手搖式農(nóng)用車機械儲能起動裝置的設(shè)計

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊　琛，楊振坤，李　香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院 機械工程系，西安 710018）

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手搖式農(nóng)用車機械儲能起動裝置的設(shè)計

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊琛，楊振坤，李香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大學(xué) 城市學(xué)院 機械工程系，西安 710018）

摘 要：針對目前傳統(tǒng)的小型農(nóng)用車依靠手搖起動，速度慢、耗費大量氣力，冬天氣溫低時更難以起動的弊端，尤其是空巢老年農(nóng)民用戶迫切希望在不改動原車輛（即不增加成本）的基礎(chǔ)上改進起動裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計研制了一種新型的、可靠的機械儲能起動裝置。試驗證明，此裝置無需借助其它能源輔助設(shè)備即可完成整個起動過程，不僅節(jié)省人力，提高起動速度，并且安裝簡單，操作、維護方便，使用成本低廉。

關(guān)鍵詞：機械式；儲能起動；手搖農(nóng)用車

0 引言

以單缸發(fā)動機為配套動力的6-28馬力之間的農(nóng)用三輪車、四輪車等早已走進農(nóng)村的千家萬戶。但是，這種類型的農(nóng)用車，一直沿用傳統(tǒng)的手搖起動方式，既費力又費時，有時還會因操作不慎造成意外傷害事故。尤其是在冬季，由于氣溫過低，這類小型農(nóng)用車往往更難起動，許多人不得不因起動不便而放棄使用，甚至購置新農(nóng)用車以此代替而徒增勞動成本[1]，如圖1所示。如果能改進起動裝置，增加省力環(huán)節(jié)，在不增加農(nóng)民成本的基礎(chǔ)上，改良這類農(nóng)用車的起動弊端，必將適應(yīng)農(nóng)民需求，降低勞動成本，提高勞動生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟效益。近年來，不少農(nóng)用車輛安裝了電起動或嘗試用其他方式代替手搖起動，但終因安裝成本高，使用費用大，安裝復(fù)雜且專業(yè)化，使用壽命短，性能差等原因而難以普及[1]。本文研究的是一種不用電，不受低溫等因素影響的新型起動裝置，它一年四季均可連續(xù)起動，成本低，壽命長，操作簡單，安裝方便，造型美觀，徹底解決了上述起動方式的缺陷與不足。

本文在分析了現(xiàn)在農(nóng)用車起動裝置的市場需求情況及其各個組成部分的基礎(chǔ)上，根據(jù)農(nóng)用車應(yīng)用的環(huán)境特點，比較了起動裝置的幾種動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)和儲能機構(gòu)，設(shè)計了手搖式農(nóng)用車起動裝置的改進方案，并通過計算、分析論證了設(shè)計的可行性。起動裝置總體結(jié)構(gòu)包括省力機構(gòu)，動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)，儲能機構(gòu)，離合和釋放機構(gòu)等。

圖1　手搖式農(nóng)用三輪車圖

1 總體設(shè)計

小型農(nóng)用車機械儲能起動裝置由省力機構(gòu)、動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)（人力輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向力）、止動機構(gòu)、儲能裝置、離合機構(gòu)和釋放機構(gòu)組成，并考慮了軸向力轉(zhuǎn)換成輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計，如圖2所示。

采用小齒輪帶動大齒輪的嚙合機構(gòu)構(gòu)成省力機構(gòu)；為積累足夠的能量使發(fā)動機，采用彈簧裝置；利用凸輪機構(gòu)將齒輪傳動中的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成彈簧軸向的軸向運動；為了防止起動裝置動力傳輸過程中儲能彈簧釋放能量時能量回流、輸入軸反轉(zhuǎn)，利用止動機構(gòu)使動力沿單一方向傳動，提高能量利用率；利用齒輪齒條實現(xiàn)將軸向力轉(zhuǎn)換成輸出轉(zhuǎn)矩；最后應(yīng)用曲柄滑塊原理和止動機構(gòu)連桿運動等方式設(shè)計釋放機構(gòu)；在輸出軸末端安裝離合器，用來接合和脫開起動裝置和發(fā)動機。

圖2　起動裝置

2 輸入機構(gòu)的設(shè)計

2.1 輸入裝置簡介

人力輸入采用手搖動力輸入裝置，一端用于手握搖動，另一端用于與小齒輪輸入軸接合，小齒輪帶動大齒輪嚙合，可大大節(jié)省人力，如圖3所示。

圖3　搖把裝置

凸輪機構(gòu)與棘齒條機構(gòu)通過彈簧相連，輸入動能通過棘齒條儲存在后續(xù)機構(gòu)中。

2.2 省力機構(gòu)設(shè)計

齒輪嚙合機構(gòu)是人力輸入機構(gòu)，主要零件有輸入軸和傳動齒輪副。根據(jù)齒輪傳動類型、省力原理和基本要求，本文選用閉式外嚙合直齒圓柱齒輪傳動，包括：輸入軸、小齒輪、大齒輪和輸出軸。

輸入軸上的齒輪為小齒輪，依靠兩輪的輪齒依次嚙合實現(xiàn)，小齒輪帶動大齒輪的杠桿原理達到省力目的。如圖4所示。

圖4　齒輪機構(gòu)

小齒輪的動力來自于軸，阻力來自于大齒輪。

R軸不變，減小R輪則F阻增大。

大齒輪的動力來自于小齒輪，阻力來自于軸。

R軸不變，加大R輪則F動減小，依次達到省力目的。

2.3 轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計

凸輪機構(gòu)是由凸輪，從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)便于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。本文選用無遠休止和近休止的滾子對心移動盤形凸輪機構(gòu)作為動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動。從動件做無停歇的升—降—升連續(xù)往復(fù)運動，避免柔性沖擊。

3 儲能機構(gòu)設(shè)計

3.1 軸向力轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計計算

齒條直線運動帶動齒輪轉(zhuǎn)動，將軸向彈簧勢能轉(zhuǎn)換成主軸轉(zhuǎn)矩，帶動柴油機旋轉(zhuǎn)。根據(jù)手搖式農(nóng)用車機械儲能起動需求，無特殊要求下，齒輪齒條均選用45鋼，采用軟齒面。齒輪用調(diào)制，硬度為240～270HBS；齒條用正火，硬度為200～230HBS。

齒輪力矩T1=70N.m，轉(zhuǎn)速：

n1=120r/min=2r/s

得：

一般農(nóng)用車起動時間為2～3 s，起動轉(zhuǎn)速r=t×n=2s×2r/s。

根據(jù)齒輪齒條傳動效率為0.94～0.98，則輸入功率為：

取齒輪齒數(shù)z1=17，齒條齒數(shù)z2=68，可得傳動比：

則齒條轉(zhuǎn)速n2=30r/min。

齒輪齒條彎曲疲勞極限應(yīng)力分別為σFlim1=240Mpa 和σFlim2=220Mpa，可得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，失效概率低于1/100 ，SFmin=1.25，許用彎曲應(yīng)力為：

齒輪齒條接觸疲勞極限應(yīng)力σHmin1=560MPa，σHmin2=500MPa，取aH=1，可得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

ZN1=1.7，ZN2=1.8。失效概率低于1/100，SHmin=1.0，可得許用接觸應(yīng)力：

設(shè)齒輪按8級精度制造，載荷均勻系數(shù)為K=1，齒輪相對軸承對稱布置，取Φd=1：

根據(jù)式( 1～6 )可得，Φa= 0 . 4。其彈性系數(shù)ZE=189.8，節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH=2.5，直齒輪傳動ε取1.1～1.9之間，重合度系數(shù)為：

中心距計算：

可取標(biāo)準(zhǔn)值a=90[4]。

設(shè)齒輪齒條的齒數(shù)Z1=17，Z2=μ× Z1=68，取m=2：

由式(18)可得，

調(diào)整Z1=18，Z2=72。

由此，實際齒數(shù)比為：

重合度：

由式(17)得：

確定齒寬：

齒條齒寬b2=36，齒輪齒寬b1=40。

3.2 軸向力轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)矩的設(shè)計驗證

經(jīng)查表YFal=2.91，YFa2=2.24，應(yīng)力修正系數(shù)YFsl=1.53，YFs2=1.75，重合度系數(shù)為：

齒根彎曲應(yīng)力為：

由此驗證出兩齒輪彎曲強度滿足設(shè)計要求。

考慮到齒條的運行和安裝，一般齒條實際的長度L大于有效長度L'。

齒輪的輪齒所受水平力設(shè)為F1'，齒輪受齒條的作用力為F1，F(xiàn)2為反作用力。儲能彈簧所受的最大壓力即齒條所受力的水平分力。齒條齒廓上各點具有相同的壓力角α，即齒形角，標(biāo)準(zhǔn)值為20°。對齒輪齒條受力分析如圖5所示可知：

圖5　齒輪齒條受力分析[3]

3.3 儲能裝置的設(shè)計與論證

儲能機構(gòu)主要由圓柱螺旋壓縮彈簧和主軸，與其配合的零件可實現(xiàn)兩大功能。第一，將前述人力輸人轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成的軸向力壓縮圓柱螺旋彈簧，將能量儲存起來；其次，將彈簧勢能轉(zhuǎn)換成通過主軸輸出的轉(zhuǎn)矩，形成帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)的動力。本文選用彈簧材料為合金彈簧鋼絲60Si2Mn，如圖6所示。

經(jīng)查得，Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應(yīng)力為740MPa，切變模量為80MPa，由式(30)可得，彈簧受力為3.89kN。

彈簧旋繞比C取8，可得曲度系數(shù)：

彈簧絲直徑：

經(jīng)查表，選取d=12mmz，中徑D2=110mm。節(jié)距t取42.0mm，有效圈數(shù)n取2.5～12.5之間，由經(jīng)驗值取n為12.5。

試驗載荷下變形量：

彈簧剛度：

最大心軸直徑：

最小套筒直徑：

圖6　壓縮彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1）彈簧的強度校驗

彈簧強度小于Ⅲ類60Si2Mn的許用剪切應(yīng)力，選取設(shè)計滿足要求。

2）彈簧的變形計算

3）彈簧穩(wěn)定性計算

可得彈簧鋼絲間距：

對于壓縮彈簧總?cè)?shù)n1的尾數(shù)宜取1/4、1/2或整圈數(shù)，常用1/2圈。該彈簧選有支撐圈（不參與變形的圈）的彈簧，一端的支撐圈數(shù)選取0.75～1.25之間，其總?cè)?shù)可計算：

n為工作圈數(shù)，可計算得n=10。

彈簧的自由長度（兩端并緊磨平）：

高徑比：

彈簧穩(wěn)定可靠。

通過校驗彈簧的強度及穩(wěn)定性，選取材料均符合要求，彈簧可穩(wěn)定可靠的工作。

4 止動機構(gòu)、釋放機構(gòu)的設(shè)計和離合機構(gòu)的選型

4.1 止動機構(gòu)的設(shè)計

為了防止起動裝置動力傳輸過程中儲能彈簧釋放能量時能量回流、輸入軸反轉(zhuǎn)，設(shè)計止動機構(gòu)使動力沿單一方向傳動，提高能量利用率。本課題采用棘齒條機構(gòu)，它既可以保持移動，又能達到止動的效果[4]。如圖7所示。

圖7　棘齒條機構(gòu)

能量輸入時，使用扭動插銷將止回棘爪旋轉(zhuǎn)至圖7中所示位置。當(dāng)釋放機構(gòu)將能量釋放，啟動農(nóng)用車后，旋轉(zhuǎn)并拔下止回棘爪插銷，使止回棘爪彈起，棘齒條復(fù)位。

4.2 釋放機構(gòu)的設(shè)計

釋放機構(gòu)是起動機的操縱機構(gòu)，主要零件有釋放桿和搖桿滑塊工作鏈，如圖8所示。操作者通過釋放桿實現(xiàn)兩項操作，拉釋放桿的目的是讓釋放機構(gòu)處于準(zhǔn)備儲能的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，主軸的旋轉(zhuǎn)將被限制，以便實現(xiàn)彈簧的儲能。推釋放桿的目的是當(dāng)儲能過程完成，發(fā)動機需要啟動的時候，解除主軸旋轉(zhuǎn)的限制，同時完成圓柱螺旋壓縮彈簧釋能、主軸輸出轉(zhuǎn)矩，帶動飛輪驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機起動過程[5]。

4.3 離合機構(gòu)的選型

離合機構(gòu)是使起動機和發(fā)動機的運動相結(jié)合和脫開的機構(gòu)，主要零件是飛輪驅(qū)動齒輪，它借助于起動機主軸上的離合器，當(dāng)需要起動發(fā)動機的時候，將起動機主軸上的離合器和發(fā)動機上的飛輪齒圈嚙合；反之，當(dāng)起動機工作完成，發(fā)動機開始主動旋轉(zhuǎn)時，發(fā)動機飛輪帶動飛輪驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)，同時使其沿軸線反向移動，脫開齒輪的嚙合[6]。如圖9所示。

圖8　釋放機構(gòu)

圖9　離合機構(gòu)

5 結(jié)論

手搖式農(nóng)用車機械儲能起動裝置操作簡單，維護方便，成本低廉，無需借助其他能源輔助設(shè)備，極大地適應(yīng)和滿足了目前農(nóng)用車起動裝置的市場需求，是一種新型、可靠的機械起動裝置。本文通過計算分析、校驗，優(yōu)化設(shè)計了省力機構(gòu)，動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)，儲能機構(gòu)，離合和釋放機構(gòu)等，提供了農(nóng)用車啟動裝置創(chuàng)新設(shè)計的良好途徑。隨著科技技術(shù)的發(fā)展以及各種智能化儀器設(shè)備的出現(xiàn)，手搖式農(nóng)用車機械儲能起動裝置還將不斷改進，逐步增加自動化、遙控式等功能。

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作者簡介：樊?。?983 -），女，山東濟南人，講師，碩士，研究方向為智能化監(jiān)控與檢測和機電一體化。

基金項目：西安交通大學(xué)城市學(xué)院科研基金項目（2014XJTUCC10013）

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號：TH12

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0097-05