手動兩檔操縱全功率取力器開發

沙曉麗，李軍

?

手動兩檔操縱全功率取力器開發

沙曉麗1，李軍2

（1.陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119；2.西安雙特智能傳動有限公司，陜西 西安 710199）

設計了一款手動兩檔操縱全功率取力器，適配附帶農機具的農業機械，如拖拉機等。分別對設計理念、技術特點及總成結構進行了介紹，對總成布置及尺寸鏈計算進行了要點介紹，除齒輪參數化設計外還利用有限元分析對重要零部件進行了仿真驗證等，最后通過實驗臺架驗證了取力器總成的疲勞壽命及靜扭強度要求等。

全功率取力器；農用機械；手動兩檔

前言

隨著新農村建設、西部大開發等大型國家戰略的進一步實施，新農村和新農業的快速發展帶動農用汽車工業的蓬勃發展，同時也有效促進了與之配套的農用汽車取力器市場的快速發展。由于農用汽車自身品種的多樣性，決定其取力器品種、規格、形式的多樣性，在我國農業汽車取力器已有200多個類型，1000多個品種。取力器的工作原理是從汽車的傳動系統之中取出動力，常采用的設計方法是在變速箱設計時預留的取力窗口取力。現階段，汽車零部件制造商和變速器廠只提供通用性強的幾種取力器，難以滿足農業機械的取力要求。

1 設計理論基礎

開發一款適配帶農機具的拖拉機傳動系統前取力器總成，要求實現兩擋輸出，即具有高、空、低擋，輸出軸位于變速箱一軸水平右側，取力器與變速箱分別離合，傳動路線相互獨立。根據農業機械動力總成結構特點，該取力器為全功率取力器，采用三軸水平布置，兩級齒輪傳動實現。輸出軸高、低齒擋與輸出軸之間設置滾針軸承，撥動換擋滑套實現取力器的高低擋切換，換擋滑套外花鍵及輸出軸高、低擋齒輪內花鍵采用倒錐齒結構，減少掉擋風險。

2 技術方案

針對農業拖拉機的特殊取力要求，需要設計一種結構簡單、軸向尺寸小，并且能夠實現行車取力的2擋全功率取力器。為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

該取力器由三根水平布置的平行軸，兩級齒輪傳動實現。其中，輸入軸為空心齒輪軸，空套在變速器輸入軸外；中間軸布置有低擋輪齒輪、高擋輪齒輪，其中中間軸高擋齒輪與輸入軸軸齒常嚙合；輸出軸上從左至右依次設置有輸出軸高擋齒輪、換擋滑套、輸出軸低擋齒輪，高、低擋齒輪與輸出軸之間設置有滾針軸承，換擋滑套左右移動實現選擋，然后通過輸出法蘭盤實現取力器的兩擋輸出。

3 技術特點

取力器的輸入軸為空心齒輪軸，與變速器輸入軸分別由不同的離合器花鍵連接至發動機飛輪盤，實現了取力器的行車取力以及全功率取力。

取力器可根據工況實現兩種輸出轉速及扭矩。取力器輸出軸上布置有高、低擋齒輪及換擋滑套，高、低擋齒輪與輸出軸之間布置有滾針軸承，滑套與輸入軸花鍵連接，撥叉撥動滑套控制取力器的高、空、低擋，實現擋位切換。

取力器三根軸水平布置，取力器獨立密封，飛濺潤滑，齒輪、軸承潤滑可靠。

輸出軸上的換擋滑套采用倒錐齒結構，具有自鎖功能，降低掉擋風險。

4 總體結構

1.輸入軸 2.變速器輸入軸 3.中間軸 4.中間軸高擋齒輪 5.中間軸抵擋齒輪 6.輸出軸 7.輸出軸高擋齒輪 8.換擋滑套 9.輸出軸低擋齒輪 10.撥叉 11.撥叉軸

所設計的兩檔全功率取力器結構如圖1所示，此時為不工作狀態，即取力器處于空擋位置。由三根水平布置的平行軸，兩級齒輪傳動實現。其中包括有取力器輸入軸1，該輸入軸為空心結構的齒輪軸，空套在變速箱輸入軸2；中間軸3上帶有低擋軸齒，中間軸上設置有中間軸高擋齒輪4和中間軸常嚙合齒輪5，中間軸兩端通過兩個圓柱滾子軸承分別支撐在取力器殼體及端蓋上；輸出軸6，輸出軸上從左至右一次設置有輸出軸高擋齒輪7、換擋滑套8及輸出軸低擋齒輪9，輸出軸高、低擋齒輪與輸出軸之間分別設置有滾針軸承，滑套與輸出軸通過花鍵連接。

5 齒輪參數設計及尺寸鏈計算

該全功率取力器一共涉及3對齒輪傳動，分別為常嚙合齒輪、低檔齒輪和高檔齒輪，根據所選配發動機參數（最大輸出扭矩）及拖拉機后接設備所需的速比進行齒輪參數化設計，利用常規設計軟件進行齒輪參數及接觸、彎曲應力計算，滿足空間結構布置的同時，保證其應有設計壽命。

齒輪參數設計完成后，還需要對所選軸承進行承載能力校核，然后是總成的尺寸鏈計算。尺寸鏈計算主要要保證定位卡環類零件有裝配間隙，且徑向保證卡環可以正常擴大裝配；空轉齒輪能夠自由轉動，軸向間隙不得過小；滾針軸承軸向不能卡死，徑向間隙不得過小，避免燒死；軸上配對支撐軸承保證其定位于殼體裝配完成后，軸向間隙不得過小，保證軸承不會卡死導致早期磨損。

6 設計驗證與有限元分析

對于個別有潛在風險的零件除了理論設計計算外，還需要輔助有限元分析進行仿真驗證。比如該全功率取力器的兩根輸入軸，一根細長軸自離合器穿過取力器至變速器內部，另一根空心軸自離合器至取力器內部，兩根輸入軸皆以漸開線花鍵傳遞扭矩。由于空間結構布置需要，兩根輸入軸的軸徑均按照最大輸入扭矩進行理論設計強度計算，再利用有限元分析論證理論計算，變速器輸入軸結果如圖2所示，空心輸入軸結果如圖3所示。

圖2 變速器輸入軸應力圖

圖3 取力器空心輸入軸應力圖

通過有限元分析結果可以看到，兩根輸入軸均與理論設計計算一致，只需對個別薄弱環節進行結構改進加強。除了對重要零件的有限元分析外，整個取力器產品還進行了疲勞壽命及靜扭強度臺架試驗驗證，結果均與理論計算一致。

7 小結

手動兩檔操縱全功率取力器的設計開發是在充分調研市場及實地考察的基礎上，考慮到國內農業車輛匹配的要求，將汽車取力器的傳統優勢延伸至農業車輛。該取力器通過大量的理論計算，有限元分析及臺架實驗驗證，性能指標得到優化，達到了預定目標。

[1] 機械設計手冊.機械設計手冊編委會編著3版.北京機械工業出版社,2004.8.

[2] 劉品,李哲.機械精度設計與檢測基礎[M].哈爾濱工業大學出版社, 2005.2.

[3] 中國機械工業標準匯編（滾動軸承卷）,中國標準出版社第三編輯室全國中國滾動軸承標準化委員會編中國標準出版社,2008. 12.

Manual two-speed operation of full power power take-off development

Sha Xiaoli1, Li Jun2

( 1.Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Resarech Institute, Shaanxi Xi'an 710119; 2.Xi'an FC Intelligence Transmission Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710199 )

A type of a manual two-speed operation full power power take-off is designed, adapting agricultural machinery with agricultural machinery, such as tractors. The design concept, technical characteristics and assembly structure were introduced respectively. The main points layout and dimension chain calculation were introduced. In addition to the gear parametric design, the finite element analysis was used to verify the important components. Finally, The fatigue life and static torsion strength requirements of the power take-off assembly were verified by a test bench.

Full power PTO; Agricultural machinery; Manual two tranches

B

1671-7988(2018)20-163-02

U463.2

B

1671-7988(2018)20-163-02

U463.2

沙曉麗，就職于陜西法士特汽車傳動工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.059