農用微型山地履帶車變速箱改進方案的選擇及檔位設計

【摘要】第一代農用微型山地履帶車是一種能夠適應山地作業環境的山地微耕機，但其道路運輸行駛速度過慢，低速旋耕工作速度過快，變速箱尺寸過大，因此現需要設計一款檔位較多，檔速合理，結構緊湊的第二代農用微型山地履帶車變速箱。本文主要對其變速箱的改進方案進行對比選擇并確定設計檔位。

【關鍵詞】農用 ?微型山地履帶車 ?變速箱 ?檔位設計

【Abstract】The first generation of agricultural miniature mountain caterpillar vehicles is a kind of can adapt to the mountain mountain micro tillage machine， the working environment but the road transport speed too slow， low speed rotary tillage work too fast， transmission size is too big， so we need to design a gear， gear speed is reasonable， compact structure of the second generation of agricultural miniature mountain tracked vehicle transmission. In this paper， the improvement scheme of its gearbox is compared and selected and the design gear is determined.

【Keywords】agricultural; miniature mountain crawler; gearbox; gear design

【基金項目】學院資助項目：2019年度甘肅機電職業技術學院科研項目，項目編號：GSJD2019ZR04。

【中圖分類號】G64 ?【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）51-0255-02

1.引言

我國是一個多山國家，丘陵和山地面積占到了國土面積的2/3。根據有關數據顯示，山區糧食產量約占全國的51.4%，油料作物產量約占53.7%[1]。由此看來，山區農業的生產好壞，將會直接影響我國農業生產的發展。山地微型履帶車是農業生產中較為重要的農業生產工具，變速箱為微型車重要組成部分，故山地微型履帶車變速箱的設計具有重大意義。

2.第一代微型山地履帶車簡介

近幾年，國家對推動丘陵山區農業機械化發展給予較大力度的扶持。農業、農機科研單位與企業一道針對南方丘陵山區農業生產需要，開展了微型多功能作業機的機具研發、試驗、推廣工作[2]。西北農林科技大學楊福增教授科研團隊在2011年就自行設計研發了第一代微型山地履帶車。

該山地微耕機能夠適應山地作業環境，采用液壓調平裝置、基于平行四邊形機構的雙向平衡鏟等裝置，解決了之前山地微型耕地機普遍存在的山地作業穩定性不足、安全性得不到保障和操作復雜等問題。這樣一款集成機械、液壓技術的適于山地作業的山地微耕機，能夠有效地把丘陵山區農民從傳統的農業生產方式和繁重的體力勞動中解放出來，徹底改變山區農業生產長期以來以人工、蓄力進行勞作的落后、低效的原始生產方式，大幅度提高勞動生產率和作業質量，受到當地農業、農機技術推廣部門和農民的認可[3]。

第一代微型山地履帶車變速器有四個檔位，三個前進檔，一個后退檔。其中一檔為低速作業檔，能實現的驅動轉速為n1=110r/min，直線速度為V1=1.65km/h，不能滿足旋耕時的速度要求0.6km/h。二檔為標準作業檔，能實現的驅動轉速為n2=126.98r/min，直線速度為V2=1.91km/h;三檔為道路行駛檔，能實現的驅動轉速為n3=217.86r/min，直線速度為V3=3.28km/h，不能滿足空載運行時正常行駛速度6km/h。后退檔進行倒車，能實現的驅動轉速為n=149.26r/min，直線速度V=2.25km/h。每檔可通過操縱換擋桿來實現。整機的轉向通過轉向離合器實現。這種檔位設計不滿足現階段的農業生產需求，所以需要對變速箱進行更大傳動比范圍的改進設計。同時，第一代微型山地履帶車變速箱的箱體尺寸偏大，對機架造成負擔，同時對整機穩定性造成影響。

3.微型山地履帶車變速箱的改進

原方案存在的主要問題一是開溝速度過快，二是空載運行速度過低。本次研究任務是設計一套傳動方案使開溝速度由原來的1.65km/h下降到0.5km/h，使空載運行速度由原來的3.28km/h上升最大達到6km/h，并且盡量縮小變速箱尺寸，以便于安裝。為此主要考慮以下三種改進方案。

本次改進設計的主要目的是對變速箱進行重新設計，以擴大傳動比范圍，同時獲得更加合理的檔位配置，并要求箱體結構更加緊湊。

3.1項目研究的重要性

變速箱的傳統設計效率低而且容易出錯，變速箱參數化設計是提高效率及設計精度的有效途徑。在討論研究國內外農用機具上變速箱的發展現狀及參數化設計的基礎上，制定了變速箱參數化設計及運動仿真測試的總體方案和技術路線，利用機械設計、機械原理等專業知識完成變速箱中齒輪、軸、箱體等結構的設計同時，利用Pro/E的參數化建模功能，建立變速箱零部件的三維參數化模型，利用Pro/E的運動仿真功能，對微型履帶式山地拖拉機變速箱進行虛擬的裝配和運動仿真。

3.2 項目研究的內容

第一代微型山地履帶車平地行駛速度過慢，工作速度過快。現根據小型山地履帶車整車爬坡速度、最高行駛速度、轉向速度、最低工作速度等車輛性能指標，對發動機、變速箱進行匹配改進設計。使低速更低，高速更高，檔位更合理。通過動力性能分析，得到最大爬坡速度、最大平地行駛速度、低檔加速度、最低工作速度等速度指標及變速箱整體尺寸，以滿足設計要求。

利用計算機軟件輔助完成設計工作，可以顯著優化機構，節省材料，縮短設計周期，降低設計難度，提高設計質量，具有傳統手工理論計算無可比擬的優勢。

3.3 第二代微型山地履帶車變速箱方案選擇及檔位設計

3.3.1 改進方案一：同軸式分布傳動變速箱

本設計采用現在大多數汽車所采用的同步器式變數器。使用同步器可減輕結合齒在換檔時引起的沖擊及零件的損壞。并且具有操縱輕便，經濟性和縮短換檔時間等優點，從而改善了整機的加速性，經濟性和山區行駛的安全性。缺點是零件增多，結構復雜，軸向尺寸增加，制造要求高，同步環磨損大，壽命低[4]。

在大傳動比和減小箱體體積的要求下，采用汽車目前廣泛應用的常嚙同軸式傳動方案。基于最合理的傳動方案是第一軸與第二軸同軸布置的傳動方案（在這種情況下，掛直接檔的損失最小）以及實際使用中直接檔的機械變速器比重較大的情況，再加上傳動比比較大的條件，本設計擬以平面三軸式最高檔為直接檔的五檔變速器。

3.3.2 改進方案二：高低檔分布傳動變速箱

原變速箱只有三個前進檔，檔位較少達不到要求，參照一般拖拉機變速箱設計，在原來的基礎上加上高低檔，使新變速箱有六個前進檔，高一、二、三檔和低一、二、三檔。

3.3.3 改進方案三：采用HST液壓無級變速器

HST又稱液壓無級變速器，是根據液壓靜力原理工作的。它由兩個柱塞泵組成，一個作為油泵，另一個作為液壓馬達。液壓泵通過換向閥管路連接液壓馬達構成無級變速機構。在使用中將需要變速的電機和液壓泵傳動連接，通過調節液壓泵輸出的液壓油的壓力和流量來調節液壓馬達的輸出轉速，即可進行無級變速。

通常機械結構變速依靠齒輪實現，為實現不同的傳動比無可避免的需要換檔（切換到不同直徑的齒輪），而液壓無級變速裝置是依靠液壓油這個介質將液壓系統能量傳遞下去實現的，流量的不同即可實現馬達轉速的變化，控制流量非常方便，可以通過發動機轉速、油泵變量、液壓閥（流量閥，比例閥，伺服閥都可以）。

HST傳動系統廣泛應用于農業機械，采用靜液壓無級變速系統，使農業機械實現產品結構更加緊湊、重量更輕、噪音更低、操縱更方便，可以完全無級調節機器行走速度，行走控制和換向更加方便，驅動更加靈活，作業效率更高。但是，由于HST總傳動效率在80%左右，因此與齒輪傳動相比，其傳動效率偏低;而且液壓元件制造精度要求較高，從國外部分拖拉機使用的情況來看，其噪聲和油溫高的問題還沒有徹底解決，目前仍然作為一個難題在研究;加之其對液壓用油清潔度要求也比傳統的傳動系用油要高。這都是采用HST方案需要解決的難點[5]。

3.3.4 ?各改進方案的比較選擇

同軸式傳動方案對各組齒輪的要求不是很高，有利于延長機械壽命，且便于設計計算，但是傳動比分配較困難，而且此方案要使用同步換擋裝置，設計較為復雜，斜齒輪制作工藝較復雜費用多，變速箱整體尺寸較大。在方案一與方案二相比之中發現，齒輪數不變，但是方案一對殼體的制作工藝要求更高，安裝過程也比較麻煩，故不選方案一為本次改進設計方案。方案三大大簡化了傳動系結構，幾乎可以省略傳統的主變速箱。簡化操作，利用踏板或手柄可實現區段式無級變速。可方便的獲得爬行速度，有利于配置爬行速度要求的農機具，但其傳動效率偏低，制造精度要求高，噪聲和油溫高問題還沒有徹底解決，用油清潔度要求高，因此不適合作為本次微型山地履帶車改進設計方案。方案二齒輪雖然有所增多，但變速箱尺寸明顯減小，且各檔轉速達到了理想值，相比之下，此方案更合理，故選擇方案二高低檔式變速箱結構進行最終改進。

3.4 高低檔分布傳動變速箱的設計簡述

依據方案二的設計傳動簡圖，按等比級數分配的各檔傳動比的計算，根據整車的性能分析，得到變速器各檔的傳動比，如表1所示。

改進設計后的變速箱的軸1、軸2和軸3上共有四個滑移齒輪，實現1、2、3檔和倒檔四個檔位的變化，并在軸4上有高低檔兩個滑移齒輪，這就實現了四個檔位的高低檔的變化，即突破性的變成了八個檔位，其最大轉速為169.49r/min，最小轉速為5.9r/min，不僅滿足了原設計要求，而且提供了更多的速度選擇情況。

根據計算校核，確定了所有齒輪的參數，確定了各軸的參數[6]，確定了各軸承和花鍵連接的參數[7]，最終確定箱體尺寸。為三維造型設計與仿真奠定了基礎。

4.結語

通過對第一代微型山地履帶車變速箱的改進，解決了原方案存在的開溝速度過快、空載運行速度過低這兩個主要問題，實現了擴大傳動比范圍，同時獲得更加合理的檔位配置，并使得箱體結構更加緊湊這一新目標。為后續的變速箱的結構改進奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]黃忠杭.履帶車輛行走減速器齒輪參數化設計及有限元分析[D].西安建筑科技大學，2009.

[2]北京農業工程大學.農業機械學（上、下冊）[M].中國農業出版社.

[3]杜白石，楊福增，等.三維機械設計基礎教程[M].西北農林科技大學，2009年3月.

[4]中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊（上）[M]. 北京： 機械工業出版社， 1988.

[5]秦劍秋.靜液壓傳動技術（HST）在拖拉機上的應用[J].拖拉機與農用運輸車. 2006年4月第33卷第2期.

[6]吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊（第二版）[M].高等教育出版社.

[7]機械工程手冊機電工程手冊編輯委員會.機械工程手冊： 專用機械卷（一）[M].北京： 機械工業出版社， 1997.

作者簡介：

王瓊（1981-），女，甘肅天水人，工程碩士，甘肅機電職業技術學院副教授，主要研究方向為機械產品設計。