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畢業(yè)設(shè)計(jì)課題說明書 2008年12 月 9日 題 目 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)與優(yōu)化 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 主要研究方向 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 選題的主要目的和意義： 隨著農(nóng)用機(jī)械的發(fā)展，推土機(jī)、挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械得到了更廣泛的應(yīng)用，但由于價格昂貴，大部分農(nóng)民無力購買。為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要便出現(xiàn)了一種由價格相對低廉的拖拉機(jī)改造的小型工程機(jī)械。 本課題設(shè)計(jì)了適用于小四輪拖拉機(jī)的改進(jìn)與優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)通過改進(jìn)和優(yōu)化變速箱的結(jié)構(gòu)增加了小四輪拖拉機(jī)的用途和使用壽命。使農(nóng)機(jī)的利用率大大提高。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢： 隨著國內(nèi)汽車市場的發(fā)育成長，變速器產(chǎn)品型譜逐步細(xì)化，產(chǎn)品的針對性越來越強(qiáng)，因此在保證現(xiàn)有變速器生產(chǎn)和改進(jìn)的同時，要充分認(rèn)識到加入WTO后良好的合作開發(fā)機(jī)遇，取長補(bǔ)短，要緊跟重型商用車行業(yè)向高檔、高技術(shù)含量和智能化方向發(fā)展的趨勢，要緊跟客車低地板化、綠色環(huán)?；?、城市公交大型化的發(fā)展方向，開發(fā)和生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適合我國國情的重型車用變速器。 教學(xué)單位領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見： 組長簽名： 年 月 日 注：本表由擬擔(dān)任畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)任務(wù)的教師填寫。教學(xué)單位存檔。 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告書 2008年12 月27日 院（系） 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 姓 名 學(xué) 號 設(shè) 計(jì) 題 目 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)與優(yōu)化 一、選題目的和意義 近些年，隨著農(nóng)用機(jī)械的發(fā)展，各種大型高科技機(jī)械得到了更廣泛的應(yīng)用，但價格高昂無法普及。因此一種改造機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生。 本課題設(shè)計(jì)了適用于普通型號拖拉機(jī)的改進(jìn)與優(yōu)化。通過改進(jìn)變速箱的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化齒輪參數(shù)增加了小四輪拖拉機(jī)的用途和使用壽命。大大提高了農(nóng)機(jī)的利用率。 二、本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)變速器產(chǎn)品的技術(shù)多源于美國、德國、日本幾個國家，引進(jìn)技術(shù)多為國外上世紀(jì)80—90年代的產(chǎn)品。作為汽車高級技術(shù)領(lǐng)域的重型汽車變速器在國內(nèi)漫長的引進(jìn)消化過程中，如今已有長足的進(jìn)步，能夠在原有技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過改型自行開發(fā)出符合配套要求的新產(chǎn)品，每年重型車變速器行業(yè)都能有十幾個新產(chǎn)品推向市場。但從當(dāng)今重型車變速器的發(fā)展情況來看，在新產(chǎn)品開發(fā)上國內(nèi)重型車變速器仍然走的是一般性的開發(fā)過程，沒有真正的核心技術(shù)產(chǎn)品；從國內(nèi)重型汽車變速器市場容量來看，有三分之一的產(chǎn)品來自進(jìn)口，而另外三分之二的產(chǎn)品中有80%以上源自國外技術(shù)，國內(nèi)自主開發(fā)的重型汽車變速器產(chǎn)品銷量很小，從而說明國內(nèi)重型汽車變速器廠家的自主開發(fā)能力仍然很薄弱，應(yīng)對整車新車型配套產(chǎn)品的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國城市車輛將重點(diǎn)發(fā)展的13.8m客車上使用的變速器，目前只有ZF一家能向國內(nèi)企業(yè)供應(yīng)，就足以說明國內(nèi)的重型車變速器企業(yè)仍然很渺小，在技術(shù)方面仍然有很長的路要走。 國內(nèi)重型汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團(tuán)有限責(zé)任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾大家包攬。 三、課題設(shè)計(jì)方案 [主要說明：研究（設(shè)計(jì)）的基本內(nèi)容、觀點(diǎn)及擬采取的研究途徑和方法。] 變速器是由變速傳動機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，需要時，還可以加裝動力輸出器。手動變速箱主要由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合產(chǎn)生變速變矩。通過對普通小四輪拖拉機(jī)變速箱的改造和優(yōu)化使其具有更廣泛的用途。改造主要是各軸和齒輪的改造，使其由正開式變化為倒開式的拖拉機(jī)，以滿足不同類型的農(nóng)機(jī)的需要，同時對齒輪進(jìn)行優(yōu)化，提高齒輪的精度，以提高農(nóng)機(jī)的使用壽命。 四、計(jì)劃進(jìn)度安排 [主要說明：起止時間及分階段的進(jìn)度要求。] 2008.12.02-2008.12.24 教師對設(shè)計(jì)的思路及資料收集等相關(guān)問題進(jìn)行第一輪指導(dǎo)。 2008.12.25-2009.01.05 查閱相關(guān)資料，理清論文設(shè)計(jì)的思路、內(nèi)容、方法、步驟及 相關(guān)問題，完成開題報告書，并提交指導(dǎo)教師評閱。 2009.01.06-2009.01.19 構(gòu)建論文整體框架，開始論文撰寫，期間遇到問題及時與指教 師進(jìn)行交流。 2009.01.20-2009.01.26 據(jù)課題進(jìn)展情況完成中期檢查表，并口頭匯報工作。 2009.01.27-2009.02.02 基本完成設(shè)計(jì)工作，交由老師審閱。 2009.02.03-2009.02.23 根據(jù)老師提出的意見，進(jìn)行論文修改，并提交答辯小組審閱。 2009.02.24-2009.03.09 進(jìn)一步完善論文，準(zhǔn)備論文答辯。 五、主要參考文獻(xiàn) [1] 張毅.離合器及機(jī)械變速器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.32～37. [2] 何雄奎.農(nóng)業(yè)機(jī)械化[M].北京:化學(xué)工藝出版社, 2005.55～58. [3] 毛振楊.機(jī)械零件課程設(shè)計(jì)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2000.43～51. [4] 陳立周.機(jī)械化設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1985.195. [5] 周紀(jì)良.拖拉機(jī)及類似車輛傳動系[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.21～27. [6] 周守仁.自動變速箱[M].北京:中國鐵道出版社, 1984.66～71. 指導(dǎo)教師意見及建議： 簽名： 年 月 日 教學(xué)單位領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見： 組長簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查表 院(系)： 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 2009年1月20日 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)與優(yōu)化 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 計(jì)劃完成時間： 2009年 3月 9日 畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度計(jì)劃： 2008.12.02-2008.12.24 教師對論文的思路及資料收集等相關(guān)問題進(jìn)行第一輪指導(dǎo)。 2008.12.25-2009.01.05 查閱相關(guān)資料，理清論文設(shè)計(jì)的思路、內(nèi)容、方法、步驟及 相關(guān)問題，完成開題報告書，并提交指導(dǎo)教師評閱。 2009.01.06-2009.01.19 構(gòu)建論文整體框架，開始論文撰寫，期間遇到問題及時與指教 師進(jìn)行交流。 2009.01.20-2009.01.26 據(jù)課題進(jìn)展情況完成中期檢查表，并口頭匯報工作。 2009.01.27-2009.02.02 基本完成設(shè)計(jì)工作，交由老師審閱。 2009.02.03-2009.02.23 根據(jù)老師提出的意見，進(jìn)行論文修改，并提交答辯小組審閱。 2009.02.24-2009.03.09 進(jìn)一步完善論文，準(zhǔn)備論文答辯。 完成情況： 經(jīng)查閱大量書籍和報刊，獲取了很多信息與知識，基本完成了論文的設(shè)計(jì)工作，準(zhǔn)備交與老師以備審閱。 指導(dǎo)教師評議（指出優(yōu)點(diǎn)和不足，如有其它建議，可另附頁） 簽 名： 年 月 日 備 注： 目 錄 摘要及關(guān)鍵詞 1 1 引言 1 1.1 變速箱的產(chǎn)生 1 1.2 我國變速器的發(fā)展 2 1.3 變速器的性能及用途 3 1.4 變速器的地位及意義 6 2. 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì) 6 2.1 變速箱的結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方法 6 2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù) 8 2.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng) 11 3. 變速箱齒輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 12 3.1 建立齒輪傳動的動力學(xué)模型 12 3.2 齒輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 15 4 結(jié)束語 17 參考文獻(xiàn) 18 謝 辭 19 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)與優(yōu)化 陳 超 （德州學(xué)院機(jī)電工程系，山東德州253023） 摘 要：通過對原機(jī)械方向盤、座位、離合器等機(jī)構(gòu)方位的改變把正開式改為倒開式，通過對變速箱結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)改造機(jī)械輸出功率等技術(shù)參數(shù)的改變。本課題設(shè)計(jì)了適用于普通系列小四輪的改進(jìn)與優(yōu)化。通過改進(jìn)和優(yōu)化變速箱的結(jié)構(gòu)和部件參數(shù)，增加了小四輪拖拉機(jī)的使用壽命。使其利用率大大提高。 關(guān)鍵詞：變速箱；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；離合器。 1 引言 1.1 變速箱的產(chǎn)生 自1894年法國工程師給當(dāng)時的汽車裝上第一個變速箱以來，汽車變速箱的發(fā)展已經(jīng)走過了一百年的歷史。變速箱，英文叫做Transmission,位處離合器和傳動軸之間，可以將發(fā)動機(jī)的動力和轉(zhuǎn)速輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)后，再傳給驅(qū)動輪，起到調(diào)配作用。在汽車部件的運(yùn)行過程中主要承擔(dān)以下三個責(zé)任： (1)改變傳動比，擴(kuò)大驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，同時使發(fā)動機(jī)在有利（功率較高而油耗較低）的情況下工作； (2)在發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，使汽車能夠倒退行駛； (3)利用空檔，中斷動力傳遞，使發(fā)動機(jī)能夠啟動、變速，并便于變速器換檔或進(jìn)行動力輸出。 現(xiàn)代汽車上采用的變速器有多種結(jié)構(gòu)形式，通常可作如下分類。 (1)按傳動比的級數(shù)分 變速器按傳動比的級數(shù)可分為有級式、無級式和綜合式三種。 ①有級式變速器 它采用齒輪傳動，具有若干個定值傳動比。轎車和輕、中型貨車變速器多采用3至5個前進(jìn)檔和一個倒檔（每個檔位對應(yīng)一個傳動比）。重型汽車變速器的檔位較多，有的重型車還裝有副變速器。 齒輪式變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、工作可靠、傳動效率高等有點(diǎn)。 ②無級式變速器 它的傳動比在一定的數(shù)值范圍內(nèi)可連續(xù)變化，多采用液力變矩器以及錐形輪帶傳動來完成。 ③綜合式變速器 它是由液力變矩器和行星齒輪式變速器組成的液力機(jī)械式變速器，其傳動比可在最大值與最小值之間的幾個間斷的范圍內(nèi)作無級變化，目前應(yīng)用較多。 (2)按變速器操縱方式分 按變速器操縱方式可分為強(qiáng)制操縱式、半自動操縱式和自動操縱式變速器三種。 ①強(qiáng)制操縱式變速器 它是通過駕駛員用手操縱變速桿來選定檔位，并直接操縱變速器的換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行檔位變換。齒輪式有級變速器大多數(shù)都采用強(qiáng)制操縱的換檔方式。 ②半自動操縱式變速器 這種變速器一般是通過駕駛員用手操縱換檔手柄選定檔位，同時導(dǎo)通變速器換檔機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)操縱下使換檔機(jī)構(gòu)自動進(jìn)行換檔。 ③自動操縱式變速器 通常簡稱為自動變速器，在某一傳動比范圍內(nèi)（一般式在前進(jìn)檔范圍內(nèi)），由變速器的自動控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和車速的變化情況自動的選定檔位，并進(jìn)行檔位變換，即自動的改變傳動比。駕駛員只需操縱加速踏板以控制車速。 (3)按變速器傳動方式分 按變速器傳動方式可分為普通齒輪式變速器和液力機(jī)械式變速器兩種。 ①普通齒輪式變速器 普通齒輪式變速器由多對齒輪傳動組成。 ②液力機(jī)械式變速器 液力機(jī)械式變速器由液力變矩器和有級機(jī)械式變矩器組成[1]。 1.2 我國變速器的發(fā)展 國內(nèi)變速器產(chǎn)品的技術(shù)多源于美國、德國、日本幾個國家，引進(jìn)技術(shù)多為國外上世紀(jì)80—90年代的產(chǎn)品。作為汽車高級技術(shù)領(lǐng)域的重型汽車變速器在國內(nèi)漫長的引進(jìn)消化過程中，如今已有長足的進(jìn)步，能夠在原有技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過改型自行開發(fā)出符合配套要求的新產(chǎn)品，每年變速器行業(yè)都能有十幾個新產(chǎn)品推向市場。但從當(dāng)今變速器的發(fā)展情況來看，在新產(chǎn)品開發(fā)上國內(nèi)變速器仍然走的是一般性的開發(fā)過程，沒有真正的核心技術(shù)產(chǎn)品；從國內(nèi)汽車變速器市場容量來看，有三分之一的產(chǎn)品來自進(jìn)口，而另外三分之二的產(chǎn)品中有80%以上源自國外技術(shù)，國內(nèi)自主開發(fā)的重型汽車變速器產(chǎn)品銷量很小，從而說明國內(nèi)汽車變速器廠家的自主開發(fā)能力仍然很薄弱，應(yīng)對整車新車型配套產(chǎn)品的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國城市車輛將重點(diǎn)發(fā)展的13.8m客車上使用的變速器，目前只有ZF一家能向國內(nèi)企業(yè)供應(yīng)，就足以說明國內(nèi)的變速器企業(yè)仍然很渺小，在技術(shù)方面仍然有很長的路要走。 國內(nèi)汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團(tuán)有限責(zé)任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾大家包攬。這些企業(yè)生產(chǎn)的變速器產(chǎn)品針對的市場各有側(cè)重，像陜西法士特在8t以上重型車市場占有率達(dá)到40%以上，并且在15t以上重型車市場占有絕對的優(yōu)勢，擁有85%以上的市場份額；綦江齒輪傳動有限公司主要為安凱、西沃、亞星奔馳、桂林大宇及廈門金龍等企業(yè)的7～12m高檔大、中型客車以及總質(zhì)量在14～50t重型載貨車、鞍式牽引車、自卸車及各種專用車、特種車配套；山西大同齒輪集團(tuán)配套市場主要在8～10t級的低噸位重型載貨車。 我國自動變速器的發(fā)展趨勢： 自動變速器主要有液力自動變速器(AT)、電控機(jī)械式自動變速器(AMT)、無級自動變速器(CVT)。其技術(shù)關(guān)鍵是電子技術(shù)、電液控制和傳感技術(shù)。我國目前的基礎(chǔ)工業(yè)難以滿足AT的高技術(shù)、高投資要求，加之與這些產(chǎn)品匹配的發(fā)動機(jī)排量差異大，生產(chǎn)AT難以系列化。對于CVT，必須開發(fā)其關(guān)鍵部件——液力變扭器，它性能優(yōu)良，還可以與AMT組成新的液力機(jī)械傳動，是自動變速器的“靈魂”。我國目前的國情應(yīng)以AMT為主方向，它性價比高，價格是AT的1/4～1/3，人世之后它仍有競爭力；生產(chǎn)繼承性好，改造資金投入少；生產(chǎn)批量靈活，小批量、小得益，大批量、大得益；相對于各種車型，其硬件開發(fā)和軟件研制在結(jié)構(gòu)上、理論上是相通的，成果可推廣到各類型汽車上。 1.3 變速器的性能及用途 拖拉機(jī)上廣泛采用齒輪式變速箱，通常位于主離合器之后，主要由變速箱體、變速桿、撥叉和撥叉軸、齒輪軸和相互嚙合的齒輪副組成。其主要功能是： (1)減速加轉(zhuǎn)矩 即將拖拉機(jī)的行駛速度降低，轉(zhuǎn)矩增大。 (2)變速改變轉(zhuǎn)矩 即變換排檔，以改變傳動系統(tǒng)的傳動比，使拖拉機(jī)獲得所需要的各種行駛速度和驅(qū)動力。 (3)實(shí)現(xiàn)空檔 使拖拉機(jī)在發(fā)動機(jī)不熄火的情況下較長時間停車，同時便于發(fā)動機(jī)在空載狀態(tài)下起動。通過使變速箱中沒有一對齒輪副傳遞動力，即打斷發(fā)動機(jī)與驅(qū)動輪之間的動力聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)。 (4)實(shí)現(xiàn)倒檔 使拖拉機(jī)能倒退行駛。它通常通過增加一中間齒輪或在結(jié)構(gòu)上增加一對齒輪副來實(shí)現(xiàn)。 變速箱的功用： (1)齒輪傳動中齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 齒輪式變速箱使利用大小齒輪的搭配來改變轉(zhuǎn)速和傳遞動力的。在兩嚙合齒輪傳動時，主動齒輪與從動齒輪的轉(zhuǎn)速與他們的齒數(shù)成反比，齒數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越慢。如果二者齒數(shù)相等，則其轉(zhuǎn)速不變。變速箱就是根據(jù)這個特點(diǎn)通過多對齒輪嚙合來變速的。 (2)輪傳動時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 在圖1中，小齒輪為主動齒輪，大齒輪為被動齒輪，當(dāng)小齒輪驅(qū)動大齒輪時，大齒輪比小齒輪的轉(zhuǎn)速慢。但根據(jù)作用力與反作用力原理可知，當(dāng)兩齒輪相互作用時，作用在嚙合面上的力是相等的。由轉(zhuǎn)矩=力×力臂 可知，因大、小齒輪的半徑（即力臂）不等，所以大、小齒輪受的轉(zhuǎn)矩不相等，即大齒輪的轉(zhuǎn)矩大，小齒輪的轉(zhuǎn)矩小，這表明在齒輪傳動中，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。故當(dāng)小齒輪驅(qū)動大齒輪時，既降低了大齒輪的轉(zhuǎn)速，又增大了大齒輪的轉(zhuǎn)矩，即減速增扭；反之即為增速減扭。 1——主動齒輪 2——被動齒輪 3——中間齒輪 圖1 齒輪傳動 (1)齒輪傳動的旋轉(zhuǎn)方向 當(dāng)一對齒輪傳動時，則主動齒輪和從動齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。如果在這兩個齒輪中間再增加一個齒輪與之嚙合，則主動齒輪和從動齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，而且傳動比不變。變速箱就是利用齒輪傳動的這個特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)倒退的。 (2)變速箱的工作原理 第一軸 第二軸 圖2 一種滑動嚙合變速箱 圖2 是一種典型的滑動嚙合變速箱，它可實(shí)現(xiàn)3個前進(jìn)檔和1個倒退檔，第一軸（又稱變速箱動力輸入軸）的動力來自離合器花鍵軸，在軸端固定著齒輪A，它始終與中間軸上的大齒輪A嚙合，而中間軸上的齒輪都是固定的。所以，只要第一軸傳入動力，中間軸上的齒輪就轉(zhuǎn)動。變速箱第二軸為花鍵軸，它上面的齒輪即可以沿花鍵作軸向運(yùn)動，又可以帶動第二軸旋轉(zhuǎn)而輸出動力。第二軸的前端支承在A齒輪所在的第一軸上，圖2中它們貌似同一軸，其實(shí)是互不干擾的兩根軸。圖2所示位置為齒輪CC處于嚙合狀態(tài)，動力從第一軸經(jīng)過齒輪AA傳動中間軸，中間軸將齒輪CC驅(qū)動第二軸而輸出動力，為第一個前進(jìn)檔位。 第二個前進(jìn)檔位時線分離齒輪CC，再嚙合齒輪BB而獲得。第三個前進(jìn)檔位是直接將第二軸上齒輪B的內(nèi)齒與第一走上的齒輪A相嚙合，亦即將第一、第二軸鎖定為一根軸，直接輸出動力，此檔速度為最高速。 當(dāng)需要倒車時，將大齒輪C向后滑動，使之與齒輪D嚙合，而齒輪D時始終與齒輪E嚙合的。通過這一操作，大齒輪C的旋轉(zhuǎn)方向與中間軸旋轉(zhuǎn)方向一致，即可實(shí)現(xiàn)倒檔。 通常拖拉機(jī)的變速箱采用兩級變速的組合式變速箱，這樣可以得到較多的速檔，如6個以上前進(jìn)檔和2個倒檔，以滿足拖拉機(jī)在各種田間作業(yè)和道路行駛對速度和牽引力的需要。[2] 如本設(shè)計(jì)將要改進(jìn)的實(shí)例：普通小四輪拖拉機(jī)就有6個前進(jìn)檔和一個倒檔。 1.4 變速器的地位及意義 隨著國內(nèi)汽車市場的發(fā)育成長，變速器產(chǎn)品型譜的逐步細(xì)化，產(chǎn)品的針對性越來越強(qiáng)，因此在保證現(xiàn)有變速器生產(chǎn)和改進(jìn)的同時，要充分認(rèn)識到加入WTO后良好的合作開發(fā)機(jī)遇，取長補(bǔ)短，同時更應(yīng)認(rèn)識到供方、買方、替代者、產(chǎn)品競爭者的巨大壓力。要緊跟重型商用車行業(yè)向高檔、高技術(shù)含量和智能化方向發(fā)展的趨勢，要緊跟客車低地板化、綠色環(huán)保化、城市公交大型化的發(fā)展方向，開發(fā)和生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適合我國國情的重型車用變速器。 2. 拖拉機(jī)變速箱的改進(jìn)設(shè)計(jì) 2.1 變速箱的結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方法 小四輪拖拉機(jī)變速箱的傳動結(jié)構(gòu)如圖3所示(以普通型號小四輪拖拉機(jī)為例)，它有6 個前進(jìn)檔和1 個倒檔。變速箱內(nèi)各軸之間的位置關(guān)系如圖4 所示。拖拉機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 一軸 二軸 三軸 四軸 五軸 1.一軸齒輪 2.副變速高速齒輪 3.副變速低速齒輪 4.副變速雙聯(lián)滑移齒輪 5.II、V檔齒輪 6.IV、VI檔齒輪 7.I、III檔齒輪 8.II、V檔滑移齒輪 9.I、III、IV、VI檔雙聯(lián)滑移齒輪 圖3 變速箱傳動示意圖 圖4 變速箱結(jié)構(gòu)示意圖 表1 某型號小四輪拖拉機(jī)基本參數(shù) 型號 外形尺寸(mm) 軸距(mm) 輪距(mm)前后 170 2545×1205×1318 1400 900/1000 轉(zhuǎn)向圓半徑(m) 地隙(mm) 額定牽引力(kN) 變速箱 2.8-0.2+0.2 299 3.8 6+1機(jī)械變速箱 減速器 前進(jìn)(km/h) 后退(km/h) 發(fā)動機(jī)型號 機(jī)械 2.44～25.10 3.22～9.05 ZH1105WAG 發(fā)動機(jī)型式 發(fā)動機(jī)功率(kw) 燃油消耗率(g/kw.h) 單缸，臥式，4沖程 12.1 <246.2 從圖3 和圖4中可以看出，在不改變變速箱結(jié)構(gòu)的情況下，把Ⅳ、Ⅵ檔齒輪(6)和Ⅰ、Ⅲ檔齒輪(7)從三軸上卸下，再安裝在二軸上，就能夠達(dá)到增加倒開式拖拉機(jī)前進(jìn)檔的目的。由于二、三軸結(jié)構(gòu)不同，同時三、四軸之間和二、四軸之間的中心距也不相同，所以必須重新配對設(shè)計(jì)這兩對齒輪和二軸，才能夠使齒輪順利安裝進(jìn)去[3]。 二軸、五軸中心距為74.1mm，三軸、五軸的中心距為88.5mm。需改進(jìn)的齒輪數(shù)據(jù)如表2。 表2 需改進(jìn)齒輪參數(shù) 圖中序號 名稱 齒數(shù) 齒形角/(°) 模數(shù) 變位系數(shù) 備注 6 IV、VI檔齒輪 33 20 3 +0.05 7 I.III檔齒輪 37 20 3 +0.05 中心距： 9 IIIIIVVI檔雙 26 20 3 +0.05 88.5mm 聯(lián)滑移齒輪 20 20 3 +0.15 改進(jìn)后的倒開式小四輪拖拉機(jī)變速箱傳動結(jié)構(gòu)如圖5 所示。 一軸 二軸 三軸 四軸 五軸 1.一軸齒輪 2.倒II檔齒輪 3.I、倒I檔齒輪 4.倒I、倒II檔雙聯(lián)滑移齒輪 5.倒I、倒II檔齒輪6a.II檔齒輪 7a.III檔齒輪 8.倒I、倒II檔齒輪 9a.II、III檔滑移齒輪 圖5 倒開式變速箱傳動示意圖 2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù) 改進(jìn)后的變速箱有3個前進(jìn)檔和2個倒檔。原來前進(jìn)檔改變?yōu)榈耿?、倒Ⅱ檔的齒輪未變，速度就是原來的前進(jìn)Ⅱ檔和Ⅴ檔， 速度分別為5.56km/h和16.27km/h；原來的一個倒檔改變?yōu)楝F(xiàn)在的前進(jìn)檔，其速度為6.23km/h；最后剩下2個前進(jìn)檔速度未定，可以根據(jù)改進(jìn)后倒開式拖拉機(jī)的用途來設(shè)計(jì)這兩個前進(jìn)檔。改進(jìn)設(shè)計(jì)后齒輪的具體參數(shù)如表3所示。這時，2個前進(jìn)檔的速度分別為9.44km/h 和16.55km/h[4]。 簡單計(jì)算如下： 由圖4可知， II、IV軸的中心距我74mm, 則根據(jù)公式 可得: ； ； 再根據(jù)前進(jìn)檔速度可得： ; ; ; . 表3 改進(jìn)設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù) 圖中序號 名稱 齒數(shù) 齒形角/(°) 模數(shù) 變位系數(shù) 備注 6a II檔齒輪 28 20 3 +0.05 7a III檔齒輪 34 20 3 +0.05 利用變位系數(shù) 9a II，III 檔雙聯(lián) 21 20 3 +0.05 來湊中心距：74.1mm 滑移齒輪 15 20 3 +0.15 改進(jìn)完成后，其各檔傳動示意圖如圖6所示[5]。 一軸 一軸 二軸 二軸 四軸 四軸 五軸 五軸 圖6.a I檔傳動示意圖 圖6.b II檔傳動示意圖 一軸 一軸 二軸 二軸 四軸 三軸 四軸 五軸 五軸 圖6.c III檔傳動示意圖 圖6.d 倒I檔傳動示意圖 一軸 二軸 三軸 四軸 五軸 圖6.e 倒II檔傳動示意圖 2.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng) (1) 二軸按照6－32×26×6 花鍵軸設(shè)計(jì)，兩端安裝軸承處的尺寸不變[6]。 (2) 圖5 中Ⅱ檔齒輪(6a)和Ⅲ檔齒輪(7a)的安裝位置與圖3 中IV，Ⅵ檔齒輪(6)和Ⅰ，Ⅲ檔齒輪(7)分別對齊，中間用隔套來分開，以保證原變速箱操縱機(jī)構(gòu)不變。 (3) 倒I、倒Ⅱ檔靠副變速桿控制，這時I、倒I、倒Ⅱ檔滑移齒輪(8)必須與倒Ⅰ、倒Ⅱ檔齒輪(5)嚙合，即主變速桿放在原Ⅱ，V 檔位置處。其操縱系統(tǒng)位置如圖5 所示[7]。 (4) Ⅰ檔和倒Ⅰ檔共用一個齒輪，即Ⅰ、倒Ⅰ檔齒輪(3)。在使用Ⅰ檔時，一定要先把副變速桿放在Ⅰ、倒Ⅱ檔的位置上(如圖7 所示)，然后再把主變速桿放在Ⅰ檔的位置上。 圖7 倒開式拖拉機(jī)操縱位置示意圖 3. 變速箱齒輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 　 隨著拖拉機(jī)變速箱齒輪傳動向精密化和高可靠性的方向發(fā)展，僅僅以齒輪中心距或體積最小為優(yōu)化目標(biāo)的靜態(tài)設(shè)計(jì)，很難滿足現(xiàn)代拖拉機(jī)的要求。目前對拖拉機(jī)變速箱齒輪進(jìn)行基于動力學(xué)分析的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究很少，這主要因?yàn)辇X輪副嚙合剛度的計(jì)算及動態(tài)響應(yīng)的求解十分困難[8]。 3.1 建立齒輪傳動的動力學(xué)模型 一對嚙合齒輪傳動如圖8 所示。分析嚙合齒輪的振動時，可在齒輪傳動的嚙合線 N1 N2上計(jì)算。若主、從動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別為J1 和J2 , 則兩齒輪的等效質(zhì)量是: ， . （1） 基圓半徑： ，. 圖8 漸開線齒廓的嚙合運(yùn)動 3.1.1 動力學(xué)模型的建立 建立齒輪傳動的動力學(xué)模型是齒輪動態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。假設(shè)主、從動齒輪的剛度分別為K1和K2 ,可將圖8 簡化為圖9。當(dāng)把每個輪齒看作等截面分布質(zhì)量梁[9]時，則兩輪齒的剛度分別為： ; . (2) 式中 : ; . 再將圖9簡化為圖10。其等效質(zhì)量[10]為： . (3) 等效嚙合剛度為： . (4) 最后得到圖10 振動的固有頻率為: . (5) 它也是圖8 所示主、從動齒輪組成一個系統(tǒng)的固有振動頻率[11]。 圖9 雙質(zhì)塊雙彈簧振動模型 圖10 單質(zhì)塊單彈簧振動模型 3.1.2 引起齒輪震動的主要原因 主動齒輪嚙合激振頻率： . (6) 當(dāng)時，齒輪的振動很大； 當(dāng)時，齒輪的振動較小。 故齒輪的振動大小與主動齒輪的嚙合激振頻率跟固有頻率差距的多少有密切關(guān)系。 若即 解得主動齒輪的臨界轉(zhuǎn)速為： . (7) 分析式5，6，7可得, 齒輪的振動大小與主動齒輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速n1和主動齒輪的臨界轉(zhuǎn)速ncr差距的多少有密切關(guān)系。 3.2 齒輪的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立和設(shè)計(jì)變量的確定 以振動最小為優(yōu)化目標(biāo)可以轉(zhuǎn)化為使目標(biāo)函數(shù) 取最大值。 由式(7)得設(shè)計(jì)變量為： . 3.2.2 約束條件 (1) 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度應(yīng)不大于許用值, 即 . 約束條件 . (2) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度不大于許用值 . 約束條件 , . (3) 主動齒輪應(yīng)不小于產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，即, 約束條件 . (4) 小齒輪齒寬B1 應(yīng)滿足 . 其中和為齒寬系數(shù)最小和最大值，取 , . 則約束條件 , . (5) 為防止兩齒輪裝配后軸向稍有錯位導(dǎo)致嚙合齒寬減小[12]，常把主動齒輪的齒寬在計(jì)算齒寬的基礎(chǔ)上加寬約5～10mm, 即 . (6) 對于傳遞動力的齒輪，應(yīng)保證齒根處最小壁厚不小于2mm，即模數(shù)m滿足 . (7) 螺旋角β在8°～15°范圍內(nèi)取值, 即 ， . 3.2.3 數(shù)學(xué)模型 綜上所述, 建立數(shù)學(xué)模型如下[13]： 優(yōu)化第一級齒輪，代入改造拖拉機(jī)的參數(shù)： 輸入功率：p=12.1kw 輸入轉(zhuǎn)速：n1=2000r/min 齒輪的許用接觸應(yīng)力：[]=1200MPa 許用彎曲應(yīng)力：[]=800MPa 工作壽命Lh=72000h 齒輪材料：20CrMnTi 使用上面所述的方法, 采用連續(xù)變量優(yōu)化隨機(jī)方向法[14]求得理論優(yōu)化結(jié)果為 X=[2.1452 25.3524 81.12 8.013° 58.39 52.36]T 圓整為整數(shù)得X=[2 27 86 8 58 52]T ，計(jì)算流程如圖11所示[15]。 這樣優(yōu)化的齒輪壽命更長。 3.2.4 小結(jié) 動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是減小變速箱齒輪傳動裝置振動的關(guān)鍵,本設(shè)計(jì)采用簡化的動力學(xué)齒輪振動模型計(jì)算齒輪副等效嚙合剛度和以振動最小為目標(biāo)的方法, 可以使齒輪傳動裝置的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。 4 結(jié)束語 本課題設(shè)計(jì)了適用于小四輪拖拉機(jī)的改進(jìn)與優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)通過改進(jìn)和優(yōu)化變速箱的結(jié)構(gòu)增加了小四輪拖拉機(jī)的用途和使用壽命。使農(nóng)機(jī)的利用率大大提高。 設(shè)計(jì)過程中通過資料搜集、梳理及學(xué)習(xí)進(jìn)一步加深了對本專業(yè)知識的理解，實(shí)際操作中提高了動手能力。由于時間關(guān)系及精力所限，論文中難免存在一些不足之處，希望在以后的工作中能夠?qū)φn題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。 參考文獻(xiàn)： [1] 張毅.離合器及機(jī)械變速器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.32～37. 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Optimal Design of Transmission on Tractor Chenchao () Abstract: The mechanical organization can be changed from opening type to opens type by changing the steering wheel, seat, coupling and so on, the technical parameter, for example, transformation, can be changed by changing the transmission structure. This topic has been suitable for the ordinary tractor's improvement and optimization. The tractor's service life can be increased by improving and optimizing the transmission's structure and the part's parameter. It makes its utilization rate has a greatly increase. Key Words: Transmission; Mechanism Improvement; Coupling. 謝 辭 值此論文完成之際，首先衷心的感謝老師。本論文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在課題的研究過程中，趙老師提出了許多寶貴的指導(dǎo)性意見，才使得論文順利進(jìn)行。趙老師求真務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度、誨人不倦的工作作風(fēng)、平易近人的態(tài)度給我留下深刻的印象。在趙老師身上我學(xué)到很多做學(xué)問和做人的方法，使我受益非淺，得益終生。 此外，在論文設(shè)計(jì)過程中還有幸和許多同學(xué)對相關(guān)問題進(jìn)行了探討和研究，并從中得到了很多有益的啟發(fā)。在此對我的同學(xué)們表示由衷的感謝。 另外，感謝學(xué)校給我這樣一次機(jī)會，能夠獨(dú)立地完成一個課題，并在這個過程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多地學(xué)習(xí)一些實(shí)際應(yīng)用知識，增強(qiáng)了我們操作和動手能力。再一次對我的母校表示感謝！ 19 附錄 將原來的目標(biāo)函數(shù)改造成新的無約束函數(shù)： 式中 ——懲罰因子，是遞減的正數(shù)序列。 計(jì)算步驟如下： 1. 選取初始懲罰因子r0，常取r0=1。 2. 在可行域內(nèi)選取初始點(diǎn)X0；令K=1. 3. 從XK-1出發(fā)，極小化φ(X, rK)，得最優(yōu)解XK。 4. 檢驗(yàn)精度。線給出兩個很小的正小數(shù)和。 檢驗(yàn)是否成立不等式 和 。 若以上兩個不等式均成立，則 ， 否則傳下一步。 5. ，常??； 令K=K+1，然后傳第3步。 圖11 優(yōu)化流程圖 評定成績： 　　　　　　　　　　　　　　　 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 評定成績： 　　　　　　　　　　　　　　　 評閱人簽名： 年 月 日 評定成績： 　　　　　　　　　　答辯小組組長簽名： 年 月 日 指導(dǎo)教師評定成績 （30%） 評閱人評定成績 （30%） 答辯小組評定 成績（40%） 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 綜合評定成績 答辯記錄 1.問：摘要的內(nèi)容太過繁瑣，沒能把握住設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，建議精簡一下，應(yīng)該怎樣 安排內(nèi)容？ 答：摘要應(yīng)該主要介紹設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方法思路，應(yīng)該精簡一下，把前兩句去掉，改為“通過對原機(jī)械方向盤、座位、離合器等機(jī)構(gòu)方位的改變把正開式改為倒開式……使其利用率大大提高”。 2.問：用于設(shè)計(jì)原型的拖拉機(jī)的型號為“東方紅—170”，選擇的原則是什么？對其品牌系列的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)是否征得廠家的同意，這樣做合適嗎？ 答：作為設(shè)計(jì)原型的拖拉機(jī)“東方紅—170”，價格低廉，應(yīng)用廣泛，最重要的式其變速箱的結(jié)構(gòu)簡單，為6+1式的齒輪式變速箱，這是選擇它的原因。但是對其進(jìn)行改進(jìn)并未得到廠家的同意，為避免不必要的糾紛，把設(shè)計(jì)論文中的有關(guān)型號的詞段“東方紅—170”全部改為“某型號”。 3.設(shè)計(jì)的第二部分為對變速箱的改進(jìn)，介紹一下改進(jìn)依據(jù)和內(nèi)容？ 答：隨著科技的發(fā)展，重型機(jī)械在生產(chǎn)中得到了更管飯的應(yīng)用，但由于其價格高昂，不能普及到市場更廣闊的農(nóng)村，因此由小型拖拉機(jī)改進(jìn)的機(jī)械就應(yīng)運(yùn)而生。對普通拖拉機(jī)的改進(jìn)主要式由正開式的改為倒開式的機(jī)械，涉及到許多的機(jī)構(gòu)，其中最主要的就是變速箱的改進(jìn)。 以涉及原型為例，它有6個前進(jìn)檔和1個倒檔，改進(jìn)為倒開式后變?yōu)?改為前進(jìn)檔和6個倒檔，這樣不符合生產(chǎn)要求。因此必須增加前進(jìn)檔，在不改變變速箱結(jié)構(gòu)的情況下，把Ⅳ、Ⅵ檔齒輪(6)和Ⅰ、Ⅲ檔齒輪(7)從三軸上卸下，再安裝在二軸上，就能夠達(dá)到增加倒開式拖拉機(jī)前進(jìn)檔的目的。由于二、三軸結(jié)構(gòu)不同，同時三、四軸之間和二、四軸之間的中心距也不相同，所以必須重新配對設(shè)計(jì)這兩對齒輪和二軸，才能夠使齒輪順利安裝進(jìn)去。這就是本設(shè)計(jì)的主要工作。