工程機械設計

1、Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院工程機械設計 吉林大學機械科學與工程學院吉林大學機械科學與工程學院秦四成秦四成Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院主要內容主要內容系統(tǒng)講述工程機械設計中的基本概念和基本方法，內容包括：工程機械總體設計、工程機械發(fā)動機的選擇、工程機械行駛理論、工程機械牽引性能、工程機械傳動系設計、工程機械制動系設計、工程機械

2、轉向系設計、工作裝置設計、工程機械人-機-環(huán)境系統(tǒng)設計、工程機械造型設計，對現(xiàn)代設計理論和方法在工程機械設計中的具體應用作了介紹，使大家能對工程機械整機設計有系統(tǒng)的了解。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院第一章第一章 工程機械總體設計工程機械總體設計 11 工程機械的使用性能 工程機械使用性能的好壞，是檢驗工程機械設計是否正確的唯一標準，對工程機械來講，其整機使用性能主要包括：牽引性能、動力性能、機動性能、經濟性能、作業(yè)安全性能、操縱舒適性能。 Institute

3、Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.1 牽引性能 工程機械的牽引性，是反映在各檔作業(yè)速度下牽引力隨速度的變化而變化的情況以及能夠發(fā)出最大牽引力的性能。牽引性能直接影響著工程機械的作業(yè)能力與作業(yè)效率。牽引性能的好壞，是用牽引功率和牽引效率來評價的，它表明了工程機械工作時發(fā)動機功率利用的有效程度，是一個重要的使用性能指標。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院

4、1.1.2 動力性能 動力性能是反映工程機械以不同檔位行駛時，所具有的加速性能及所能達到的最大行駛速度和爬坡能力。動力性能的指標用動力因數(shù)來評價。動力性能直接影響著工程機械的生產效率。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.3 機動性能 機動性能是反映工程機械的直線行駛的穩(wěn)定性和狹窄場地轉向和通過的能力。機動性能與操縱性能有很大的關系，操縱性能常以工程機械通過性的幾何參數(shù)表示，包括：最小離地間隙，縱向通過角，接近角，離去角，最小轉彎半徑等。機動性能影響工程機械的適

5、用程度。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.4 經濟性能 經濟性能是指在保證工程機械牽引性能及動力性能的條件下，以盡量少的燃油消耗量達到經濟作業(yè)、行駛的能力。經濟性能好，可以降低工程機械的使用費用，經濟性能通常用兩個指標來評價。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.5 作業(yè)安全性能 工程機械作業(yè)安全性能包含兩個方面：工程機械穩(wěn)

6、定性能、工程機械制動性能。 1）穩(wěn)定性能：穩(wěn)定性能是表明工程機械作業(yè)或在坡道上行駛時抵抗縱向和橫向傾翻和滑移的性能。工程機械的穩(wěn)定性能用穩(wěn)定度來評價。 2）制動性能：制動性能反映工程機械在各種行駛速度下停車的能力。主要以在指定行駛速度下的制動距離來評價。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.6 操縱舒適性 對工程機械操作者來講，改善操縱性、增加舒適性、減輕勞動強度，是工程機械發(fā)展的重要方面，是提高工程機械生產效率的有效措施，駕駛室的隔振、降噪，宜人化環(huán)境是工程

7、機械現(xiàn)代設計的主要內容。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院12 工程機械設計過程工程機械設計過程 工程機械設計尤其是新型工程機械設計，是根據(jù)社會對該型工程機械的使用要求而提出的整機參數(shù)與性能指標進行設計的，即從整機的總體設計開始，然后通過總體設計的分析與計算，將整機參數(shù)和性能指標分解為有關總成的參數(shù)和功能后，再進行總成和部件設計，進而進行零件甚至某一更細微的局部設計與研究。 Institute Of Mechanical Science and Engineeri

8、ng JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.2.1 工程機械設計工作的通用方針 1工程機械設計應根據(jù)市場需求、產品的技術發(fā)展趨勢和企業(yè)的產品發(fā)展規(guī)劃進行。 2工程機械選型應在對同類型產品進行深入的市場調查、使用調查、生產工藝調查、樣車結構分析與性能分析及全面的技術、經濟分析的基礎上進行。新型工程機械應是技術先進、實用、經濟、美觀、暢銷的產品。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3應從已有的基礎出發(fā)，對原有工程機械樣機參數(shù)進行分析比

9、較，繼承優(yōu)點，消除缺陷，采用已有且成熟可靠的先進技術與結構，開發(fā)新型工程機械，以使新型工程機械的設計腳踏實地，少走彎路。 4應從解決設計中的主要矛盾或關鍵問題入手，依次解決設計方案中的其他問題和要求。通常方案要多次修改才能基本滿足各項要求。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 5設計應遵守有關標準、規(guī)范、法規(guī)、法律，不得侵犯他人專利和知識產權。 6力求零件標準化、部件通用化、產品系列化，實現(xiàn)模塊化設計。 7設計要從嚴要求。為防止發(fā)生嚴重的錯誤，每步都應進行檢查，每階

10、段應作可行的實踐考驗，高質量地完成設計任務。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.2.2 工程機械設計特點 1滿足零件標準化、部件通用化、產品系列化的要求，由于工程機械大多屬于多品種、小批量生產，設計中實行零件標準化、部件通用化和產品系列化，可簡化生產，提高工效，保證產品質量，降低生產成本，減少配件品種，方便維修。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科

11、學與工程學院 2考慮使用條件的復雜多變 為了使所設計的工程機械產品在廣闊市場上具有競爭力，設計中就要充分考慮提高其對復雜多變的使用條件的適應性。 特別應注意熱帶、寒帶等不同的氣候條件和高原、山區(qū)、丘陵、沼澤、沿海等不同的地理條件，以及燃料供應、維修能力等不同的使用條件對工程機械結構、性能、材料、附件等特殊要求。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3重視使用中的高效、安全、可靠、經濟與環(huán)保。 4工程機械外形設計既重視工程要求也要注重外觀造型 。 5工程機械設計是考慮

12、人機工程、制造工程、運營工程、管理工程的系統(tǒng)工程 。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院現(xiàn)代工程機械設計已不再是單一現(xiàn)代工程機械設計已不再是單一的機械設計，而是綜合運用多方的機械設計，而是綜合運用多方面的基礎理論、技術基礎理論、面的基礎理論、技術基礎理論、專業(yè)知識和許多當代技術成就而專業(yè)知識和許多當代技術成就而進行的多種交叉學科的現(xiàn)代化設進行的多種交叉學科的現(xiàn)代化設計。計。 Institute Of Mechanical Science and Engineerin

13、g JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.2.3 工程機械設計過程 1調查研究與初始決策。其任務是選定設計目標，并制定產品設計工作方針及設計原則。調查研究的內容應包括：老產品在服役中的表現(xiàn)及用戶意見；當前本行業(yè)與相關行業(yè)的技術發(fā)展，特別是競爭對手的新產品與新技術；材料、零部件、設備和工具等行業(yè)可能提供的條件；用集團內外同類型機械的資料，做出其主要參數(shù)及各總成型式的統(tǒng)計表進行分析比較。本企業(yè)在科研、開發(fā)及生產方面所取得的新成果等等，它們對新產品設計是很有價值的。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JI

14、LIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2總體方案設計：其任務是根據(jù)有關決策所選定的目標及對開發(fā)目標制定的工作方針、設計原則等主導思想提出整機設想，繪制不同的總體方案圖供選擇。在總體方案圖上進行初步布置和分析，對主要總成只畫出大輪廓而突出各方案間的主要差別，使方案對比簡明清晰。經過方案論證選出其中最佳者。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3繪制總布置草圖，確定整機主要尺寸、質量參數(shù)與性能指標以及各總成的基本型式。在總布置草圖上要準確地畫

15、出各總成及部件的外形和尺寸并進行仔細的布置；對作業(yè)范圍軸荷分配和質心高度作計算與調整，以便準確地確定工程機械的軸距、輪距、總長、總寬、總高、離地間隙等，并使之符合有關標準和法規(guī)；進行性能計算及參數(shù)匹配，完善工程機械的整機外觀造型。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 4 編寫設計任務書：作為對以后的設計、試驗及工藝準備的指導和依據(jù)。其內容常包括：任務來源、設計原則和設計依據(jù)；產品的用途及使用條件；布置型式及主要技術指標和參數(shù)，包括空車及滿載下的整機尺寸、軸荷及性能參

16、數(shù)，有關的可靠性指標及環(huán)保指標等；各總成及部件的結構型式和特性參數(shù)；標準化、通用化、系列化水平及變型方案；所采用的新技術、新結構、新裝備、新材料和新工藝；維修、保養(yǎng)及其方便性的要求；生產規(guī)劃、設備條件及預期制造成本和技術經濟預測等。有時也加進與國內外同類型工程機械技術性能的分析和對比等。有的還附有總布置方案草圖及外形方案圖。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 5工程機械的總布置設計：其主要任務是根據(jù)工程機械的總體布置及整車性能提出對各總成及部件的布置要求和特性參數(shù)

17、等設計要求；協(xié)調整機與總成間、相關總成間、總成與有關部件間的布置關系和參數(shù)匹配關系。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 （1）繪制工程機械總布置圖 。 （2）根據(jù)總布置設計確定的整機參數(shù)和性能指標提出對各總成和部件的設計要求 。 （3）繪制工程機械轉向機構、擺動橋等有關部分的運動圖；用于校核布置空間以避免發(fā)生運動干涉。 （4）確定有關總成和部件支承的型式、結構參數(shù)與特性等，特別是對發(fā)動機動力總成前后支承、駕駛室支承和排氣管支承的位置和剛度要精心選擇。 Institu

18、te Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 （5）確定各總成的質心位置，核算工程機械空載和滿載時的軸荷分配及整機質心高度。 （6）工程機械各總成、部件及零件的選型與設計：其任務除了要保證總成和整機的性能指標外，還要考慮零部件本身的強度、壽命與可靠性等問題。 （7）設計圖紙的工藝審查及必要的修改。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 （8）繪制總裝配圖：其目的是

19、進行圖面裝配校核，仔細檢查相連接總成及部件的連接關系、連接部分的尺寸與配合以及拆裝的方便性；核算與標注整機和有關總成與部件的安裝尺寸鏈，為總裝作技術準備和提供依據(jù)。 （9）試制、試驗、修改與定型 。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院13 工程機械總布置工程機械總布置 1搜集和繪制有關總成、部件的外形圖。 2基準線的選擇及其畫法： 前輪中心線 整機中心線 地面線 前輪鉛垂線 Institute Of Mechanical Science and Engineering

20、 JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3軸距的選擇 4輪距的選擇 5工作裝置主參數(shù)的確定 6發(fā)動機和傳動系的布置 7駕駛室的布置 駕駛室在工程機械整機上的方位 駕駛室的內部布置 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 8質量計算 9運動校核 （1）工作裝置的機構運動關系 （2）鉸接式轉向機構的偏轉校核 （3）擺動車橋的擺動軌跡校核 （4）可翻轉的駕駛室翻轉時連接駕駛室和車架之間的桿件和軟管的運動軌跡 （5）駕駛區(qū)各種操縱機械的運動軌跡

21、Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院14 工程機械工程機械CAD技術簡介技術簡介 電子計算機的發(fā)展和在工程設計中的廣泛應用，使工程機械設計技術飛躍發(fā)展，設計過程完全改觀。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院第二章第二章 工程機械發(fā)動機的選擇工程機械發(fā)動機的選擇 發(fā)動機是工程機械的動力源，是工程機械的關鍵總成，發(fā)動機的基本性能在很大程度上決定

22、了工程機械的基本性能，尤其是對工程機械的動力性、燃料經濟性，使用的可靠性和耐久性，維修的方便性以及制造成本與市場競爭力等都有直接的影響。因此在工程機械的總體設計時，發(fā)動機的選型是一項關鍵的決策。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院21 發(fā)動機的基本性能發(fā)動機的基本性能 2.1.1動力性動力性 動力性是工程機械用發(fā)動機的主要性能指標之一，評定動力性的指標主要是額定功率和最大轉矩。 在柴油機上廣泛采用增壓和中冷技術，提高了發(fā)動機的充氣量，其動力性得到了較大幅度的提高。

23、Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.1.2 經濟性經濟性 衡量發(fā)動機經濟性的重要指標是有效熱效率和比油耗。 有效熱效率是內燃機實際循環(huán)有效功與得到此有效功所消耗的燃料熱量之值。在額定工況下，汽油機的為0.200.30，柴油機為0.300.45。 油耗由發(fā)動機臺架試驗測得 。 影響工程機械使用油耗的設計因素有整機質量、滾動阻力、傳動系的效率與匹配、發(fā)動機的燃料經濟性等。 Institute Of Mechanical Science and Engineering

24、 JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.1.3振動與噪聲振動與噪聲 發(fā)動機作為工程機械整機的振動與噪聲源，對工程機械行駛噪聲和振動影響很大。 發(fā)動機的噪聲主要由燃燒噪聲、氣體動力噪聲和機械噪聲三部分組成。 國內外都對工程機械作業(yè)、行駛噪聲和發(fā)動機噪聲用法規(guī)加以限制，我國對工程機械噪聲控制工作比較落后，特別是控制工程機械駕駛室內噪聲以提高操作者的操縱、乘坐舒適性，仍是一項重要任務。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.1.4 可

25、靠性與耐久性可靠性與耐久性 發(fā)動機的可靠性與耐久性直接關系到使用維修費用，是用戶最關心的性能之一。在某種程度上，用戶對可靠性的要求高于對其他性能的要求。 評價可靠性的方法很多，一般用調查統(tǒng)計和抽樣考核等方法。例如用調查百車故障數(shù)、統(tǒng)計平均首次故障里程（時間）及平均故障間隔里程（時間）等來評價。 耐久性通常用大修壽命或首次大修里程來評價。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.1.5 排氣凈化 發(fā)動機排放的污染物主要有：一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物

26、（NOX）、微粒物（PM）和硫化物等，它們由發(fā)動機的排氣管、曲軸箱和燃油系排出，分別稱為排氣排放物、曲軸箱排放物和燃油蒸發(fā)排放物。 HOX和HC在陽光下經光化學反應可形成臭氧而危害人體并損壞森林生態(tài)系統(tǒng)。二氧化碳（CO2）是發(fā)動機燃料燃燒后的主要生成物，它本身雖無毒，但造成溫室效應。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.1.6 起動性能起動性能 指發(fā)動機從冷車狀態(tài)到穩(wěn)定運轉狀態(tài)所需的時間。 柴油機常用的冷起動裝置有進氣預熱器，注起動液裝置、直接安裝在缸內的電熱塞

27、、冷起動供油提前裝置、機油及冷卻水預熱裝置等。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院22 工程機械發(fā)動機的選型 2.2.1 發(fā)動機基本型式的選擇發(fā)動機基本型式的選擇 在工程機械發(fā)動機基本型式選擇中首先應確定的是采用汽油機還是柴油機，其次是氣缸的排列型式和柴油機的冷卻方式。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 1工程機械選用柴油機 工程機械最常

28、用的動力裝置是柴油機，與汽油機相比，柴油機具有如下優(yōu)點： （1）柴油機熱效率高、油耗低、燃料經濟性好。柴油機價格便宜，成本較低。 （2）柴油機工作可靠，耐久性好，無需點火系統(tǒng)，故障少，使用壽命長。 （3）可采用較高的增壓度和較大的缸徑來提高柴油機功率。 （4）排氣污染較低。 （5）防火安全性好。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2氣缸排列型式的選擇 按氣缸排列型式，發(fā)動機又有直列、V型布置之分。 直列式發(fā)動機結構簡單，工作可靠，成本低，使用維修方便，發(fā)動機的寬度小

29、，布置起來較靈活。 V型發(fā)動機寬度尺寸大，造價高，在應用中受到限制。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3發(fā)動機冷卻方式的選擇 水冷發(fā)動機冷卻均勻可靠，散熱好，氣缸變形小，缸蓋、活塞等主要零件的熱負荷較低，可靠性高；能很好地適應大功率發(fā)動機的冷卻要求；發(fā)動機增壓后也易于采取措施（加大水箱、增加泵量）加強散熱；噪聲??；駕駛室內供暖易解決。 風冷發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)簡單，維修簡便；對于在沙漠和缺水地區(qū)及炎熱、酷寒地區(qū)使用的適應性好 。 Institute Of Mecha

30、nical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.2.2 發(fā)動機主要性能指標的選擇發(fā)動機主要性能指標的選擇 1發(fā)動機額定功率PeH及額定轉速neH 工程機械作業(yè)過程中，工作阻力變化范圍大，載荷波動頻率大，經常選用發(fā)動機1小時的標定功率，作為工程機械發(fā)動機的額定功率及其額定轉速。 在初選發(fā)動機功率時，應參照國內外同類型，同級別且動力性相近的工程機械，初步確定發(fā)動機功率。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學

31、院機械科學與工程學院 （1）按工程機械最大車速計算3maxmax7614036001VACVfGDTeHPInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 （2）按工程機械所要求的最大爬坡度計算minmaxminmaxsincos36001VQGVQfGPTeHInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 由上式求出的發(fā)動機額定功率為其凈輸出功率，即在發(fā)動機裝有

32、全部附件情況下，測出的發(fā)動機飛輪最大有效功率。 在發(fā)動機選型階段，除了要確定發(fā)動機額定功率外，還要對額定功率轉速即額定轉速提出一定的要求。影響工程機械整機的性能、傳動系的壽命、最大車速和傳動比的選擇，一般工程機械用柴油機額定轉速在20003000rpm（轉/分鐘）之間。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖2-1 發(fā)動機外特性 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與

33、工程學院機械科學與工程學院 2發(fā)動機最大轉矩及其相應轉速 發(fā)動機最大轉矩及其相應轉速，對工程機械的動力性能（如動力因數(shù)、加速性能、爬坡能力等）影響很大 。 3發(fā)動機適應性系數(shù) 表明發(fā)動機適應工程機械作業(yè)工況的程度 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 23 工程機械發(fā)動機輔助系統(tǒng)設計 工程機械特殊的施工條件，對發(fā)動機提出了特殊的要求，為保證發(fā)動機各方面性能的充分發(fā)揮，發(fā)動機輔助系統(tǒng)的設計至關重要，它是保證工程機械各種性能的前提。 2.3.1 空氣濾清器 2.3.2 消

34、聲器 2.3.3 散熱器的選擇與安裝Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.3.4 風冷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)安裝要求Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2.3.5 發(fā)動機運轉狀態(tài)監(jiān)

35、測 工程機械儀表板上，監(jiān)測發(fā)動機運轉狀態(tài)常用的儀表有： 1發(fā)動機轉速表和工作小時計； 2發(fā)動機電流表； 3發(fā)動機水溫表，對風冷發(fā)動機為發(fā)動機缸溫表； 4發(fā)動機機油溫度表； 5發(fā)動機機油壓力表； 6發(fā)動機空氣濾清器指示器。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院24 發(fā)動機懸置系統(tǒng)設計 2.4.1 懸置設計要求 2.4.2 懸置系統(tǒng)激振源 2.4.3 懸置系統(tǒng)的布置 2.4.4 懸置軟墊設計 2.4.5 發(fā)動機飛輪殼結合面靜態(tài)彎矩的校核Institute Of Mechan

36、ical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖2-8 發(fā)動機懸置軟墊Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖2-7 典型的懸置系統(tǒng)簡圖 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院第三章第三章 工程機械行駛理論工程機械行駛理論 31 土壤的物理性質 工程機械涉及的土壤

37、是廣義上的土壤，它包括除大石頭以外的土壤及其與碎石的混合物，巖石風化沉積物等。 工程機械與土壤的關系極為密切，一方面土壤是工程機械的作業(yè)對象，土壤的物理性能影響著工程機械的作業(yè)效率。另一方面，土壤又是工程機械行駛部件輪胎或履帶的支承物 。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 （1）土壤要能支持住工程機械，使它在作業(yè)過程中不下陷，具有良好的通過性。 （2）工程機械行駛部件在相應的土壤基礎上能夠充分發(fā)揮出牽引力。 （3）合理地確定工作裝置的結構型式及主參數(shù)大小，以便盡可能

38、地降低土壤的切削阻力，以獲得良好的作業(yè)效率。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.1.1 土壤剪切應力與剪切變形的關系 工程機械在地面上行駛作業(yè)時，其行駛部件驅動輪胎或履帶對地面施加向后的水平力，地面隨之發(fā)生剪切變形，相應的剪切力便構成土壤對工程機械的推力，即牽引力 。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 粘性土壤 摩擦性土壤（干沙、沙質土

39、） 大多數(shù)土壤既不是純粘性的，也不是純摩擦性的，而是這兩種性質的粒狀物質的混合物。 cAFXtanWFXtanWcAFXtanmax cInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖3-1 土壤剪切特性示意圖Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖3-2 土壤的剪切應力與剪切變形的關系曲線Institute Of Mechanical Scienc

40、e and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.1.2 土壤的切削理論土壤的切削理論 圖3-3 切削刃的幾何關系Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 切削阻力的大小取決于土的參數(shù)和切削刃的幾何參數(shù)。 目前確定切削比阻力大多采用的經驗公式為： 與切削刃的幾何形狀有關。 )MPa(106bhFKobbKInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UN

41、IVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.1.3 土壤的其他物理性質土壤的其他物理性質 1土壤的顆粒細度成分 2土壤的含水量 3土壤的天然重度和干容重 4土壤的塑性 5土的粘著性 6土的自然坡度角 7土與鋼、土與土的摩擦系數(shù) 8土的粘聚力c、內摩擦角和重度 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院32 輪式工程機械行駛理論 3.2.1 概述概述 輪式工程機械的行駛部件是輪胎和車輪，輪胎和車輪共同具有的基本功能是： 支撐工程機械，承受車輛的重力，使工程機械能夠

42、承載和作業(yè)； 傳遞驅動力、轉向力和制動力，使操作人員能夠對車輛的運動進行操縱控制； 減小行駛阻力和能量消耗，提高作業(yè)效率； 緩和行駛沖擊，改善舒適條件。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 輪胎及車輪與工程機械的多種性能密切相關。整車動力性、牽引性、經濟性、平順性、通過性、制動性及穩(wěn)定性、安全性和可靠性。 主要要求如下： 足夠的負荷能力和速度能力； 良好的附著特性及緩沖特性； 耐磨耗、耐刺扎、耐老化和良好的氣密性； 良好的均勻性和質量平衡； 較小的滾動阻力和行駛噪聲；

43、 特定的外觀或裝飾； 質量小、價格低、拆裝方便、互換性好。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3.2.2 輪胎的選定 1輪胎的分類 （1）按氣密封方式分為有內胎輪胎（包括外胎、內胎及墊帶）、無內胎輪胎（僅有外胎）； （2）按車輛的類別分為乘用車（轎車、輕型客車）輪胎、商用車（貨車、大客車）輪胎、非公路用車輪胎、特種車輪胎； （3）按胎面花紋分為公路花紋輪胎、越野花紋輪胎、混合花紋輪胎、特種花紋輪胎； （4）按胎體結構（簾線布置）分為斜交輪胎、子午線輪胎、帶束斜交輪胎

44、； （5）按簾線材料分為鋼絲輪胎、半鋼絲輪胎、人造纖維輪胎、棉簾線輪胎； （6）按斷面形狀分為普通斷面輪胎、低斷面輪胎。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2輪胎的結構組成 充氣輪胎由外胎、內胎和墊帶組成；無內胎輪胎則無內胎和墊帶，但其內表面多一層密封層。 越野花紋的特點是花紋溝槽深而寬，花紋凸塊接地面積小，對地面的附著力強；在松軟地面上，高的花紋凸塊可深入土壤內構成土壤對車輛的推力，其抓著性能也好。寬的花紋溝槽也使溝槽內塞滿泥土會自行脫落，即脫泥特性好。越野花紋分

45、有向和無向兩種，有向花紋輪胎的滾動有一定方向要求，安裝時必須注意；無向花紋輪胎的滾動無方向要求，但其越野能力較有向花紋稍差。 工程機械一般不具有彈性懸掛裝置，要求有較大的牽引力，因此多選用寬基低壓胎。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3輪胎的參數(shù)指標： 輪胎的參數(shù)指標體現(xiàn)了輪胎的特性，包括尺寸特性、負荷指數(shù)、速度級別、充氣壓力、均勻性等。 4車輪 車輪為固定輪胎內緣、支承輪胎并與輪胎共同承受整車負荷的剛性輪子。它應保證輪胎充氣后具有合適的斷面寬度和側偏剛度，散發(fā)

46、輪胎在車輛行駛時所產生的部分（約6%14%）熱量。輪胎與車輪間是通過充氣后形成的輪胎氣壓及產生摩擦力實現(xiàn)力的傳遞的。 車輪應有足夠的強度（疲勞強度、沖擊強度）、幾何精度及良好的平衡。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.2.3 輪胎運動學輪胎運動學 輪胎運動學構成車輪沿滾動表面滾動時的速度特性。 圖3-4 驅動輪胎運動示意圖Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學

47、院機械科學與工程學院 輪胎名義半徑產品目錄上所標定的輪胎名義直徑之半； 輪胎自由半徑輪胎沖氣后在不受載的情況下所測得的平均半徑； 輪胎動力半徑充氣后承載的輪胎存在徑向和周向變形，此時輪心到水平牽引力的垂直距離。 輪胎滾動半徑 ：滾動半徑是一個與滾動平面保持純滾動關系的運動節(jié)圓的半徑，純滾動的節(jié)圓周上的點是輪胎與路面上節(jié)線相重合，又是對路面的相對瞬心。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 輪胎純滾動時：此時輪胎承受較小的負荷，可以在地面上做純滾動； 輪胎滑轉時： 此時

48、，輪胎承受一定的牽引負荷，輪胎在地面上邊滾動邊滑轉。 輪胎滑移時： 輪胎處于邊滾動邊滑移狀態(tài)。gdrr grgrdrdrInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 滑轉率： 滑轉效率： 式中： 輪胎理論速度， 輪胎實際速度，%100TTVVV1TVVTVVnrVdT2nrVg2Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.2.4 輪胎動力學 a.驅動輪

49、b從動輪. 圖3-5 輪胎受力情況 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 1主動輪對輪心的力矩平衡方程式 牽引力是驅動輪克服自身滾動阻力后輸出的平行于地面并沿行駛方向作用的推力。 0RaFrTdK0ddKraRFrT01fKFFFInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 切線牽引力是附著性質的力，它表示在牽引元件作用下，地面產生的平行于地面并沿著

50、行駛方向的總推力。它要克服工程機械的作業(yè)阻力、滾動阻力、坡道阻力、加速過程中的慣性力及風阻力，實現(xiàn)工程機械的作業(yè)和行駛。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 在輪胎未發(fā)生全滑轉情況下，F(xiàn)將隨作業(yè)阻力的增加而增加，它的最大值發(fā)生在全滑轉條件下，其大小由土壤的機械性質和輪胎結構所決定，我們把全滑轉情況下F的最大值定義為最大牽引力或附著力 輪胎的滑轉要消耗發(fā)動機的功率，降低機器的效率、加速輪胎的磨損。GF Institute Of Mechanical Science an

51、d Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2從動輪的力矩平衡方程式 一般將驅動輪滾動阻力和從動輪滾動阻力之和統(tǒng)稱為車輛滾動阻力 GFfGfraRFaRrFfdfdf22222,GfFFFfff21Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 滾動阻力系數(shù)由試驗確定，滾動阻力系數(shù)與路面的種類，行駛車速以及輪胎的構造、材料、氣壓等有關，表3-6給出了工程機械在某些路面上，以一定速度行駛時，滾動阻力系數(shù)的大致數(shù)值。 有效牽引力

52、：為驅動輪胎克服自身滾動阻力和從動輪滾動阻力之后輸出的平行于地面，并沿行駛方向作用的推力fKffKKPFFFFFF21Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 3.2.5 影響滾動阻力的因素影響滾動阻力的因素 車輪在行駛時要克服各種阻力，其中包括滾動阻力。克服滾動阻力所消耗的功通常有三部分：克服輪胎變形、路面變形和二者之間的摩擦。滾動阻力系數(shù)f是上述三種能量消耗的綜合反映。 1輪胎變形的影響 所有影響輪胎變形的因素都將影響滾動阻力值，如輪胎氣壓、輪胎的寬度與直徑。 Ins

53、titute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 工程機械均采用大直徑、大寬度的低壓輪胎，從多方面來降低滾動阻力和提高牽引能力。 2路面條件的影響 路面情況對滾動阻力的影響極大，平坦硬路面對車輪的滾動阻力小，而松軟不平的路面滾動阻力大。 3行駛速度的影響 試驗結果表明，在較低速度范圍內速度對滾動阻力的影響甚微。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 4從動輪與

54、主動輪的滾動阻力 由于切線牽引力的作用，主動輪與路面接觸印跡向輪胎前進方向移動，驅動力矩越大，這種現(xiàn)象越明顯，因此地面對輪胎的垂直反力與輪心垂直距離越大，滾動阻力也越大。從動輪與地面接觸印跡的變化不那么大，所以它比主動輪的滾動阻力小。 綜上所述，影響滾動阻力的因素較為復雜。在工程機械的計算中，由于車速較低、輪胎的規(guī)格和充氣壓力都加以合理地選擇，因此認為滾動阻力只與對它影響最大的路面條件有關。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.2.6 驅動輪的滑轉效率與附著性能 1

55、滑轉效率 輪胎在作業(yè)過程中由于滑轉而損失功率，通常用滑轉效率標志它損失功率的多少： 影響滑轉率和滑轉效率的因素是輪胎的周向變形、土的切向變形和輪胎相對地面的滑轉情況，而這些因素又都隨牽引力的變化而變化，也就是隨車輪與地面之間的附著力而變化。因此，輪胎與地面的附著情況與滑轉情況有密切關系。TTFFInstitute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2輪胎與路面之間的附著性能 切線牽引力是附著性質的力，其本質是輪胎與路面之間的摩擦力以及由于輪胎花紋與土之間嵌合而給土以擠壓以致剪切的力總

56、和。這個力隨牽引負荷的增加而增加，同時伴隨牽引負荷的增加輪胎相對地面的滑轉也增加，當牽引負荷超過輪胎與地面之間附著能力的極限值之后，輪胎發(fā)生全滑轉。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖3-6 滑轉率曲線Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 在進行總體參數(shù)的選擇和確定發(fā)動機功率與底盤重量的匹配關系時，通常根據(jù)不同機種的作業(yè)特點來選擇合理的

57、附著系數(shù)作為額定工況，例如，履帶推土機常取15%時，所對應的值作為額定工況，而輪式裝載機則取當30%時，所對應的值作為額定工況進行總體參數(shù)的匹配。Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.2.7 輪式工程機械行駛效率 輪式工程機械行駛時，消耗于行駛系統(tǒng)的功率包括兩部分：一是消耗于克服滾動阻力上；二是消耗于滑轉上。我們用行駛系統(tǒng)的效率來表示工程機械在作業(yè)時行駛系統(tǒng)本身所消耗功率的情況。 行駛系統(tǒng)的效率等于車輪輸出功率比車輪輸入功率： Institute Of Mechan

58、ical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 滾動效率又可表示為 fTKkpxFFKfKfKKkpfFFFFFFF1Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 根據(jù)以上對輪式機械的行駛效率的分析得出如下結論： 1為提高輪式機械的行駛效率，就應該減少輪胎的滾動阻力； 2為提高輪式工程機械的行駛效率，就應該提高輪胎與路面的附著能力，減小滑轉損失； 3輪式工程機械的行駛效率隨作業(yè)阻力而變化。作業(yè)阻力

59、同時影響到滾動效率和滑轉效率，而且使二者趨于相反方向的變化。 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 圖3-7 輪式工程機械行駛效率Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院33 履帶式工程機械的行駛理論 3.3.1 履帶式工程機械行駛機構組成 履帶行駛機構通常由懸架機構和行走裝置兩部分組成。 懸架機構是用來將機體和行走裝置連接起來的部件，它把機體的

60、重量傳給行走機構并緩和地面?zhèn)鹘o機體的沖擊，保證工程機械行駛平衡性。 1履帶車輛的懸架機構 （1）剛性懸架 （2）半剛性懸架 （3）彈性懸架 Institute Of Mechanical Science and Engineering JILIN UNIVERSITY機械科學與工程學院機械科學與工程學院 2履帶行走裝置 （1）履帶總成：履帶總成包括履帶板、鏈軌節(jié)、履帶銷及其連接螺栓組件。履帶板的寬度，履帶接地長度及履帶軌距在總體設計中確定。 （2）驅動鏈輪：驅動鏈輪應保證與履帶總成的正確嚙合關系，其直徑尺寸要有利于降低整機重心高度，增加履帶的接地長度。 （3）支重輪：支重輪承受整機重量并在履帶