孫艷芬

(常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常州　213164)

0　引言

變速箱是拖拉機傳動機構(gòu)中不可缺少的部分。一般以運輸工具動力產(chǎn)生裝置作為輸出端，結(jié)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(qū)動輪上，結(jié)合動力輸出裝置為驅(qū)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(tǒng)性能好壞與其結(jié)構(gòu)有明顯關(guān)系，必須在實際設(shè)計中提升變速箱傳動系統(tǒng)性能，為拖拉機提供較為良好的動力控制結(jié)構(gòu)。從本質(zhì)上來說，變速箱屬于拖拉機動力控制機構(gòu)的核心部分，當(dāng)前在進行拖拉機變速箱傳動系統(tǒng)設(shè)計過程中存在一些固有問題，如設(shè)計效率低下、難以在設(shè)計中快速建立拖拉機變速箱三維傳動系統(tǒng)模型、在實際設(shè)計中存在尺寸上固有弊端(尺寸部分難以優(yōu)化)等。為解決以上問題，需要針對問題產(chǎn)生根源結(jié)合計算機輔助技術(shù)進行其設(shè)計優(yōu)化，促進系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率提升。

1　設(shè)計結(jié)構(gòu)和工作原理

針對當(dāng)前在拖拉機變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的一些固有弊端進行分析，并針對性采用相應(yīng)方法對其進行優(yōu)化，結(jié)合實際及相應(yīng)的技術(shù)需求，將其體現(xiàn)在變速箱傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中。

1.1設(shè)計需求

在實際設(shè)計中需要針對變速箱進行需求分析，因此結(jié)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(shè)計中應(yīng)保證其具備足夠擋數(shù)，便于應(yīng)對不同環(huán)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(shù)操作系統(tǒng)；

3)系統(tǒng)換擋過程中需要具備一定穩(wěn)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(dǎo)致其動力出現(xiàn)較大跳躍，造成拖拉機穩(wěn)定性不足，影響其行駛過程；

4)需保證系統(tǒng)具備足夠的動力，并且該系統(tǒng)在實際行走過程中需要具備一定經(jīng)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(wěn)定性；

6)系統(tǒng)運行過程中具備較高的傳動效率；

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

8)變速箱結(jié)構(gòu)需要具備較為適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，并且便于維修管養(yǎng)；

9)設(shè)計變速箱傳動系統(tǒng)應(yīng)盡量保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以輕便為主，在受到外界應(yīng)力時結(jié)構(gòu)性能不會出現(xiàn)較大變化。

1.2變速箱結(jié)構(gòu)

拖拉機變速箱結(jié)構(gòu)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(shè)計時需要結(jié)合實際情況進行分析。為此，設(shè)計功率為5kW，為保證其滿足實際工作需求，設(shè)計轉(zhuǎn)速為220r/min。為滿足其擋位較多需求，本設(shè)計中設(shè)計的變速箱結(jié)構(gòu)一共有8個擋位，前進擋和倒退擋個數(shù)分別為6個和2個。

圖1　變速箱結(jié)構(gòu)

1.3參數(shù)確定

為對拖拉機變速箱進行優(yōu)化，首先需要確定其相關(guān)參數(shù)。變速箱傳動系統(tǒng)主要對拖拉機系統(tǒng)速度進行確定，為提高拖拉機傳動系統(tǒng)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(xiàn)耕作、播種、收獲等基本工作，結(jié)合拖拉機實際需求及當(dāng)前拖拉機使用情況選擇合適速度。本文設(shè)置拖拉機的速度區(qū)間在[0.3，6]km/h之間，并確定其拖拉機鏈輪結(jié)構(gòu)的直徑尺寸為125mm。在以上條件設(shè)置基礎(chǔ)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(fā)動機轉(zhuǎn)速；

dL—拖拉機鏈輪結(jié)構(gòu)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(shè)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(guī)道路行駛時，行走速度可達6km/h，設(shè)定本文研究拖拉機額定功率為5kW，轉(zhuǎn)速設(shè)計為2 200r/min，拖拉機鏈輪結(jié)構(gòu)的直徑尺寸設(shè)計為125mm,并設(shè)置拖拉機鏈輪最大轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)定本文研究拖拉機在實際傳動過程中具備較為穩(wěn)定的傳動結(jié)構(gòu)，并且在運行中其潤滑效果良好。在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡量保證其結(jié)構(gòu)簡便，降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高其靈活性。若在此基礎(chǔ)上保證其傳動比趨于一致，則

Ωi=(imax/imin)4=2.16

在此基礎(chǔ)上得出的傳動軸齒輪最小齒數(shù)約為17。為保證系統(tǒng)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(chǔ)上可結(jié)合其實際需求計算得出變速箱各擋傳動比，結(jié)果如表1所示。

表1　變速箱各擋傳動比

2　傳動系統(tǒng)參數(shù)化建模

為提高傳動穩(wěn)定性和變速可靠性，本研究的傳動系統(tǒng)采用六級減速傳動，其主要結(jié)構(gòu)部分由齒輪及軸承組成。該部分屬于傳動系統(tǒng)主體部分，擬采用三維建模仿真形式結(jié)合相關(guān)參數(shù)進行傳動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。

2.1齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

通過齒輪參數(shù)化建模得到齒輪的三維仿真模型，為后續(xù)傳動系統(tǒng)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。在構(gòu)建齒輪系統(tǒng)時，首先需要將相關(guān)參數(shù)輸入到建模系統(tǒng)中。本文采用Pro/E作為建模平臺，將齒輪參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，輸入?yún)?shù)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(shù)支持下，便可得出本文構(gòu)造的傳動系統(tǒng)齒輪部分結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2.2花鍵軸參數(shù)化建模

齒輪需要在花鍵軸支撐下實現(xiàn)不同齒輪間的傳動過程，在構(gòu)建花鍵軸過程中采用與構(gòu)建齒輪結(jié)構(gòu)較為類似的方式展開。在進行花鍵軸參數(shù)化建模過程中，需要對其參數(shù)進行設(shè)置，具體如下：D為花鍵軸大徑；d為花鍵軸小徑；n為花鍵數(shù)目；L為花鍵軸長度。

確定以上參數(shù)后，便可進行其模型構(gòu)建。在構(gòu)建過程中應(yīng)保證所有鍵標(biāo)準(zhǔn)裝配位置，首先建立花鍵軸基準(zhǔn)面，并設(shè)定其相關(guān)參數(shù)如下：L1/L2軸基準(zhǔn)面長度給定控制參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上可得出花鍵軸三維仿真圖形，如圖3所示。

圖2　傳動系統(tǒng)齒輪仿真圖

圖3　花鍵軸三維仿真圖

2.3拖拉機變速箱結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

變速箱參數(shù)化建模就是將其所有構(gòu)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(shè)計過程中，需結(jié)合零件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；在實際設(shè)計中，可以針對該模型結(jié)合pro/E進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為此，需結(jié)合實際情況進行分析，并在實際運動過程中設(shè)計的二維圖進行構(gòu)建組合。在進行結(jié)構(gòu)框架構(gòu)建過程中，首先需要建立其骨架模型，本系統(tǒng)中采用六級減速方式配合傳動軸和齒輪構(gòu)建出系統(tǒng)。其2D結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中，1～7分別表示傳動齒輪結(jié)構(gòu)。

在進行箱體參數(shù)化建模過程中，需設(shè)置各軸間的間距，分別將其表示為L1～L7。此外，還需設(shè)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(guān)系，即

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

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

結(jié)合Pro/E軟件進行仿真分析，首先建立變速箱基準(zhǔn)面，并將其他面以基準(zhǔn)面為準(zhǔn)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(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖

圖5　變速箱三維仿真模型

在以上構(gòu)建的三維仿真模型基礎(chǔ)上，便可對該結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，判斷該傳動系統(tǒng)傳動效率及傳動效果，并對其進行優(yōu)化分析，在滿足拖拉機工作需求基礎(chǔ)上提升其工作效率。

3　變速箱傳動系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1齒輪輕量化

齒輪是傳動系統(tǒng)重要組成部分，其結(jié)構(gòu)性能關(guān)乎到整個傳動系統(tǒng)傳動效率。一般而言，為提高傳動系統(tǒng)傳遞效率，需要對齒輪進行輕量化處理，在保證其結(jié)構(gòu)性能同時降低質(zhì)量。

對齒輪進行輕量化設(shè)計時，齒輪相關(guān)參數(shù)已經(jīng)確定，因此影響因素主要為系統(tǒng)中各個齒輪各自模數(shù)。對于系統(tǒng)中7個軸齒寬系數(shù)進行分析，可得

X=[X1X2]T=[mΦd]T

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

Φd=[φd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]

結(jié)合上式將系統(tǒng)中7個軸齒寬系數(shù)分析結(jié)果進行進一步描述表示為

X=[X1X2X3X4X5X6X7]T=

[mφd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]T

在此基礎(chǔ)上可將齒輪所有參數(shù)進行標(biāo)記，便于進行后續(xù)處理，再建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。由于要求在不降低系統(tǒng)傳遞效率基礎(chǔ)上降低齒輪結(jié)構(gòu)的體積及質(zhì)量，設(shè)定參數(shù)V表示齒輪結(jié)構(gòu)總體積。通過遺傳算法對拖拉機變速箱傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，最終得到的結(jié)果如表2所示。從表2中不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后的變速箱體積縮小了近4.3%，且有效降低了傳動系統(tǒng)的整體質(zhì)量。由此可見，本次優(yōu)化效果明顯。

表2　齒輪優(yōu)化前后參數(shù)對比

3.2變速箱各軸空間位置尺寸的優(yōu)化

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

表3　各軸心連線傾角優(yōu)化前后對比

由表3可知：系統(tǒng)得到有效優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行再次仿真， 其局部傳動系統(tǒng)如圖6所示。此時，系統(tǒng)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(yōu)化后的局部傳動圖

4　結(jié)論

本文研究的傳動系統(tǒng)采用六級減速傳動，主要由齒輪及軸承組成，屬于傳動系統(tǒng)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(yōu)化參數(shù)，并將其組合成為本文研變速箱傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對得到的系統(tǒng)進行優(yōu)化處理。對齒輪進行輕量化設(shè)計時，其齒輪相關(guān)參數(shù)已經(jīng)確定，因此在進行齒輪輕量化設(shè)計時影響因素主要為系統(tǒng)中各個齒輪各自模數(shù)，對其中7個軸齒寬系數(shù)進行分析。優(yōu)化過程中，一般只能研究傳動系統(tǒng)各軸空間位置，在此基礎(chǔ)上進行各個空間位置最優(yōu)化，從而實現(xiàn)變速箱尺寸最小的目標(biāo)。

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