东风-12型手扶拖拉机离合器主要参数校核及结构工艺性研究

罗新文，黄云战，李贵荣，杨丽祥

（云南农业大学机电工程学院，云南 昆明 650201）

东风-12 型手扶拖拉机是典型的农业机械产品之一。该产品配上相应农机具，能犁、耕、旋耕、碎土、水耙、开沟、运输等作业，也可作各种固定作业的动力使用，如小型排灌、喷雾、脱粒、磨粉、饲料加工等功能，是农村不可缺少的主要机械产品。本研究对该产品的主要传动部件——离合器的设计计算及结构原理进行分析研究，以期进一步改进其结构工艺。

1 离合器结构

离合器是手扶拖拉机传动系统的重要部件，它安装在发动机后面，变速箱的前面，用来分离和接合发动机传给传动系的动力。在结构上要求离合器接合时柔和平顺，能将发动机的动力平稳地传给传动箱，使拖拉机平稳无冲击地起步；分离时，要求迅速、彻底、不打滑，在发动机运转情况下能使拖拉机平稳无冲击地停车、换挡。当拖拉机在工作中遇到超负荷时，离合器能自行打滑，使传动系的其他零件不被损坏[1]。

东风-12 型手扶拖拉机是采用单作用压紧式摩擦离合器，其结构如图1 所示，离合器是依靠摩擦力工作的。摩擦片的结构为双片式干式结构，它在弹簧作用下，经常处在接合状态，靠两个零件接触面的正压力所产生的摩擦力矩来传递扭矩，所产生摩擦扭矩的大小除和正压力的大小有关外，还和摩擦面的材料和摩擦面积的大小有关。如摩擦盘之间的压紧力越大，摩擦面的摩擦系数越高，摩擦表面的直径越大，则能够传递的扭矩也越大。但考虑到整机的结构尺寸，经计算在满足要求的前提下，摩擦表面直径应尽可能小。

2 离合器参数校核假设条件

计算时的参考条件：东风-12 型手扶拖拉机因其在复杂环境恶劣条件下工作，离合器结构为干式、双片、频繁接合式摩擦离合器。在离合器设计计算中，要进行离合的摩擦力矩和储备系数的确定，摩擦片的磨损计算，以及各零件的强度计算。设计中，如采用石棉离合器摩擦片（JC124-66），摩擦温度在120±10℃时摩擦系数取0.36，摩擦损耗0.06 mm/0.5h，由于离合器在磨损过程中条件较为复杂，为了简化起见，计算时先采用下列假设条件：（1）离合器瞬时接合；（2）经过离合器所传递的扭矩具有不变的最大值；（3）主离合器接合时，发动机输出最大功率；（4）拖拉机机动轮不滑转；（5）忽略发动机与离合器皮带传动中心打滑[2]。

3 离合器摩擦片表面上单位压力和储备系数的确定

根据离合器皮带轮铸件内腔结构尺寸，要求两个从动盘和主动片装于腔内，据所决定摩擦片的已知条件：（1）摩擦片表面的外半径R2=80 mm；（2）摩擦片表面的内半径R1=38 mm；（3）适用于拖拉机的摩擦表面材料（铜丝石棉—铸铁）的摩擦系数取为0.3。以下列两点分别计算：

图1 东风-12 型手扶拖拉机摩擦离合器结构图

摩擦离合器片单位压力：

当取单位许用应力[δ]=2.5 kg/cm2，δ≤[δ]，基本满足要求。

储备系数：

式中Mm为离合器的计算摩擦力矩，Mn为传递力矩。Mm计算式如下：

考虑摩擦时的平均摩擦表面半径

Mn按下式计算：

式中：N 为发动机计算功率（12 马力）；n 为发动机计算转速（2 000 r/min）；i△为发动机主动轮直径D1（125 mm）与离合器皮带轮直径D（210 mm）之比，=1.68；η△为发动机到离合器皮带轮一级三角轮机械传动效率（0.92）。从储备系数看出，摩擦力矩远大于传递扭矩，满足要求。

4 离合器磨损及发热功的验算

4.1 离合器的磨损验算

离合器在起步过程中接合一次时的总滑磨功：

式中：ωm为离合器皮带盘角速度124.7（m/s）；Jm为发动机零件惯性矩，其值等于飞轮惯性Jn与其他旋转及往复运动部分换算到离合器皮带盘上惯性矩：

Jn为拖拉机组的转动惯量换算到离合器从动轮上的转动惯量：

式中：GT为拖拉机使用重量（460 kg，包括带犁及轮子配重40 kg）；GCX为拖拉机牵引重物（1 000 kg，一般运输应控制在750 kg 以内）；Dk为驱动轮滚动半径，考虑装胶轮转时，取Dk=0.307 m；ηkn为离合器从动轴到驱动轮之间的传动效率，取ηkn=0.97；i4为第4 级传动比（1.5）。故单位摩擦功：

在工作可靠的离合器中，A′≤3 kg·m/cm2可以满足要求。

4.2 离合器的发热计算

离合器接合一次时，其零件的温度升高由下式确定：

5 离合器主要元件的强度计算

5.1 离合器轴计算

离合器轴传递的扭矩较大，选用材料45 钢，应根据发动机的计算扭矩进行离合器轴扭转剪切应力和花键挤压应力计算。

离合器轴扭转剪切应力：

式中，d 为花键轴的内径（危险断面直径）。计算结果表明，离合器轴扭转剪切应力小于许用应力，满足要求。

离合器轴的花键挤压应力：

式中：x 为花键的载荷分布不均匀系数，取值0.8；l为键槽的工作长；h 为花键轴接触高度D 为花键轴的外径；z 为花键轴槽的数目；p 为平键的圆周力，P=2 Mn/d。从计算结果看出，花键的实际挤压应力虽比许用应力小，但差距不大。

5.2 分离杠杆的强度计算

离合器体及分离爪结构如图2 所示。

图2 离合器体及分离爪结构实物图

因为分离爪是3个，故：

抗弯截面模量为：

从计算结果看出，现在使用分离杠杆的强度与许用分离杠杆的强度相差很少，因此，分离杠杆的强度应该加强，可从材料选择上改善，或者从结构的尺寸上改善。

5.3 调整螺杆的强度验算

调整螺杆的强度：σ=353.4<[σp]=1 550（kg/cm2），满足要求。式中：d1=5.835（螺纹内径）。

5.4 离合器主动片挤压应力验算

离合器主动片挤压应力：

式中：z 为凸轮齿数（3）；h 为凸轮齿数有效高度（5.75 mm）；l 为凸轮厚度（6 mm），x 为凸轮齿面有效接触系数（0.8）（kg）（因为4个面传递扭矩，主动片只有两个面）从这里的计算看，已满足要求。

6 结 论

通过以上的计算校核分析，笔者认为，离合器材料的选择、最初结构设计强度多数满足要求，但有的地方仍然需要改正。

（1）将摩擦片材质改用金属陶瓷摩擦材料，摩擦系数稳定在0.3～0.5 之间，使摩损率减小，低于原设计的0.06 mm/0.5 h，在350℃高温下仍无热衰退及烧片现象，确保传扭能力，从而在满载及恶劣工况条件仍然正常工作。

（2）考虑到拖拉机在农村的应用是超负荷使用，为了保证传递动力时离合器的正常工作，离合器就必须具有恰当的自由间隙（分离杠杆与分离轴承的间隙Δ 应该在0.4～0.7 mm 范围内），因此，摩擦片的平面加工精度可以提高一个等级，3个分离杠杆的端头在加工和装配保持在同一平面上，保证摩擦面啮合的全接触。

（3）从计算结果看，应提高使用分离杠杆的强度与许用分离杠杆的强度差，适当加强分离杠杆的材料的强度，增大10%左右的横截面积。

（4）除了以上的改正，在使用中要求操作者离合制动手柄的自由行程在25～30 mm 范围内[3]，要注意定期检查摩擦盘的磨损，分离时，为彻底消除摩擦表面的压紧力，因此，必须强制性的将压盘往回拉。直至摩擦表面间出现约0.5 mm 的分离间隙，然后将分离手柄放回离合的位置，这样，才能避免摩擦片的严重磨损，使手扶拖拉机在不同的环境下也能正常工作。

[1]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册（上、下册）[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[2]吴宗泽，卢颂峰，冼健生.简明机械零件设计手册[M].北京：中国电力出版社，2011.

[3]刘桓明.手扶拖拉机离合器的使用与调整浅析[J].农业机械化，2010，（9）：53.