东风304A拖拉机辅助变速器的人机改造设计

摘 要：本文以“东风304A”中小型轮式拖拉机为研究对象，进行辅助变速器设计，使变速杆的设计在最优操作位置上，更符合人机工程学。采用杠杆和曲柄滑块以及铰链连接等机械原理。通过实际测量、资料分析、立体建模等方法进行方案设计。辅助变速器从布局、机构原理、尺寸设计上进一步解决了人机操作问题。

关键词：辅助变速器；改进设计；人机工程

中图分类号：S219.07 文献标识码：A

1 我国中小型拖拉机变速器和使用者关系的发展现状

以常州东风农机集团有限公司的304A型号的产品为例，自生产以来，拖拉机的操作变速机构就很少有进行改进设计和升级（如图1）仍然是采用纵置后驱的手动挡车型挡把直接与变速箱壳体相连接，且变速器设置在人机操作的次要位置（中间部位），从客观上来说，这种变速机构有自身的优点，简单的操作机构，生产商和使用者都得到了经济实惠，但是，作为使用者没有反馈，不能改变就只能去适应，因此，在我国，使用者一直在适应变速器的操作。

2 “东风304A”变速机构所存在的人机问题

2.1 变速箱操作挡把振动过大，导致操作手感疲劳度上升

以“东风304A”中小型轮式拖拉机变速机构为例，此类型车都是采用纵置后驱的手动挡车型挡把，直接与变速箱壳体相连，驾驶者往往会感觉到比较大的抖动，其原因是变速挡把通过拨叉直接与变速箱中央传动齿轮组刚性相接处，因此，发动机的振动（出厂数据36～41.6Hz）通过中央传动齿轮组直接传递到变速杆挡把上，造成操作挡把振动频率（约为发动机振动频率的1/3，8～14Hz）过高，从而导致操作疲劳度上升。

2.2 由变速杆上、下臂比值导致的换挡施加作用力过大

经测量“东风304A”变速杆上臂为L2=220mm，下臂为L1=80mm，比值为L2/L1=2.75，挂挡时作用力在F2=80～150N左右，而我国农用拖拉机的变速杆上、下臂的比值多在2.5～3.5之间，变速杆的最优操作力为20～140N，变速杆上下臂的比值增加使得操纵更省力，但引起变速杆顶端挡把手柄行程过大，一般变速杆顶端挡把手柄向前和向后的行程之和不超过120mm[5]。因此，这说明东风304A的变速杆上、下臂的比值2.75，相对来说比值较小，其主要原因是变速杆顶端手柄行程空间范围有限。

2.3 变速杆顶端手柄与操作界面缝隙狭小，挂前挡时容易对手指造成伤害

变速杆挂前挡为1挡，顶端手柄几乎与操作界面相接触，不够大拇指的缝隙（15mm），而挂前挡是个抬升变速杆挡把的过程，我们习惯性的握住手柄，大拇指都是在抬升一侧的上方，也就是手柄与操作界面间隙的一侧，因此，挂前挡时极容易对大拇指造成伤害。

2.4 该手柄的施力点不符合人机施力的最佳范围，挡把设置的位置不符合人机操作习惯，影响上下车

“东风304A”挂前挡是一个抬升变速杆的过程，挂后挡是个向后斜下压的过程，需要集中肩部和手臂的力量来挂后挡，相对挂档舒适性较差（如图2），测试过程中被测人员（长期从事拖拉机驾驶人员，测量人数为30人，操作舒适性测验调查研究）一致反映，若操纵杆能置于身体右侧，则位置最佳。但考虑到目前拖拉机具体结构，做试验时主要还是测量变速杆放在两腿中间的位置。被测人员还反映变速杆右置符合手的运动速度规律和习惯，同时，根据生物力学可知，杆向后移时驾驶员右臂肘部不应超出通过驾驶员肩部的垂直横向平面，否则驾驶员作用在杆上的力明显减小。

3 解决措施与辅助变速器的设计方案

3.1 解决措施

如果把变速杆设置在人右手一侧最灵敏、反应最快、用力更强的位置上，那就要改变变速箱的内部结构，很有可能还要改变传动结构，牵一发而动全身，这样工程量大大增加，成本倍增。因此，核心的解决措施就是将变速杆设置在右手活动最优的位置时，将投入成本控制在最低标准。

3.2 辅助变速器的设计方案

辅助变速器设计方案在使用方式上与普通机动车变速杆的使用方式相一致，仍然采用向前推杆、向后拉杆、左中右摆杆的形式进行挂档和排挡。挡位与“东风304A”之前设置的挡位和操作顺序相同，分为1、2、3、4、R（倒挡）5个挡位，可通过高低速挡把变换为4个高速挡和4个低速挡，前挂为2、3、1三个挡位，中间为空挡，后挂为4挡和R挡（倒挡）。前推杆挂2、3、1三个档位，左中右摆杆为左空挡、中空挡、右空挡，合称为一个空挡，后拉杆挂4和R挡（倒挡）（如图3）。

图3 辅助变速器原理图

3.3 辅助变速器设计

辅助变速器设计主要采用杠杆原理和曲柄滑块原理，采用杠杆原理主要是为了省力，采用曲柄滑块原理是确保前挂挡和后挂挡运动的实现（如图3）。黑色实线处于前挂挡状态，A点为变速杆挡把手柄，前推A点，使得B点驱动D点（助推滑动连杆）向前移动进行挂前挡。A、B、C三点所在的连杆是以C点为支点的杠杆，C、B、D三点间的关系是以CB为曲柄半径，连杆BD驱动滑块（助推滑动连杆）使得辅助变速器实现前、后挂挡。图3侧视图所示，是左、中、右空挡摆杆，由于D滑块（助推滑动连杆）处采用花键滑动连接或普通键滑动连接，可以使得助推滑动连杆随变速杆的左、中、右摆动而左右转动，灵活实现1、2、3、4、R（倒挡）挡的变换。在设计过程中，由于变速杆设置到右手操作最优范围内，变速杆顶端手柄的前后活动范围较大，经过测量，“东风304A”右手操控最佳作用力空间范围为：左右距离为220mm，前后距离为330mm。因此，变速杆上臂AC=L3可取320～340mm，下臂BC=L1可取90～100mm，上下臂比值在L3/L4=3.2～3.56，由于“东风304A”变速杆比值为L2/L1=2.75，挂挡作用力为F2=80～150N，因此变速杆的底端接触拨叉部位的受力为F4=F1=F2·L2/L1=80N·2.75～150N·2.75=220N～412.5N，而辅助变速杆的挂档作用力为：F3=F4/L3/L4=220N/3.2～412.5N/3.56=68.75N～116N，与原变速杆相比作用力减少F2-F3=11.25～34N。下面的助推滑动连杆前后滑动通过旋转铰链与主变速杆下臂顶端相连（如图3），为实现主变速杆的活动自由度，连接方式可采用多旋转铰链连接或球铰链连接，这样可以有力避免约束所产生的硬力。

4 结语

基于“东风304A”设计的辅助变速器，由于变速杆上下臂比值在3.2～3.56，使得挂挡时作用力大约减小11.25～34N，相对来说更加省力。其设置的位置在人右手一侧最灵敏、反应最快、用力更强的位置上，符合人的生理操作习惯，是右手操作最佳范围内，且不影响上下车。又因为辅助变速器是一个独立的操作机构，通过旋转活动铰链与主变速杆相连接，可将变速杆的垂直振动频率控制在4～8Hz以内，水平振动频率控制在1～2Hz以内，因此提高了操作舒适性，且不会因为挂挡时的缝隙对手指造成伤害，设计相对更趋于人性化，同时，将工程量压缩到最小，设计生产成本压缩到最低。

参考文献

[1] 洛阳拖拉机研究所.拖拉机设计设计手册[S].机械工业出版社，1994.

[2] 童时中.人机工程设计与应用手册[S].中国标准出版社，2007.

[3] 郑文伟，郑克坚.机械原理（第1册）[M].高等教育出版社，1996.

[4] 洛阳拖拉机研究所译.农林拖拉机国际标准译文集[M].洛阳拖拉机研究所印刷出版，1983.

[5] 周一鸣.拖拉机人机工程学[M].机械工业出版社，1988.

[6]李江全，欧亚明，江兰英，等.农机产品设计中的人机工程学理论探讨[J].农机化研究，2002（01）.