皮帶傳動小型輪式拖拉機離合器的可靠性分析

     目前，國內(nèi)生產(chǎn)皮帶傳動小型輪式拖拉機的企業(yè)一百多家，這些企業(yè)主要分布在山東、河南、河北、黑龍江、內(nèi)蒙和吉林等省區(qū)，以山東省生產(chǎn)企業(yè)zui多，占全國生產(chǎn)企業(yè)的60%以上，隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展、農(nóng)民需求的提高，小型輪式拖拉機的功率不斷向上延伸，從過去的12、15馬力發(fā)展到今天的17～24馬力，有的甚至發(fā)展到26馬力，幾乎都采用只增大發(fā)動機功率，而其它部件總成未做相應(yīng)技術(shù)改進，結(jié)果導(dǎo)致動力傳遞不足，傳遞效率低，使得zui大牽引功率不達標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量也存在嚴(yán)重問題。近幾年該產(chǎn)品抽樣檢查發(fā)現(xiàn)其合格率一直不超過50%。

    離合器是拖拉機動力傳遞的重要組成部分，功率提高以后其結(jié)構(gòu)要做相應(yīng)改進，否則壽命縮短、可靠性受到嚴(yán)重影響。

1．離合器的結(jié)構(gòu)與工作過程 

    皮帶傳動小型輪式拖拉機的離合器是一種常接合、彈簧壓緊、雙片、干式離合器，由四部分組成：主動部分包括壓盤、主動片、皮帶輪、皮帶輪蓋；從動部分即從動盤總成；壓緊、分離機構(gòu)包括彈簧、分離杠桿、調(diào)整螺桿和調(diào)整螺母；操縱機構(gòu)包括離合器踏板、拉桿、分離爪座、分離爪和分離軸承。
離合器的工作過程如下：

     當(dāng)踩下離合器踏板時，在拉桿的帶動下分離爪繞分離爪座旋轉(zhuǎn)，推動分離軸承向上移動，消除離合器分離間隙0.5mm后，推動分離杠桿內(nèi)端向上移動，分離杠桿繞其中間銷軸轉(zhuǎn)動，其外端壓緊調(diào)整螺母，通過調(diào)整螺桿帶動壓盤向下移動，壓縮彈簧，使離合器的主動部分和從動部分發(fā)生分離，不再有摩擦力產(chǎn)生，從而切斷離合器主動部分向從動部分動力的傳遞。當(dāng)慢慢松開離合器踏板時，在彈簧的作用下，壓盤向上移動，使離合器的主動部分和從動部分接合，在摩擦力的作用下，主動部分帶動從動部分一起旋轉(zhuǎn)，從動部分即離合器從動盤總成通過花鍵與變速箱輸入軸相聯(lián)，從而實現(xiàn)動力從離合器皮帶輪到變速箱輸入軸的傳遞。

2．離合器的主要參數(shù)及扭矩儲備系數(shù)、單位壓力、滑磨功、溫升驗算

主要參數(shù):摩擦面的內(nèi)徑D1=φ76mm ，摩擦面的外徑D2=φ160mm ，摩擦面對數(shù)n=4 ，摩擦材料為石棉。

2.1離合器傳遞的zui大扭矩和扭矩儲備系數(shù)驗算

簧絲直徑d=3.5mm ，工作圈數(shù)n=5，彈簧中徑D=19mm，工作載荷下的變形量f=10mm，彈簧個數(shù)Z=6，材料：3.5/70-C, 切變模量G=7.9×10⁴MPa

單個彈簧的壓緊力：

彈簧的總壓力：F= Z·F'=6×432.09=2592.36（N）

摩擦系數(shù)（鋼對石棉）μ=0.3，摩擦合力作用半徑Rp=0.25（D2-D1）=59mm=0.059m

離合器傳遞的zui大扭矩： M=nμRpF=4×0.3×0.059×2592.36=183.54（N·m）

皮帶輪傳動比i_皮=1.75，15、17、24馬力拖拉機發(fā)動機額定扭矩Mn為52、59.5、84 N·m

15馬力拖拉機離合器的扭矩儲備系數(shù)：

   按照同樣的方法可以計算出17、24馬力拖拉機離合器的扭矩儲備系數(shù)β分別為1.76、1.24。根據(jù)實驗和使用經(jīng)驗，干式、彈簧壓緊離合器扭矩儲備系數(shù)β不宜小于2，一般β在2.0～2.8之間。扭矩儲備系數(shù)如果小于推薦值，由于拖拉機工作的路面條件很差，經(jīng)常出現(xiàn)超負(fù)荷工況，這樣便無法保證發(fā)動機動力的正常傳遞，并且離合器的工作性能會急劇下降，壽命縮短。從前面的計算可以看出，15馬力拖拉機離合器的扭矩儲備系數(shù)在推薦值范圍內(nèi)，而17、24馬力拖拉機離合器的扭矩儲備系數(shù)已超出推薦值范圍，因此該離合器對于17馬力以上的拖拉機不適用。

2.2 離合器摩擦片單位壓力驗算

單位壓力：

干式離合器鋼對石棉摩擦副材料的許用單位壓力[p]=0.1～0.25 MPa,該離合器摩擦片單位壓力滿足要求,不受拖拉機功率的影響。

2.3 離合器單位滑磨功及溫升驗算

  由拖拉機的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)知道，15馬力拖拉機，離合器的扭矩儲備系數(shù)β=2.01,離合器主動片的角速度ω_eb=2π×2000/（60×1.75）=119.68rad/s，換算到離合器主動盤上的發(fā)動機飛輪轉(zhuǎn)動慣量J_M=2.46kg.m2，換算到離合器主動盤上的發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量Je=1.2J_M=1.2×2.46=2.95kg.m2，拖拉機機組質(zhì)量m_Σ=1930kg，驅(qū)動輪動力半徑r_d=0.38m，拖拉機起步zui傳動系傳動比iΣ=27.41，換算到離合器軸上的拖拉機機組的轉(zhuǎn)動慣量，離合器主動片的重量m1=1 kg, 主動片吸收熱量占總熱量的百分比γ=0.5,鋼的比熱容c=481.5J/ kg·℃

離合器的滑磨功：

單位滑磨功：

離合器主動片在離合器接合一次中溫升：

    對于17馬力拖拉機，離合器的扭矩儲備系數(shù)β=1.76，由于其結(jié)構(gòu)與15馬力拖拉機相同，僅發(fā)動機功率有提高，因此計算其離合器單位滑磨功、接合一次中溫升的相關(guān)參數(shù)與15馬力拖拉機相同。按照前面的計算方法求得17馬力拖拉機離合器的單位滑磨功w=0.087 J/㎜²,溫升Δt=5.63℃,筆者經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)17馬力以上拖拉機離合器的單位滑磨功、溫升更大。

     離合器接合過程中由于主、從動片轉(zhuǎn)速不同產(chǎn)生相對滑磨，滑磨產(chǎn)生的熱量使離合器的摩擦件溫度升高，摩擦系數(shù)降低，傳遞扭矩的能力降低，甚至導(dǎo)致摩擦襯面因過熱而燒損，可見離合器接合過程中，滑磨功產(chǎn)生的熱量是影響離合器壽命的重要因素，通常單位滑磨功要求不大于0.3 J/㎜²,受熱zui嚴(yán)重的零件在離合器接合一次中溫升不大于5℃。從上面的計算可以看出，15馬力拖拉機離合器的溫升在推薦值范圍內(nèi)，17馬力以上拖拉機離合器的溫升均超出了推薦值范圍。

3．結(jié)論

     由以上分析可以得知，15馬力拖拉機離合器的扭矩儲備和溫升滿足要求，功率增大到17馬力便超出推薦值，影響離合器的工作性能，如功率進一步提高且離合器結(jié)構(gòu)不改進，會使其可靠性變得更差，壽命更短。