基于拖拉机变速箱的传动系统优化策略分析

孙艳芬

(常州机电职业技术学院 机械工程学院，江苏 常州　213164)

0　引言

变速箱是拖拉机传动机构中不可缺少的部分。一般以运输工具动力产生装置作为输出端，结合运输工具的传动部分及液压部分作为控制部分，将动力传输至运输工具驱动轮上，结合动力输出装置为驱动轮提供不同牵引力，以此改变其运输效率及速度。从拖拉机运输动力控制过程来看,拖拉机变速箱传动系统性能好坏与其结构有明显关系，必须在实际设计中提升变速箱传动系统性能，为拖拉机提供较为良好的动力控制结构。从本质上来说，变速箱属于拖拉机动力控制机构的核心部分，当前在进行拖拉机变速箱传动系统设计过程中存在一些固有问题，如设计效率低下、难以在设计中快速建立拖拉机变速箱三维传动系统模型、在实际设计中存在尺寸上固有弊端(尺寸部分难以优化)等。为解决以上问题，需要针对问题产生根源结合计算机辅助技术进行其设计优化，促进系统运转效率提升。

1　设计结构和工作原理

针对当前在拖拉机变速箱结构设计中存在的一些固有弊端进行分析，并针对性采用相应方法对其进行优化，结合实际及相应的技术需求，将其体现在变速箱传动系统结构的优化设计中。

1.1设计需求

在实际设计中需要针对变速箱进行需求分析，因此结合拖拉机作为运输工具提出以下运输需求：

1)拖拉机需要在不同路面及地形上行驶，在实际设计中应保证其具备足够挡数，便于应对不同环境速度和效率需求；

2)变速箱需要具备空挡，便于可随时对其进行换挡操作，配合其挡数操作系统；

3)系统换挡过程中需要具备一定稳定性，即换挡过程中一般以顺序为依托进行换挡，避免换挡次序混乱导致其动力出现较大跳跃，造成拖拉机稳定性不足，影响其行驶过程；

4)需保证系统具备足够的动力，并且该系统在实际行走过程中需要具备一定经济性；

5)拖拉机在实际运行过程中只能以某一挡位形式，具有一定稳定性；

6)系统运行过程中具备较高的传动效率；

7)系统运行过程中不可产生较大运行噪声，且运行过程中较为平稳，不至于太过颠簸；

8)变速箱结构需要具备较为适当的结构，并且便于维修管养；

9)设计变速箱传动系统应尽量保证其结构稳定性，以轻便为主，在受到外界应力时结构性能不会出现较大变化。

1.2变速箱结构

拖拉机变速箱结构如图1所示。该拖拉机需要具备运输及耕地等多种功能，因此在设计时需要结合实际情况进行分析。为此，设计功率为5kW，为保证其满足实际工作需求，设计转速为220r/min。为满足其挡位较多需求，本设计中设计的变速箱结构一共有8个挡位，前进挡和倒退挡个数分别为6个和2个。

图1　变速箱结构

1.3参数确定

为对拖拉机变速箱进行优化，首先需要确定其相关参数。变速箱传动系统主要对拖拉机系统速度进行确定，为提高拖拉机传动系统性能，需保证其速度可满足多种需求。拖拉机不仅需要保证运输工作，还需实现耕作、播种、收获等基本工作，结合拖拉机实际需求及当前拖拉机使用情况选择合适速度。本文设置拖拉机的速度区间在[0.3，6]km/h之间，并确定其拖拉机链轮结构的直径尺寸为125mm。在以上条件设置基础上便可进行传动比计算，即

iv=60×10-6πnddL/vn

式中iv—拖拉机挡位中每个档位总传动比；

nd—发动机转速；

dL—拖拉机链轮结构的直径尺寸；

vn—不同档位各自行进速度。

拖拉机一般从事较为繁重的工作，因此可设置其行走速度为0.3km/h，并且在此过程中需要拖拉机具备较高牵引力。在常规道路行驶时，行走速度可达6km/h，设定本文研究拖拉机额定功率为5kW，转速设计为2 200r/min，拖拉机链轮结构的直径尺寸设计为125mm,并设置拖拉机链轮最大转矩为200N·m。拖拉机在运行过程中存在前进和倒挡两种情况，倒挡最大速度设置为8km/h，则由以上条件可求解出拖拉机传动的传速比极大极小值分别为172和7.9。设定本文研究拖拉机在实际传动过程中具备较为稳定的传动结构，并且在运行中其润滑效果良好。在此基础上应尽量保证其结构简便，降低结构质量，提高其灵活性。若在此基础上保证其传动比趋于一致，则

Ωi=(imax/imin)4=2.16

在此基础上得出的传动轴齿轮最小齿数约为17。为保证系统总速比达到最大值，可计算出其余4级减速轴平均速比为

i=[(imax)/(i2”·i1’)]4

在此基础上可结合其实际需求计算得出变速箱各挡传动比，结果如表1所示。

表1　变速箱各挡传动比

2　传动系统参数化建模

为提高传动稳定性和变速可靠性，本研究的传动系统采用六级减速传动，其主要结构部分由齿轮及轴承组成。该部分属于传动系统主体部分，拟采用三维建模仿真形式结合相关参数进行传动系统组成结构的参数化建模。

2.1齿轮结构参数化建模

通过齿轮参数化建模得到齿轮的三维仿真模型，为后续传动系统构建奠定基础。在构建齿轮系统时，首先需要将相关参数输入到建模系统中。本文采用Pro/E作为建模平台，将齿轮参数输入到系统中，输入参数为

d=m×z

db=d×cos(20)

da=(z+2) ×m

df=(z-2.5) ×m

式中d—分度圆直径；

db—基圆直径；

da—齿顶圆直径；

df—齿根圆直径。

在以上各参数支持下，便可得出本文构造的传动系统齿轮部分结构模型，如图2所示。

2.2花键轴参数化建模

齿轮需要在花键轴支撑下实现不同齿轮间的传动过程，在构建花键轴过程中采用与构建齿轮结构较为类似的方式展开。在进行花键轴参数化建模过程中，需要对其参数进行设置，具体如下：D为花键轴大径；d为花键轴小径；n为花键数目；L为花键轴长度。

确定以上参数后，便可进行其模型构建。在构建过程中应保证所有键标准装配位置，首先建立花键轴基准面，并设定其相关参数如下：L1/L2轴基准面长度给定控制参数。

在此基础上可得出花键轴三维仿真图形，如图3所示。

图2　传动系统齿轮仿真图

图3　花键轴三维仿真图

2.3拖拉机变速箱结构参数化建模

变速箱参数化建模就是将其所有构建单个零件的模型组合在一起，使之组合在一起形成变速箱传动体系。在进行零件设计过程中，需结合零件设计标准；在实际设计中，可以针对该模型结合pro/E进行结构设计。为此，需结合实际情况进行分析，并在实际运动过程中设计的二维图进行构建组合。在进行结构框架构建过程中，首先需要建立其骨架模型，本系统中采用六级减速方式配合传动轴和齿轮构建出系统。其2D结构图如图4所示。图4中，1～7分别表示传动齿轮结构。

在进行箱体参数化建模过程中，需设置各轴间的间距，分别将其表示为L1～L7。此外，还需设置不同轴之间的相互夹角，分别将其表示为a1～a7,可得出以下关系，即

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

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

结合Pro/E软件进行仿真分析，首先建立变速箱基准面，并将其他面以基准面为准进行组合，形成三维变速箱模型，最终得到的仿真图如图5所示。

图4　变速箱系统二维结构图

图5　变速箱三维仿真模型

在以上构建的三维仿真模型基础上，便可对该结构进行结构分析，判断该传动系统传动效率及传动效果，并对其进行优化分析，在满足拖拉机工作需求基础上提升其工作效率。

3　变速箱传动系统优化分析

3.1齿轮轻量化

齿轮是传动系统重要组成部分，其结构性能关乎到整个传动系统传动效率。一般而言，为提高传动系统传递效率，需要对齿轮进行轻量化处理，在保证其结构性能同时降低质量。

对齿轮进行轻量化设计时，齿轮相关参数已经确定，因此影响因素主要为系统中各个齿轮各自模数。对于系统中7个轴齿宽系数进行分析，可得

X=[X1X2]T=[mΦd]T

其中，Φd表示齿宽系数。在此基础上可对系统齿轮进行优化，即系统中存在9个齿轮副，一些挡位的齿轮共用大齿轮。在该系统中一共存在8个独立的齿宽系数，可将其表示为

Φd=[φd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]

结合上式将系统中7个轴齿宽系数分析结果进行进一步描述表示为

X=[X1X2X3X4X5X6X7]T=

[mφd1φd2φd3φd4φd5φd6φd7]T

在此基础上可将齿轮所有参数进行标记，便于进行后续处理，再建立优化目标函数。由于要求在不降低系统传递效率基础上降低齿轮结构的体积及质量，设定参数V表示齿轮结构总体积。通过遗传算法对拖拉机变速箱传动系统进行优化处理，最终得到的结果如表2所示。从表2中不难发现，经过优化后的变速箱体积缩小了近4.3%，且有效降低了传动系统的整体质量。由此可见，本次优化效果明显。

表2　齿轮优化前后参数对比

3.2变速箱各轴空间位置尺寸的优化

确定好齿轮相关参数后，便可进行拖拉机变速箱传动系统各轴空间位置尺寸优化。一旦中心距确定后，便不要轻易改变该系数。因此，在优化过程中一般只能研究传动系统各轴空间位置，在此基础上进行各个空间位置最优化，以此促进变速箱尺寸达到最小。通过建立目标函数进行优化处理，仿照齿轮优化方式可对各轴心连线倾角进行优化，得到最终结果。各轴心连线倾角优化前后对比结果如表3所示。

表3　各轴心连线倾角优化前后对比

由表3可知：系统得到有效优化，并在此基础上对其结构进行再次仿真， 其局部传动系统如图6所示。此时，系统传动效率有极大提升，可满足拖拉机实际运行多种需求。

图6　优化后的局部传动图

4　结论

本文研究的传动系统采用六级减速传动，主要由齿轮及轴承组成，属于传动系统主体部分。通过Pro/E对齿轮及花键轴部分进行三维仿真，得出最佳优化参数，并将其组合成为本文研变速箱传动系统结构，对得到的系统进行优化处理。对齿轮进行轻量化设计时，其齿轮相关参数已经确定，因此在进行齿轮轻量化设计时影响因素主要为系统中各个齿轮各自模数，对其中7个轴齿宽系数进行分析。优化过程中，一般只能研究传动系统各轴空间位置，在此基础上进行各个空间位置最优化，从而实现变速箱尺寸最小的目标。

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