（机械工程专业论文）拖拉机传动系统优化设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 本文阐述了拖拉机传动系优化设计的国内外研究现状及其意义。在对中型拖拉机 主要部件一传动系优化设计的基本理论、基本方法研究的基础上：确定了拖拉机传 动系的运动参数，建立了有关数学模型并进行优化，在考虑传动系统相比误差的基础 上。建立了包括几何参数和动力参数在内的约束条件，以各个变速组的中心距之和 最小为目标函数，提出了利用计算机对拖拉机传动系进行优化的方法。设计制造出东 方红3 0 0 b 拖拉机传动系，较好地解决了拖拉机传动系结构松散、体积较大的问 题，同时，解决了拖拉机离地间隙小、动力输出转速单一的问题。本文为拖拉机传动 系及零部件优化设计提供一个系统文本，对拖拉机传动系及零部件优化设计理论的发 展意义是深远的。采用优化方法进行设计，不仅节省金属材料，降低成本，而且节省设 计时间，使设计参数达到最优值，这对提高设计水平，改革传统的设计方法十分有益， 并为新产品改进设计提供了依据。 关键词：拖拉机、传动系、齿轮变速箱、优化设计 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e sp r e s e n ts i t u a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fs t u d yo no p t i m i z ed e s i g no f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft r a c t o r , w h i c hi st h em a i np a r to ft h em i d d t et r a e t o nw e d e t e r m i n e dt h ed y n a m i c a lp a r a m e t e ra n db u i l dt h em a t h e m a t i cm o d e lb a s e do ns t u d y i n gt h e b a s i ct h e o r yo ft h ed e s i g no ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m c o n s i d e r i n gt h ee r r o ro ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m , w eg e tt h eb o u n d a r yi n c l u d i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e ra n dd y n a m i c a l p a r a m e t e ra n dt h eo b j e c tf u n c t i o n , w h i c hi sm i n i m i z et h es u mo ft h ed i s t a n c eo fas e to f s p e e d c h a n g e dc o m p o n e n t s t h e n , w ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m o f d o n g f a n g h o n g - 3 0 0 b t r a c t o r w es o l v e dt h ep r o b l e mo fs m a l ld i s t a n c eb e t w e e nt h e t r a c t o rc h a s s i sa n dg r o u n da n dt h es a m p l eo u t p u ts p e e d , a sw e l la st h ep r o b l e mo ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m sl o o s es t r u c t u r ea n db i gb o d y t h ep a p e ra l s og i v eap r o g r a mw h i c h h a ss i g n i f i c a n c ee f f e c ti nt h ed e v e l o p m e n t 毹t h eo p t i m i z ed e s i g no ft h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo f t r a c t o r u s i n gt h eo p t i m i z em e t h o d ，w ec a nn o to n l ys a v em a t e r i a la n dc u to f f t h e c o s t ，b u ta l s os a v et i m e i ti sg o o df o ri m p r o v ed e s i g na n de v o l u t e st h et r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d k e yw o r d s ：t r a c t o r , m o d u l a r i z a t i o n ，o p t i m i z e dd e s i g n ，d a t ap r o c e s s 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 我国作为一个发展中的农业大国，实现农业现代化是当务之急，而农业机械化是 农业现代化的重要内容和基本标志，拖拉机则是农业机械化的龙头产品。拖拉机的拥有 量和年产销量，是评价一个国家农业机械化水平的重要标志。 1 1 传动系统的历史和现状 我国拖拉机工业是建国以后发展起来的新兴行业。1 9 4 9 年，全国仅拥有拖拉机 1 1 7 台，全部从国外进口。建国之后，建立和发展拖拉机工业，便成为机械工业部门的 一项重要任务。目前我国大中型齿轮变速箱设计进入了系列产品开发阶段。新发展的产 品一般技术水平比原机型有较大提高，增加了运输档位和作业档次，增强了动力输出和 液压输出，使之能配装更多的农机具，包括宽幅、复式作业机具。传动系的可靠性、安 全性、密封性等均有较大提高，并有挖掘机、装载机、推土机等工程变型。大功率轮式 齿轮变速箱也有小批量试制并投放市场，除天拖铁牛8 0 0 8 0 4 机型外，引进产品一拖 l f 8 0 - - 9 0 4 w d 型，沈拖4 4 5 0 c l ，自行开发产品一拖东方红1 0 0 4 1 2 0 4 、哈拖1 2 0 4 1 4 0 4 型轮式齿轮变速箱和一拖东方红1 0 0 2 1 2 0 2 型履带拖拉机都有一定批量随整机产品投 放市场m 嘲。， ( 1 ) 我国农村是一个低购买力市场。2 0 0 1 年，我国农民人均纯收人仅为2 7 5 0 元， 有相当一部分农民刚刚脱贫或正在脱贫。根据国家远景发展目标，农民人均纯收入年增 长率为4 左右，从而决定了拖拉机等农机产品市场总体上看在相当长的时期内只能接受 价格低廉的产品啪。 ( 2 ) 中、小型拖拉机及其配套农机具在农业生产中增产增效作用愈来愈被更多的 农户所认识。机械作业效率高，能保农时、抢季节，机械耕作比畜力耕作质量好，为作 物生长创造了良好的条件，机械操作加快了农田基本建设，改善了农业生产条件。 ( 3 ) 对中、小型拖拉机需求功率越来越大。随着深松技术和复式作业的推广，对 拖拉机的功率和传动系的档位要求越来越高。 ( 4 ) 加紧对现有中型轮式齿轮变速箱的改造，实现向系列化，多品种方向发展。 现有的中型轮式齿轮变速箱产品中，多由单一机型发展而来，在功能、性能、经济指标 和可靠性等方面都同国际先进水平有很大差距现各企业在消化吸收引进技术的基础 上，在改进结构性能、提高功率，发展系列产品上做工作“1 。 江苏大学工程硕士学位论文 可以看出，中型拖拉机的用户既有购买力较强的中小规模的农场和收入水平高的 发达地区的用户，也有过买力和使用水平低的用户，因此需要有高中低档产品以满足不 同层次的需要，产品的技术发展方向应是高中低档兼顾，对于自身的结构特点应注重其 自身功能的完善和人性化设计。在保证可靠性的前提下，充分考虑到用户个性化的需求 以及地区差异化和功能差异化需求，尽量延长产品的生存周期，根据用户的实际需求控 制成本，以获得最佳性价比，从而尽快完成中拖产品系列的升级换代“1 。 1 2 传动系统国外技术发展现状和国内技术存在的不足 1 2 1 传动系统国外技术现状及发展趋势 9 0 年代以来，国外齿轮变速箱已进入现代化发展的新阶段。产品的更新速度加快， 产品系列化进一步完善，大部分产品实现了优化设计，达到高效节能，可靠性、密封性 进一步提高。 ( 1 ) 齿轮变速箱系列品种进一步完善，产品技术性能不断提高。国外几家著名的 拖拉机制造企业的技术发展，都是以其主导的2 3 个拖拉机及配套柴油机的短系列产 品为基础，不断改进、扩展或派生出新的系列产品，进行系列化生产。然后开发其主导 产品的变型机及其配套作业的机具，来拓宽主导产品的用途和功能。同时使其产品的覆 盖面向相关的领域拓宽，以扩大产品的品种和应用范围，在更大范围内占有市场。 ( 2 ) 全面实现机电液一体化、智能化。国外大中型拖拉机均已利用微电子技术及 计算机技术、激光技术、传感等高新技术对产品安全、节能、工作装置操作，工作状态、 故障自诊断、不解体检测等进行控制和报警，取得了极佳的经济效益、社会效益。 ( 3 ) 设计、制造水平进一步提高，计算机数控技术( c n c ) ，新材料、新工艺广泛 应用，大大地提高了齿轮变速箱的质量、寿命、可靠性。 ( 4 ) 零部件的标准化、通用化程度进一步提高，最大限度地简化维修是国外先进 技术发展的一个重要标志 ( 5 ) 齿轮变速箱技术朝着大功率、静动态特性好的闭式环路发展，且向结构简单， 重量轻，成本低，可靠、耐用的高水平方向发展。同时进一步与微电子技术结合，最大 限度地提高功率利用率，减少无用功消耗，使拖拉机发动机始终处于最佳工作状态，减 少能耗0 1 。 1 2 2 齿轮变速箱国内技术现状及存在问题 ( 1 ) 行业现状堪忧。我国齿轮变速箱工业虽有较大发展，但大中型齿轮变速箱的 产品技术水平、质量、规模、企业素质和结构与发达国家相比，从整体上分析并没有明 2 江苏大学工程硕士学位论文 显缩短差距，要相差2 0 年以上。特别是新产品品种发展，产品技术水平，机电液一体 化，人机工程、电子操纵监控等方面差距更大“1 。 ( 2 ) 产品品种少，新产品开发速度较慢与市场需求变化太快不相适应。优化设计 用于拖拉机行业极少，拖拉机作为农机产品，属微利企业，企业历来很少有资金投入用 于新产品开发及生产装备的更新。大多数产品很少技术储备，生产几十年一贯制，产品 水平低，趋同化趋势严重。品种缺挡多，基本型多，运输型多，其它适用对路的变型产 品少随着拖拉机产品设计和生产的不断发展，模块化设计的概念逐步成，其设计的方法 也在不断完善和推广使用。齿轮变速箱产品的模块化设计，就是在对一定范围内的不同 功能或相同功能不同性能、不同规格的拖拉机产品进行功能分析的基础上，划分并设计 出一系列功能模块，并通过模块的选择和组合构成不同的拖拉机及其变型产品，还可将 其主要部件设计成多种选装结构，使产品品种多样化，以最大限度满足现今不同地区、不 同用途和不同用户更为广泛的市场需求。 ( 3 ) 产品质量、可靠性及使用寿命满足不了用户日益增长的期望值的要求。产品 可靠性差，一次装配合格率低，漏油和螺钉松动等一般性故障普遍存在，突出表现在关 键零部件设计达不到要求。脱档现象发生频次较高，离地间隙较低是制约拖拉机作业的 瓶颈。 ( 4 ) 四轮拖拉机原有的传动系仅能提供一种标准动力输出转速( 5 4 0 r m i n ) ，随着功 率的延伸，中型四轮拖拉机农田作业在整个作业量中的比重不断增加，为了能和更多的 农具配套。对两种标准转速的要求也越来越强烈。 ( 5 ) 齿轮变速箱转速分布不合理，设计制造成本较高，造成整机性能、价格比较 低。 1 3 研究内容及意义 1 3 1 对农业的影响 我国作为一个发展中的农业大国，实现农业现代化是当务之急，拖拉机则是农业机 械化的龙头产品。农业机械化是农业现代化和农村经济社会发展的重要标志，是实现农 业产业化、加快农业科技进步的重要措施。拖拉机的拥有量和年产销量，是评价一个国 家农业机械化水平的重要标志。但是，我国农村又是一个低购买力市场，2 0 0 1 年，我国 农民人均纯收人仅为2 7 5 0 元，有相当一部分农民刚刚脱贫或正在脱贫。根据国家远景 发展目标，农民人均纯收入年增长率为4 左右，从而决定了拖拉机等农机产品市场总体 上看在相当长的时期内只能接受价格低廉，安全可靠的产品而传动系是拖拉机的主要 3 江苏大学工程硕士学位论文 零部件，它的设计水平的高低直接影响到整机的设计制造水平。随着农业和农村经济的 发展，农业机械已成为农民改善的生产条件、提高劳动生产率、增加农民收入的重要手 段。所以，传动系设计制造水平的高低，将直接影响农民的购买力，影响着农业机械化 的推广m 嘲。 由于我国农村是一个低购买力市场，开发、研制中低端轮式齿轮变速箱，可以满足 不同用户的需要，不断改善农业生产手段，用先进的农业机械装备农业，用先进农业机 械化技术改造农业，加快农业机械化发展进程。可以有力地促进了农业就业结构的改善 和农村劳动力的转移。 1 3 2 对一拖的影响 根据2 0 0 2 年l 一6 月统计，一拖公司在中轮拖( 2 5 5 0 马力) 产品中市场占有率仅 为4 ，这与一拖公司在农机领域内全面争取第一的目标是不相称的。 预计2 0 0 7 年中轮拖市场将达到5 0 0 0 0 台，如果我们能够占领3 0 左右的市场份额， 即1 5 0 0 0 台，销售收入将可达到3 亿元。 1 3 3 对学术的意义 我国的经济还不发达，利用小拖齿轮变速箱、功率向上延伸，是一大赏试，对于广 泛推广中低端中型轮式拖拉机将取得较好的经验。利用传动系优化设计理论，通过对机 械部件优化设计的研究，设计出安全可靠性较高的齿轮变速箱，这是实现齿轮变速箱的 实验研究基础咖。为了使转速按一定规律分布，拟定传动方案时合理设计有关参数 为了对齿轮变速箱的运动参数和动力参数进行优化，建立有关数学模型并进行优化现 将采取齿轮变速箱的数字化模型，在考虑变速系统相比误差的基础上，建立了包括几 何参数和动力参数在内的约束条件，以各个变速齿轮副的中心距之和最小为目标函数， 提出了幂用计算机对齿轮变速装置进行优化的方法“。这为齿轮变速箱及零部件优化 设计提供一个系统文本，对齿轮变速箱及零部件优化设计理论的发展意义是深远的。采 用优化方法进行设计，不仅节省金属材料，降低成本，而且节省设计时间使设计参数达 到最优值。这对提高设计水平，改革传统的设计方法十分有益，并为新产品改进设计提供 了依据。 1 4 研究的基本方法及思路 研究设计包括：传动系模型的建立；传动方案的设计；传动系优化设计的目标函数 及设计变量的确定：传动系的计算；传动系试验；结论。 4 江苏大学工程硕士学位论文 流程如下： 模型的建立 上 传动方案的设计 其中主要步骤的简要介绍如下： 1 ) 建立齿轮变速箱的数字化模型，然后提出利用计算机对齿轮变速箱统进行设计 和优化的方法； 2 ) 以数字化模型为基础进行优化设计选择变速箱的目标函数； 3 ) 建立齿轮变速箱统优化设计的设计变量和约束函数； 4 ) 利用计算机对传动系进行设计和优化； 5 ) 对齿轮变速箱进行具体设计、试制； 6 ) 试验和检验； 7 ) 结论。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章齿轮变速箱优化设计理论分析 齿轮变速箱是拖拉机的重要组成部分。它将发动机发出的动力传至驱动轮或其他工 作机构。但是，发动机输出动力的曲轴和飞轮不能直接与驱动轮相连，因为发动机输出 的动力扭矩小而转速高，不能满足拖拉机的需要及使用要求。一般情况下，中型拖拉机 发动机的额定扭矩只有十几到几十公斤米，如果将该扭矩直接传到驱动轮，则拖拉机只 能产生几十公斤米的驱动力，这连拖拉机本身的行走阻力也无法克服，更谈不上牵引农 具了。此外，发动机的额定转速一般在2 0 0 0 - - - - 2 4 0 0 r i m i n ，如果驱动轮也以此转速旋转， 则拖拉机的行驶速度将达到2 0 0 公里以上，这样的速度远远高于工作的需要。为此拖拉 机必须有传动系，以便增大扭矩，降低转速，同时改变拖拉机的牵引力和行驶速度、实 现停车、改变行驶方向等m ， 2 1 传动系统结构组成 传动系主要有离合器、联轴节、变速箱、中央传动，差速器和最终传动等组成。其 传动路线如下图所示： 图2 - 1 传动路线图 2 1 1 离合器的功用及工作原理 离合器位于发动机和变速箱之间，其主要功能如下： 1 切断发动机的动力传递，以利于变速箱的挂档和换档： 2 结合发动机与变速箱或动力输出装置的动力传递； 3 在拖拉机超载时，能防止传动系统机件过载，使其不致损坏或变形。 离合器的工作原理 拖拉机的离合器是利用摩擦力来传递动力的，为了保证传递发动机的全部扭矩一般 应为发动机的额定扭矩的2 3 倍，同时为防止传动系机件过载而不致顺坏，离合器能 产生的最大摩擦扭矩也不应过大。 6 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 2 变速箱的功用及工作原理 1 ) 变速箱的功用n 2 1 变速箱位于离合器和后桥之间，其主要功用是： l 、将发动机传来的动力增扭减速后，传递给后桥： 2 、在不改变发动机扭矩和转速的情况下，能使拖拉机具有不同的牵引力和行驶速 度； 3 、在发动机继续运转的情况下，能使拖拉机长时间停车； 4 、不改变发动机旋转方向的前提下，使拖拉机实现前进和倒退。 2 ) 齿轮传动原理 齿轮变速箱主要有齿轮、轴、轴承等传动机件组成，齿轮传动的原理，按其功用， 分为： l 、降低转速，增加扭矩； 2 、得到不同的转速和扭矩； 3 、改变拖拉机的行驶方向。 3 ) 变速箱的结构形式 1 简单式变速箱，常见的有两轴式和三轴式两种。他结构比较简单，减速比较低， 一般用于小型拖拉机上； 2 组成式变速箱是由主副两个变速箱组合而成，即在简单式变速箱的基础上增设副 变速箱，使拖拉机的档位增加一倍，充分发挥发动机的动力性和经济性，并且结构比较 紧凑。本中型拖拉机就是采用该结构。 2 1 3 轮式拖拉机后桥 后桥是变速箱之后驱动轮之前的所有传动机构的总称。其功用是将变速箱传来的动 力，进一步改变传动比，降低转速，增大扭矩，改变动力的旋转方向，并传给左、右驱 动轮 1 ) 后桥的组成 轮式拖拉机的后桥是由中央传动、差速器、最终传动等组成。由于各机型的结 构特点和使用要求不同，后桥的布局也不同。 2 ) 中央传动 中央传动位于变速箱之后差速器之前，他主要有一对圆锥齿轮组成，动力由小 锥齿轮传给大锥齿轮。进一步降低转速，增加扭矩，并改变动力传递方向。 中央传动齿轮所承受的载荷较大，受力也比较复杂，一般的结构形式可分为：直 7 江苏大学工程硕士学位论文 齿圆柱齿轮、螺旋圆锥齿轮和直齿圆锥齿轮三种。 2 1 4 差速器 差速器的主要功用主要是把中央传动传来的扭矩传给左、右半轴及驱动轮。在拉机 转向时，能使左右驱动轮以不同的转速滚动，以保证拖拉机的顺利转向。 差速器的工作原理，可以用齿轮齿条机构来解释，齿条相当于差速器的半轴齿轮， 齿轮和轴相当于行星齿轮和行星齿轮轴，当用力向前拉动轴差速器时，齿轮变带动两根 齿条一起移动，齿轮本身并不绕轴旋转。因此，差速器只能使两侧驱动轮“差速”但不 能“差扭”。可以看出，差速器是拖拉机的主要零部件。 2 1 5 最终传动( 末端传动) 最终传动通常是指驱动轮之前的最后一级减速装置，它的主要任务是再进一步增扭 减速，为满足拖拉机的工作要求，所需的传动比是很大的。 最终传动大多数采用直齿圆柱齿轮，在传动形式上，多数采用外啮合齿轮式传动 2 2 传动系统的优化设计及程序实现 齿轮变速箱是由滑移齿轮或交换齿轮等组成的齿轮变速装置。为使转速按照一定 规律分布，如果采用手工绘制转速图和传动系统图后，再根据转速图和传动系统图，确 定运动参数、尺寸参数等，往往要经过多次试算才能获得可行方案，计算工作量大，若 要利用计算机进行优化设计，只能在原设计方案的基础上对运动参数、尺寸参数等进行 优化，无法用计算机进行方案比较，选择较优的方案。本文首先建立齿轮变速装置的数 字化模型，然后提出利用计算机对齿轮变速装置进行设计和优化的方法“”“。 2 2 1 传动系统的数字化模型“”“町“” 表3 1 为齿轮变速箱系统的理论速度，它有四根传动轴和一根驱动轴，所以，该传 动系统有3 个变速组，另有四级定比传动( 设计时只计算两级，另两级为末端传动) ，传 动系如图示： 8 扛苏大学工程硕士学位论文 图2 - 2 传动系转速国 发动机n i 轴i i 轴i 轴 、夕 心卜 、 弋。 n 、式必 又弋弋 。弋 弋 弋 n l 齿轮箱的数字化模型 对于要求转速按等比数列分布的变速系统，转速图和传动系统图是描述变速系统 方案的主要手段。其中转速图起着决定性的重要作用，而传动系统图一般是根据转速 图并适当考虑结构上实现的可能性进行设计的，所以，机械有级变速系统方案的数字 化模型实质上就是转速图的数字化 图l 是l o 级传动系统的转速图，从图上可知，该系统有3 个变速组，符合常规系统 的设计原则。其中发动机和减速器轴之间为定比传动装置，i 轴和i i 轴之间为基本组， i i 轴和m 轴之间为第一扩大组，i i i 轴和轴之间为第二扩大组轴为驱动轴，其后为 后桥部分，它共有l o 级转速，最高转速为1 3 3r m i n ，最低转速为1 3r m i n ，定比 传动装置的传动比为3 8 * 2 5 3 2 * 4 6 ；基本组有3 个传动副，其传动比分别为2 4 2 3 ， 2 0 3 4 。2 7 2 3 ；第一扩大组有2 个传动副，其传动比分别为2 3 2 3 ，2 3 2 8 ， 3 3 1 8 ：第二扩大组有2 个传动副，其传动比分别为1 7 3 0 ，2 8 2 7 ，还有3 个传动轴， 即轴i 、轴和轴i i i ，此外。各传动轴得到各级转速的传动路线、驱动轴和各个传动轴 的计算转速、扩大顺序和传动顺序、传动轴的个数以及驱动轴的变速范围等信息，也都 可以从转速图上得到。 。 如果把上述转速图描述的主传动系统用数字化模型来表示，则可写成 ( n m = 2 3 0 0 3 8 * 2 5 3 2 * 4 6 】 2 4 2 3 ，2 0 3 4 ，2 7 2 3 2 3 2 3 ，2 3 2 8 ，3 3 1 8 1 7 3 0 ，2 8 2 7 ( 1 ) 其中【n m 一传动系统的数字化模型； q 扛苏大学工程硕士学位论文 2 3 0 0 一发动机的转速，r m i n ；。 3 8 * 2 5 3 2 * 4 6 卜一定比传动装置的传动比。 2 4 2 3 ，2 0 3 4 ，2 7 2 3 一i 轴和i i 轴之间变速组的传动比组成的数列，共 有3 个传动副，其级比指数为l ，其传动比分别为2 4 2 3 ，2 0 3 4 ，2 7 2 3 ；其余各 个数列中的数字的含义照此类推d 町 要使数字化模型便于在方案设计时应用，并在计算机上进行处理。常规变速系统 方案的数字化模型的一般形式可写为 n m = n o r a l ，a 2 ，a 3 ，a 阻 p a x a b ，b 。，b 3 ，b 曲 p b x b c i ， c 2 ，c 3 。 p c x c = n l ，n 2 ，m ，n ： z ( 2 ) 其中n o 一发动机的转速：； r 】一定比传动装置的传动比； a t ，a s ，a 3 ， p a x a 、 b 。，b 2 ，b 3 ，k 】p b x b 、 c i ，锄，c ， z o p c 一各个传动组的传动比组成的数列； p l 、p b 、p c 一各个传动组的传动副数； x 。、x 。、】【c 一各个变速组的级比指数； 由一驱动轴转速数列的公比： z 一驱动轴的转速级数。 在设计传动系统时，n o ，n 。，n ：，n 。，n ：以及由、z 一般是己知的，设计的 任务是确定 r 、 a 。，a 2 ，8 。，a ， p a x a 、 b bb 2 ，b 3 ，b ， p b x b 、 c ，c ：。c 。，c ， p c x c 等各个变速组中的运动参数。 驱动轴有z = 1 0 级转速，其数字化模型n 可表示为 n = n 1 0 。= m ，n i ，n 2 ，n 3 ，m 1 2 1 0 。= n 0 a b 3 巾x c l px n l q ， ( 3 ) 其中， b 3 。= b ，b b 。2 】3 。， c l p = c ，c p l p ， d = d ， d q 1 q 是3 个变速组， a 是定比传动，n o 为发动机的转速，是一个常数，若记 b 】3 。= b ，b ：，b ， 3 。， c 】i p = c ，c ： i p ， 【d = 【d 。，d 。 l q ( 4 ) 其中b = b 。b 2 = b l ，b 3 = b 。2 ，c l = c ，c ? = 岛= c 。3 ，d t = d ，d 2 = d 4 = d 。 容易看出 n = n 1 2 = n 0 ，n - ，r k ，n m = x b c d ，b c d ，b c 乩。 ( 5 ) 所得到的1 0 级转速是按等比数列分布的，按照我们所赋予式( 1 ) ( 3 ) 的物理意 义可知，式( 1 ) 本质上就是使传动系的数字化。 0 扛苏大学工程 哽士学位论文 其它类型的转速图均可按上述数列的乘法与加法规则写出其数字化模型。 2 2 2 传动方案的计算机设计 从式( 3 ) 可以看出，在n o 、n 。、n 2 、m 已知的条件下，设计传动方案，实际 上就是要确定齿轮副的数日和各组中传动副的数目等。如果传动系统由h 个变速组组 成，每个变速组的传动副数分别为m 。、m 2 、n l 。对于常规系统，驱动轴的转速级 数z 与m 。、b 2 、m 。之间应有如下关系： m l m 2 m * = z ( 6 ) 就齿轮变速箱统而言，为了减小变速箱的轴向尺寸和提高制造工艺性，变速轮多 用三联或双联齿轮，故m 。、啦、m 。一般应为3 或2 ，也就是说对于常规传动系统， 驱动轴的转速级数z 中一般含有因数3 和2 ，而在确定某传动组的传动比时另加约束条 件，以便获得符合要求的传动系统。所以，在上述已知条件下，只要对z 分解质因数 ( 只考虑3 或2 ) ，按照“前多后少”等原则，即可利用计算机写出如式( 5 ) 所示的齿轮 变速装置的数字化模型，并求出各传动副的理论传动比，为进一步进行优化设计提供 条件。 2 2 3 优化设计的目标函数和设计变量的确定胁1 嘲 上述的齿轮变速装置的数字化模型，仅表示了传动系统的总体方案，各传动件的 设计参数还未确定。因此，要以数字化模型为基础进行优化设计，一般情况下，可以 选择变速箱的几何尺寸最小或重量最轻等作为目标函数，对于变速箱而言，能够代表其 几何形状大小的，主要是径向尺寸，而各轴的中心距之和的大小，能够间接体现径向 尺寸的大小，且其数学模型容易建立，所以，在优化设计时，也可用各轴的中心距之和 作为目标函数设计变量要求选择能够描述传动系统几何特征的独立变量。齿轮变速箱 虽然结构复杂，但由于设计变速系统时要求遵循一定的规律和原则，使得各几何量之 间存在某些对应关系，所以，真正的独立变量并不多。 归纳起来，有如下几类： ( 1 ) 各变速组的最小传动比； ( 2 ) 各变速组的齿轮模数； ( 3 ) 各变速组中最小齿轮的齿数； ( 4 ) 各变速组齿轮的齿宽( 当给定齿宽系数时，则不作为设计变量) ； ( 5 ) 齿轮变位系数( 若事先选定或用标准齿轮时，不作为设计变量) 。 2 2 4 优化设计的约束函数嘲 从本质上看，齿轮变速箱优化设计的约束函数，就是齿轮变速系统设计的规和原 则的数字化。可归纳为如下几个方面： 1 ) 传动比误差约束 设u 和u 分别为理论传动比和齿轮齿数的比，b 为齿数比的相比误差，传动比误 差约束可表示为 l l g ( x ) = 1 0 1 ( 由一1 ) 一b 一。， ( 8 ) k = y i b i _ ，b - i - = f i b i m ，i2a ，b ，c ， ( 9 ) 2 ) 齿轮最小齿数约束 g ( x ) = 7 4 ，p1 o ( 1 0 ) 3 ) 齿轮最大线速度的约束 g ( x ) = v v 。一1 0 ( 1 1 ) 式中：v 。一最大允许线速度，由齿轮的制造精度和设计要求决定。 最大和最小传动比约束 升速时最大传动比一般不超过2 ，降速时最小传动比一般不小于0 2 5 。故传动比约 束函数为 g ( x ) = o 2 5 u 一1 0 ( 1 2 ) g ( x ) - u 2 1 o ( 1 3 ) 4 ) 模数的约束 g ( x ) = n 。m i o ( 1 4 ) g ( x ) = i i i k i o ( 1 5 ) 式中：。，m 。一允许的最大和最小模数，根据设计要求确定。对于拖拉机齿轮， 一般取h = 1 7 5 ；k = 1 0 。 5 ) 齿轮强度约束 齿轮变速箱中的齿轮应满足接触强度和弯曲强度的要求。接触应力和弯曲应力除与 载荷有关外，还与齿轮齿数、齿宽等几何尺寸有关，为简明起见此处仅写出应力符号 所以相应的约束函数为 g ( x ) = 6 r 6p r - 1 o ( 1 6 ) g ( x ) = 6f 6 ，广1 o ( 1 7 ) 式中：6 ，6 。一齿轮的接触应力及其许用值；6r ，6 ，r 一齿轮的弯曲应力及其 许用值。 2 2 5 齿轮箱优化设计的程序实现 在数学模型建立的基础上，本文运用v c 平台，对齿轮箱主传动系进行了设计，其原 理框图如下： 扛苏大学工程硕士学位论文 图2 - 3 程序实现流程图 江苏大学工程硕士学位论文 第三章传动系统的设计计算 3 1 基本参数的确定 3 1 ，1 拖拉机基本参数的确定 东方红- - 3 0 0 b 轮时拖拉机是用途广泛的产品，主要用于旱作地区的耕、耘、旋耕、 播、施肥、收获和运输作业嘲1 矧。 1 ) 标定牵引力f t 。的确定 f t 。是由配套农机具在适当的工作条件下正常工作时的平均阻力来确定。对农用拖拉 机最常用且负荷最繁重的作业为犁耕，因此f t 。的确定，首先应满足犁耕的要求。 犁耕作业所需的牵引力为：f t ：z b h - k( n )( 墙) 式中：z 犁铧数b 。单体犁铧宽度c n l h 广耕深c m卜土壤比阻i p a 考虑到工作条件和农机具性能变化所引起的阻力变化而留有1 0 2 0 的储备。 所以，标定牵引力f r - = ( 1 1 1 2 ) f ，( 1 9 ) z 2b - 3 0c m h t 1 8 一一2 2 c m k 3 9 6 k p a 故f r 。= 4 6 3 3 - - 1 0 8 0 0n 考虑到功率储备、牵引力系列化等因素，标定牵引力为： f t - = 6 5 0 0n 2 ) 各档理论速度的确定嗍 根据市场调查情况，本论文设计了( 4 十1 ) 2 的组成式变速箱，获得了8 个前进档， 2 个倒档 根据调查和试验的结果，从作业质量、生产率及劳动强度等方面综合分析，经布置 计算得各档理论速度及用途。如表3 - 1 表3 1 各档理论速度( 单位：k m h ) 档次东方红- 3 0 0 b i 2 7 0 i i 4 4 5 前 m6 3 6 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 进 7 5 9 档 v9 9 3 1 2 5 1 7 8 2 7 8 倒档倒i 4 7 0 倒 1 3 1 动力输出轴转数5 4 0 1 0 0 0r m i n 轮胎型号前轮 5 5 - 1 6 后轮 1 1 2 - 2 4 定。 下： 3 ) 发动机标定功率的确定 齿轮变速箱的输入参数与发动机功率是相关联的，故必须进行发动机标定功率的确 农业拖拉机发动机的功率由在基本耕作档下发挥出标定牵引力来确定，计算公式如 p = f t b v j r l 3 5 0 0r ith n ， 式中氏一标定牵引力 v ，基本耕作档理论速度 l l 。滑转效率 f 旷一轮式拖拉机的牵引效率 i l 。发动机功率储备系数 表3 2 ( 2 0 ) 机型f n v j q5r i 伯n -p e b 东一3 0 0 b 6 5 0 04 40 8o 6o 8 51 4 2 11 9 4 7 通过上述计算可知，东方红3 0 0 b 拖拉机发动机的标定功率确定为 2 2 1 k w ( 3 0 p s ) ，是可以满足农业使用要求的。 4 ) 拖拉机质量及最大使用质量的确定 江苏大学工程硕士学位论文 拖拉机的最大使用质量m s 。应能使其在早地工作时滑转率不超过规定值的情况下， 发挥出标定牵引力，可有以下公式算出： m s 。= f tb 9 8 ( 巾5 q n 一一f ) k g ( 2 1 ) 6 = 2 0 时巾2 0 = 0 6 式中由s 滑转率为规定值时的附着系数，查有关表得知； q n 牵引力f ，- 时动态质量分配系数，及拖拉机的牵引负载为f 。时后轮承载 与整机质量之比。对4 2 轮式拖拉机 q n = o 8 ： f 拖拉机的滚动阻力细说对旱田茬地f = o 0 8 f 。拖拉机标定牵引力 该拖拉机最大使用质量的计算结果如下； 表3 3 以 机型 由6 = 2 0 q n f m 。 东- 3 0 0 b 6 5 0 0o 60 8 o 0 81 6 5 8 档工作时能发挥出标定牵引力的质量。是有拖拉机最小使用质量质量的。带不同农具作 业时，可根据实际需要适当减少或增加配重质量达到。 2 ) 拖拉机的结构质量m 。加上配重 为使拖拉机能获得良好的使用性能，应在拖拉机使用可靠、易于制造的前提下， 尽量减少结构的质量，以降低制造成本。随着设计和制造工艺水平的提高，拖拉机的结 构比质量m ( 单位功率的结构质量) 日趋降低。参照国内外同类拖拉机质量指标，初 定该拖拉机的m j b 选取范围为： f n - - 4 7 5 争6 8k g p s 经结构设计和布置，确定该拖拉机的结构质量。 3 ) 拖拉机的最小使用质量i n ， 4 ) 拖拉机的最小使用质量m ，是结构质量m ，加上所有油及冷却液、随车工具、 防护装置( 安全架) 以及驾驶员质量之和。经整机布置估量，燃油、冷却液、润滑油的 容量及质量如表卜2 所列。全架质量定位6 5 k g 、驾驶员质量定为6 0 k g 、随车工具5 k g 。拖 拉机的最小使用质量m s m i n 如表l 4 所示。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 表3 4 机型结构质燃油冷却液前桥润滑油发动机润滑油 变速箱润滑 量油 东方红1 2 8 02 6l o 24 13 51 6 表3 4 ( 续表) 机型转向器提升器油水总安全架随机驾驶员最小使 润滑油机油质量质量 工具用质量 东方红 o 5 4 1 6 0 40 5o 56 51 3 0 0 5 ) 轴距的确定 轮式拖拉机的轴距与其纵向稳定性、操纵机动性和舒适性密切相关，在满足纵向稳 定性和零部件合理布局的前提下尽可能减小轴矩，提高操纵机动性。轮式拖拉机的轴距 一般为驱动轮名义直径的1 4 1 5 倍。本机型总体设计后获得的轴距见表3 5 。 6 ) 轮距的确定 轮式拖拉机轮距的选择应考虑耕地时不产生偏牵引，即农机具的阻力合力应在拖拉 机的纵向对称平面内。另外，在用于中耕作业时，轮距应与作物的行距相适应，有足够 宽的保护带。本机型总体设计后获得的轮距见表3 5 。 表3 5 机型轴距l前轮距后轮距 东方红一3 0 0 b 1 7 4 5 1 0 6 01 1 5 0 7 ) 拖拉机重心位置的确定 拖拉机重心位置直接影响整机的牵引附着性能、稳定型、操纵性。设计中，在满足 离地间隙和结构合理性的情况下，尽可能降低重心高度并尽可能使重心在拖拉机纵向对 称平面内。对于两轮驱动的拖拉机在不失去操纵性的情况下，尽量使重心靠近后轴，以 增加附着质量。如表3 6 中，a 为重心的纵向坐标( 即重心距后轴的水平距离) 表3 - 6 机型m _ io前轮承重轴距l ( 哪)重心坐标 东方红一3 0 0 b 1 3 3 03 51 7 4 56 1 1 8 ) 配重质量及最大使用质量的选定 拖拉机在最大使用质量时，静态前轮承载百分比有以下式确定： 江苏大学工程硕士学位论文 静态前轮承载百分比= m ，。( x + l ) + m 。a l m 。 配重总质量m p = m 。一m 。r 。 mp ：i pc 1 n pq 式中及下表各参数的意义 n l ，一一配重总质量k g m ，一一拖拉机最大使用质量k g m 。t 。拖拉机最小使用质量k g m ，。一一拖拉机前配重质量 k g m ，。一一拖拉机后配重质量 k g 卜一轮距i n t o x - - - 前配重质心距前轴中心水平距离咖 a 一一最小使用质量m 。时的质心坐标l l u n a 一一最大使用质量m 。时的质心坐标 n u l l 表3 7 机型f t bm l m i m t m p q m 。 m m 。ih 东- 3 0 0 b6 5 0 01 3 3 01 3 82 2 03 5 81 6 5 86 4 0 表一7 ( 续表) 机型 lxa m 一时静态前轮承载 a 东- 3 0 0 b1 7 4 54 2 05 9 5 o 3 5 5 9 5 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 9 ) 轮胎的选配 拖拉机的轮胎选配主要从轮胎的承载能力、轮胎与土壤的附着能力，以及装机后的 通过性和操作灵活性等方面综合考虑来选定。 轮胎的承载能力和轮胎的结构、层次和胎压有关。对于一定型号的轮胎，提高轮胎 气压可提高承载能力，但胎压太高会降低拖拉机在田问的通过性和附着性。轮胎气压范 围8 0 一1 2 0 k p a 。 根据整机布置的要求选定的轮胎参数如表3 8 ，其规格尺寸及承载能力t h g b 2 9 7 9 查 得。 扛苏大学工程硕士学位论文 表3 8 机型 轮胎型号 轮胎气压 东方红 5 5 - 1 6 ( 前) 1 9 5 2 5 0 一3 0 0 b 1 1 2 2 4 ( 后)8 0 一- 1 2 0 该拖拉机是靠偏转前轮实现转向的，最小转向半径为： 甩t 。= o 5 m + l c t go 。( 2 6 ) m 左右转向轴力轴中心线与地面焦点的距离。 m 值如表1 8 。单位：a m l - 轴距单位c m n 。一内前轮的最大偏转角 单位度 m 值为：m = b 一2 l b 一前轮轮距单位唧 l 一前轮对称面与地面交线到立轴中心与地面交点之间的水平距离。 单位姗 各参数的值、兄。及计算结果如表3 - _ 9 ： 表3 _ - 9 机型l ( m m )a b ( 姗)i ( 姗)m ( 嘲)凡。( m m ) 东方红 1 7 5 04 0 01 1 7 03 01 1 4 91 7 3 0 一3 0 0 b 儿) 离地间隙 拖拉机的最小离地间隙，主要取决于农艺和通用性的要求，在保证整机稳定性的同 时尽量提高。在运输作业和整地作业时都要有适当的离地间隙，离地间隙过低，通过性 就差。在本拖拉机的设计中，考虑到上述性能和结构的要求，确定的离地间隙如表3 - - 1 0 。 表3 一l o 3 1 机型离地间隙 东方红一3 0 0 8 3 6 5 i ) 拖拉机的质心坐标 拖拉机在最大使用质量时的质心坐标，如表3 1 1 所示： 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 表3 l l 质心坐 纵向坐标横向坐标 高度坐标 机型 a1 1 1 1 1 1e t o n i hi n m 东方红一3 0 0 b 7 7 3 一6 6 7 0 ， 2 ) 转向圆半径 表3 1 2单边转向圆半径 机型转向圆半径 东方红一3 0 0 b左转时右转时 3 2 63 4 7 3 ) 外形尺寸表3 一1 3 机型长k ( 啪)宽b o高h o ( 册) ( 册) 至方向盘至排气管口 j 东方红- 3 0 0 b 3 2 3 01 5 6 01 4 6 51 9 8 0 3 1 3 拖拉机稳定性的计算 影响拖拉机稳定性的因素很多，但也比较复杂，通常设计时只计算拖拉机在静态下 的纵向稳定性和横向稳定性。 1 ) 纵向稳定性的计算 1 、不致翻倾的上坡极限坡度角o t ，如表1 1 6 所示 oi i - = a r c t g ( a h ) ( 2 6 ) 2 、不致翻倾的下坡极限坡度角a7 ，如表1 一1 6 所示 0 i i - = a r c t g ( l - a ) h ( 2 7 ) 2 ) 横向稳定性的计算 不致翻倾的横向极限坡度角1 3 1 3h i = a r c t g ( 0 5 b e ) h ( 2 8 ) 虹苏大学工程硕士学位论文 表3 1 4 已知参数踯计算值嘲 机型