車機械儲能起動需求，無特殊要求下，齒輪齒條均選用45鋼，采用軟齒面。齒輪用調制，硬度為240～270HBS；齒條用正火，硬度為200～230HBS。

齒輪力矩T1=70N.m，轉速：

n1=120r/min=2r/s

得：

一般農用車起動時間為2～3 s，起動轉速r=t×n=2s×2r/s。

根據齒輪齒條傳動效率為0.94～0.98，則輸入功率為：

取齒輪齒數z1=17，齒條齒數z2=68，可得傳動比：

則齒條轉速n2=30r/min。

齒輪齒條彎曲疲勞極限應力分別為σFlim1=240Mpa 和σFlim2=220Mpa，可得應力循環(huán)次數：

由標準規(guī)定齒輪的應力修正系數YST=2，失效概率低于1/100 ，SFmin=1.25，許用彎曲應力為：

齒輪齒條接觸疲勞極限應力σHmin1=560MPa，σHmin2=500MPa，取aH=1，可得應力循環(huán)次數：

ZN1=1.7，ZN2=1.8。失效概率低于1/100，SHmin=1.0，可得許用接觸應力：

設齒輪按8級精度制造，載荷均勻系數為K=1，齒輪相對軸承對稱布置，取Φd=1：

根據式( 1～6 )可得，Φa= 0 . 4。其彈性系數ZE=189.8，節(jié)點區(qū)域系數ZH=2.5，直齒輪傳動ε取1.1～1.9之間，重合度系數為：

中心距計算：

可取標準值a=90[4]。

設齒輪齒條的齒數Z1=17，Z2=μ× Z1=68，取m=2：

由式(18)可得，

調整Z1=18，Z2=72。

由此，實際齒數比為：

重合度：

由式(17)得：

確定齒寬：

齒條齒寬b2=36，齒輪齒寬b1=40。

3.2 軸向力轉換輸出轉矩的設計驗證

經查表YFal=2.91，YFa2=2.24，應力修正系數YFsl=1.53，YFs2=1.75，重合度系數為：

齒根彎曲應力為：

由此驗證出兩齒輪彎曲強度滿足設計要求。

考慮到齒條的運行和安裝，一般齒條實際的長度L大于有效長度L'。

齒輪的輪齒所受水平力設為F1'，齒輪受齒條的作用力為F1，F2為反作用力。儲能彈簧所受的最大壓力即齒條所受力的水平分力。齒條齒廓上各點具有相同的壓力角α，即齒形角，標準值為20°。對齒輪齒條受力分析如圖5所示可知：

圖5　齒輪齒條受力分析[3]

3.3 儲能裝置的設計與論證

儲能機構主要由圓柱螺旋壓縮彈簧和主軸，與其配合的零件可實現兩大功能。第一，將前述人力輸人轉矩轉換成的軸向力壓縮圓柱螺旋彈簧，將能量儲存起來；其次，將彈簧勢能轉換成通過主軸輸出的轉矩，形成帶動發(fā)動機旋轉的動力。本文選用彈簧材料為合金彈簧鋼絲60Si2Mn，如圖6所示。

經查得，Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應力為740MPa，切變模量為80MPa，由式(30)可得，彈簧受力為3.89kN。

彈簧旋繞比C取8，可得曲度系數：

彈簧絲直徑：

經查表，選取d=12mmz，中徑D2=110mm。節(jié)距t取42.0mm，有效圈數n取2.5～12.5之間，由經驗值取n為12.5。

試驗載荷下變形量：

彈簧剛度：

最大心軸直徑：

最小套筒直徑：

圖6　壓縮彈簧結構示意圖

1）彈簧的強度校驗

彈簧強度小于Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應力，選取設計滿足要求。

2）彈簧的變形計算

3）彈簧穩(wěn)定性計算

可得彈簧鋼絲間距：

對于壓縮彈簧總圈數n1的尾數宜取1/4、1/2或整圈數，常用1/2圈。該彈簧選有支撐圈（不參與變形的圈）的彈簧，一端的支撐圈數選取0.75～1.25之間，其總圈數可計算：

n為工作圈數，可計算得n=10。

彈簧的自由長度（兩端并緊磨平）：

高徑比：

彈簧穩(wěn)定可靠。

通過校驗彈簧的強度及穩(wěn)定性，選取材料均符合要求，彈簧可穩(wěn)定可靠的工作。

4 止動機構、釋放機構的設計和離合機構的選型

4.1 止動機構的設計

為了防止起動裝置動力傳輸過程中儲能彈簧釋放能量時能量回流、輸入軸反轉，設計止動機構使動力沿單一方向傳動，提高能量利用率。本課題采用棘齒條機構，它既可以保持移動，又能達到止動的效果[4]。如圖7所示。

圖7　棘齒條機構

能量輸入時，使用扭動插銷將止回棘爪旋轉至圖7中所示位置。當釋放機構將能量釋放，啟動農用車后，旋轉并拔下止回棘爪插銷，使止回棘爪彈起，棘齒條復位。

4.2 釋放機構的設計

釋放機構是起動機的操縱機構，主要零件有釋放桿和搖桿滑塊工作鏈，如圖8所示。操作者通過釋放桿實現兩項操作，拉釋放桿的目的是讓釋放機構處于準備儲能的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，主軸的旋轉將被限制，以便實現彈簧的儲能。推釋放桿的目的是當儲能過程完成，發(fā)動機需要啟動的時候，解除主軸旋轉的限制，同時完成圓柱螺旋壓縮彈簧釋能、主軸輸出轉矩，帶動飛輪驅動齒輪旋轉的發(fā)動機起動過程[5]。

4.3 離合機構的選型

離合機構是使起動機和發(fā)動機的運動相結合和脫開的機構，主要零件是飛輪驅動齒輪，它借助于起動機主軸上的離合器，當需要起動發(fā)動機的時候，將起動機主軸上的離合器和發(fā)動機上的飛輪齒圈嚙合；反之，當起動機工作完成，發(fā)動機開始主動旋轉時，發(fā)動機飛輪帶動飛輪驅動齒輪的旋轉，同時使其沿軸線反向移動，脫開齒輪的嚙合[6]。如圖9所示。

圖8　釋放機構

圖9　離合機構

5 結論

手搖式農用車機械儲能起動裝置操作簡單，維護方便，成本低廉，無需借助其他能源輔助設備，極大地適應和滿足了目前農用車起動裝置的市場需求，是一種新型、可靠的機械起動裝置。本文通過計算分析、校驗，優(yōu)化設計了省力機構，動力轉換機構，儲能機構，離合和釋放機構等，提供了農用車啟動裝置創(chuàng)新設計的良好途徑。隨著科技技術的發(fā)展以及各種智能化儀器設備的出現，手搖式農用車機械儲能起動裝置還將不斷改進，逐步增加自動化、遙控式等功能。

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作者簡介：樊琛（1983 -），女，山東濟南人，講師，碩士，研究方向為智能化監(jiān)控與檢測和機電一體化。

基金項目：西安交通大學城市學院科研基金項目（2014XJTUCC10013）

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0097-05