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【摘要】第一代农用微型山地履带车是一种能够适应山地作业环境的山地微耕机，但其道路运输行驶速度过慢，低速旋耕工作速度过快，变速箱尺寸过大，因此现需要设计一款档位较多，档速合理，结构紧凑的第二代农用微型山地履带车变速箱。本文主要对其变速箱的改进方案进行对比选择并确定设计档位。
【关键词】农用 微型山地履带车 变速箱 档位设计
【Abstract】The first generation of agricultural miniature mountain caterpillar vehicles is a kind of can adapt to the mountain mountain micro tillage machine， the working environment but the road transport speed too slow， low speed rotary tillage work too fast， transmission size is too big， so we need to design a gear， gear speed is reasonable， compact structure of the second generation of agricultural miniature mountain tracked vehicle transmission. In this paper， the improvement scheme of its gearbox is compared and selected and the design gear is determined.
【Keywords】agricultural; miniature mountain crawler; gearbox; gear design
【基金项目】学院资助项目：2019年度甘肃机电职业技术学院科研项目，项目编号：GSJD2019ZR04。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）51-0255-02
1.引言
我国是一个多山国家，丘陵和山地面积占到了国土面积的2/3。根据有关数据显示，山区粮食产量约占全国的51.4%，油料作物产量约占53.7%[1]。由此看来，山区农业的生产好坏，将会直接影响我国农业生产的发展。山地微型履带车是农业生产中较为重要的农业生产工具，变速箱为微型车重要组成部分，故山地微型履带车变速箱的设计具有重大意义。
2.第一代微型山地履带车简介
近几年，国家对推动丘陵山区农业机械化发展给予较大力度的扶持。农业、农机科研单位与企业一道针对南方丘陵山区农业生产需要，开展了微型多功能作业机的机具研发、试验、推广工作[2]。西北农林科技大学杨福增教授科研团队在2011年就自行设计研发了第一代微型山地履带车。
该山地微耕机能够适应山地作业环境，采用液压调平装置、基于平行四边形机构的双向平衡铲等装置，解决了之前山地微型耕地机普遍存在的山地作业稳定性不足、安全性得不到保障和操作复杂等问题。这样一款集成机械、液压技术的适于山地作业的山地微耕机，能够有效地把丘陵山区农民从传统的农业生产方式和繁重的体力劳动中解放出来，彻底改变山区农业生产长期以来以人工、蓄力进行劳作的落后、低效的原始生产方式，大幅度提高劳动生产率和作业质量，受到当地农业、农机技术推广部门和农民的认可[3]。
第一代微型山地履带车变速器有四个档位，三個前进档，一个后退档。其中一档为低速作业档，能实现的驱动转速为n1=110r/min，直线速度为V1=1.65km/h，不能满足旋耕时的速度要求0.6km/h。二档为标准作业档，能实现的驱动转速为n2=126.98r/min，直线速度为V2=1.91km/h;三档为道路行驶档，能实现的驱动转速为n3=217.86r/min，直线速度为V3=3.28km/h，不能满足空载运行时正常行驶速度6km/h。后退档进行倒车，能实现的驱动转速为n=149.26r/min，直线速度V=2.25km/h。每档可通过操纵换挡杆来实现。整机的转向通过转向离合器实现。这种档位设计不满足现阶段的农业生产需求，所以需要对变速箱进行更大传动比范围的改进设计。同时，第一代微型山地履带车变速箱的箱体尺寸偏大，对机架造成负担，同时对整机稳定性造成影响。
3.微型山地履带车变速箱的改进
原方案存在的主要问题一是开沟速度过快，二是空载运行速度过低。本次研究任务是设计一套传动方案使开沟速度由原来的1.65km/h下降到0.5km/h，使空载运行速度由原来的3.28km/h上升最大达到6km/h，并且尽量缩小变速箱尺寸，以便于安装。为此主要考虑以下三种改进方案。
本次改进设计的主要目的是对变速箱进行重新设计，以扩大传动比范围，同时获得更加合理的档位配置，并要求箱体结构更加紧凑。
3.1项目研究的重要性
变速箱的传统设计效率低而且容易出错，变速箱参数化设计是提高效率及设计精度的有效途径。在讨论研究国内外农用机具上变速箱的发展现状及参数化设计的基础上，制定了变速箱参数化设计及运动仿真测试的总体方案和技术路线，利用机械设计、机械原理等专业知识完成变速箱中齿轮、轴、箱体等结构的设计同时，利用Pro/E的参数化建模功能，建立变速箱零部件的三维参数化模型，利用Pro/E的运动仿真功能，对微型履带式山地拖拉机变速箱进行虚拟的装配和运动仿真。
3.2 项目研究的内容
第一代微型山地履带车平地行驶速度过慢，工作速度过快。现根据小型山地履带车整车爬坡速度、最高行驶速度、转向速度、最低工作速度等车辆性能指标，对发动机、变速箱进行匹配改进设计。使低速更低，高速更高，档位更合理。通过动力性能分析，得到最大爬坡速度、最大平地行驶速度、低档加速度、最低工作速度等速度指标及变速箱整体尺寸，以满足设计要求。 利用计算机软件辅助完成设计工作，可以显著优化机构，节省材料，缩短设计周期，降低设计难度，提高设计质量，具有传统手工理论计算无可比拟的优势。
3.3 第二代微型山地履带车变速箱方案选择及档位设计
3.3.1 改进方案一：同轴式分布传动变速箱
本设计采用现在大多数汽车所采用的同步器式变数器。使用同步器可减轻结合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了整机的加速性，经济性和山区行驶的安全性。缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低[4]。
在大传动比和减小箱体体积的要求下，采用汽车目前广泛应用的常啮同轴式传动方案。基于最合理的传动方案是第一轴与第二轴同轴布置的传动方案（在这种情况下，挂直接档的损失最小）以及实际使用中直接档的机械变速器比重较大的情况，再加上传动比比较大的条件，本设计拟以平面三轴式最高档为直接档的五档变速器。
3.3.2 改进方案二：高低档分布传动变速箱
原变速箱只有三个前进档，档位较少达不到要求，参照一般拖拉机变速箱设计，在原来的基础上加上高低档，使新变速箱有六个前进档，高一、二、三档和低一、二、三档。
3.3.3 改进方案三：采用HST液压无级变速器
HST又称液压无级变速器，是根据液壓静力原理工作的。它由两个柱塞泵组成，一个作为油泵，另一个作为液压马达。液压泵通过换向阀管路连接液压马达构成无级变速机构。在使用中将需要变速的电机和液压泵传动连接，通过调节液压泵输出的液压油的压力和流量来调节液压马达的输出转速，即可进行无级变速。
通常机械结构变速依靠齿轮实现，为实现不同的传动比无可避免的需要换档（切换到不同直径的齿轮），而液压无级变速装置是依靠液压油这个介质将液压系统能量传递下去实现的，流量的不同即可实现马达转速的变化，控制流量非常方便，可以通过发动机转速、油泵变量、液压阀（流量阀，比例阀，伺服阀都可以）。
HST传动系统广泛应用于农业机械，采用静液压无级变速系统，使农业机械实现产品结构更加紧凑、重量更轻、噪音更低、操纵更方便，可以完全无级调节机器行走速度，行走控制和换向更加方便，驱动更加灵活，作业效率更高。但是，由于HST总传动效率在80%左右，因此与齿轮传动相比，其传动效率偏低;而且液压元件制造精度要求较高，从国外部分拖拉机使用的情况来看，其噪声和油温高的问题还没有彻底解决，目前仍然作为一个难题在研究;加之其对液压用油清洁度要求也比传统的传动系用油要高。这都是采用HST方案需要解决的难点[5]。
3.3.4 各改进方案的比较选择
同轴式传动方案对各组齿轮的要求不是很高，有利于延长机械寿命，且便于设计计算，但是传动比分配较困难，而且此方案要使用同步换挡装置，设计较为复杂，斜齿轮制作工艺较复杂费用多，变速箱整体尺寸较大。在方案一与方案二相比之中发现，齿轮数不变，但是方案一对壳体的制作工艺要求更高，安装过程也比较麻烦，故不选方案一为本次改进设计方案。方案三大大简化了传动系结构，几乎可以省略传统的主变速箱。简化操作，利用踏板或手柄可实现区段式无级变速。可方便的获得爬行速度，有利于配置爬行速度要求的农机具，但其传动效率偏低，制造精度要求高，噪声和油温高问题还没有彻底解决，用油清洁度要求高，因此不适合作为本次微型山地履带车改进设计方案。方案二齿轮虽然有所增多，但变速箱尺寸明显减小，且各档转速达到了理想值，相比之下，此方案更合理，故选择方案二高低档式变速箱结构进行最终改进。
3.4 高低档分布传动变速箱的设计简述
依据方案二的设计传动简图，按等比级数分配的各档传动比的计算，根据整车的性能分析，得到变速器各档的传动比，如表1所示。
改进设计后的变速箱的轴1、轴2和轴3上共有四个滑移齿轮，实现1、2、3档和倒档四个档位的变化，并在轴4上有高低档两个滑移齿轮，这就实现了四个档位的高低档的变化，即突破性的变成了八个档位，其最大转速为169.49r/min，最小转速为5.9r/min，不仅满足了原设计要求，而且提供了更多的速度选择情况。
根据计算校核，确定了所有齿轮的参数，确定了各轴的参数[6]，确定了各轴承和花键连接的参数[7]，最终确定箱体尺寸。为三维造型设计与仿真奠定了基础。
4.结语
通过对第一代微型山地履带车变速箱的改进，解决了原方案存在的开沟速度过快、空载运行速度过低这两个主要问题，实现了扩大传动比范围，同时获得更加合理的档位配置，并使得箱体结构更加紧凑这一新目标。为后续的变速箱的结构改进奠定了坚实的基础。
参考文献：
[1]黄忠杭.履带车辆行走减速器齿轮参数化设计及有限元分析[D].西安建筑科技大学，2009.
[2]北京农业工程大学.农业机械学（上、下册）[M].中国农业出版社.
[3]杜白石，杨福增，等.三维机械设计基础教程[M].西北农林科技大学，2009年3月.
[4]中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册（上）[M]. 北京： 机械工业出版社， 1988.
[5]秦剑秋.静液压传动技术（HST）在拖拉机上的应用[J].拖拉机与农用运输车. 2006年4月第33卷第2期.
[6]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第二版）[M].高等教育出版社.
[7]机械工程手册机电工程手册编辑委员会.机械工程手册： 专用机械卷（一）[M].北京： 机械工业出版社， 1997.
作者简介：
王琼（1981-），女，甘肃天水人，工程硕士，甘肃机电职业技术学院副教授，主要研究方向为机械产品设计。
【关键词】农用 微型山地履带车 变速箱 档位设计
【Abstract】The first generation of agricultural miniature mountain caterpillar vehicles is a kind of can adapt to the mountain mountain micro tillage machine， the working environment but the road transport speed too slow， low speed rotary tillage work too fast， transmission size is too big， so we need to design a gear， gear speed is reasonable， compact structure of the second generation of agricultural miniature mountain tracked vehicle transmission. In this paper， the improvement scheme of its gearbox is compared and selected and the design gear is determined.
【Keywords】agricultural; miniature mountain crawler; gearbox; gear design
【基金项目】学院资助项目：2019年度甘肃机电职业技术学院科研项目，项目编号：GSJD2019ZR04。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）51-0255-02
1.引言
我国是一个多山国家，丘陵和山地面积占到了国土面积的2/3。根据有关数据显示，山区粮食产量约占全国的51.4%，油料作物产量约占53.7%[1]。由此看来，山区农业的生产好坏，将会直接影响我国农业生产的发展。山地微型履带车是农业生产中较为重要的农业生产工具，变速箱为微型车重要组成部分，故山地微型履带车变速箱的设计具有重大意义。
2.第一代微型山地履带车简介
近几年，国家对推动丘陵山区农业机械化发展给予较大力度的扶持。农业、农机科研单位与企业一道针对南方丘陵山区农业生产需要，开展了微型多功能作业机的机具研发、试验、推广工作[2]。西北农林科技大学杨福增教授科研团队在2011年就自行设计研发了第一代微型山地履带车。
该山地微耕机能够适应山地作业环境，采用液压调平装置、基于平行四边形机构的双向平衡铲等装置，解决了之前山地微型耕地机普遍存在的山地作业稳定性不足、安全性得不到保障和操作复杂等问题。这样一款集成机械、液压技术的适于山地作业的山地微耕机，能够有效地把丘陵山区农民从传统的农业生产方式和繁重的体力劳动中解放出来，彻底改变山区农业生产长期以来以人工、蓄力进行劳作的落后、低效的原始生产方式，大幅度提高劳动生产率和作业质量，受到当地农业、农机技术推广部门和农民的认可[3]。
第一代微型山地履带车变速器有四个档位，三個前进档，一个后退档。其中一档为低速作业档，能实现的驱动转速为n1=110r/min，直线速度为V1=1.65km/h，不能满足旋耕时的速度要求0.6km/h。二档为标准作业档，能实现的驱动转速为n2=126.98r/min，直线速度为V2=1.91km/h;三档为道路行驶档，能实现的驱动转速为n3=217.86r/min，直线速度为V3=3.28km/h，不能满足空载运行时正常行驶速度6km/h。后退档进行倒车，能实现的驱动转速为n=149.26r/min，直线速度V=2.25km/h。每档可通过操纵换挡杆来实现。整机的转向通过转向离合器实现。这种档位设计不满足现阶段的农业生产需求，所以需要对变速箱进行更大传动比范围的改进设计。同时，第一代微型山地履带车变速箱的箱体尺寸偏大，对机架造成负担，同时对整机稳定性造成影响。
3.微型山地履带车变速箱的改进
原方案存在的主要问题一是开沟速度过快，二是空载运行速度过低。本次研究任务是设计一套传动方案使开沟速度由原来的1.65km/h下降到0.5km/h，使空载运行速度由原来的3.28km/h上升最大达到6km/h，并且尽量缩小变速箱尺寸，以便于安装。为此主要考虑以下三种改进方案。
本次改进设计的主要目的是对变速箱进行重新设计，以扩大传动比范围，同时获得更加合理的档位配置，并要求箱体结构更加紧凑。
3.1项目研究的重要性
变速箱的传统设计效率低而且容易出错，变速箱参数化设计是提高效率及设计精度的有效途径。在讨论研究国内外农用机具上变速箱的发展现状及参数化设计的基础上，制定了变速箱参数化设计及运动仿真测试的总体方案和技术路线，利用机械设计、机械原理等专业知识完成变速箱中齿轮、轴、箱体等结构的设计同时，利用Pro/E的参数化建模功能，建立变速箱零部件的三维参数化模型，利用Pro/E的运动仿真功能，对微型履带式山地拖拉机变速箱进行虚拟的装配和运动仿真。
3.2 项目研究的内容
第一代微型山地履带车平地行驶速度过慢，工作速度过快。现根据小型山地履带车整车爬坡速度、最高行驶速度、转向速度、最低工作速度等车辆性能指标，对发动机、变速箱进行匹配改进设计。使低速更低，高速更高，档位更合理。通过动力性能分析，得到最大爬坡速度、最大平地行驶速度、低档加速度、最低工作速度等速度指标及变速箱整体尺寸，以满足设计要求。 利用计算机软件辅助完成设计工作，可以显著优化机构，节省材料，缩短设计周期，降低设计难度，提高设计质量，具有传统手工理论计算无可比拟的优势。
3.3 第二代微型山地履带车变速箱方案选择及档位设计
3.3.1 改进方案一：同轴式分布传动变速箱
本设计采用现在大多数汽车所采用的同步器式变数器。使用同步器可减轻结合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了整机的加速性，经济性和山区行驶的安全性。缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低[4]。
在大传动比和减小箱体体积的要求下，采用汽车目前广泛应用的常啮同轴式传动方案。基于最合理的传动方案是第一轴与第二轴同轴布置的传动方案（在这种情况下，挂直接档的损失最小）以及实际使用中直接档的机械变速器比重较大的情况，再加上传动比比较大的条件，本设计拟以平面三轴式最高档为直接档的五档变速器。
3.3.2 改进方案二：高低档分布传动变速箱
原变速箱只有三个前进档，档位较少达不到要求，参照一般拖拉机变速箱设计，在原来的基础上加上高低档，使新变速箱有六个前进档，高一、二、三档和低一、二、三档。
3.3.3 改进方案三：采用HST液压无级变速器
HST又称液压无级变速器，是根据液壓静力原理工作的。它由两个柱塞泵组成，一个作为油泵，另一个作为液压马达。液压泵通过换向阀管路连接液压马达构成无级变速机构。在使用中将需要变速的电机和液压泵传动连接，通过调节液压泵输出的液压油的压力和流量来调节液压马达的输出转速，即可进行无级变速。
通常机械结构变速依靠齿轮实现，为实现不同的传动比无可避免的需要换档（切换到不同直径的齿轮），而液压无级变速装置是依靠液压油这个介质将液压系统能量传递下去实现的，流量的不同即可实现马达转速的变化，控制流量非常方便，可以通过发动机转速、油泵变量、液压阀（流量阀，比例阀，伺服阀都可以）。
HST传动系统广泛应用于农业机械，采用静液压无级变速系统，使农业机械实现产品结构更加紧凑、重量更轻、噪音更低、操纵更方便，可以完全无级调节机器行走速度，行走控制和换向更加方便，驱动更加灵活，作业效率更高。但是，由于HST总传动效率在80%左右，因此与齿轮传动相比，其传动效率偏低;而且液压元件制造精度要求较高，从国外部分拖拉机使用的情况来看，其噪声和油温高的问题还没有彻底解决，目前仍然作为一个难题在研究;加之其对液压用油清洁度要求也比传统的传动系用油要高。这都是采用HST方案需要解决的难点[5]。
3.3.4 各改进方案的比较选择
同轴式传动方案对各组齿轮的要求不是很高，有利于延长机械寿命，且便于设计计算，但是传动比分配较困难，而且此方案要使用同步换挡装置，设计较为复杂，斜齿轮制作工艺较复杂费用多，变速箱整体尺寸较大。在方案一与方案二相比之中发现，齿轮数不变，但是方案一对壳体的制作工艺要求更高，安装过程也比较麻烦，故不选方案一为本次改进设计方案。方案三大大简化了传动系结构，几乎可以省略传统的主变速箱。简化操作，利用踏板或手柄可实现区段式无级变速。可方便的获得爬行速度，有利于配置爬行速度要求的农机具，但其传动效率偏低，制造精度要求高，噪声和油温高问题还没有彻底解决，用油清洁度要求高，因此不适合作为本次微型山地履带车改进设计方案。方案二齿轮虽然有所增多，但变速箱尺寸明显减小，且各档转速达到了理想值，相比之下，此方案更合理，故选择方案二高低档式变速箱结构进行最终改进。
3.4 高低档分布传动变速箱的设计简述
依据方案二的设计传动简图，按等比级数分配的各档传动比的计算，根据整车的性能分析，得到变速器各档的传动比，如表1所示。
改进设计后的变速箱的轴1、轴2和轴3上共有四个滑移齿轮，实现1、2、3档和倒档四个档位的变化，并在轴4上有高低档两个滑移齿轮，这就实现了四个档位的高低档的变化，即突破性的变成了八个档位，其最大转速为169.49r/min，最小转速为5.9r/min，不仅满足了原设计要求，而且提供了更多的速度选择情况。
根据计算校核，确定了所有齿轮的参数，确定了各轴的参数[6]，确定了各轴承和花键连接的参数[7]，最终确定箱体尺寸。为三维造型设计与仿真奠定了基础。
4.结语
通过对第一代微型山地履带车变速箱的改进，解决了原方案存在的开沟速度过快、空载运行速度过低这两个主要问题，实现了扩大传动比范围，同时获得更加合理的档位配置，并使得箱体结构更加紧凑这一新目标。为后续的变速箱的结构改进奠定了坚实的基础。
参考文献：
[1]黄忠杭.履带车辆行走减速器齿轮参数化设计及有限元分析[D].西安建筑科技大学，2009.
[2]北京农业工程大学.农业机械学（上、下册）[M].中国农业出版社.
[3]杜白石，杨福增，等.三维机械设计基础教程[M].西北农林科技大学，2009年3月.
[4]中国农业机械化科学研究院. 农业机械设计手册（上）[M]. 北京： 机械工业出版社， 1988.
[5]秦剑秋.静液压传动技术（HST）在拖拉机上的应用[J].拖拉机与农用运输车. 2006年4月第33卷第2期.
[6]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第二版）[M].高等教育出版社.
[7]机械工程手册机电工程手册编辑委员会.机械工程手册： 专用机械卷（一）[M].北京： 机械工业出版社， 1997.
作者简介：
王琼（1981-），女，甘肃天水人，工程硕士，甘肃机电职业技术学院副教授，主要研究方向为机械产品设计。