拖拉机变速器设计-拖拉机变速箱

摘要
随着国民经济的持续发展，机械工业也在不断地发展着，各种设备都在不断地发展，创新着。

特别是在农业方面，拖拉机的应用非常广泛，在一些特定的工作场合，拖拉机体积小，变速灵活，价格成本低廉很受欢迎，越来越多的农业工作者选择拖拉机作为耕田施肥等等的辅助工具。

根据市场调查发现，拖拉机变速器必须满足当今人们对拖拉机速度调节方面的灵活性操控等需求，能够在不改变发动机的扭矩和转速的情况下，改变拖拉机的驱动力和行驶速度；在发动机曲轴旋转方向不变的情况下，使拖拉机前进或后退；在发动机不熄灭的情况下，可使拖拉机长时间停车或进行固定作业。

变速器有自锁功能（只能挂一个挡）、互锁装置和倒挡锁装置。

目前市面上的拖拉机变速器大多都是采用传统的变速结构，在某些特定的区域，这种结构形式的拖拉机变速器非常不受欢迎。

由于以往的拖拉机变速器采用传统的结构形式，这样就造成传动精度不好控制，保养维护费用较高;同时存在一定的安全隐患。

因此，对整机的安全性要求较高，操作时也会给工作人员带来强烈的震动，使得操作很不舒服。

虽然传通的拖拉机变速器传动效率较高，变速效果较好，但是价格也较昂贵，对于一般的用户难以接受。

所以研究一种新式的拖拉机变速器势在必行！
本文介绍了拖拉机变速器的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，该拖拉机变速器的优点是传动链短、效率高、易加工、使用和维护都很方便，较适合在恶劣的环境下工作，最主要的是其传动效率很高。

拖拉机作为农业机械的一种，广泛应用于农业耕作行业等，适用于耕田、播种、施肥，装运等等各个农业领域。

它工作时，发动机通过V带传动带动拖拉机变速器转动，从而间接地带动了拖拉机轮子的转动，这样拖拉机就可以行驶了，通过改变变速器理论的档位来实现拖拉机的前进、后退、加速、减速等等功能。

本文介绍了拖拉机自动变速器的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，该拖拉机自动变速器的优点是传动链短、效率高、易加工、使用和维护都很方便，较适合在恶劣的环境下工作，最主要的是其传动效率很高。

拖拉机自动变速器作为机械的一种，它工作时，发动机通过V带传动带动拖拉机自动变速器转动，从而间接地带动了拖拉机轮子的转动，这样拖拉机就可以行驶了，通过改变变速箱理论的档位来实现拖拉机自动拖拉机的前进、后退、加速、减速等等功能。

关键词：机械工业；拖拉机变速器；传动机构；传动效率
Abstract
With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.
The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction procedurework.The inverted pendulum is a typical high order system, with multi- variable, no n-linear, strong-coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model t o prove new control theory and techniques. During the control process, pendulum can effectiv ely reflect many key problems such as equanimity, robust, follow-up and track, therefore.This paper studies a control method of double inverted pendulum . First of all, the mathematical mo del of the double inverted pendulum is established, then make a control design to double invert ed pendulum on the mathematical model, and determine the system performance index weight matrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of the system is made by . After several test matrix value the results are not satisfactory response, then we optimize matrix by using Genetic Algorithm. Simulation re sults show: The system response can meet the design requirements effectively after Genetic Al gorithm optimization. Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and otherfood, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structuredesign. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and designreasonable getthenecessarstrengthspeedandprocedurework.The inverted pendulum is a typical high order system, with multi- variable, non-linear, strong-coupling, fleet and absolutely instable. It is re presentative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control process, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follo w-up and track, therefore.This paper studies a control method of double inverted pendulum . F irst of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established, then make a control design to double inverted pendulum on the mathematical model, and determine delay .
Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Fout degrees of freedom.
目录
1绪论 (6)
1.1拖拉机发展现状 (7)
1.1.1拖拉机结构形式的发展 (8)
1.1.2 拖拉机变速器的发展状况 (8)
1.1.3 课题研究的目的和意义 (8)
2 拖拉机变速器的总体方案设计 (10)
2.1 变速器的结构形式 (15)
2.2.1 变速器内部传动系统的布局................................................. 1错误!未定义书签。

3 拖拉机变速器体传动系统的设计 (14)
3.1变速器内部传动系统的具体结构 (16)
3.2 各档位的传动路线的确定 (18)
3.3 各档位的传动比及其速度的计算 (20)
3.3.1 各档位的传动比的确定 (27)
3.3.3 各档位速度确定 (27)
4 变速器内部传动零件的设计................................................................ 2错误!未定义书签。

4.1 传动轴的设计计算......................................................................... 2错误!未定义书签。

4.2 传动齿轮的设计计算..................................................................... 2错误!未定义书签。

4.3 带传动的设计计算......................................................................... 2错误!未定义书签。

5 变速器内部主要传动零件的强度校核 (25)
5.1 传动轴的强度校核 (25)
5.2 传动齿轮的强度校核 (26)
5.3 轴承强度的校核 (27)
参考文献...................... .. (28)
致谢...................... . (29)
1绪论
1.1 拖拉机发展现状
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。

概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。

不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：建立和发展机械工程的工程理论基础。

例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。

研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。

机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。

机械制造企业的经营和管理。

机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。

生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。

销售对象遍及全部产业和个人、家庭。

而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。

因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。

这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。

机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。

另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。

按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。

这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。

例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、拖拉机工程等都有复杂的交叉和重叠关系。

船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。

因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。

人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。

在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。

现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。

人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。

新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。

手的实践反过来又促进人脑的智慧。

在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。

人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。

过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。

计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。

不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。

综合与专业是多层次的。

在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。

在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。

在全球经济发展的大环境之下，我国各个行业在受到其他国家先进技术冲击的同时，与国外品牌企业的沟通交流的机会也变的越来越多。

拖拉机行业通过行业展会、科研合作等多种途径，不断的提高了自身实力和核心竞争力，缩小与发达国家之间的差距。

在新的市场需求的驱动下，拖拉机设备的更新和优化升级更加迫切。

国内拖拉机设备生产企业充分挖掘市场潜力，大力发展大型环保节能的拖拉机械设备，在我国飞速发
展的农业从人工作业到机械化的转变中发挥着积极的作用。

一般生产大型拖拉机设备的企业对设备传动效率指数上都有严格的要求。

各企业在生产设备时，都充分考虑到设备在运行中可能会出现的种种问题，从而减少设备因为振动或者操作不当而引起的噪音大、污染重等现象。

国内拖拉机设备的研发及制造要与全球号召的低碳经济、经久耐用主题保持一致。

加大拖拉机设备新型多样化的研发及生产是行业发展的大趋势，同时也迎合了国内基础建设发展的需求。

拖拉机的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。

随着科学技术的发展，各学科间相互渗透，各行业间相互交流，广泛使用新结构、新材料、新工艺，目前拖拉机正向着大型、高效、可靠、节能、降耗和自动化方向发展。

当今拖拉机产业的发展，是非常迅速的，用户对于拖拉机性能的要求是越来越高的。

拖拉机变速箱的发展也并不仅限于此，无级变速箱便是人们追求的“最高境界”。

无级变速箱最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne’s）发明。

无级变速系统不像手动变速箱或变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。

它能克服普通变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。

通常有些朋友将变速器称为无级变速箱，这是错误的。

虽然它们有着共同点，但是变速器只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是我们常说的档，一般变速器有2～7个档。

而无级变速箱能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。

装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。

从市场走向来看，虽然无级变速箱是一个技术分量比较高的部件，但是也已经走进了普通轿车的“身体”之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT无级变速箱，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。

而且奇瑞拖拉机销售公司表示QQ无级变速箱型年底上市。

看来无级变速箱在中档车中的运用将越为广泛。

1.1.1 拖拉机结构形式的发展
拖拉机的结构形式主要有一下几个方面：首先是发动机，发动机主要是动力来源，工作方式简单的说是，把氧气和柴油混合喷进燃烧室，然后压燃，产生动力通过飞轮传单变速器。

发动机后面是变速器，变速器主要是把发动机输出的单一速度转变成很多个速度级，然后根据不同的作业条件调整速度。

原理就是改变传动比来改变行走速度还有需要的扭矩。

变速器后面是液压提升体统，液压提升系统主要是用于挂接所需农具使用，
有的农具在使用过程中需要拖拉机把农具背起来作业，液压提升系统就可以。

液压系统的工作原理就是利用液体不能压缩的原理工作的，液体动力来源于液压油泵，然后驱动液压油，因为液压油不能压缩，所以必须做功，然后通过改变油路，然后进到不同的油路，推动液压油缸做伸展运动。

最后面还有动力输出，也就是拖拉机的二级动力，它是给拖拉机后面挂接的农具输出动力的，因为有的农具虽然背起来了，但是自己不会工作或者说没有动力源，然后拖拉机在后面给一个输出轴，作为后面农具的动力源，只要挂接传动轴就可以输出动力。

当今社会，拖拉机的发展不断地向着操作灵活，多样型，复合型发展，其具体结构形式的变更最主要的是体现在以下几个方面：
1）前轮小，后轮大。

传统的拖拉机的轮子基本上是一样大，但通过技术创新，改变了传动的结构形式，采用前轮小，后轮大的结构，这样更省力，操作起来也更方便。

2）拖拉机底盘上面安装有输出轴，可以直接给后面的需要工作的农业挂具提供动力。

3）橡胶履带式拖拉机
通常这样类型的拖拉机采用三角带传动，适合大功率，重负载的场合，目前西方资本主义国家正在着手研制。

1.1.2 拖拉机变速器的发展状况
从广义上面来说，现在市场上不同拖拉机所配置的变速器来看，主要分为：手动变速器、负载换挡变速器、自动变速器。

一、手动变速器(MT)
①手动变速器：手动变速器可以采用滑动齿轮、啮合套和同步器换挡等方式。

滑动齿轮换挡变速器的基本结构是主动齿轮在驱动轴上滑动，使其与从动齿轮相啮合。

啮合套换挡是从动轴上的齿轮和主动轴上的空套齿轮经常处于啮合状态，移动主动轴花键上的啮合套，使空套齿轮与主动轴连接。

与滑动齿轮相比，其滑动距离小，在圆周速
度低的部位啮合，故换挡较前者容易。

以上两类换挡变速器由于结构简单、加工制造成本低，在拖拉机发展早期，应用较为广泛。

但由于这两类变速器换挡时，两个齿轮的圆周速度不一致，挂挡时噪声大，若操作不当甚至会导致齿轮损坏，因此，自上世纪30年代同步器问世以来，这两类换挡变速器在欧美拖拉机上逐步被淘汰。

同步器换挡变速器采用摩擦原理，使相啮合的齿轮的圆周速度迅速地相等后再挂挡，因此，其换挡平顺，
减少了齿轮啮合时的互相撞击，延长了齿轮的使用寿命，在拖拉机变速器发展史上占有重要的地位。

②负载换挡变速器：负载换挡变速器由于换挡过程简单且动力不中断，改善了拖拉机的操纵性能，提高了工作效率。

自1959年Caterpillar公司在D9D拖拉机上首次成功地应用负载换挡以来，由于这种机构在换挡时所表现出的明显优点，吸引了许多厂家纷纷效仿。

自动变速器：自动变速器的换挡与人无关，以设计时给定的程序为基础，根据拖拉机行驶状态自动地进行变速。

按所采取的传动形式不同，可分为液力机械式变速器、静液压式变速器和液压机械式变速器。

液力机械式变速器是液力偶合器或液力变矩器与机械式变速器串联的传动装置，它可以使拖拉机平稳起步及防止传动系过载，但其最大的缺点是传动效率低。

静液压式变速器由液压传动装置与机械式变速器串联组成，发动机的功率全部通过液压传动装置。

液压机械式变速器是一种液压传动装置与机械式变速器并联的传动装置，通过差动机构功率合流或分流，这样，发动机功率仅部分通过液压传动装置，必要时又能将液压传动闭锁变为纯机械传动。

因此，其总传动效率大大提高了，而且在低速区域可使机械传动输出为零，变为纯液压传动，有利于拖拉机的平稳起步。

与液力机械式变速器相比，它的传动效率高，且高效区宽。

当今拖拉机产业的发展，是非常迅速的，用户对于拖拉机性能的要求是越来越高的。

拖拉机变速器的发展也并不仅限于此，无级变速器便是人们追求的“最高境界”。

无级变速器最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne’s）发明。

无级变速系统不像手动变速器或自动变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。

它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。

通常有些朋友将自动变速器称为无级变速器，这是错误的。

虽然它们有着共同点，但是自动变速器只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是我们常说的档，一般自动变速器有2～7个档。

而无级变速器能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。

装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。

从市场走向来看，虽然无级变速器是一个技术分量比较高的部件，但是也已经走进了普通轿车的“身体”之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT 无级变速器，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。

而且奇瑞拖拉机销售公司表示QQ无级变速器型年底上市。

看来无级变速器在中档车中的运用将越为广泛。

1.1.3 课题研究的目的和意义
国内拖拉机变速器设备的研发及制造要与全球号召的低碳经济、经久耐用主题保持一致。

加大拖拉机自动变速器设备新型多样化的研发及生产是行业发展的大趋势，同时也迎合了国内基础建设发展的需求。

拖拉机变速器的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。

随着科学技术的发展，各学科间相互渗透，各行业间相互交流，广泛使用新结构、新材料、新工艺，目前拖拉机自动变速器正向着大型、高效、可靠、节能、降耗和自动化方向发展。

本次设计的任务是拖拉机变速器的设计，通过让学生亲自了解变速器内部的构造和组成部分，通过对变速器内部工件的测绘来认识工件，通过利用计算机绘图软件例如CAD，来对工件进行零件图的绘制和装配，这样经过一系列的综合性训练，培养学生动手，动脑以及画图的能力。

2 拖拉机变速器的总体方案设计
2.1 变速器的结构形式
2.1.1 变速器内部传动系统的布局
拖拉机作为农业机械的一种，广泛应用于农业耕作行业等，适用于耕田、播种、施肥，装运等等各个农业领域。

它工作时，发动机通过V带传动带动拖拉机变速器转动，从而间接地带动了拖拉机轮子的转动，这样拖拉机就可以行驶了，通过改变变速器理论的档位来实现拖拉机的前进、后退、加速、减速等等功能。

在拖拉机的几个组成部分里，变速器是最重要也是最核心的部分，其组成机构及传动系统的布局图如下图所示：。