東風-12型手扶拖拉機離合器主要參數(shù)校核及結(jié)構(gòu)工藝性研究

羅新文，黃云戰(zhàn)，李貴榮，楊麗祥

（云南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，云南 昆明 650201）

東風-12 型手扶拖拉機是典型的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品之一。該產(chǎn)品配上相應農(nóng)機具，能犁、耕、旋耕、碎土、水耙、開溝、運輸?shù)茸鳂I(yè)，也可作各種固定作業(yè)的動力使用，如小型排灌、噴霧、脫粒、磨粉、飼料加工等功能，是農(nóng)村不可缺少的主要機械產(chǎn)品。本研究對該產(chǎn)品的主要傳動部件——離合器的設計計算及結(jié)構(gòu)原理進行分析研究，以期進一步改進其結(jié)構(gòu)工藝。

1 離合器結(jié)構(gòu)

離合器是手扶拖拉機傳動系統(tǒng)的重要部件，它安裝在發(fā)動機后面，變速箱的前面，用來分離和接合發(fā)動機傳給傳動系的動力。在結(jié)構(gòu)上要求離合器接合時柔和平順，能將發(fā)動機的動力平穩(wěn)地傳給傳動箱，使拖拉機平穩(wěn)無沖擊地起步；分離時，要求迅速、徹底、不打滑，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況下能使拖拉機平穩(wěn)無沖擊地停車、換擋。當拖拉機在工作中遇到超負荷時，離合器能自行打滑，使傳動系的其他零件不被損壞[1]。

東風-12 型手扶拖拉機是采用單作用壓緊式摩擦離合器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，離合器是依靠摩擦力工作的。摩擦片的結(jié)構(gòu)為雙片式干式結(jié)構(gòu)，它在彈簧作用下，經(jīng)常處在接合狀態(tài)，靠兩個零件接觸面的正壓力所產(chǎn)生的摩擦力矩來傳遞扭矩，所產(chǎn)生摩擦扭矩的大小除和正壓力的大小有關外，還和摩擦面的材料和摩擦面積的大小有關。如摩擦盤之間的壓緊力越大，摩擦面的摩擦系數(shù)越高，摩擦表面的直徑越大，則能夠傳遞的扭矩也越大。但考慮到整機的結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)計算在滿足要求的前提下，摩擦表面直徑應盡可能小。

2 離合器參數(shù)校核假設條件

計算時的參考條件：東風-12 型手扶拖拉機因其在復雜環(huán)境惡劣條件下工作，離合器結(jié)構(gòu)為干式、雙片、頻繁接合式摩擦離合器。在離合器設計計算中，要進行離合的摩擦力矩和儲備系數(shù)的確定，摩擦片的磨損計算，以及各零件的強度計算。設計中，如采用石棉離合器摩擦片（JC124-66），摩擦溫度在120±10℃時摩擦系數(shù)取0.36，摩擦損耗0.06 mm/0.5h，由于離合器在磨損過程中條件較為復雜，為了簡化起見，計算時先采用下列假設條件：（1）離合器瞬時接合；（2）經(jīng)過離合器所傳遞的扭矩具有不變的最大值；（3）主離合器接合時，發(fā)動機輸出最大功率；（4）拖拉機機動輪不滑轉(zhuǎn)；（5）忽略發(fā)動機與離合器皮帶傳動中心打滑[2]。

3 離合器摩擦片表面上單位壓力和儲備系數(shù)的確定

根據(jù)離合器皮帶輪鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)尺寸，要求兩個從動盤和主動片裝于腔內(nèi)，據(jù)所決定摩擦片的已知條件：（1）摩擦片表面的外半徑R2=80 mm；（2）摩擦片表面的內(nèi)半徑R1=38 mm；（3）適用于拖拉機的摩擦表面材料（銅絲石棉—鑄鐵）的摩擦系數(shù)取為0.3。以下列兩點分別計算：

圖1 東風-12 型手扶拖拉機摩擦離合器結(jié)構(gòu)圖

摩擦離合器片單位壓力：

當取單位許用應力[δ]=2.5 kg/cm2，δ≤[δ]，基本滿足要求。

儲備系數(shù)：

式中Mm為離合器的計算摩擦力矩，Mn為傳遞力矩。Mm計算式如下：

考慮摩擦時的平均摩擦表面半徑

Mn按下式計算：

式中：N 為發(fā)動機計算功率（12 馬力）；n 為發(fā)動機計算轉(zhuǎn)速（2 000 r/min）；i△為發(fā)動機主動輪直徑D1（125 mm）與離合器皮帶輪直徑D（210 mm）之比，=1.68；η△為發(fā)動機到離合器皮帶輪一級三角輪機械傳動效率（0.92）。從儲備系數(shù)看出，摩擦力矩遠大于傳遞扭矩，滿足要求。

4 離合器磨損及發(fā)熱功的驗算

4.1 離合器的磨損驗算

離合器在起步過程中接合一次時的總滑磨功：

式中：ωm為離合器皮帶盤角速度124.7（m/s）；Jm為發(fā)動機零件慣性矩，其值等于飛輪慣性Jn與其他旋轉(zhuǎn)及往復運動部分換算到離合器皮帶盤上慣性矩：

Jn為拖拉機組的轉(zhuǎn)動慣量換算到離合器從動輪上的轉(zhuǎn)動慣量：

式中：GT為拖拉機使用重量（460 kg，包括帶犁及輪子配重40 kg）；GCX為拖拉機牽引重物（1 000 kg，一般運輸應控制在750 kg 以內(nèi)）；Dk為驅(qū)動輪滾動半徑，考慮裝膠輪轉(zhuǎn)時，取Dk=0.307 m；ηkn為離合器從動軸到驅(qū)動輪之間的傳動效率，取ηkn=0.97；i4為第4 級傳動比（1.5）。故單位摩擦功：

在工作可靠的離合器中，A′≤3 kg·m/cm2可以滿足要求。

4.2 離合器的發(fā)熱計算

離合器接合一次時，其零件的溫度升高由下式確定：

5 離合器主要元件的強度計算

5.1 離合器軸計算

離合器軸傳遞的扭矩較大，選用材料45 鋼，應根據(jù)發(fā)動機的計算扭矩進行離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應力和花鍵擠壓應力計算。

離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應力：

式中，d 為花鍵軸的內(nèi)徑（危險斷面直徑）。計算結(jié)果表明，離合器軸扭轉(zhuǎn)剪切應力小于許用應力，滿足要求。

離合器軸的花鍵擠壓應力：

式中：x 為花鍵的載荷分布不均勻系數(shù)，取值0.8；l為鍵槽的工作長；h 為花鍵軸接觸高度D 為花鍵軸的外徑；z 為花鍵軸槽的數(shù)目；p 為平鍵的圓周力，P=2 Mn/d。從計算結(jié)果看出，花鍵的實際擠壓應力雖比許用應力小，但差距不大。

5.2 分離杠桿的強度計算

離合器體及分離爪結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 離合器體及分離爪結(jié)構(gòu)實物圖

因為分離爪是3個，故：

抗彎截面模量為：

從計算結(jié)果看出，現(xiàn)在使用分離杠桿的強度與許用分離杠桿的強度相差很少，因此，分離杠桿的強度應該加強，可從材料選擇上改善，或者從結(jié)構(gòu)的尺寸上改善。

5.3 調(diào)整螺桿的強度驗算

調(diào)整螺桿的強度：σ=353.4<[σp]=1 550（kg/cm2），滿足要求。式中：d1=5.835（螺紋內(nèi)徑）。

5.4 離合器主動片擠壓應力驗算

離合器主動片擠壓應力：

式中：z 為凸輪齒數(shù)（3）；h 為凸輪齒數(shù)有效高度（5.75 mm）；l 為凸輪厚度（6 mm），x 為凸輪齒面有效接觸系數(shù)（0.8）（kg）（因為4個面?zhèn)鬟f扭矩，主動片只有兩個面）從這里的計算看，已滿足要求。

6 結(jié) 論

通過以上的計算校核分析，筆者認為，離合器材料的選擇、最初結(jié)構(gòu)設計強度多數(shù)滿足要求，但有的地方仍然需要改正。

（1）將摩擦片材質(zhì)改用金屬陶瓷摩擦材料，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.3～0.5 之間，使摩損率減小，低于原設計的0.06 mm/0.5 h，在350℃高溫下仍無熱衰退及燒片現(xiàn)象，確保傳扭能力，從而在滿載及惡劣工況條件仍然正常工作。

（2）考慮到拖拉機在農(nóng)村的應用是超負荷使用，為了保證傳遞動力時離合器的正常工作，離合器就必須具有恰當?shù)淖杂砷g隙（分離杠桿與分離軸承的間隙Δ 應該在0.4～0.7 mm 范圍內(nèi)），因此，摩擦片的平面加工精度可以提高一個等級，3個分離杠桿的端頭在加工和裝配保持在同一平面上，保證摩擦面嚙合的全接觸。

（3）從計算結(jié)果看，應提高使用分離杠桿的強度與許用分離杠桿的強度差，適當加強分離杠桿的材料的強度，增大10%左右的橫截面積。

（4）除了以上的改正，在使用中要求操作者離合制動手柄的自由行程在25～30 mm 范圍內(nèi)[3]，要注意定期檢查摩擦盤的磨損，分離時，為徹底消除摩擦表面的壓緊力，因此，必須強制性的將壓盤往回拉。直至摩擦表面間出現(xiàn)約0.5 mm 的分離間隙，然后將分離手柄放回離合的位置，這樣，才能避免摩擦片的嚴重磨損，使手扶拖拉機在不同的環(huán)境下也能正常工作。

[1]中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.農(nóng)業(yè)機械設計手冊（上、下冊）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2007.

[2]吳宗澤，盧頌峰，冼健生.簡明機械零件設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2011.

[3]劉桓明.手扶拖拉機離合器的使用與調(diào)整淺析[J].農(nóng)業(yè)機械化，2010，（9）：53.