手摇式农用车机械储能起动装置的设计

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊　琛，杨振坤，李　香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大学 城市学院 机械工程系，西安 710018）



手摇式农用车机械储能起动装置的设计

Design of hand-rocking start by mechanical energy storage used for form vehicle

樊琛，杨振坤，李香

FAN Chen, YANG Zhen-kun, LI Xiang

（西安交通大学 城市学院 机械工程系，西安 710018）

摘 要：针对目前传统的小型农用车依靠手摇起动，速度慢、耗费大量气力，冬天气温低时更难以起动的弊端，尤其是空巢老年农民用户迫切希望在不改动原车辆（即不增加成本）的基础上改进起动装置的现状，设计研制了一种新型的、可靠的机械储能起动装置。试验证明，此装置无需借助其它能源辅助设备即可完成整个起动过程，不仅节省人力，提高起动速度，并且安装简单，操作、维护方便，使用成本低廉。

关键词：机械式；储能起动；手摇农用车

0 引言

以单缸发动机为配套动力的6-28马力之间的农用三轮车、四轮车等早已走进农村的千家万户。但是，这种类型的农用车，一直沿用传统的手摇起动方式，既费力又费时，有时还会因操作不慎造成意外伤害事故。尤其是在冬季，由于气温过低，这类小型农用车往往更难起动，许多人不得不因起动不便而放弃使用，甚至购置新农用车以此代替而徒增劳动成本[1]，如图1所示。如果能改进起动装置，增加省力环节，在不增加农民成本的基础上，改良这类农用车的起动弊端，必将适应农民需求，降低劳动成本，提高劳动生产率，提高经济效益。近年来，不少农用车辆安装了电起动或尝试用其他方式代替手摇起动，但终因安装成本高，使用费用大，安装复杂且专业化，使用寿命短，性能差等原因而难以普及[1]。本文研究的是一种不用电，不受低温等因素影响的新型起动装置，它一年四季均可连续起动，成本低，寿命长，操作简单，安装方便，造型美观，彻底解决了上述起动方式的缺陷与不足。

本文在分析了现在农用车起动装置的市场需求情况及其各个组成部分的基础上，根据农用车应用的环境特点，比较了起动装置的几种动力转换机构和储能机构，设计了手摇式农用车起动装置的改进方案，并通过计算、分析论证了设计的可行性。起动装置总体结构包括省力机构，动力转换机构，储能机构，离合和释放机构等。

图1　手摇式农用三轮车图

1 总体设计

小型农用车机械储能起动装置由省力机构、动力转换机构（人力输入转矩转换成轴向力）、止动机构、储能装置、离合机构和释放机构组成，并考虑了轴向力转换成输出转矩的设计，如图2所示。

采用小齿轮带动大齿轮的啮合机构构成省力机构；为积累足够的能量使发动机，采用弹簧装置；利用凸轮机构将齿轮传动中的回转运动转换成弹簧轴向的轴向运动；为了防止起动装置动力传输过程中储能弹簧释放能量时能量回流、输入轴反转，利用止动机构使动力沿单一方向传动，提高能量利用率；利用齿轮齿条实现将轴向力转换成输出转矩；最后应用曲柄滑块原理和止动机构连杆运动等方式设计释放机构；在输出轴末端安装离合器，用来接合和脱开起动装置和发动机。

图2　起动装置

2 输入机构的设计

2.1 输入装置简介

人力输入采用手摇动力输入装置，一端用于手握摇动，另一端用于与小齿轮输入轴接合，小齿轮带动大齿轮啮合，可大大节省人力，如图3所示。

图3　摇把装置

凸轮机构与棘齿条机构通过弹簧相连，输入动能通过棘齿条储存在后续机构中。

2.2 省力机构设计

齿轮啮合机构是人力输入机构，主要零件有输入轴和传动齿轮副。根据齿轮传动类型、省力原理和基本要求，本文选用闭式外啮合直齿圆柱齿轮传动，包括：输入轴、小齿轮、大齿轮和输出轴。

输入轴上的齿轮为小齿轮，依靠两轮的轮齿依次啮合实现，小齿轮带动大齿轮的杠杆原理达到省力目的。如图4所示。

图4　齿轮机构

小齿轮的动力来自于轴，阻力来自于大齿轮。

R轴不变，减小R轮则F阻增大。

大齿轮的动力来自于小齿轮，阻力来自于轴。

R轴不变，加大R轮则F动减小，依次达到省力目的。

2.3 转换机构设计

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构便于将回转运动转化成直线运动。本文选用无远休止和近休止的滚子对心移动盘形凸轮机构作为动力转换机构，将回转运动转化成直线运动。从动件做无停歇的升—降—升连续往复运动，避免柔性冲击。

3 储能机构设计

3.1 轴向力转换输出转矩的设计计算

齿条直线运动带动齿轮转动，将轴向弹簧势能转换成主轴转矩，带动柴油机旋转。根据手摇式农用车机械储能起动需求，无特殊要求下，齿轮齿条均选用45钢，采用软齿面。齿轮用调制，硬度为240～270HBS；齿条用正火，硬度为200～230HBS。

齿轮力矩T1=70N.m，转速：

n1=120r/min=2r/s

得：

一般农用车起动时间为2～3 s，起动转速r=t×n=2s×2r/s。

根据齿轮齿条传动效率为0.94～0.98，则输入功率为：

取齿轮齿数z1=17，齿条齿数z2=68，可得传动比：

则齿条转速n2=30r/min。

齿轮齿条弯曲疲劳极限应力分别为σFlim1=240Mpa 和σFlim2=220Mpa，可得应力循环次数：

由标准规定齿轮的应力修正系数YST=2，失效概率低于1/100 ，SFmin=1.25，许用弯曲应力为：

齿轮齿条接触疲劳极限应力σHmin1=560MPa，σHmin2=500MPa，取aH=1，可得应力循环次数：

ZN1=1.7，ZN2=1.8。失效概率低于1/100，SHmin=1.0，可得许用接触应力：

设齿轮按8级精度制造，载荷均匀系数为K=1，齿轮相对轴承对称布置，取Φd=1：

根据式( 1～6 )可得，Φa= 0 . 4。其弹性系数ZE=189.8，节点区域系数ZH=2.5，直齿轮传动ε取1.1～1.9之间，重合度系数为：

中心距计算：

可取标准值a=90[4]。

设齿轮齿条的齿数Z1=17，Z2=µ× Z1=68，取m=2：

由式(18)可得，

调整Z1=18，Z2=72。

由此，实际齿数比为：

重合度：

由式(17)得：

确定齿宽：

齿条齿宽b2=36，齿轮齿宽b1=40。

3.2 轴向力转换输出转矩的设计验证

经查表YFal=2.91，YFa2=2.24，应力修正系数YFsl=1.53，YFs2=1.75，重合度系数为：

齿根弯曲应力为：

由此验证出两齿轮弯曲强度满足设计要求。

考虑到齿条的运行和安装，一般齿条实际的长度L大于有效长度L'。

齿轮的轮齿所受水平力设为F1'，齿轮受齿条的作用力为F1，F2为反作用力。储能弹簧所受的最大压力即齿条所受力的水平分力。齿条齿廓上各点具有相同的压力角α，即齿形角，标准值为20°。对齿轮齿条受力分析如图5所示可知：

图5　齿轮齿条受力分析[3]

3.3 储能装置的设计与论证

储能机构主要由圆柱螺旋压缩弹簧和主轴，与其配合的零件可实现两大功能。第一，将前述人力输人转矩转换成的轴向力压缩圆柱螺旋弹簧，将能量储存起来；其次，将弹簧势能转换成通过主轴输出的转矩，形成带动发动机旋转的动力。本文选用弹簧材料为合金弹簧钢丝60Si2Mn，如图6所示。

经查得，Ⅲ类60Si2Mn的许用剪切应力为740MPa，切变模量为80MPa，由式(30)可得，弹簧受力为3.89kN。

弹簧旋绕比C取8，可得曲度系数：

弹簧丝直径：

经查表，选取d=12mmz，中径D2=110mm。节距t取42.0mm，有效圈数n取2.5～12.5之间，由经验值取n为12.5。

试验载荷下变形量：

弹簧刚度：

最大心轴直径：

最小套筒直径：

图6　压缩弹簧结构示意图

1）弹簧的强度校验

弹簧强度小于Ⅲ类60Si2Mn的许用剪切应力，选取设计满足要求。

2）弹簧的变形计算

3）弹簧稳定性计算

可得弹簧钢丝间距：

对于压缩弹簧总圈数n1的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。该弹簧选有支撑圈（不参与变形的圈）的弹簧，一端的支撑圈数选取0.75～1.25之间，其总圈数可计算：

n为工作圈数，可计算得n=10。

弹簧的自由长度（两端并紧磨平）：

高径比：

弹簧稳定可靠。

通过校验弹簧的强度及稳定性，选取材料均符合要求，弹簧可稳定可靠的工作。

4 止动机构、释放机构的设计和离合机构的选型

4.1 止动机构的设计

为了防止起动装置动力传输过程中储能弹簧释放能量时能量回流、输入轴反转，设计止动机构使动力沿单一方向传动，提高能量利用率。本课题采用棘齿条机构，它既可以保持移动，又能达到止动的效果[4]。如图7所示。

图7　棘齿条机构

能量输入时，使用扭动插销将止回棘爪旋转至图7中所示位置。当释放机构将能量释放，启动农用车后，旋转并拔下止回棘爪插销，使止回棘爪弹起，棘齿条复位。

4.2 释放机构的设计

释放机构是起动机的操纵机构，主要零件有释放杆和摇杆滑块工作链，如图8所示。操作者通过释放杆实现两项操作，拉释放杆的目的是让释放机构处于准备储能的状态，在这个状态下，主轴的旋转将被限制，以便实现弹簧的储能。推释放杆的目的是当储能过程完成，发动机需要启动的时候，解除主轴旋转的限制，同时完成圆柱螺旋压缩弹簧释能、主轴输出转矩，带动飞轮驱动齿轮旋转的发动机起动过程[5]。

4.3 离合机构的选型

离合机构是使起动机和发动机的运动相结合和脱开的机构，主要零件是飞轮驱动齿轮，它借助于起动机主轴上的离合器，当需要起动发动机的时候，将起动机主轴上的离合器和发动机上的飞轮齿圈啮合；反之，当起动机工作完成，发动机开始主动旋转时，发动机飞轮带动飞轮驱动齿轮的旋转，同时使其沿轴线反向移动，脱开齿轮的啮合[6]。如图9所示。

图8　释放机构

图9　离合机构

5 结论

手摇式农用车机械储能起动装置操作简单，维护方便，成本低廉，无需借助其他能源辅助设备，极大地适应和满足了目前农用车起动装置的市场需求，是一种新型、可靠的机械起动装置。本文通过计算分析、校验，优化设计了省力机构，动力转换机构，储能机构，离合和释放机构等，提供了农用车启动装置创新设计的良好途径。随着科技技术的发展以及各种智能化仪器设备的出现，手摇式农用车机械储能起动装置还将不断改进，逐步增加自动化、遥控式等功能。

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作者简介：樊琛（1983 -），女，山东济南人，讲师，硕士，研究方向为智能化监控与检测和机电一体化。

基金项目：西安交通大学城市学院科研基金项目（2014XJTUCC10013）

收稿日期：2015-08-24

中图分类号：TH12

文献标识码：B

文章编号：1009-0134(2016)01-0097-05