（车辆工程专业论文）lh1620轮式拖拉机动力传动系统设计分析.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书嘻、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 | 本学位论文属于不保密白。 明l 目 艚狮签名黝垆爹 参9 ，年髟月，移日 rl-r-lr -li， ll l hi6 2 0 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 p o w e r t r a i nd e s i g na n d a n a l y s i so f w h e e l e dt r a c t o rl h16 2 0 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 在整车设计和开发时，良好的动力性和燃油经济性是汽车研究设 设计者长期以来追求的目标，然而这些性能指标往往又是相互制约的。 在实际设计过程中，要从不同的发动机、变速器和主减速器的多种方 案中选择，不仅评价指标繁多，技术工作量大，而且即使获得匹配方 案也难以保证最优化。 本文阐述了小型拖拉机传动系统国内外研究现状及其意义。在对 拖拉机主要部件传动系统的优化设计的基本理论、基本方法研究的基 础上确定了l h l 6 2 0 轮式拖拉机动力传动系统内各部件的相关参数。同 时根据l h l 6 2 0 轮式拖拉机的实际结构及车型特点建立了整车模型， 利用c r u i s e 仿真软件来分析计算出整车的动力输出轴功率、最高车 速和牵引功率。最后通过实际试验验证了l h l 6 2 0 动力传动系统的理论 设计的正确性。 关键词：轮式拖拉机，传动，设计，试验 l h1620 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 a bs t r a c t w h e nt h ev e h i c l ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t ，g o o dp o w e ra n df u e l e c o n o m y o fac a rd e s i g n e r sh a v el o n gs e tt h eg o a l ，b u tt h ep e r f o r m a n c ei s o f t e nc o n s t r a i n e de a c ho t h e r i nt h ea c t u a ld e s i g np r o c e s s ，f r o mad i f f e r e n t e n g i n e ，t r a n s m i s s i o na n df i n a ld r i v e ，s e l e c tav a r i e t yo fp r o g r a m s ，n o to n l y t h ee v a l u a t i o nr a n g e ，l a r g ea m o u n to ft e c h n i c a lw o r k ，a n de v e ng e t m a t c h i n gp r o g r a m - i sa l s od i f f i c u l tt oe n s u r eo p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c hs t a t u so fs m a l lt r a c t o rt r a n s m i s s i o n a n di t s s i g n i f i c a n c e t h em a i nc o m p o n e n t so ft h et r a c t o rt r a n s m i s s i o n s y s t e mi nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eb a s i ct h e o r y ；b a s i cm e t h o d s b a s e d o nt h ei d e n t i f i e dl h l 6 2 0w h e e l e dt r a c t o rd r i v e l i n ec o m p o n e n t sw i t h i nt h e r e l e v a n tp a r a m e t e r s l h l 6 2 0w h e e l e dt r a c t o r su n d e rb o t ht h ea c t u a l s t r u c t u r ea n dv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c st oc r e a t eav e h i c l em o d e l ，u s i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r et oa n a l y z ec r u i s ec a l c u l a t et h ev e h i c l e sp o w e r o u t p u ts h a f tp o w e r , m a x i m u ms p e e da n dt r a c t i o np o w e r f i n a l l y , t h ea c t u a l 2 2 1l h l 6 2 0 轮式拖拉机总体方案图9 2 2 2l h l 6 2 0 主要基本参数的确定。9 第三章l h l 6 2 0 轮式拖拉机动力传动系统设计。1 5 3 1 动力传动系统方案分析1 5 3 1 1 传动系概述1 5 3 2 发动机选型2 0 3 2 1 发动机基本形式的选择2 0 3 1 2 2 发动机主要性能指标的选择2 1 3 3 离合器选型2 3 3 3 1 离合器的功用和类型2 3 3 3 2 离合器基本参数的确定2 4 3 4 传动箱设计2 6 3 4 1 挂结式变速箱的传动方案。2 6 3 4 2 变速箱主要参数的确定2 9 3 5 主减速器设计3 2 3 5 1 主减速器的结构形式3 2 3 - 5 2 主减速器传动比0 的设计计算3 3 3 6 差速器设计3 4 i i i l h162o 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 3 6 1 差速器的结构形式3 4 3 6 2 差速器的齿轮主要参数选择3 4 终传动设计3 6 3 7 1 终传动的结构形式3 6 3 7 2 终传动的齿轮主要参数选择3 7 l h l 6 2 0 轮式拖拉机性能仿真3 9 仿真软件简介3 9 4 1 1c r u i s e 软件功能。3 9 4 1 2c r u i s e 软件特点3 9 4 1 3c r u i s e 运行流程4 0 4 2 仿真分析模型4 2 4 2 1l h l 6 2 0 拖拉机模型。4 2 4 2 2 主要模块的参数设置4 4 4 2 3 数据总线连接4 5 4 2 4 主要仿真任务建立一4 7 4 3 仿真结果4 8 4 3 1 最高车速实验仿真结果4 8 4 3 2 牵引功率仿真试验结果4 9 4 4 动力输出轴输出功率的计算5 0 第五章l h l 6 2 0 轮式拖拉机性能试验5 3 5 1 试验方法5 3 5 1 1 动力输出轴试验5 3 5 1 2 牵引功率试验5 4 5 1 3 拖拉机最高车速试验5 5 5 2 试验结果分析5 6 5 2 1 最高车速试验结果分析5 6 5 2 2 动力输出轴试验结果分析5 6 5 2 3 牵引功率试验结果分析5 6 第六章总结5 7 j $ 【谢5 8 参考文献5 9 i v 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 小型轮式拖拉机是最具有中国本土特色的拖拉机产品，从二十世纪7 0 年 始成批生产以来，已经历经3 0 多年而经久不衰，近几年的年产销量都在8 0 左右，目前还没有一个农业机械产品能与其媲美【1 l o 小型轮式拖拉机产品之所 此持续旺销，是因为其产品特点符合国情、民情，适应农村的现状，体现农民 求。但是，目前我国小型轮式拖拉机存在能源消耗大、作业效率低、操纵费 噪声高、不满足精细农田作业等缺陷。随着国务院关于做好建设节约型社 期重点工作通知的下发，拖拉机的节能、环保无疑将成为拖拉机产品发展 导原则。 小型轮式拖拉机的一个发展方向是直联式机型，在目前小拖的出口型产品中 占据了十分重要的地位。其结构型式主要可分为上世纪6 0 年代中期开发的山拖泰 山2 5 、宁波奔野2 5 系列；上世纪8 0 年代开发的1 8 。2 5 系列衍生出来的以江拖为 代表的丰收1 8 。2 5 系列和以盐拖为代表的t y l 8 2 5 系列；上世纪8 0 年代开发的 t y 2 5 4 0 系列等。 该类产品主要机型整机技术水平基本相当，具有结构紧凑，传动效率高的特 点。发动机基本选用双缸机，但近年来随着功率向上延伸，选配三缸机的也开始 增多，同时四轮驱动己成为必备机型；采用6 档或8 档挂接齿轮换挡变速箱和蹄 式制动器，在较高档次的t y 2 5 4 0 系列还采用了啮合套换挡、行星最终传动及湿式 盘式制动等。随着重农政策的实施，农机用户购买力增强，现有小四轮用户对高 档次产品的需求会逐步增加，有可能部分替代皮带传动型产品，直联式机型在国 内、国外两个市场都具有较好的前景。 然而，我国拖拉机产业虽然取得了辉煌的成就，但与发达国家相比，我国拖 拉机产品的技术含量低，寿命短，性能和可靠性较差【3 7 】。这就迫使我们在学习发 达国家先进经验和技术的基础上，研究开发出技术含量高、适合国内外市场需求 的拖拉机产品。 l h1620 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究概况 拖拉机的能源消耗、作业效率取决于拖拉机动力传动系的结构、发动机与拖 拉机底盘的匹配以及拖拉机和农具配套能力。目前，国外主要拖拉机公司( j o h n d e e r e 、m f 、沙姆、芬特等) 生产的小型轮式拖拉机动力传动大多采用3 缸和4 缸涡轮增压发动机、有级机械传动或液力分段无级变速传动、两轮驱动或四轮驱 动，具有前置、中置、后置动力输出。相对于有级齿轮传动机构，液力分段无级 变速传动具有速度连续可调、操纵性能良好、整机燃油经济性和作业效率高等优 点。 ( 1 ) 发动机 欧美及日本的中小功率轮式拖拉机普遍采用直喷式3 缸或4 缸柴油机，小缸 径短行程高转速，约一半的机型为涡轮增压，少部分还采用增压中冷及电控喷射 技术。涡轮增压后平均有效压力一般在0 9 8 m p a 左右，比油耗在2 0 0 2 2 0 9 ( k w h ) 之间，扭矩储备率达2 5 4 0 ，有效提高了机组的动力性与经济性，同时在减振、 降噪、降排放、少维修和少调整方面也都取得了很大的进展。 ( 2 ) 传动系 传动系中的变速箱档位一般为8 + 4 或8 + 8 ，装有爬行档的为1 6 + 8 或1 6 + 1 6 ，一 般只用一根变速杆就能在各种负荷条件下聘问换挡【3 8 1 。变速杆装有档位锁定按钮， 能固定所选定的档位防止脱档或无意接合，变速杆还能随方向盘的调整而倾斜。 大部分机型采用了部分负荷动力换挡，使操纵更加轻便，省掉停车时间，提高功 率利用率。久保田l 系列机型采用了电液控制新技术，装有1 6 位微处理机的控制 器用来控制液压离合器，不论负载大小都能连续平稳的在行进中改变速度，并保 持换挡过程中发动机与底盘速比的恒定匹配，不发生明显的振动与冲击。静液压 无级变速传动系的采用，可使拖拉机获得最理想的速度。 传动系所需的强度已普遍采用计算机设计计算，尤其是采用有限元方法对传 动箔体进行结构与强度分析，使其达到最佳使用效果。 ( 3 ) 液压系 小型轮式拖拉机大多采用的还是简易液压系统，由一个齿轮泵供油，泵流量 2 江苏大学工程硕士学位论文 在3 5 1 m i n 左右，系统工作压力1 8 2 0 m p a ，液压悬挂：饥构提升能力大。现代拖拉 机液压系不仅是用于悬挂机构的操纵与控制，电液技：术的结合已被广泛应用在拖 拉机上许多部件与系统的操纵、控制、调整、检测工作之中。如差速锁、离合器、 变速箱、前驱动桥的结合与分离，前、后动力输出轴和制动系等的电子液压操纵。 ( 4 ) 工作装置 国外中小功率拖拉机既用于农田作业，又用于建筑、工程、公共事业管理等 领域，配套机具十分广泛。其工作装置能高效的与常用农机具及前置装置机、割 草机、清雪机等专用机具配套。动力输出轴有前置、中置、后置三种并有多种转 速，行驶为非独立、半独立、独立式多种。有的机型带前、后悬挂系，液压输出 位置一般为3 , - - 4 个，各输出阀带有液力接合或脱开的快速分离接头。 ( 5 ) 行走转向系 国外中小功率拖拉机行走机构的改进与提高，主要是围绕其功率传递、安全 转向、负荷转移、机动性等方面进行、现有液压助力转向装置的操纵力可减少到 只有人力机械操纵转向的5 ，前轮偏转角可达5 5 。【3 9 1 。久保田公司研制的双速 转向机构，可使外侧前轮的转向速度为行驶速度的两倍而内侧前轮同时自动制动。 1 2 2 国内研究现状 虽然国内拖拉机的产量大，生产企业多，但是就产品总体发展水平来看，还 处于十分落后的状况。尤其对一些有发展潜力、使用要求高的产品，少有企业下 功夫去研制开发，市场几乎处于空白。例如适合园艺、市政等特殊用途的2 2 3 7 k w 多功能管理型手扶拖拉机及其多种配套机具，还是依靠进口昂贵的韩国、日本的 产品。对我国南方水田地区有良好适应性的小型轮式拖拉机，在数量和性能上都 不能真正满足和适应市场要求。 ( 1 ) 发动机 国内拖拉机大都还是采用自然吸气柴油机，故排放超标称为国内拖拉机出口 的一大障碍。采用增压及增压中冷技术、改进燃烧室和电子控制喷油泵系统，开 发新一。代可以达到欧i i 标准的高效低排放拖拉机动力，是目前柴油机发展的主要 方向。 ( 2 ) 传动系 国内拖拉机的传动系大多还是干式单作用或双作用离合器，机械操纵滑动齿 3 党的十七届三中全会把建设社会主义新农村作为战略任务，提出必须按照高 产、优质、高效、生态、安全的要求，加快转变农业发展方式，推进农业科技进 步和创新，加强农业物质技术装备，加快建设现代化农业的方针，这就对农业机 械装备行业提出新任务。虽然我国拖拉机行业在不断的成熟与完善，国产拖拉机 产品主要用于大田犁耕、旋耕、短途运输作业，与发达国家相比，在技术含量、 寿命、性能和可靠性等方面差距还很大，特别是在作业速度调节范围、作业的种 类、操纵性能、燃料经济性、烟度和噪声等方面已经不能满足蔬菜、园艺、花卉 等现代精细农田作业的需求。这就迫使我们在学习发达国家先进经验和技术的基 础上，研究开发新一代技术含量高、适合国内外市场需求的拖拉机产品。 农业拖拉机需要完成多种不同类型的农田和运输作业，传递功率、速度变化 范围宽，作业环境恶劣，外界负荷波动频繁，这就要求发动机或变速箱能适时地 变更转速和转矩以适应负荷和行驶阻力的不断变化，保证拖拉机的动力性和燃油 经济性。传统小型拖拉机使用4 , - 一5 挡齿轮传动变速箱，只能按固定传动比传递功 率，无法满足精细农业对作业速度不断增加的要求，若增加变速箱挡位，则会使 变速箱机械结构的复杂程度提高，增加制造成本和价格，研制采用液压机械传动 系统的小型轮式拖拉机，能够实现转速与功率传动的连续无级变化，完全满足今 后现代精细农业对小型拖拉机作业速度和驱动功率的要求，有助于加快我国农业 现代化和新农村建设的进程。 研制小型拖拉机机械液压无级变速系统，不仅能够使得我国小型拖拉机的升 4 江苏大学工程硕士学位论文 级换代，也能够极大地增加我国小型拖拉机在国际市场上的竞争力，打破日本产 小型机械液压无级变速拖拉机在国际市场上的垄断，扩大我国机械产品的市场。 在小型拖拉机机械液压无级变速系统研制成功以后，可以应用现代信息控制 技术，对发动机、机械液压无级变速传动系统实施集中控制，可以控制拖拉机在 不同的工况下，始终在最大生产率或最少污染物排放前提下的工作，全面提高拖 拉机的动力性、经济性、生产效率和操作自动化水平，将使我国小型拖拉机产品 的技术水平与发达国家相接近。 对我省相关行业、领域技术进步及产业结构调整的意义 我省一直是我国小型柴油机、小型拖拉机主要生产基地，多年来小型农机的 产销量和市场占有率一直在全国处于领军地位。通过小型拖拉机液压无级变速系 统研制，为新一代小型轮式拖拉机提供关键总成，提高我省拖拉机的自主研发能 力和产品技术等级，进一步巩固和保持我省新型农业装备制造业在全国的领先地 位，提高产品出口竞争能力和市场占有率，扩大国际市场，这对于江苏林海动力 机械集团公司以及苏北地区机械加工业的发展也具有推动作用。 机械液压无级变速拖拉机是大批量生产的技术密集型产品，我省的金城集团 等企业完全具有生产液压无级变速系统的柱塞式变量液压泵、柱塞式变量液压马 达、液压控制阀以及壳体等关键总成的能力。液压无级变速拖拉机的研制和批量 生产必将促进我省小型柴油机、液压部件等相关配套行业的技术进步和产品升级 换代，带动相关配套行业的发展，有利于我省装备制造业的产品结构调整，促进 就业和地方经济，具有比较大经济社会效益。 1 4 论文研究的主要研究内容 本课题主要包括以下几个方面的工作： 1 、l h l 6 2 0 轮式拖拉机总体方案 根据集团公司产品设计的要求制定拖拉机的设计依据、基本原则、设计引用 的主要标准以及主要技术参数。制定拖拉机的总体设计方案，绘制总布置图，给 出总布置参数。 2 、l h l 6 2 0 轮式拖拉机动力传动系统设计 分析拖拉机动力传动系统设计要求，并给出传动方案，选择发动机和离合器 5 lh 1620 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 型号，进行传动箱、主减速器、差速器和终传动的设计。 3 、l h l 6 2 0 轮式拖拉机性能仿真 利用建立l h l 6 2 0 轮式拖拉机的仿真模型，通过仿真计算动力输出轴功率、牵 引功率和最高车速，分析整车性能。 4 、l h l 6 2 0 轮式拖拉机性能试验 制定动力输出轴功率试验、牵引功率实验和最高车速实验的方法并对试验结 果进行分析，验证仿真的准确性。 6 江苏大学工程硕士学位论文 第二章l h l6 2 0 轮式拖拉机总体方案 2 1设计要求 2 1 1 设计依据与基本原则 根据集团公司产品结构调整要求，经过进出口公司在欧洲等主要市场的调研， 结合欧洲、美国等国外代理商的市场建议，拟开发一款技术水平领先，与集团目 前产品结构相近似，适应当前欧美市场并具备长期市场需求的小型拖拉机( 产品 型号：l h l 6 2 0 ( 国内型号：l h l 6 4 ) ) 。达到目前国际市场主流厂商一线产品档次、 水平，具体如日本久保田( k u b o t a ) b 1 6 2 0 等产品。 l h l 6 2 0 ( 国内型号：l h l 6 4 ) 小型拖拉机设计方向为一般农业、园林用、四 轮驱动式，可通过配套的多种农机具或者专用工作装置用于农场、园林、庭院等 适应区域的土地平整、耕地、耙地、播种、喷洒灌溉、运输作业等； 开发l h l 6 2 0 ( 国内型号：l h l 6 4 ) 小型拖拉机，是林海进入小型柴油机及其 配套机具领域的第一步，该项目的研制开发，将对集团产品结构调整以及市场拓 展起到相当重要的影响。 适应欧洲法规2 0 0 3 3 7 e c ( e m a r k ) 要求( t 2 或t 3 类) ，和c e 认证； 适应美国市场相关法规项目要求； 适应国内市场相关法规项目、出口许可法规要求。 产品开发控制应控制开发成本、制造成本( 含模具开发费用) 以及零部件( 含 进口件) 采购成本的控制。 2 1 2 主要技术参数 1 发动机： 采用3 缸、四冲程、水冷柴油机，排量0 7 8 4 ，额定转速：3 0 0 0 转，额定功 率1 6 1 p s 给定拖拉机适用柴油机参数。功率要求，执行欧洲e c e r 2 4 标准1 0 3 k w ( 1 4 p s ) ；执行美国s a eg r o s s 标准1 1 8k w ( 1 6 1e s ) 。 2 动力传动系统 7 l h162o 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 8 驱动方式：4 驱2 驱； 速度挡位：前进6 后退2 ； 最大行走速度：1 7 1 9 k m h 。 3 油箱 设计容积1 4 1 6 升。 4 液压系统： 选用液压泵等零部件应保证产品高质量，设计基本参数如下： 泵排量1 4 1 5 l m i r a 最大压力1 2 0 1 6 0 k g c m 2 ； 三点牵引装置s a ec a t e g o r y1 类； 液压辅助输出尾部l & l ，头部1 ； 5 、前、后轮胎： 前轮胎：农用胎5 1 2 ；后轮胎：农用胎8 1 6 ；可选装规格适当的草地轮胎 6 整体尺寸与轴距： 初步设计参数如下： 总长：2 3 6 0 2 4 8 0 m m ； 总宽：9 3 0 1 1 5 0m m ； 总高( 方向盘上缘) ：1 2 1 0 1 2 7 0m m ； 轴距：1 2 7 0m l l l ； 最小离地间隙：3 2 6 4 1 1m m 。 7 整备质量： 整备质量初步控制为小于6 0 0 k g 。 8 驾驶舒适性： 噪声控制：小于等于8 5 d b ( a ) 。 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 总体设计方案 2 2 1 l h l6 2 0 轮式拖拉机总体方案图 表2 - 1l h l 6 2 0 轮式拖拉机主要布置尺寸( 单位：r a m ) 参数及符号l h l 6 2 0 轮式拖拉机 总长 总宽 轴距 最小离地间隙 方向盘最高点离地高度 2 2 2l h l6 2 0 主要基本参数的确定 2 2 2 1 额定牵引力 额定牵引力是根据拖拉机配带重载作业的主要机具，在常遇的土壤条件下 的平均牵引阻力来确定【8 9 1 。一般地说，犁耕是经常而又沉重的作业，农业拖拉机 的额定牵引力首先应满足犁耕的需求。考虑到地面不平、土壤比阻不均等因素会 引起同【力短期增大，计算时须留有1 0 一2 0 的储备即： = ( 1 1 1 2 ) z l b , h ，k ， ( k n ) ( 2 1 ) 式中，z 犁铧个数； 9 一 统荔皆移巍 一 一 象 概 鄹 一 袈 一 魏 一 w 擎 鬯 发 配 一 彬 & k 悲 ” 黝 rp；彰，。；。；陟；。爹；貉；一 躺 加 州 蚴 卜 2 弘 卜 一 姗 一 动系统设计分析 3 5 2 8 n 。 和扩大速度范围。目前，轮式拖拉 少于4 个。据统计，国外轮式拖 功率轮式拖拉机多具有1 0 。1 6 个前 选取什么样的工作速度还与拖拉机 的机型有关。速度可分为四类： ( 1 ) 基本工作速度。约在2 1 0 k m g a 范围内，一般不少于3 。4 档，用于绝大 多数田间作业及推土、装载等工业作业。履带拖拉机在低速、大牵引力的情况下 往往能发挥更高的牵引效率，因此，其田间作业速度通常比轮式拖拉机低 1 5 2 5 k m h 。手扶拖拉机功率较小，且速度较高时驾驶员难以操作，故其犁耕速 度为3 4 k m h ，旋耕速度1 5 。2 5 k m h 。近年来，田间作业速度有提高的趋势，在 发挥同样牵引功率的情况下，提高速度可以减小牵引力，从而降低拖拉机和农具 的载荷，减小它们的尺寸和重量，减少由于行走系统滑转所损失的功率( 对于轮 式拖拉机更为明显) 。但为了保证农艺质量，要求有适应高速作业的农具。 ( 2 )运输速度。目前轮式拖拉机的前桥和后桥一般没有弹性悬架，运输速 度不宜过高。通常在f f l 间道路上为1 2 2 0 k m h ，在良好路面上达2 0 3 0 k m h 。履带 拖拉机普遍采用金属履带，运输速度9 - 1 2 k m h 。手扶拖拉机功率小，行走系统缓 冲性能差，通常不大于2 0 k m h 。 ( 3 )慢行速度。一般在2 k m h 一下，用于栽植、开沟等作业。这种速度并 不是每台拖拉机都需要的，因此，有的拖拉机备有附加减速装置，仅为某些有需 要的用户提供慢行档。 ( 4 ) 倒退速度。较低的倒退速度( 1 - - 4 k m h ) 在挂结农具等场合应用，较高的 倒退速度( 4 1 2 k m h ) 可节省倒车时间。工业及穿梭作业用拖拉机希望有多倒档。 1 0 2 2 2 3 发动机功率 农业拖拉机的发动机功率，应能满足在基本耕作档发挥额定牵引力的需要 p 9 4 1 】。设此时所需的发动机功率为：，则： 小筹( k w ) ( 2 - 2 ) 式中，额定牵引力( k n ) ； 1 ，基本耕作档发挥额定牵引力时的实际速度( k m h ) 。 此外，如果拖拉机在发挥额定牵引力的同事还由动力输出轴驱动农具，或者 发动机还要带动转向、制动、变速等用途的气泵和油泵，则按式( 2 2 ) 计算的 还应加上这一部分功率。 l h l 6 2 0 轮式拖拉机的发动机功率计算结果如表2 - 3 所示。 表2 - 3 发动机功率 参数及符号l h l 6 2 0 轮式拖拉机 额定牵引力岛瓜 基本耕作档发挥额定牵引力时的实际速度k m h 拖拉机牵引效率r r 功率：( k w ) 3 5 2 8 5 3 6 0 6 8 7 5 设计分析 舒适性密切相关，在满足 提高操纵机动性【4 1 1 。轮式 根据国产中小型轮式拖拉 ( 2 3 ) 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。 为适应行间中耕要求，轮距b 需能够调节。中小型国产轮式拖拉机的调节范 围多为1 0 0 0 1 4 0 0 r n m ( 当洲小于2 0 k w ) 或1 1 0 0 - 2 0 0 0 ( 当e 为2 0 4 5 k w ) 之 内。在轮距可调的情况下，b 是指常用轮距，其数值根据主要作业的要求来确定。 通常将常用轮距b 安排在有级调节轮距的第二级或第三级( 从最小轴距算起) 。据 对国产轮式拖拉机统计，轮距b 一般在下述范围内： b = ( 0 3 9 0 4 5 ) q u 讲 ( m )( 2 4 ) 拖拉机的最小离地间隙，主要取决于农艺和通过性的要求，在保证整机稳定 性的同时尽量提高地隙。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。不同拖拉机的最小离地间隙多为：旱地轮式3 0 0 4 0 0 r a m ； 水田轮式3 5 0 。4 5 0 r a m ；手扶式2 0 0 2 5 0 m m ；农业履带式2 5 0 3 0 0 m m ；工业用大 型履带式3 0 0 4 0 0 m m ；集材拖拉机大于5 0 0 m m 。 在参照国内外同类机型及调查研究的基础上，暂定的轴距、轮距和最小离地 间隙如表2 4 所示。 1 2 表2 4 轴距、轮距和最小离地间隙弹位：m m ) j 江苏大学工程硕士学位论文 拖拉机重量分结构重量和使用重量两种。 结构重量g j 是指与拖拉机结构有关的全部零件重量的总和。在保证零部件工 作可靠的前提下应力求减轻结构重量。通常以结构比重量g ，作为评比指标，g j 是 结构重量g ，与发动机标定功率讲之比，即g ，= g ，n 州。随着设计制造水平的提 高和新材料的应用，g 正逐步下降。近期生产的农业拖拉机g ( k n k w ) 多在以 下范围内：手扶式0 4 4 ) 6 ；两轮驱动式0 4 5 加7 0 ；四轮驱动式0 5 5 - 0 7 5 ；履带式 0 9 5 1 3 5 。在同一机型中，功率较小者g ；较大。 使用重量g 。是拖拉机实际使用时的重量，由以下部分组成： g 。= g 。j n + g p = g ，+ g ，+ g p ( 2 5 ) 式中，g 、晌一最小使用重量，g ，m i n = g ，+ g ， g ，一必要的附加重量，包括燃油、润滑油、冷却水、随车工具的重量和 驾驶员体重等，约为( o 0 6 - 0 1 1 ) g ，； g 。一配重的重量。 使用重量g 。的数值必须保证拖拉机的附着力不小于额定牵引力与滚动阻力之 g 亭两， q 。6 伊了 一，u + ， 式中，u 么一附着重量与使用重量之比。带牵引农具( 或农具重量由自身地轮支 u 一 撑的悬挂农具) 时，两轮驱动拖拉机可取为0 7 5 加8 0 ，履带式、四 轮驱动式和手扶式为1 0 ；带无地轮的后悬挂农具时，两轮驱动式 可取为。8 。8 5 ，履带式和四轮驱动式为1 + 岳； ，、 ， u ，历一悬挂农具重量与拖拉机使用重量之比，带一般的悬挂犁时可取为 ，u ， 0 0 6 - 0 1 2 ，带牵引农具( 或农具重量本身地轮支撑的悬挂农具) 1 3 lh 162o 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 1 4 时该比值等于零； f 一滚动阻力系数，可取为：轮式0 0 5 , - 0 1 0 ( 旱田茬地) 或0 2 0 - 0 3 0 ( 水田茬地) ；履带式0 0 8 - 0 1 2 ( 旱田茬地) ； 够一附着系数。 表2 - 5 拖拉机重量 参数及符号l h l 6 2 0 轮式拖拉机 结构比重量g：06 结构重量g i k n 7 0 8 附着系数矽09 滚动阻力系数f 附着重量与使用重量之比? z 1 。 悬挂农具重量与拖拉机使用重量之比鼍名。 。1 使用质量g 。 1 4 3 4 江苏大学工程硕士学位论文 第三章l h l6 2 0 轮式拖拉机动力传动系统设计 3 1动力传动系统方案分析 3 1 1 传动系概述 一、传动系的功用、要求和类型 传动系将发动机的动力传给驱动轮及动力输出轴和动力输出皮带轮。 对传动系的要求，是根据发动机的性能特点与拖拉机使用需要的矛盾提出的。 由于发动机扭矩小、转速高，而驱动轮要求在大扭矩、低转速下工作，传动 系应有相当大的减速比。 发动机不能任意改变旋转方向，传动系应保证拖拉机倒驶。 发动机传递给驱动轮的动力应平顺地增加，使拖拉机平稳起步；动力传递路 线应能切断，使发动机得以起动，以及在拖拉机临时停车、制动等情况下发动机 可以不必熄火。 发动机仅在外载荷等于或接近标定扭矩时才具有良好的动力、经济指标，而 拖拉机却需以不同的驱动力进行作业，为使拖拉机在工作时其发动机经常处于或 接近于标定工况，传动系的传动比必须是可变的。 有时，改变传动比并不是为了提高发动机的功率利用程度和降低耗油率，而 是为了满足拖拉机的某些速度要求。例如栽植作业，所需的驱动力并不大，但这 时反要大大增加传动比，以获得很低的速度( 通过降低发动机转速来降低拖拉机 速度是很有限的) 。 此外，传动系还应具有较高的传动效率。由于发动机的大部分功率( 甚至全 部功率) 经传动系传递，提高传动效率就直接提高了拖拉机的生产率和经济性。 和拖拉机的其他部件一样，传动系也应当工作可靠、操纵轻便、重量轻、成本低、 便于制造和维修。 按照传动比的变化情况，传动系分为无级传动系和有级传动系。无级传动的 传动比可以在一定范围内连续的变化，或者说它在该传动比范围内具有无限多的 档位。有级传动只具有若干个固定的传动比。 按照能量传递方式，无级传动可以分为液力传动、液压传动、电力传动和机 1 5 l 叭62o 轮式拖拉机动力传动系统设计分析 动，有级传动都采用机械传动。 二、齿轮传动系的组成与布置 有级传动系一般用改变齿轮齿数比的方法来获得不同的传动比，这种传动系 齿轮传动系。其结构成熟，工作可靠，传动效率高，不仅能在高转速、小扭 工作，也能在低转速、大扭矩下高效地工作，有长期的设计、制造和使用经 成本较低，因此，多年来一直在农业拖拉机上占主导地位。 传动系包括将发动机的动力传给驱动轮的主传动系、动力输出轴及皮带轮传 典型的轮式拖拉机主传动系( 图3 1 ) 包括主离合器、联轴器、变速箱、中央 、差速器、最终传动等部件。 确 图3 1轮式拖拉机主传动系简图 并不是所有拖拉机的主传动系都必须由上述那些部件组成，而是可以增加或 减少。例如，手扶拖拉机往往在主离合器之前增设皮带传动，某些中小型拖拉机 没有最终传动等等。随着摩擦元件换挡的采用，各部件之间的传统界限逐渐被打 破。例如，摩擦式换档的齿轮变速箱有可能取代主离合器。 传动系的布置与拖拉机有密切关系。单缸发动机一般是卧式的，曲轴同驱动 轮轴平行，传动系各轴郜横置，可不需圆锥齿轮，成为手扶拖拉机的典型传动方 案。两缸或两缸以上的发动机一般是立式的，一般采用纵置式变速箱和圆锥齿轮 的中央传动。 三、齿轮传动系的总传动比及其分配 主传动系的总传动比等于发动机转速与驱动轮转速之比，可按下式确定： i p ；：坠重 ( 3 1 1 ) “ m 。n q c n a 1 6 式中 n 。n 发动机的标定转速( r m i n ) ： ；某档时拖拉机的理论速度( 发动机为标定工况) ( i ( 【i l h ) ； 驱动轮的动力半径( m ) 。 实际的总传动比等于有关部件传动比的乘积，通常轮式拖拉机的总传动比为： i i = i b ii ：i 。 ( 3 卜3 ) 式中 i 。；变速箱某档的传动比； i ，中央传动的传动比； i m 最终传动的传动比。 有时总传动比中还要乘入皮带传动、链传动的传动比等。 将总传动比分配到有关部件时，先须确定传动系的大致方案，然后根据各部 件结构布置的合理性，参考现有拖拉机数据，初选中央传动和最终传动的传动比， 再计算变速箱的传动比。 适当加大最终传动和中央传动的传动比，可减小变速箱( 其中有多对齿轮传 动) 的尺寸，但不宜使变速箱过分增速。一般变速箱最高档传动比不小于0 6 左 右，以免变速箱输出轴转速过高，加剧齿轮的动载荷和搅油损失。多数拖拉机中 央传动的传动比为4 6 ( 轮式) 和2 5 4 5 ( 履带式) 。最终传动的传动比为4 6 。 四、齿轮传动系的效率 齿轮传动系在运转过程中，有一部分功率由于齿轮与齿轮、滚动轴承的滚动 体与座圈、滑动轴承与轴、油封与轴以及其它零件之间的摩擦，和齿轮等零件的 搅油( 飞溅润滑) 而损失掉。所损失的功率转化为热量。设损失功率为n 。，发动机 输入给传动系的功率为n 。，则传动系输出的功率为n 。一n 。输出功率与输入功率 1 7 分析 令n 。= m 。( - ) 。，这 o 。是传动系输入轴 的角速度。同时，设m 。为发动机输入到传动系的扭矩，n 。= m 。( i ) 。，故上式可改 写成： t 1 ：1 一盟：i 一坠 ( 3 1 4 ) 。 m c ( i ) e m 。 影响损失扭矩m 。的主要因素有： ( 1 ) 传动系的结构。例如，参与传动的齿轮对数愈多、精度愈低，则m 。愈 大。 ( 2 ) 传动件的转速。转速愈高会增加搅油损失使m 。变大。 ( 3 )润滑油的粘度、温度和油面高度。一般地说，粘度和油面高度增大会 增加搅油损失的功率；但粘度和油面高度也不能过小，否则会引起润滑不良，增 加摩擦损失的功率，还会使润滑油过热。油温对损失扭矩的影响主要表现在对粘 度的影响上。 ( 4 )传动零件所传递的扭矩。当传递的扭矩增大时由于零件之间摩擦损失 增加使m 。变大。 对于一定的拖拉机而言，传动系的结构和润滑油品质、油面高度也已确定， 在维持一定的油温和输入轴转速。的前提下，每个排档的损失扭矩m 。可认为只与 输入扭矩m 。有关。 传动效率需由实验测定，设计时要精确估计传动效率是很困难的，通常只根 据齿轮传动的类型和对数大致估算。 五、齿轮传动系的计算载荷 在载荷的长期、多次作用下，传动系的齿轮、轴、轴承等零件出现疲劳损失。 疲劳损失是传动零件的主要破坏形式，因此传动零件的强度计算以考虑疲劳损坏 的耐久性计算为主。 另外，在特殊情况下( 如拖拉机起步、驱动轮遇到突加阻力等) ，传动零件可 f 江苏大学工程硕士学位论文 能受到很大的短期尖峰载荷，使零件的应力超过材料的强度极限而损坏。但这种 损坏并不常见，故仅在必要时才按尖峰载荷校验突然损坏的可能性。 在耐久性计算中，根据拖拉机发动机经常处于满载荷工况的特点，以发动机 标定扭矩m 。n 作为发动机传递给传动系的扭矩( 如果曲轴输出的功率并不经常分给 其它装置) 。各轴上零件的计算扭矩m ；，等于m 。n 乘以曲轴到该轴的传动比以及期 间的传动效率。但在传动比较大的排挡时，按发动机标定扭矩算得的驱动力可能 超过附着力，以致标定扭矩并不能得到充分发挥，这时就应按地面的附着能力来 确定计算扭矩。实际计算时常将按标定扭矩m 。n 和按地面附着能力确定的两种计算 扭矩同时算出，选取两者中较小的数值( 即可能实现的扭矩) 作为计算扭矩。各 轴的计算扭矩见表3 - i 。 表3 - 1 传动系各轴的计算扭矩m ： ( 1 ) 如果设计时确定轮式拖拉机的附着重量g q 有困难，可取g 中等于各驱 动轮承载能力之和。附着系数驴通常取为：轮胎式0 6 5 。 ( 2 ) 驱动轮胎动力半径0 9 4r q ( r q 驱动轮胎充气后的自由半径) 。 ( 3 ) i t b i 和i ”b i 分别是某档时变速箱输入轴至中间轴和中间轴至输出轴的传 动比。为了验算轴承等零件，须求出变速箱挂各档时的计算扭矩。 1 9 7 7 z 和 轮传动的效率为 擦损失折算在内。 至今世界上绝大多数的汽车都是采用往复活塞式内燃机，其中绝大多数的轿 车采用汽油机，而几乎全部的重型货车、绝大多数的中型货车和相当一部分轻型 货乍则采用柴油机。近二三十年来在极少数汽车上采用了转子发动机、燃气轮机、 高能蓄电池和电动机等动力装置。为消除污染，以蓄电池为能源的电动汽车受到 各旧的重视，列为发展方向并在加紧研制中。但从目前的情况来看，在相当长的 时期内，往复式内燃机仍将是汽车发动机的主要型式。因此，这里仅就汽车内燃 机的选型问题进行讨论。 在汽车发动机基木型式的选择中首先应确定的是采用汽油机还是柴油机，其 次是气缸的排列型式和发动机的冷却方式。 1 柴油机与汽油机 目前，国内拖拉机采用的发动机几乎全部是四冲程柴油机，这是因为柴油机 比汽油机有更多的优点： 1 ) 柴油机以柴油为燃料，经济性能好( 比耗油量较低) ，而且柴油的价格便 宜，不易发生火灾。 2 1 工作可靠，耐久性好( 无点火系统，故障少) 。 3 ) 在同样行驶里程下，油箱容积小，易于布置。 4 ) 排气污染程度低。 柴油机的不足之处是工作比较粗暴，故振动和噪声大，零件尺寸和重量大， 且发动机启动性能差。 汽油机的转速可以高一些( 升功率高) ，扭矩适应性较好，零部件尺寸小，重量 轻，易于布置，而且汽油机工作柔和，振动和噪声较低，适宜于高速车辆选用。 江苏大学工程硕士学位论文 2 直列式与卧式 直列式发动机具有结构简单，工作可靠，成本低，使用维修方便，发动机宽 度小，易于布置，因此在拖拉机上得到广泛采用。 我国不少单缸机采用卧式柴油机，如s 1 9 5 柴油机，由于该产品结构简单，使 用维修方便制造质量高，故被不少小型农用运输车厂家选用，但整机布置较困难， 若采用皮带传动，其传动效率低。 3 单缸机与多缸机 目前发动机正向多缸机型发展，因为多缸机运转平稳，振动小，噪声低。而 单缸机振动和噪声问题都较突出，已被人们所关注。 4 水冷式和风冷式 目i j 拖拉机大都采用水冷式发动机，它有许多优点：( 1 )