超越离合器结构在秸秆还田机齿轮箱中的应用

李长伟

（常州汉森机械股份有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

我国作为农业大国，每年可生成超过7亿t秸秆。如此大量的秸秆如采用直接焚烧的方式进行处理则会导致严重的大气污染。因此如何合理的开发利用农作物的秸秆，则是各研究机构和企业一直讨论的课题。秸秆还田则是一种可有效利用秸秆的手段。通过将秸秆粉碎后抛洒到田地里，经过长时间雨水浸泡进而腐烂成为肥料。目前，全国秸秆粉碎还田机保有量超过90万台，每年新增销售超过1万台。然而秸秆还田机的整体可靠性较低，其中变速箱部分故障率较高，经常出现断齿的情况，由此增加了许多设备的维修时间，影响用户的生产效率。

1 秸秆还田机使用现状

秸秆还田机通过传动轴将拖拉机动力输出轴的动力传递到齿轮箱部分，经齿轮箱增速后再通过皮带传递给刀轴，带动刀轴转动工作（图1）。秸秆还田机齿轮箱内部有一对锥齿轮，大锥齿轮2连接在输入轴1上，小锥齿轮3与输出轴4连接（图2），齿轮与轴通常采用花键的连接形式，如果小锥齿轮较小时也可将其与输出轴做成一体。秸秆还田机在使用过程经常会出现齿轮箱内部齿轮断裂的问题，而这一问题除了在工况恶劣的工作情况下会出现，甚至在停止工作时也经常出现，尤其在突然切断拖拉机动力输出或快速降低动力输出轴转速时，断齿问题发生的更加频繁。后经分析发现，秸秆还田机的刀轴较重、转速在2 200 r左右，速度较快，这样的刀轴在转动时惯性非常大。当秸秆还田机突然切断动力输出或降低输出转速时，此时刀轴仍在以2 200 r左右的速度转动，这时的刀轴在惯性力的作用下成为主动件，通过皮带给秸秆还田机齿轮箱施加反作用力，而传动轴连着输入轴已停止转动或转速降低，则齿轮箱内部的锥齿轮之间由于输入轴和输出轴出现转速差产生了冲击，如冲击情况严重则会导致齿轮断裂。为了防止这样的情况出现，驾驶员往往需要在停机前降低油门转速，将秸秆还田机刀轴转速降到最低，然后缓慢切断PTO动力，直至刀轴停止转动，如此才能降低齿轮冲击作用，而这样的过程需要驾驶员操作十分小心。

图1 秸秆还田机简图

图2 齿轮箱内部结构简图

2 典型超越离合器结构与工作原理

典型的超越离合器的结构包括：钢球、弹簧、外圈、棘爪、内圈、挡圈（图3）。当内圈逆时针旋转时，通过棘爪带动外圈输出转矩，同时，外圈可超越内圈的速度转动。内圈顺时针旋转时，棘爪与外圈的内齿呈分离状态，内圈空载旋转。这就是超越离合器的工作原理。

图3 典型的超越离合器结构图

3 超越离合器在秸秆还田机齿轮箱中的应用

鉴于这种由于输入轴和输出轴出现转速差而导致的秸秆还田机齿轮箱受冲击断齿的问题，我们考虑在齿轮箱输入轴和输出轴之间加入超越离合器结构，让输出轴在动力输出轴停止或降速时可以超越输入端的转速继续旋转，避免冲击。

如图4所示，通过结构分析，我们将大锥齿轮2与输入轴1的花键连接方式改为超越离合器结构形式。在大锥齿轮的内孔上加工出类似超越离合器外圈上的槽口，在输入轴上加工出凹槽，通过键块5来实现棘爪作用，将输入轴1动力传递到大锥齿轮2上。

图4 齿轮箱内部超越离合器机构

正常工作时，键块5通过弹簧6作用始终一端顶在输入轴1的槽内，另一端贴在大锥齿轮2的内壁上，随着输入轴的转动，键块5的一端沿着大锥齿轮2内壁滑动，当键块5滑进大锥齿轮2的槽口后，键块5则顶着大锥齿轮2转动；当输入轴1降速或停止时，由于刀轴惯性力的作用，刀轴反作用带动输出轴4及小锥齿轮3继续高速转动，而采用超越离合器结构与输入轴1连接的大锥齿轮2则可以在小锥齿轮3的带动下继续高速转动，此时的键块5则会脱离大锥齿轮2的槽口，大锥齿轮2和输入轴1此时不再连接，由此避免了锥齿轮间的冲击，保护了变速箱。

采用了该结构的变速箱，完全避免了由于突然切断动力输出而导致的齿轮断齿的问题，对于整个秸秆还田机的传动系统起到了很好的缓冲作用，可以避免齿轮的冲击、皮带的磨损，延长了机器的使用寿命。

4 超越离合器结构设计计算

由于该结构传动方式类似于切向键结构，因此我们可以参考切向键的计算公式来进行设计计算。

计算公式：

T—转矩（N·mm）；

D—轴的直径（mm）；

l—键块的工作长度（mm）；

μ—摩擦系数，对钢和铸铁μ=0.12～0.17；

t—键工作面宽度（mm）；

C—键倒角的宽度（mm）；

n—键块的有效数量；

5 材料、热处理及结构布置

大锥齿轮和轴的材料在载荷不大时可选用40Cr、40MnB，内孔及槽口高频淬火48～55HRC；在载荷较大或冲击较大时可选用20Mn2B、20CrMnTi，渗碳、淬火、回火58～62HRC。键块在载荷不大时也可选用40Cr，淬火回火至48～52HRC；在载荷和冲击较大时选择GCr15或T8，淬火回火至58～64HRC。

通常键块数量至少需要3个，每个沿圆周方向间隔120°均匀布置，外圈的槽口数量可以加工成3个、6个或9个，槽口数量必须为键块数量的倍数，槽口数量越多，可以减少键块与槽口结合时的冲击影响。如配套在大马力变速箱上时，可采用4个、5个……键块，所有键块布置均需沿圆周方向均匀布置，键块的最大数量取决于轴直径大小，以保证轴的结构完整及满足轴工作强度要求为准。同时为了提高超越离合器结构的承载能力，也可考虑加大轴的直径和加长键的工作长度。

6 结语

采用超越离合器机构的齿轮箱使得秸秆还田机在使用过程中出现的断齿、皮带磨损等传动问题大大减少，整机的可靠性有了很大的提升，降低机器的维修频率，使得用户在农忙时节可以有更多的时间投入到生产活动中，提高了生产效率。同时这也降低了秸秆还田机对用户的操纵要求，提升了用户的使用舒适性。