羅新文，黃云戰(zhàn)，李貴榮，楊麗祥

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

東風(fēng)-12 型手扶拖拉機(jī)是典型的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品之一。該產(chǎn)品配上相應(yīng)農(nóng)機(jī)具，能犁、耕、旋耕、碎土、水耙、開(kāi)溝、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，也可作各種固定作業(yè)的動(dòng)力使用，如小型排灌、噴霧、脫粒、磨粉、飼料加工等功能，是農(nóng)村不可缺少的主要機(jī)械產(chǎn)品。本研究對(duì)該產(chǎn)品的主要傳動(dòng)部件——離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析研究，以期進(jìn)一步改進(jìn)其結(jié)構(gòu)工藝。

1 離合器結(jié)構(gòu)

離合器是手扶拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)后面，變速箱的前面，用來(lái)分離和接合發(fā)動(dòng)機(jī)傳給傳動(dòng)系的動(dòng)力。在結(jié)構(gòu)上要求離合器接合時(shí)柔和平順，能將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力平穩(wěn)地傳給傳動(dòng)箱，使拖拉機(jī)平穩(wěn)無(wú)沖擊地起步；分離時(shí)，要求迅速、徹底、不打滑，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下能使拖拉機(jī)平穩(wěn)無(wú)沖擊地停車、換擋。當(dāng)拖拉機(jī)在工作中遇到超負(fù)荷時(shí)，離合器能自行打滑，使傳動(dòng)系的其他零件不被損壞[1]。

東風(fēng)-12 型手扶拖拉機(jī)是采用單作用壓緊式摩擦離合器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，離合器是依靠摩擦力工作的。摩擦片的結(jié)構(gòu)為雙片式干式結(jié)構(gòu)，它在彈簧作用下，經(jīng)常處在接合狀態(tài)，靠?jī)蓚€(gè)零件接觸面的正壓力所產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)傳遞扭矩，所產(chǎn)生摩擦扭矩的大小除和正壓力的大小有關(guān)外，還和摩擦面的材料和摩擦面積的大小有關(guān)。如摩擦盤(pán)之間的壓緊力越大，摩擦面的摩擦系數(shù)越高，摩擦表面的直徑越大，則能夠傳遞的扭矩也越大。但考慮到整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)計(jì)算在滿足要求的前提下，摩擦表面直徑應(yīng)盡可能小。

2 離合器參數(shù)校核假設(shè)條件

計(jì)算時(shí)的參考條件：東風(fēng)-12 型手扶拖拉機(jī)因其在復(fù)雜環(huán)境惡劣條件下工作，離合器結(jié)構(gòu)為干式、雙片、頻繁接合式摩擦離合器。在離合器設(shè)計(jì)計(jì)算中，要進(jìn)行離合的摩擦力矩和儲(chǔ)備系數(shù)的確定，摩擦片的磨損計(jì)算，以及各零件的強(qiáng)度計(jì)算。設(shè)計(jì)中，如采用石棉離合器摩擦片（JC124-66），摩擦溫度在120±10℃時(shí)摩擦系數(shù)取0.36，摩擦損耗0.06 mm/0.5h，由于離合器在磨損過(guò)程中條件較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，計(jì)算時(shí)先采用下列假設(shè)條件：（1）離合器瞬時(shí)接合；（2）經(jīng)過(guò)離合器所傳遞的扭矩具有不變的最大值；（3）主離合器接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大功率；（4）拖拉機(jī)機(jī)動(dòng)輪不滑轉(zhuǎn)；（5）忽略發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器皮帶傳動(dòng)中心打滑[2]。

3 離合器摩擦片表面上單位壓力和儲(chǔ)備系數(shù)的確定

根據(jù)離合器皮帶輪鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸，要求兩個(gè)從動(dòng)盤(pán)和主動(dòng)片裝于腔內(nèi)，據(jù)所決定摩擦片的已知條件：（1）摩擦片表面的外半徑R2=80 mm；（2）摩擦片表面的內(nèi)半徑R1=38 mm；（3）適用于拖拉機(jī)的摩擦表面材料（銅絲石棉—鑄鐵）的摩擦系數(shù)取為0.3。以下列兩點(diǎn)分別計(jì)算：

圖1 東風(fēng)-12 型手扶拖拉機(jī)摩擦離合器結(jié)構(gòu)圖

摩擦離合器片單位壓力：

當(dāng)取單位許用應(yīng)力[δ]=2.5 kg/cm2，δ≤[δ]，基本滿足要求。

儲(chǔ)備系數(shù)：

式中Mm為離合器的計(jì)算摩擦力矩，Mn為傳遞力矩。Mm計(jì)算式如下：

考慮摩擦?xí)r的平均摩擦表面半徑

Mn按下式計(jì)算：

式中：N 為發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算功率（12 馬力）；n 為發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）；i△為發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)輪直徑D1（125 mm）與離合器皮帶輪直徑D（210 mm）之比，=1.68；η△為發(fā)動(dòng)機(jī)到離合器皮帶輪一級(jí)三角輪機(jī)械傳動(dòng)效率（0.92）。從儲(chǔ)備系數(shù)看出，摩擦力矩遠(yuǎn)大于傳遞扭矩，滿足要求。

4 離合器磨損及發(fā)熱功的驗(yàn)算

4.1 離合器的磨損驗(yàn)算

離合器在起步過(guò)程中接合一次時(shí)的總滑磨功：

式中：ωm為離合器皮帶盤(pán)角速度124.7（m/s）；Jm為發(fā)動(dòng)機(jī)零件慣性矩，其值等于飛輪慣性Jn與其他旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分換算到離合器皮帶盤(pán)上慣性矩：

Jn為拖拉機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到離合器從動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

式中：GT為拖拉機(jī)使用重量（460 kg，包括帶犁及輪子配重40 kg）；GCX為拖拉機(jī)牽引重物（1 000 kg，一般運(yùn)輸應(yīng)控制在750 kg 以內(nèi)）；Dk為驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑，考慮裝膠輪轉(zhuǎn)時(shí)，取Dk=0.307 m；ηkn為離合器從動(dòng)軸到驅(qū)動(dòng)輪之間的傳動(dòng)效率，取ηkn=0.97；i4為第4 級(jí)傳動(dòng)比（1.5）。故單位摩擦功：

在工作可靠的離合器中，A′≤3 kg·m/cm2可以滿足要求。

4.2 離合器的發(fā)熱計(jì)算

離合器接合一次時(shí)，其零件的溫度升高由下式確定：

5 離合器主要元件的強(qiáng)度計(jì)算

5.1 離合器軸計(jì)算

離合器軸傳遞的扭矩較大，選用材料45 鋼，應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算扭矩進(jìn)行離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力和花鍵擠壓應(yīng)力計(jì)算。

離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力：

式中，d 為花鍵軸的內(nèi)徑（危險(xiǎn)斷面直徑）。計(jì)算結(jié)果表明，離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足要求。

離合器軸的花鍵擠壓應(yīng)力：

式中：x 為花鍵的載荷分布不均勻系數(shù)，取值0.8；l為鍵槽的工作長(zhǎng)；h 為花鍵軸接觸高度D 為花鍵軸的外徑；z 為花鍵軸槽的數(shù)目；p 為平鍵的圓周力，P=2 Mn/d。從計(jì)算結(jié)果看出，花鍵的實(shí)際擠壓應(yīng)力雖比許用應(yīng)力小，但差距不大。

5.2 分離杠桿的強(qiáng)度計(jì)算

離合器體及分離爪結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 離合器體及分離爪結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

因?yàn)榉蛛x爪是3個(gè)，故：

抗彎截面模量為：

從計(jì)算結(jié)果看出，現(xiàn)在使用分離杠桿的強(qiáng)度與許用分離杠桿的強(qiáng)度相差很少，因此，分離杠桿的強(qiáng)度應(yīng)該加強(qiáng)，可從材料選擇上改善，或者從結(jié)構(gòu)的尺寸上改善。

5.3 調(diào)整螺桿的強(qiáng)度驗(yàn)算

調(diào)整螺桿的強(qiáng)度：σ=353.4<[σp]=1 550（kg/cm2），滿足要求。式中：d1=5.835（螺紋內(nèi)徑）。

5.4 離合器主動(dòng)片擠壓應(yīng)力驗(yàn)算

離合器主動(dòng)片擠壓應(yīng)力：

式中：z 為凸輪齒數(shù)（3）；h 為凸輪齒數(shù)有效高度（5.75 mm）；l 為凸輪厚度（6 mm），x 為凸輪齒面有效接觸系數(shù)（0.8）（kg）（因?yàn)?個(gè)面?zhèn)鬟f扭矩，主動(dòng)片只有兩個(gè)面）從這里的計(jì)算看，已滿足要求。

6 結(jié) 論

通過(guò)以上的計(jì)算校核分析，筆者認(rèn)為，離合器材料的選擇、最初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度多數(shù)滿足要求，但有的地方仍然需要改正。

（1）將摩擦片材質(zhì)改用金屬陶瓷摩擦材料，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.3～0.5 之間，使摩損率減小，低于原設(shè)計(jì)的0.06 mm/0.5 h，在350℃高溫下仍無(wú)熱衰退及燒片現(xiàn)象，確保傳扭能力，從而在滿載及惡劣工況條件仍然正常工作。

（2）考慮到拖拉機(jī)在農(nóng)村的應(yīng)用是超負(fù)荷使用，為了保證傳遞動(dòng)力時(shí)離合器的正常工作，離合器就必須具有恰當(dāng)?shù)淖杂砷g隙（分離杠桿與分離軸承的間隙Δ 應(yīng)該在0.4～0.7 mm 范圍內(nèi)），因此，摩擦片的平面加工精度可以提高一個(gè)等級(jí)，3個(gè)分離杠桿的端頭在加工和裝配保持在同一平面上，保證摩擦面嚙合的全接觸。

（3）從計(jì)算結(jié)果看，應(yīng)提高使用分離杠桿的強(qiáng)度與許用分離杠桿的強(qiáng)度差，適當(dāng)加強(qiáng)分離杠桿的材料的強(qiáng)度，增大10%左右的橫截面積。

（4）除了以上的改正，在使用中要求操作者離合制動(dòng)手柄的自由行程在25～30 mm 范圍內(nèi)[3]，要注意定期檢查摩擦盤(pán)的磨損，分離時(shí)，為徹底消除摩擦表面的壓緊力，因此，必須強(qiáng)制性的將壓盤(pán)往回拉。直至摩擦表面間出現(xiàn)約0.5 mm 的分離間隙，然后將分離手柄放回離合的位置，這樣，才能避免摩擦片的嚴(yán)重磨損，使手扶拖拉機(jī)在不同的環(huán)境下也能正常工作。

[1]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2]吳宗澤，盧頌峰，冼健生.簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3]劉桓明.手扶拖拉機(jī)離合器的使用與調(diào)整淺析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化，2010，（9）：53.