基于拖拉機變速箱的傳動系統優化策略分析

孫艷芬

(常州機電職業技術學院 機械工程學院，江蘇 常州　213164)

0　引言

變速箱是拖拉機傳動機構中不可缺少的部分。一般以運輸工具動力產生裝置作為輸出端，結合運輸工具的傳動部分及液壓部分作為控制部分，將動力傳輸至運輸工具驅動輪上，結合動力輸出裝置為驅動輪提供不同牽引力，以此改變其運輸效率及速度。從拖拉機運輸動力控制過程來看,拖拉機變速箱傳動系統性能好壞與其結構有明顯關系，必須在實際設計中提升變速箱傳動系統性能，為拖拉機提供較為良好的動力控制結構。從本質上來說，變速箱屬于拖拉機動力控制機構的核心部分，當前在進行拖拉機變速箱傳動系統設計過程中存在一些固有問題，如設計效率低下、難以在設計中快速建立拖拉機變速箱三維傳動系統模型、在實際設計中存在尺寸上固有弊端(尺寸部分難以優化)等。為解決以上問題，需要針對問題產生根源結合計算機輔助技術進行其設計優化，促進系統運轉效率提升。

1　設計結構和工作原理

針對當前在拖拉機變速箱結構設計中存在的一些固有弊端進行分析，并針對性采用相應方法對其進行優化，結合實際及相應的技術需求，將其體現在變速箱傳動系統結構的優化設計中。

1.1設計需求

在實際設計中需要針對變速箱進行需求分析，因此結合拖拉機作為運輸工具提出以下運輸需求：

1)拖拉機需要在不同路面及地形上行駛，在實際設計中應保證其具備足夠擋數，便于應對不同環境速度和效率需求；

2)變速箱需要具備空擋，便于可隨時對其進行換擋操作，配合其擋數操作系統；

3)系統換擋過程中需要具備一定穩定性，即換擋過程中一般以順序為依托進行換擋，避免換擋次序混亂導致其動力出現較大跳躍，造成拖拉機穩定性不足，影響其行駛過程；

4)需保證系統具備足夠的動力，并且該系統在實際行走過程中需要具備一定經濟性；

5)拖拉機在實際運行過程中只能以某一擋位形式，具有一定穩定性；

6)系統運行過程中具備較高的傳動效率；

7)系統運行過程中不可產生較大運行噪聲，且運行過程中較為平穩，不至于太過顛簸；

8)變速箱結構需要具備較為適當的結構，并且便于維修管養；

9)設計變速箱傳動系統應盡量保證其結構穩定性，以輕便為主，在受到外界應力時結構性能不會出現較大變化。

1.2變速箱結構

拖拉機變速箱結構如圖1所示。該拖拉機需要具備運輸及耕地等多種功能，因此在設計時需要結合實際情況進行分析。為此，設計功率為5kW，為保證其滿足實際工作需求，設計轉速為220r/min。為滿足其擋位較多需求，本設計中設計的變速箱結構一共有8個擋位，前進擋和倒退擋個數分別為6個和2個。

圖1　變速箱結構

1.3參數確定

為對拖拉機變速箱進行優化，首先需要確定其相關參數。變速箱傳動系統主要對拖拉機系統速度進行確定，為提高拖拉機傳動系統性能，需保證其速度可滿足多種需求。拖拉機不僅需要保證運輸工作，還需實現耕作、播種、收獲等基本工作，結合拖拉機實際需求及當前拖拉機使用情況選擇合適速度。本文設置拖拉機的速度區間在[0.3，6]km/h之間，并確定其拖拉機鏈輪結構的直徑尺寸為125mm。在以上條件設置基礎上便可進行傳動比計算，即

iv=60×10-6πnddL/vn

式中iv—拖拉機擋位中每個檔位總傳動比；

nd—發動機轉速；

dL—拖拉機鏈輪結構的直徑尺寸；

vn—不同檔位各自行進速度。

拖拉機一般從事較為繁重的工作，因此可設置其行走速度為0.3km/h，并且在此過程中需要拖拉機具備較高牽引力。在常規道路行駛時，行走速度可達6km/h，設定本文研究拖拉機額定功率為5kW，轉速設計為2 200r/min，拖拉機鏈輪結構的直徑尺寸設計為125mm,并設置拖拉機鏈輪最大轉矩為200N·m。拖拉機在運行過程中存在前進和倒擋兩種情況，倒擋最大速度設置為8km/h，則由以上條件可求解出拖拉機傳動的傳速比極大極小值分別為172和7.9。設定本文研究拖拉機在實際傳動過程中具備較為穩定的傳動結構，并且在運行中其潤滑效果良好。在此基礎上應盡量保證其結構簡便，降低結構質量，提高其靈活性。若在此基礎上保證其傳動比趨于一致，則

Ωi=(imax/imin)4=2.16

在此基礎上得出的傳動軸齒輪最小齒數約為17。為保證系統總速比達到最大值，可計算出其余4級減速軸平均速比為

i=[(imax)/(i2”·i1’)]4

在此基礎上可結合其實際需求計算得出變速箱各擋傳動比，結果如表1所示。

表1　變速箱各擋傳動比

2　傳動系統參數化建模

為提高傳動穩定性和變速可靠性，本研究的傳動系統采用六級減速傳動，其主要結構部分由齒輪及軸承組成。該部分屬于傳動系統主體部分，擬采用三維建模仿真形式結合相關參數進行傳動系統組成結構的參數化建模。

2.1齒輪結構參數化建模

通過齒輪參數化建模得到齒輪的三維仿真模型，為后續傳動系統構建奠定基礎。在構建齒輪系統時，首先需要將相關參數輸入到建模系統中。本文采用Pro/E作為建模平臺，將齒輪參數輸入到系統中，輸入參數為

d=m×z

db=d×cos(20)

da=(z+2) ×m

df=(z-2.5) ×m

式中d—分度圓直徑；

db—基圓直徑；

da—齒頂圓直徑；

df—齒根圓直徑。

在以上各參數支持下，便可得出本文構造的傳動系統齒輪部分結構模型，如圖2所示。

2.2花鍵軸參數化建模

齒輪需要在花鍵軸支撐下實現不同齒輪間的傳動過程，在構建花鍵軸過程中采用與構建齒輪結構較為類似的方式展開。在進行花鍵軸參數化建模過程中，需要對其參數進行設置，具體如下：D為花鍵軸大徑；d為花鍵軸小徑；n為花鍵數目；L為花鍵軸長度。

確定以上參數后，便可進行其模型構建。在構建過程中應保證所有鍵標準裝配位置，首先建立花鍵軸基準面，并設定其相關參數如下：L1/L2軸基準面長度給定控制參數。

在此基礎上可得出花鍵軸三維仿真圖形，如圖3所示。

圖2　傳動系統齒輪仿真圖

圖3　花鍵軸三維仿真圖

2.3拖拉機變速箱結構參數化建模

變速箱參數化建模就是將其所有構建單個零件的模型組合在一起，使之組合在一起形成變速箱傳動體系。在進行零件設計過程中，需結合零件設計標準；在實際設計中，可以針對該模型結合pro/E進行結構設計。為此，需結合實際情況進行分析，并在實際運動過程中設計的二維圖進行構建組合。在進行結構框架構建過程中，首先需要建立其骨架模型，本系統中采用六級減速方式配合傳動軸和齒輪構建出系統。其2D結構圖如圖4所示。圖4中，1～7分別表示傳動齒輪結構。

在進行箱體參數化建模過程中，需設置各軸間的間距，分別將其表示為L1～L7。此外，還需設置不同軸之間的相互夾角，分別將其表示為a1～a7,可得出以下關系，即

a3=arccos(l12+l22+l32)/(2l1l3)-a1

a2=arccos(l12+l22+l32)/(2l2l3)+a3

結合Pro/E軟件進行仿真分析，首先建立變速箱基準面，并將其他面以基準面為準進行組合，形成三維變速箱模型，最終得到的仿真圖如圖5所示。

圖4　變速箱系統二維結構圖

圖5　變速箱三維仿真模型

在以上構建的三維仿真模型基礎上，便可對該結構進行結構分析，判斷該傳動系統傳動效率及傳動效果，并對其進行優化分析，在滿足拖拉機工作需求基礎上提升其工作效率。

3　變速箱傳動系統優化分析

3.1齒輪輕量化

齒輪是傳動系統重要組成部分，其結構性能關乎到整個傳動系統傳動效率。一般而言，為提高傳動系統傳遞效率，需要對齒輪進行輕量化處理，在保證其結構性能同時降低質量。

對齒輪進行輕量化設計時，齒輪相關參數已經確定，因此影響因素主要為系統中各個齒輪各自模數。對于系統中7個軸齒寬系數進行分析，可得

X=[X1X2]T=[mΦd]T

其中，Φd表示齒寬系數。在此基礎上可對系統齒輪進行優化，即系統中存在9個齒輪副，一些擋位的齒輪共用大齒輪。在該系統中一共存在8個獨立的齒寬系數，可將其表示為

Φd=[φd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]

結合上式將系統中7個軸齒寬系數分析結果進行進一步描述表示為

X=[X1X2X3X4X5X6X7]T=

[mφd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]T

在此基礎上可將齒輪所有參數進行標記，便于進行后續處理，再建立優化目標函數。由于要求在不降低系統傳遞效率基礎上降低齒輪結構的體積及質量，設定參數V表示齒輪結構總體積。通過遺傳算法對拖拉機變速箱傳動系統進行優化處理，最終得到的結果如表2所示。從表2中不難發現，經過優化后的變速箱體積縮小了近4.3%，且有效降低了傳動系統的整體質量。由此可見，本次優化效果明顯。

表2　齒輪優化前后參數對比

3.2變速箱各軸空間位置尺寸的優化

確定好齒輪相關參數后，便可進行拖拉機變速箱傳動系統各軸空間位置尺寸優化。一旦中心距確定后，便不要輕易改變該系數。因此，在優化過程中一般只能研究傳動系統各軸空間位置，在此基礎上進行各個空間位置最優化，以此促進變速箱尺寸達到最小。通過建立目標函數進行優化處理，仿照齒輪優化方式可對各軸心連線傾角進行優化，得到最終結果。各軸心連線傾角優化前后對比結果如表3所示。

表3　各軸心連線傾角優化前后對比

由表3可知：系統得到有效優化，并在此基礎上對其結構進行再次仿真， 其局部傳動系統如圖6所示。此時，系統傳動效率有極大提升，可滿足拖拉機實際運行多種需求。

圖6　優化后的局部傳動圖

4　結論

本文研究的傳動系統采用六級減速傳動，主要由齒輪及軸承組成，屬于傳動系統主體部分。通過Pro/E對齒輪及花鍵軸部分進行三維仿真，得出最佳優化參數，并將其組合成為本文研變速箱傳動系統結構，對得到的系統進行優化處理。對齒輪進行輕量化設計時，其齒輪相關參數已經確定，因此在進行齒輪輕量化設計時影響因素主要為系統中各個齒輪各自模數，對其中7個軸齒寬系數進行分析。優化過程中，一般只能研究傳動系統各軸空間位置，在此基礎上進行各個空間位置最優化，從而實現變速箱尺寸最小的目標。

參考文獻：

[1]楊建軍, 劉威, 張華,等.基于ROMAX的齒輪修形優化設計與試驗研究[J].機械傳動, 2015(10):158-161.

[2]王惠茹, 鄭泉, 陳永新,等. 拖拉機變速器對傳動系噪聲貢獻量的特性分析[J]. 機械科學與技術, 2016(11):60-64.

[3]徐立友, 劉海亮, 魏明亮.拖拉機雙離合器自動變速器傳動系統建模與仿真分析[J].農機化研究, 2015,37(11):236-242.

[4]席志強, 周志立. 拖拉機自動變速器應用現狀與技術分析[J].機械傳動, 2015(6):187-195.

[5]王紹清, 李林海.拖拉機變速箱撥叉的拓撲優化研究[J].科技資訊, 2015(23):88.

[6]姜立民. 拖拉機變速箱常見故障分析與排除[J]. 農機使用與維修, 2016(7):84.