皮带传动小型轮式拖拉机离合器的可靠性分析

     目前，国内生产皮带传动小型轮式拖拉机的企业一百多家，这些企业主要分布在山东、河南、河北、黑龙江、内蒙和吉林等省区，以山东省生产企业zui多，占全国生产企业的60%以上，随着农村经济的发展、农民需求的提高，小型轮式拖拉机的功率不断向上延伸，从过去的12、15马力发展到今天的17～24马力，有的甚至发展到26马力，几乎都采用只增大发动机功率，而其它部件总成未做相应技术改进，结果导致动力传递不足，传递效率低，使得zui大牵引功率不达标，产品质量也存在严重问题。近几年该产品抽样检查发现其合格率一直不超过50%。

    离合器是拖拉机动力传递的重要组成部分，功率提高以后其结构要做相应改进，否则寿命缩短、可靠性受到严重影响。

1．离合器的结构与工作过程 

    皮带传动小型轮式拖拉机的离合器是一种常接合、弹簧压紧、双片、干式离合器，由四部分组成：主动部分包括压盘、主动片、皮带轮、皮带轮盖；从动部分即从动盘总成；压紧、分离机构包括弹簧、分离杠杆、调整螺杆和调整螺母；操纵机构包括离合器踏板、拉杆、分离爪座、分离爪和分离轴承。
离合器的工作过程如下：

     当踩下离合器踏板时，在拉杆的带动下分离爪绕分离爪座旋转，推动分离轴承向上移动，消除离合器分离间隙0.5mm后，推动分离杠杆内端向上移动，分离杠杆绕其中间销轴转动，其外端压紧调整螺母，通过调整螺杆带动压盘向下移动，压缩弹簧，使离合器的主动部分和从动部分发生分离，不再有摩擦力产生，从而切断离合器主动部分向从动部分动力的传递。当慢慢松开离合器踏板时，在弹簧的作用下，压盘向上移动，使离合器的主动部分和从动部分接合，在摩擦力的作用下，主动部分带动从动部分一起旋转，从动部分即离合器从动盘总成通过花键与变速箱输入轴相联，从而实现动力从离合器皮带轮到变速箱输入轴的传递。

2．离合器的主要参数及扭矩储备系数、单位压力、滑磨功、温升验算

主要参数:摩擦面的内径D1=φ76mm ，摩擦面的外径D2=φ160mm ，摩擦面对数n=4 ，摩擦材料为石棉。

2.1离合器传递的zui大扭矩和扭矩储备系数验算

簧丝直径d=3.5mm ，工作圈数n=5，弹簧中径D=19mm，工作载荷下的变形量f=10mm，弹簧个数Z=6，材料：3.5/70-C, 切变模量G=7.9×10⁴MPa

单个弹簧的压紧力：

弹簧的总压力：F= Z·F'=6×432.09=2592.36（N）

摩擦系数（钢对石棉）μ=0.3，摩擦合力作用半径Rp=0.25（D2-D1）=59mm=0.059m

离合器传递的zui大扭矩： M=nμRpF=4×0.3×0.059×2592.36=183.54（N·m）

皮带轮传动比i_皮=1.75，15、17、24马力拖拉机发动机额定扭矩Mn为52、59.5、84 N·m

15马力拖拉机离合器的扭矩储备系数：

   按照同样的方法可以计算出17、24马力拖拉机离合器的扭矩储备系数β分别为1.76、1.24。根据实验和使用经验，干式、弹簧压紧离合器扭矩储备系数β不宜小于2，一般β在2.0～2.8之间。扭矩储备系数如果小于推荐值，由于拖拉机工作的路面条件很差，经常出现超负荷工况，这样便无法保证发动机动力的正常传递，并且离合器的工作性能会急剧下降，寿命缩短。从前面的计算可以看出，15马力拖拉机离合器的扭矩储备系数在推荐值范围内，而17、24马力拖拉机离合器的扭矩储备系数已超出推荐值范围，因此该离合器对于17马力以上的拖拉机不适用。

2.2 离合器摩擦片单位压力验算

单位压力：

干式离合器钢对石棉摩擦副材料的许用单位压力[p]=0.1～0.25 MPa,该离合器摩擦片单位压力满足要求,不受拖拉机功率的影响。

2.3 离合器单位滑磨功及温升验算

  由拖拉机的结构及技术参数知道，15马力拖拉机，离合器的扭矩储备系数β=2.01,离合器主动片的角速度ω_eb=2π×2000/（60×1.75）=119.68rad/s，换算到离合器主动盘上的发动机飞轮转动惯量J_M=2.46kg.m2，换算到离合器主动盘上的发动机转动惯量Je=1.2J_M=1.2×2.46=2.95kg.m2，拖拉机机组质量m_Σ=1930kg，驱动轮动力半径r_d=0.38m，拖拉机起步zui传动系传动比iΣ=27.41，换算到离合器轴上的拖拉机机组的转动惯量，离合器主动片的重量m1=1 kg, 主动片吸收热量占总热量的百分比γ=0.5,钢的比热容c=481.5J/ kg·℃

离合器的滑磨功：

单位滑磨功：

离合器主动片在离合器接合一次中温升：

    对于17马力拖拉机，离合器的扭矩储备系数β=1.76，由于其结构与15马力拖拉机相同，仅发动机功率有提高，因此计算其离合器单位滑磨功、接合一次中温升的相关参数与15马力拖拉机相同。按照前面的计算方法求得17马力拖拉机离合器的单位滑磨功w=0.087 J/㎜²,温升Δt=5.63℃,笔者经计算发现17马力以上拖拉机离合器的单位滑磨功、温升更大。

     离合器接合过程中由于主、从动片转速不同产生相对滑磨，滑磨产生的热量使离合器的摩擦件温度升高，摩擦系数降低，传递扭矩的能力降低，甚至导致摩擦衬面因过热而烧损，可见离合器接合过程中，滑磨功产生的热量是影响离合器寿命的重要因素，通常单位滑磨功要求不大于0.3 J/㎜²,受热zui严重的零件在离合器接合一次中温升不大于5℃。从上面的计算可以看出，15马力拖拉机离合器的温升在推荐值范围内，17马力以上拖拉机离合器的温升均超出了推荐值范围。

3．结论

     由以上分析可以得知，15马力拖拉机离合器的扭矩储备和温升满足要求，功率增大到17马力便超出推荐值，影响离合器的工作性能，如功率进一步提高且离合器结构不改进，会使其可靠性变得更差，寿命更短。