渠聚鑫，郭克君，滿大為，湯晶宇

林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

渠聚鑫1,2，郭克君1,2，滿大為1,2，湯晶宇1,2

(1.國家林業(yè)局 哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所 黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林科院 林業(yè)新技術(shù)研究所 北京100091)

對(duì)林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要零部件做了詳細(xì)分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，研究并確定了變速器的傳動(dòng)方案，對(duì)各檔位的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做了系統(tǒng)的論證說明，滿足林內(nèi)作業(yè)機(jī)的多檔位變速需求，為林內(nèi)作業(yè)機(jī)的整體功能實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)和有力保證。

變速器；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；多檔變速

林內(nèi)作業(yè)機(jī)是為了適應(yīng)林區(qū)多變的地況條件下的作業(yè)需求而設(shè)計(jì)，它具有轉(zhuǎn)彎半徑小，驅(qū)動(dòng)力大，爬坡能力強(qiáng)，多檔位，林間通過性能優(yōu)等特點(diǎn)。作業(yè)機(jī)可以配備各種形式的專用設(shè)備從而用于滿足不同的林業(yè)生產(chǎn)需求：挖穴、開溝、施肥施藥、中耕除草、林果采摘集運(yùn)、伐根清理、衛(wèi)生清潔、工程施工和運(yùn)輸?shù)鹊取Ａ謨?nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器是其最重要的部件之一，具有動(dòng)力性能強(qiáng)，體積小，傳遞效率高，實(shí)現(xiàn)了9進(jìn)3退共計(jì)12檔速度的輸出，滿足林間生產(chǎn)作業(yè)各種需求。

1 變速器的功用和要求

變速器是機(jī)械式傳動(dòng)系中的一個(gè)重要部件,它的功用是根據(jù)作業(yè)機(jī)在不同的行駛條件下提出的要求，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，使作業(yè)機(jī)具有適合的牽引力和速度，并同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。為保證林內(nèi)作業(yè)機(jī)倒車以及使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)能夠分離，變速器具有倒檔和空檔。在有動(dòng)力輸出需要時(shí)，還應(yīng)有功率輸出裝置[1]。

變速器應(yīng)滿足的基本要求是：應(yīng)保證作業(yè)機(jī)具有高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。作業(yè)機(jī)的整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)作業(yè)機(jī)載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數(shù)及傳動(dòng)比；工作可靠，操縱輕便。林內(nèi)作業(yè)機(jī)在行駛過程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動(dòng)跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生；重量輕、體積小、傳動(dòng)效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接檔。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油都可以提高傳動(dòng)效率；噪聲小。選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲[2-3]。

2 中央變速器的傳動(dòng)方案

林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)組成，采用兩級(jí)變速的組成式變速箱，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終獲得9進(jìn)3退共計(jì)12檔速度。多檔位是由檔位桿和變速桿結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)的，檔位桿通過撥叉調(diào)節(jié)共有3個(gè)前進(jìn)檔位和1個(gè)后退檔位，變速桿通過撥叉控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸與不同齒輪的結(jié)合而獲得高、中、低3種速度，最終變速器的輸出速度為12種。變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用效率、作業(yè)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車速，從而可提高林內(nèi)作業(yè)機(jī)的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。采用手動(dòng)的機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)和具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速器，實(shí)現(xiàn)迅速、無聲換檔。

圖1 林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器的動(dòng)力傳遞Fig.1 Schematic of power path in central transmission

林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器傳動(dòng)部分由7根軸和22個(gè)齒輪（包括齒輪軸）組成，動(dòng)力傳遞如圖1所示。傳動(dòng)軸1，1&2檔軸4和倒檔軸5，中間軸2和驅(qū)動(dòng)軸3分別在三個(gè)不同的平面內(nèi)，并通過不同齒輪對(duì)的嚙合可以獲得（3+1）×3=12個(gè)檔位。輸入軸0通過離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)軸3通過錐齒輪及其他中間傳動(dòng)部分與前后橋差速器相連，動(dòng)力輸出軸6為后懸掛設(shè)備提供動(dòng)力。

各檔位動(dòng)力傳遞簡(jiǎn)圖如圖2所示，下面分三種情況分析說明：

圖2 各檔位的動(dòng)力傳遞Fig.2 Schematic of power path in each gear

1) 一檔與二檔：發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的離合器，經(jīng)輸入軸0、直接進(jìn)入傳動(dòng)軸1。傳動(dòng)軸上的雙聯(lián)齒輪可通過撥叉移位分別與1&2檔軸4上的齒輪嚙合，軸4和倒檔軸5是常嚙合傳動(dòng)，倒檔軸5反過來驅(qū)動(dòng)中間軸2，最終將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸3（見圖2左上及左下）。

2) 倒檔：傳動(dòng)軸1通過雙聯(lián)齒輪移位，驅(qū)動(dòng)倒檔軸5，接著驅(qū)動(dòng)中間軸2，然后再將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸3（見圖2右上）。

3) 三檔：在這種情況下，傳動(dòng)軸1直接驅(qū)動(dòng)中間軸2，然后將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸3（見圖2右下）。

中、高、低變速齒輪都位于驅(qū)動(dòng)軸3上，通過內(nèi)置的定位鍵滑動(dòng)分別與驅(qū)動(dòng)軸3實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，它們分別與中間軸2上相對(duì)應(yīng)的齒輪是處于常嚙合傳動(dòng)狀態(tài)的。

傳動(dòng)軸1上的后輸出雙聯(lián)齒輪通過移動(dòng)可分別與中間軸上的雙聯(lián)齒輪嚙合，從而將動(dòng)力通過軸2，軸3的常嚙合齒輪傳遞給動(dòng)力輸出軸6（見圖3）。

3 變速器主要傳動(dòng)技術(shù)參數(shù)

3.1 變速器主要參數(shù)的選擇

(1) 檔數(shù)和傳動(dòng)比：林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器共

圖3 后輸出的動(dòng)力傳遞Fig.3 Schematic of power path in output shaft

有12檔位，選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)其最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著力、作業(yè)機(jī)的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑等來綜合考慮、確定。作業(yè)機(jī)爬坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力。故有

則由最大爬坡度要求的變速器一檔傳動(dòng)比為:

式中 m為車輛總質(zhì)量；g為重力加速度；ψmax為道路最大阻力系數(shù)；rr為驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩； i0為主減速比；η為傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件:

求得的變速器一檔傳動(dòng)比為：

式中G2為車輛滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給路面的載荷；φ為路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取φ=0.5～0.6。

(2) 中心距：中心距對(duì)變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距、應(yīng)能保證齒輪的強(qiáng)度。中心距可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定扭矩, 參考已有變速器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定。

(3) 齒輪模數(shù)：設(shè)計(jì)齒輪時(shí)應(yīng)在滿足彎曲強(qiáng)度的前提下采用較小的模數(shù)。為了制造方便，變速箱各個(gè)齒輪采用統(tǒng)一的一種模數(shù)，模數(shù)可按統(tǒng)計(jì)資料初步選定，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定扭矩初步確定模數(shù)m=3。

(4) 齒輪變位系數(shù)：齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除了為避免齒輪產(chǎn)生根切、湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，此時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行變位[4-11]。

3.2 各檔傳動(dòng)比及其齒輪齒數(shù)的確定

在初選了中心距、齒輪的模數(shù)后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器檔數(shù)、傳動(dòng)比和結(jié)構(gòu)方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。通過反復(fù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，最終得到林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of central transmission for forest task machine

4 變速器的操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在掛檔的過程中，若操縱變速桿推動(dòng)撥叉前后移動(dòng)的距離不足時(shí)，齒輪將不能在完全齒寬上嚙合而影響齒輪的壽命。為了防止這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)變速器操縱機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)設(shè)置自鎖裝置。林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器采用檔位桿與變速桿組合操作，設(shè)置用彈簧壓緊的球形鎖定器來保證全齒寬參加嚙合，并防止自動(dòng)跳檔和掛檔。掛檔機(jī)構(gòu)示意見圖4。

圖4 掛檔機(jī)構(gòu)Fig.4 Transmission shift mechanism

5 結(jié) 論

林內(nèi)作業(yè)機(jī)中央變速器實(shí)現(xiàn)了12檔行進(jìn)速度和高低兩種后懸掛動(dòng)力的輸出，滿足林間生產(chǎn)作業(yè)不同工況的需求，保證了林內(nèi)作業(yè)機(jī)多速、重載、強(qiáng)爬坡的多功能性，將有效降低人工林間作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，整機(jī)應(yīng)用推廣前景十分廣闊。

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Drive mechanism design of central transmission for forest task machine

QU Ju-xin1,2, GUO Ke-jun1,2, MAN Da-wei1,2, TANG Jing-yu1,2
(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery, State Administration of Forestry, Harbin 150086, Heilongjiang, China; 2.Forestry New Technology Research Institute, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

The main components of the central transmission, which is used in forest task machine were analyzed and theirs parameters were designed. The transmission scheme has been determined. Specially, the gear mechanisms with different gears were discussed and explained. It is proved that the designed mechanisms can meet the requirements of forest task machine’s multi- speed, and provides a theoretical basis and guarantee for achieving the overall function of the forest task machines.

forest task machine; transmission；mechanism design；multi-speed-shifting

S776.2

A

1673-923X (2012)07-0124-04

2012-04-20

國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目（2009-4-69）

渠聚鑫（1984—），男，山西大同人，工程師，從事森林工程技術(shù)裝備的研究與開發(fā)；E-mail: qujuxin@126.com

[本文編校：吳 毅]