毕业设计（论文）-多轴低速车辆液压转向系统设计.doc

SHANDONG 毕 业 论 文 多轴低速车辆液压转向系统设计 学 院：交通与车辆工程学院 专 业： 交通运输 学生姓名： 学 号： 0712101471 指导教师： 2011 年 6 月 摘 要 I 摘摘 要要 汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的主要装置，其性能好坏直接影响 汽车的操纵性和稳定性。自行式平板运输车的转向系统是集机械、电子、液压 为一体的协同工作的控制系统，其转向机构的设计好坏直接影响转向控制系统 的实现及转向性能的优劣。 本文根据车架结构特点及转向要求设计了液压马达驱动齿轮转向机构的转 向方案，要求采用原来的悬架结构且保持低平板的优势将原来的从动式拉杆转 向改成独立转向机构，工作时要求平板车的每个轮组独立转向，转向角度可达 到 180，即可以正负转向 90，实现横向行驶。它的转向行驶模式有：直行、 斜行、横行，原地转向及行车转向等。由于车轮转向速度较慢，液压马达应选 用低速大扭矩变量马达，并要满足方案中所需扭矩条件。 液压马达驱动齿轮转向机构采用的是行星外啮合齿轮传动。首先根据转向 要求初步确定齿轮传动的主要参数，然后进行强度校核计算，最后确定了齿轮 的所有参数，并选取了合适的润滑方式。 该齿轮转向机构优缺点：转向平稳、速度均匀一致易控制，不仅具有反应 速度快、随动性好和转向角度大等特点, 而且可实现轮胎的纯滚动, 减小轮胎磨 损和完成不同模式的转向, 使平板车具有较强的灵活性。但成本高、不宜锁定。 关键词：平板车，转向机构，行星齿轮，优化设计，变量 Abstract Abstract The automobiles steering system is the main device that controls its drive routes and directions, whose performance will influence the yarage and stability of automobile directly. The steering system of self-propelled flat transporter is a control system which integrates mechanics, electronics and hydraulic pressure into a whole. How to design its steering mechanism will directly influence the realization and the quality of steering control system. According to the structure characteristics and the steering requests of automobile, A steering projects that a gear steering mechanism which is driven by hydraulic motor is designed. Required by using the original suspension structure and keeping low flat advantages of original ,we will turn follower type rod into independent steering mechanism, the work requirement each wheel of flat transporter steer independently, and steering angle can be reached 180 , that is, plus or minus steering angle can be reached 90 ,and realize straight moving. Its driving mode include straight moving, oblique, spin and driving steering, etc. Due to the wheel steering slower, variable hydraulic motor with big torque and low speed should be chosen, and it will meet the torque requirement in this work. The steering mechanism of Motor driven gear uses the planetary external gearing to drive. First, the main parameters of the gear drive are chosen .Then the strength is checked and the concrete gear structure is designed. The project has its advantages. The gear steering mechanism enjoys steady in steering, easy to control in speed, not only has the quick response speed, good with large Angle and steering, but also can realize the pure rolling tires, reduce tire wear and complete different patterns of steering, which make the flat transporter has strong flexibility. But the cost is high, unsuitable to lock. Key words: Flat transporter, Steering mechanism, Planetary gear, Variable motor 目 录 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 目 录.III 第一章 引 言.1 1.1 课题提出的的背景、目的和意义 .1 1.2 专用车概述 .2 1.2.1 专用汽车的概念 .2 1.2.2 专用汽车国内外发展概况 .3 1.3 自行式平板运输车简介 .4 1.3.1 自行式平板车国内外发展概况 .4 1.3.2 自行式平板车的特点 .6 1.3.3 自行式平板运输车的主要参数 .10 第二章 齿轮机构设计.12 2.1 液压马达驱动行星外啮合齿轮转向机构 .12 2.1.1 行星齿轮传动比的推导计算 .12 2.1.2 齿轮基本参数的确定 .14 2.2 强度校核 .16 2.3 大小齿轮最终参数的确定 .17 2.3.1 大小齿轮相关参数 .17 2.3.2 马达行星齿轮的装配 .19 2.3.3 重合度的计算 .21 2.4 齿轮转向机构的润滑 .21 2.4.1 齿轮传动润滑的意义 .22 2.4.2 齿轮的润滑方式 .22 2.4.3 齿轮转向机构润滑方式的选择 .24 2.5 本章小结 .24 第三章 液压转向系统.26 3.1 变量泵与变量马达的选取 .26 目 录 3.2 液压转向系统设计原理 .27 3.3 自行式重型平板车多转向工作模式 .29 3.4 多转向模式的控制实现 .30 结 论.32 参考文献.33 致 谢.35 第一章 引 言 1 第一章第一章 引引 言言 1.1 课题提出的的背景、目的和意义课题提出的的背景、目的和意义 随着世界各国国民经济的增长，公路交通状况不断改善，对汽车的专业化、 高速化、重型化的要求越开越明显，世界各国对专用汽车的需求逐年增加，近 年来，专用汽车增长率均大于载货车增长率，各国专用车的产量占载货车市场 的半壁江山。从世界各国专用汽车的技术含量看，专用汽车技术含量比普通载 货汽车高，而重型专用汽车属于高技术、高附加值产品，其附加值达 40%以上。 近年来我国专用车辆伴随着汽车工业的进步得到迅速发展。国民经济的发 展对专用车辆的专用工作装置的要求越来越高，专用工作装置呈现功能多样化、 控制自动化、产品系列化等技术发展趋势。另一方面随着社会的进步和经济的 发展，建设性行业及运输业也随之发展，人们对车辆的使用性能要求越来越高， 尤其对专用汽车提出了越来越高的要求。普通的运输车已不能满足社会的需求， 因此专用车厂家迅速发展起来，世界上大多数商用车辆为专用汽车，因为专用 汽车生产量较大。而基型载货车产量所占比重较小。在一些发达国家，由于高 速公路非常发达，铁路运输逐渐萎缩，专用汽车成了商用运输及各种特殊用途 运输的主力，并正在朝着大型化方向发展，特别是专用半挂、专用运输车，其 发动机功率越来越大，车速越来越高，性能也越来越完善1-2。 伴随经济的增长和工程技术的发展，专用汽车市场已经进入了快速成长时 期，城市化进程不仅会拉动经济发展，也会拉动专用车行业的发展，企业开始 重视产品质量的提高、性能的完善、技术的不断进步。人们关注车辆实用性的 同时，更加关注其安全可靠性和操作舒适性等特性。汽车转向系统是控制其行 驶路线和方向的主要装置，它直接影响汽车的操作性和稳定性。采用液压动力 转向取代传统的液压助力转向或机械转向代表了当今工程专用汽车和其他重型 车辆转向机构或系统的发展方向。正确合理地设计和使用液压转向系统，对于 提高各类液压机械设备及装备的工作品质和技术经济性能都具有重要的意义3。 自行式重型平板运输车采用可拼接、模块化组合方式，可以根据所运设备 和路面条件进行不同形式的的组合以适应运输要求，被广泛应用于建筑、矿业 生产、钢铁冶炼、船舶制造、石油化工等行业，国际上大型的液压平板车的品 牌主要有 德国索埃勒、法国尼古拉斯、国内有上海环保设备总厂有限公司、郑州大 方桥梁机械有限公司等。 本文设计的自行式平板运输车载重 200 吨，自身重量为 45 吨，轴距 1500mm，轮距 1780mm，共 6 轴线。其转向系统是集机械、电子、液压为一体 的协同工作控制系统。工作时要求平板车每个轮组独立转向，转向角度达到 180，即可以正负转向 90，实现横向行驶。它的转向行驶模式有：直行、 斜行、横行、正常转向行驶。整车采用液压驱动、液压制动、液压升降平台高 度，所以转向机构可以采用液压缸或液压马达驱动。本文对液压转向机构进行 了设计研究，并根据车架结构设计出了满足转向要求的液压马达行星齿轮转向 机构，并对设计出的机构进行运动仿真和强度分析验证，从而为自行式平板车 独立转向机构的设计制造做出了可靠的分析依据和实验结果。 1.2 专用车概述专用车概述 1.2.1 专用汽车的概念专用汽车的概念 目前，关于“专用汽车”术语世界各国尚无统一的标准，各国对“专用汽 车”这一术语的理解也不尽相同。 在美国和英国的汽车资料中称为“特种汽车”（Special Type of Vehicle）， 它包括客车、平头货车、柴油货车、市政送货车、三轮、大型货车、救护车和 殡仪车等。也有称为“专用汽车”（ Special Purpose of Vehicle），主要指消防 车、救护车、机场用车和银行用车等。 日本在 JIS（日本工业标准）的 D0101-1967（1973 年批准）汽车术语中把 汽车上装有专用设备，由汽车本身动力或专用发动机驱动的汽车称为特殊装备 车（特装车），它包括自卸车、液罐车、消防车、混凝土搅拌车和垃圾车等； 把普通汽车底盘上安装特种车身的汽车称为特种用途汽车（特用车），它包括 救护车、宣传车和邮政车等；把专门为特殊作业使用而制造的具有特殊结构的 汽车称为特种汽车（特殊车），如履带车、农耕作业车和超重车等。日本运输 性的公路车辆运输法中将汽车分为三类：货车运输车，包括长头货车、平头货 车、自卸车、厢式货车、三轮货车、全挂车、半挂车等；特殊用途车，包括消 防车、警车、救护 车、医疗防疫车、冷冻车、冷藏车、宣传车、液罐车、洒水车、工程车、 叉车、沥青车、长途运输车、农用拖拉机等。 综上所述，国外所谓的专用汽车或专用车辆是一种在许多特征上不同于基 本型汽车或经过特殊改装之后才能用于运输货物或人员的车辆，以及只用于完 成特定任务的车辆。 在我国，专用汽车一般是指装有专用设备，具有专用功能，用于承担专门 任务或专项作业以及其他专项用途的汽车或汽车列车。GB-9417-88 标准还将国 产汽车划分为厢式汽车、罐式汽车、专用自卸汽车、超重举升汽车、仓栅汽车、 特种结构汽车和汽车列车等。 1.2.2 专用汽车国内外发展概况专用汽车国内外发展概况 世界工业发达国家生产专用汽车的共同特点是：在系列化得基础上按用户 订单进行设计和生产，具有极强的市场应变能力。因此，工业发达国家的专用 汽车具有多品质、小批量、更新快的特点。 随着工业化进程的推进，经济的增长带动了交通事业的快速发展，货运运 输量增加，极大的刺激了厢式专用汽车的发展，特别是重型专用汽车的需求量 急剧增长。目前，欧洲二轴式和三轴式鞍式牵引车成为主力军。 在发达国家，专用汽车公司为提高专用汽车的性能与质量，在专业汽车产 品上应用现代化微机、电子、自动化技术越来越广泛。特别是目前对环境污染 治理的要求不断提高，发动机的排放法规要求越来越严格，许多发达国家采用 了电控燃油技术和电控排放微处理技术来满足法规要求。 近年来我国专用在新产品开发方面较过去有了较大进步，但是由于我国正 处于发展中国家向发达国家转变的进程中，基础设施建设还处于高峰期，所以 我国对专用汽车市场的需求还是以运输物资、满足基础设施建设为主的车型， 加上我国劳动力资源比较丰富，该市场形态决定了我国专用汽车现阶段呈现结 构形式单一、功能单一、低附加值产品过多的状况。从总体上讲我国专用汽车 大部分处于较低水平，并且技术雷同现象也比较突出。与国外产品相比，差距 主要体现在电子技术、机电气液一体化技术、自动化及智能化技术的应用等方 面。同时在加工工艺、材料性能等方面也存在一定的差距4。 1.3 自行式平板运输车简介自行式平板运输车简介 1.3.1 自行式平板车国内外发展概况自行式平板车国内外发展概况 自行式平板运输车属于专用汽车的一种，其采用可拼接、模块化组合方式， 可以根据所运设备和路面条件进行不同形式的组合以适应运输条件。这种自行 式模块化平板车辆可以运输任意形状和尺寸的设备，所运设备的重量可达 15000 吨，载重与自重比可达到 9:1；空载时最大速度可达 12km/h。国际上大型 的液压平板车的品牌主要有德国的索埃勒、歌德浩夫，法国的尼古拉斯，意大 利科米托挂车公司；国内有上海电力环保设备厂有限公司、郑州大方桥梁机械 有限公司、秦皇岛通联特种车辆有限公司等。 德国索埃勒制造的运输车辆运输量达到 15000 吨。索埃勒自行式液压运输 车辆主要有两种模块，4 轴线和 6 轴线。单个模块的车宽为 2430mm，高为 1500350mm，轴距为 1400mm，6 轴线模块的总体长度为 8400mm，两模块横 向拼接时，中间加一纵梁，总宽度为 5330mm。4 轴线和 6 轴线模块总重分别为 160 吨和 240 吨。 歌德浩夫的重载模块车能够运输有效载荷的范围为 70 到 10000 吨。为运输 大型的重心高的货物，平台挂车可以在纵向和横向连接起来。重载模块车架的 中间梁是箱型截面，储气缸和储油缸及转向系统在转向架中链接为一体以防止 破坏。带液压轴悬架的摆动车桥是与液压辅助回路（3 点或 4 点支撑）互联的， 在这些辅助回路中可得到相等的轴向载荷。重型模块使用 2 个循环回路的液压 全轮转向系统，按有立式止推轴承的模块转向角是 60，按球轴承的转向角为 55.电子同步转向可以不依赖模块的位置而实现中间转向点转向。为运输超重 型货物，歌德浩夫提供了静压力传动的自行走重型运输车。牵引力和运行速度 主要取决于驱动轴线的数目，也与电源组的输出有关。PST-E 系列的自行走运 输机运用电子多向转向装置，转向角可达110。此转向系统可用于单个模块 也可用于纵向和横向的结合体上。转向模式有直行、横行、斜行和延长轴上一 点弧形旋转等，可通过遥控控制转向。每个轴都是传感器和液压缸控制的，因 此系杆不用重新排列。 法国尼古拉斯的带液压全轮转向的 SFD 星矢，操纵性好，使用液压悬架， 动力鹅颈内安有自动转向单元，有多种形式的平台，如低平板，宽或窄的或者 是 可伸缩的平台。使用自动机械转向，所有的转向轴安有可调节的圆锥滚 子轴承和 S 制动器，使用带有悬臂和液压缸的液压悬架，行程为200mm。这 种车的最大有效载荷为 69.5 吨，最大轴载荷为 13 吨，低平板长度为 6900mm， 总宽度为 625200mm。 尼古拉斯的模块挂车有效载荷为 40 吨到 1000 吨，使用带有液压悬架和摆 动桥的摆动支架，流体力学转向系统控制所有的轴。尼古拉斯模块系统的液压 悬架行程为 650mm 到 720mm，转向角度为 60，有 2 到 9 轴线的单一模块。 它的 MDL 型模块每轴线的轴承量达到了 19.5 吨，最小高度为 875mm，轴间距 为 1560mm，转向角为 55，MDEL 型模块每轴线的承载量达到了 20 吨，最小 高度 875mm，轴间距 1400mm，转向角 60。MDE 型模块每轴线的承载量达到了 34 吨，最小高度 750mm，轴间距 1500mm，转向角 55，MDEF 型模块每轴线的 承载量达到了 24 吨，最小高度 750mm，轴间距 1500mm，转向角 60.他们的平 台上有工作间的带升降机构的卡车，其有效载荷为 40 吨到 200 吨，装载长度为 6000mm 到 12000mm，装载宽度为 2500mm 到 3200mm，车轴承装载量为 27 吨到 38 吨，满载最大速度为 25km/h，空载最大速度达到 40km/h。 我国自行式动力平板车技术大多是引用国外技术，目前国内只有几个大型 的专用车厂家生产出自行式动力平板车产品。 上海电力环保设备总厂有限公司生产的自行式平板车采用液压悬挂、独立 控制转向。货台高度低，轮轴载荷均匀，车架高度可以调节，具有一定的自装 自卸能力。在上下坡道及斜坡上行驶时，可在一定范围内调整车身平面保持水 平位置等。 郑州大方桥梁机械有限公司是一家以研制特种工程机械及装备为主的专业 公司。其生产的 DCY 系列运输车是根据国内高速铁路建设发展需求而研制开发 的自行式全液压重载车辆，除用于高速铁路箱梁运输外，还可以广泛用于造船 厂、钢厂及其他重型搬运场合，代替进口产品。DCY 系列运输车采用变量泵-变 量马达闭式液压系统，PLC 微电控制程序，成功解决了车辆行驶中的差速及差 力问题；独立悬挂与独立转向机构设计，满足车辆横行、斜行及原地转向要求； 主机采用德国道依茨风冷柴油机，运行安全可靠；车架结构采用三点支撑技术， 满足混凝土预制箱运输要求；按人机工程要求设计的双驾驶室，操作更加舒适 方便；采用标准车桥(驱动桥与从动桥)设计，满足不同承载能力承载能力匹配 要求，降低生产成本。 秦皇岛通联特种车辆有限公司拥有 TLC500、300、200、180、150、100、60 等型号动力运输车； 技术特点: 全液压驱动，各轮组独立回转； 液压悬挂，具有匀载、调平与整车升降功能； 工业级计算机控制系统实现整机的精确动作和实时监测检控； 单端或双端驾驶室可选； 直线驾驶、斜行与横行、原地旋转、头部摆动、调平与整车升降。 目前自行式动力平板车的技术已经普及，国内专用车厂家通过与国外合作、 自行研发等方式进行研究生产。本文所研究的平板车主要通过查阅国内外自行 式动力平板车的主要厂家，了解他们的技术发展现状及实现的功能特点，并通 过相关的文献资料掌握自行式平板车的设计方法。 1.3.2 自行式平板车的特点自行式平板车的特点 本文研究的自行式平板车是在某挂车的基础上进行结构改进设计，使其具 有独立转向功能，可实现横向行使。整车采用液压驱动、液压制动、液压升降 平台高度，无驾驶室，整车的控制可通过动力模块来实现。操作人员可以在简 易的驾驶台上进行遥控操作，也可以跟随车辆步行操作。不管车辆组合有多少 轴线，只需一名操作人员通过遥控装置即可使车辆载着庞大的物体前进、倒车 并实现同步转向完成移位目的。 图 1.1 意大利科米托自行式动力平板车 自行式动力模块平板车的特点主要有以下几点： （1）独立控制转向系统 转向系统性能的好坏直接影响了车辆的灵活性，操纵稳定性、经济性和轮 胎的使用寿命。传统的拉杆式转向系统实际上是机械式转向，对于多轴线的平 板车来说，存在着无法达到理想转弯半径的问题，致使转向不灵活，轮胎磨损 严重等缺点。对于重型平板车转向性能是一个非常重要的指标，其性能的好坏， 直接关系到转弯半径的大小和转向所需的空间大小5。 自行式平板运输车为了改善机车的转向性能，实现全轮任意角度转向，可 以使用变量泵-变量马达闭式液压系统，通过微电控制程序控制液压系统驱动全 轮，每个悬架上都装有转角传感器（或编码器），来反馈悬架的转向信息给控 制系统，控制系统通过微电脑计算，然后发送指令给变量泵或电磁多路阀等控 制液压油的流量使每个车轮旋转适当的角度，从而达到使各轮胎轴线交于一点 的目的，实现轮胎的纯滚动，减小轮胎磨损。该转向系统转向角度大，马达驱 动行星齿轮转向系统，转向角度可大于90，不仅可以实现精确的行驶转向， 而且在微电脑系统的控制下能实现不同模式的转向，例如横行、斜行、原地转 向等各种模式，使平板车在小空间内具备更大的灵活性6-7。 这种微电脑控制的独立转向系统可以精确的实现在转向时车轮的轴线相交 于一点，使转向更精确、灵敏，而且有效地减小转弯半径和轮胎的磨损，使车 辆可以在更小空间内灵活转向。这种转向系统不仅在对轮胎的磨损上大大优于 拉杆转向，而且转向角度大，可以实现多种模式的转向，使平板车的灵活性在 很大程度上得到提高。 自行式动力平板车采用可编程的电子自由控制、多方位转向系统；可选的 多种转向模式：直行、横行、斜行和沿长轴上一点弧形旋转等；整个设备的精 确定位可以至毫米级；在短距离内可以实现模块之间的复合同步转向；便携式 遥控装置一个人就可以完成操作；可以实现无线遥控。 第一章 引 言 8 索埃勒的自行走式运输车转向通过齿轮传动，转向角可达130。哥德浩 夫自行走运输车运用电子多向转向装置，转向角可达110。意大利科米托的 5 轴线的自行走式挂车，电子控制的转向系统允许每个轴旋转 220。 （2）液压悬架系统 液压悬架是利用液压缸来实现传力和减振功能的，各个悬挂通过油路相连， 以适应路面的不平度和坡度，实现载荷均衡。液压悬挂的采用，除了提供整车 升降和调平的功能外，更重要的是液压油缸的伸缩补偿功能保证了运行过程中 轮组均匀承载，避免打滑，以适应路面不平的情况，维持运行的安全可靠。在 部分轴线的车轮上安装驱动装置以驱动整个平板车，在多轴线超重型平板车上 采用独立可升降液压悬挂系统。该系统的悬架系统和车轮为同一总成，采用焊 接工艺代替原来的铸造工艺，使结构、工艺趋于更合理。并且利用车架的三点 支撑技术，让组合同一支承点的液压油缸的油路互相连通，在车辆运行时，该 组形成一个封闭的液压系统，使车辆在不平路面上行驶时，通过油缸的伸缩运 动以适应凹凸不平的路面，且同支点组的每一个悬挂承载均匀。该系统的特点 是通过液压控制系统可以使车架以平衡位置为基准在一定范围内升降，这样可 以方便装卸货物，同时也有利于通过桥涵、路面障碍物等，这样在很大程度上 增强了车辆的通过性8-9。 悬架系统主要包括：悬架悬臂、悬架摆臂、油缸、车轮组件、连接轴体和 立轴等。如果作为驱动轴，车轮组件里还要有液压驱动装置。对于两纵式单挂 车架模块每轴线包括两个短轴，每根短轴装有四个车轮。重型平板车的行走速 度很低，一般不超过 10km/h，因此极少出现紧急制动工况，各关键部件的设计 强度安全系数分别为：悬架悬臂和摆臂大于 2.2；立轴大于 1.5，连接轴体大于 1.8，完全可以满足使用要求。 德国索埃勒的悬架系统是通过动力组合模块实现平台的液压升降的，有完 备的自我诊断、错误代码、内容报告与故障诊断手册相结合的数字电子设备， 有液压油缸支撑系统、其悬架伸缩范围可达 700mm。法国尼古拉斯模块系统也 采用液压悬架，且行程为 650mm 到 720mm。意大利科米托的自行走平板车、 英国 Broshuis 和德国哥德浩夫的平板车也都是使用的液压悬架。 （3）液压式驱动 自行走式车辆的驱动系统多采用静液压传动系统。该系统可分为桥驱动型 和轮驱动型两大类。桥驱动方式保留了车辆原有的驱动桥，车辆的转向、四轮 第一章 引 言 9 接地平衡等方式不变。这种驱动方式的优点是结构简单，无级变速能力加强， 功率利用程度提高，与传统车辆部件互换性强，适用于机械传动或液力传动产 品的系列化。但缺点是未能从根本上改变车辆的结构布置，车辆的性能和牵引 特性也未有质的改变，是一种介于真正意义上的液压驱动车辆与传统车辆之间 的液压-机械车辆10。 而现代的自行式运输车更趋向于采用车轮独立驱动方式，该驱动方式的突 出特征是每一个驱动轮都由单独的液压马达驱动，以液压方式实现各驱动轮之 间的同步和差速功能。现代技术已研制出体积和重量小到足以直接安装到驱动 轮轮辋内的车轮液压马达，这使得轮边驱动技术得以迅速普及。采用车轮独立 驱动方式是一种真正意义上的液压驱动。这种驱动系统的驱动轮和非驱动轮具 备良好的互换性，很好地满足了模块化的设计和制造理念。 （4）微电脑控制系统 自行式平板车的微电脑液压控制系统主要由以下几部分组成：行走驱动系 统、制动控制系统、转向控制系统、悬挂系统、发动机监控系统、防滑差速差 力系统、自动调平系统、重心载重显示系统、智能故障诊断系统以及遥控技术 等。此外控制系统之间数据的传输采用了当前最为流行的车载 CAN 总线技术， 为实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 工业级计算机技术在特种车辆及机械设备上的应用越来越广泛，其控制系 统的准确性、可靠性和安全性可以实现发动机监控，车速控制，制动协调控制 以及转向系统的理想转弯半径，任意角度转向和多辆机车之间协调一致；同时 专门配备的车辆故障自动诊断系统可以对车辆的各种故障进行提示和预警，该 系统极大的方便了车辆的检修，同时保证车辆的安全性。发动机监控系统实时 监控发动机的运行，使得驾驶员可以随时了解发动机的工作工况；车速控制系 统通过对变量泵和变量马达的调整使得驾驶员可以方便地改变行车速度，同时 很好地解决了车辆行驶过程中的打滑以及差速差力问题；制动协调控制系统使 得车辆在行驶过程中可以十分稳定地停车；转向控制系统使得整车可以实现多 种转向模式，运行十分机动、灵活，在较小的场合，可实现无滑移或少滑移行 驶。整车的控制系统均通过工业级计算机来实现控制，同时还配备了无线遥控 系统，操作人员可以携带轻巧遥控模块，自由走动并选择最佳（安全）视觉位 置实行操作，消除以往由于视线不清、环境恶劣或指挥配合不当等因素造成的 事故隐患、既保证安全操作又大幅度提高生产效率10-11。 第一章 引 言 10 （5）模块化与拼接的组合 模块化拼接组合技术多用于重型平板运输车特别是动力平板运输车，动力 平板运输车属于重型运输车的一种，多用于港口运输、船舶制造，以及一些大 型物件的运输中。在船舶制造中，需要大型重载的动力平板车来完成船体分段 和大型构件的陆上运输与平移工作。由于工作空间相对狭小，要求体积庞大的 平板车在 工作过程中保持车身平稳，能够灵活准确转向以及纵、横行驶，以靠近各 个工序现场或避让其它设备，另外对平板车的安全性和可靠性要求也比较高， 以适应恶劣的现场环境。传统的平板运输车多采用机械拉杆转向方式，由于摩 擦、机械力的传递不畅等因素的存在，使得转向不灵活，轮胎磨损严重，角度 受限等问题的出现，并且传动误差带来的磨损和冲击也降低了其自身的安全性 和使用寿命12。 当今重型平板车的发展趋势是向重型化、模块化、智能化方向发展，其中， 模块化是一个不可避免的趋势。模块化不但可以使平板运输车辆实现任意的拼 接（横向，纵向）组成特大型平板车，而且使平板车便于运输、拆卸，满足不 同吨位和形状的大件货物或不规则货物的运输和装卸。在该车型的设计当中可 采用模块化，通过模块化可以分别以 2、3、4、5、6、8 轴线为整体做成各种 单个模块，在每个模块的前后左右两侧均配置有便于拼装用的机械、液压、压 缩空气和电器接口,可以根据需要进行纵向串联式或者横向并联式拼装组合，以 达到对各种不规则形状和不同吨位货物、大件的运输。从而达到重型平板车产 生的目的，方便于各种类型、各种货物的运输工作。 目前国际上自行式超重型平板车的设计、制造及使用技术已很成熟，并已 广泛应用于大件运输行业。由于该种车辆的机动性高、转向灵活，协调性好， 对使用环境的要求低而受到欢迎，尤其是广泛用于工程现场的设备转运。 1.3.3 自行式平板运输车的主要参数自行式平板运输车的主要参数 本文设计的自行式平板运输车采用微电脑控制、静液压驱动、液压制动、 液压升降平台高度，微电脑控制系统，最终转向方案选择的是马达驱动行星齿 轮独立转向系统，可实现车辆的直行、横行、斜行、原地转向以及行车转向等 各种转向模式。具有车身的三点支撑、液压升降、调平以及重心显示等功能， 第二章 齿轮机构设计 11 并且可实现各种形式的自由拼接，以满足不同吨位的要求。主要应用于港口、 船舶制造、钢厂、建筑工地以及大宗货物的长距离运输等。 下面图 1.2 和图 1.3 是自行式平板运输车的结构简图。 第一章 引 言 11 图 1.2 自行式平板运输车结构简图 图 1.3 自行式平板运输车三维图 自行式平板车技术参数如下： 额定装载质量 kg 200 000 车辆自身质量 kg 45 000 轴载 kg 16 500 轴线/悬挂 6/6 驱动轴/从动轴数量 2/4 轴距 mm 1 500 轮距 mm 1 780 空载速度 km/h 14 满载速度 km/h 6 满载爬坡% 6 第二章 齿轮机构设计 13 第二章第二章 齿轮机构设计齿轮机构设计 2.1 液压马达驱动行星外啮合齿轮转向机构液压马达驱动行星外啮合齿轮转向机构 齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要形式。它具有速比范围大、功 率范围广、传动效率高、使用寿命长、结构紧凑、工作可靠等一系列优点。因 此，齿轮传动是各种机械产品中应用最广的机械传动形式之一。 自行式平板运输车转向系统的转向机构可设计为行星外啮合齿轮式传动。 将大齿轮固定在车架上，小齿轮通过键联结装在低速大扭矩马达上，马达固定 在与悬架焊接的转向臂上，小齿轮通过低速大扭矩马达驱动，为主动轮。 经过综合考虑车架及转向特点设计出其转向机构的简图13-14如图 2.1。 图 2-1 齿轮转向机构简图 齿轮机构的设计采用的是开式硬齿面齿轮传动，所以不必考虑齿面接触疲 劳强度的校核计算，而只从齿根弯曲疲劳强度方面进行设计计算即可。 2.1.1 行星齿轮传动比的推导计算行星齿轮传动比的推导计算 若轮系中，至少有一个齿轮的几何轴线不固定，而绕其它齿轮的固定几何 轴线回转，则称为行星轮系。如图 4.1 所示的轮系中，齿轮 1 除绕自身轴线回 第二章 齿轮机构设计 14 转外，还随同构件 H 一起绕齿轮 2 的固定几何轴线回转，该轮系即为行星轮系。 齿轮 1 称为行星轮，H 称为行星架或系杆，齿轮 2 称为太阳轮。 不能直接用定轴轮系传动比的公式计算行星轮系的传动比。可应用转化轮 系法，即根据相对运动原理，假想对整个行星轮系加上一个与大小相等而方 H n 向相反的公共转速，则行星架被固定，而原构件之间的相对运动关系保持 H n 不变。这样，原来的行星轮系就变成了假想的定轴轮系。这个经过一定条件转 化得到的假想定轴轮系，称为原行星轮系的转化机构13。 图 2.2 齿轮传动比简图 设小齿轮的转速为，方向为顺时针；行星架的转速是，方向是逆时针； 1 n H n 大齿轮是固定不动的，则给齿轮系加上一个反方向的转速后转化为定轴轮系， H n 转化前后转速关系如表 2.1。 表 2.1 行星齿轮系转化机构前后转速关系 构件名称原来的转速转化轮系中的转速 行星轮1 太阳轮20 行星架（系杆）H 1 n nH 11 nnn H H 2 n0n H H nnn0 H HHH 第二章 齿轮机构设计 15 利用定轴轮系传动比的计算方法，可列出转化轮系中任意两个齿轮的传动 比。 一般地，对于圆柱齿轮组成的行星轮系和为行星轮系中任意两个齿轮 G n K n G 和 K 的转速，则有： 即根据上述公式可计算出： (2-1) 2.1.2 齿轮基本参数的确定齿轮基本参数的确定 为了减小克服转向阻力矩所需马达的最大扭矩，即增大传动比，在满足车 架结构的条件下要求小齿轮齿数尽量少，大齿轮齿数尽量多。 由机械设计手册知标准圆柱齿轮不产生根切的最小齿数是 17，略有根切时 可取为 14，在设计中为提高小齿轮强度可采用正变位，最后小齿轮齿数取为 14。 齿轮机构采用高度变位：小齿轮采用正变位 x = +0.2mm ；大齿轮采用负 变位 x = 0.2mm，总的变位和为 0。 根据车架结构和中心距的值定传动比：=9；则= 8 1 i H12 i 设行星架的旋转角速度为 ，小齿轮角速度为 ，小齿轮轴即马达产 H1 生的转矩为 T ，需要克服的转向阻力矩为 T ，T 为 20012N m。 1HH 根据行星齿轮机构的传动特性有下式成立： (2-2) 则液压马达产生的扭矩为： m i=( 1) H GK GK GK 从齿轮到之间所有从动齿轮的齿数积 从齿轮到之间所有主动齿轮的齿数积 12 121 1 1 0 H H H nnZ ii nZ 112 1 H ii 11HH TT 1 11 20012 . 2223.6 . 9 HHH H TTN m TN m i 第二章 齿轮机构设计 16 （2- 3） 齿轮模数的确定： 小齿轮采用 40Cr（采用表面淬火热处理使其硬度值达到 4855HRC）；大 齿轮采用 45 钢（表面淬火使其硬度值达到 4050HRC）。 对于开式齿轮传动可以采用抗弯强度计算公式确定最小模数 m，为考虑磨 损的影响，应将求得的模数值加大 10%-20%。 从齿根弯曲强度13计算来设计该啮合齿轮系，得出最小模数。 (2-4) 载荷系数，K AVFF KK K KK 使用系数，取 1.1 A K 动载系数，取 1.05 V K 齿间载荷分配系数，取 1.2K 齿向载荷分布系数，取 1.05K 小齿轮传递的额定转矩即液压马达扭矩，为 1 T2223.6 .N m 复合齿轮系数，小齿轮：=4.36；大齿轮：=3.95 FS Y 1FS Y 2FS Y =14齿宽系数，取 0.4 1 Z d =0.4 14=5.6 m d 1 Z 安全系数 S=1.4 许用弯曲应力（N/mm ）， FP 2 齿轮材料的弯曲疲劳强度的基本值 FE 小齿轮材料为 40Cr，查得=730MPa FE 大齿轮材料为 45 钢，查得=680MPa FE 小齿轮： 1 3 1 12.6 FS mFP KTY m Z FE FP S 1 730 521.428 1.4 FP MPa MPa 第二章 齿轮机构设计 17 大齿轮： 以上参数参考机械设计手册查出。 在用上述抗弯强度公式计算时， 应带入 及 中的较大值。 齿轮的精度等级定为 89 级精度。 将以上数值代入公式 2-5 进行求解：得 最后选取标准模数为 10mm 2.2 强度校核强度校核 对于开式齿轮传动，我们只校核齿根弯曲疲劳强度13即可。 强度条件： （2- FFP 5） 或 （2- min 1.4 FF SF 6） 计算弯曲应力（N/mm ） F 2 分度圆上的圆周力（26584N） t F 1 680 485.7143 1.4 FP MPa MPa FS FP Y 2 2 FS FP Y 1 1 FS FP Y 3 1.4553 2223.6 4.36 12.68.8382 5.6 14 521.4286 mmm t FAVFFFS n F K K KKK Y bm min FENTrelTRrelTX FP F Y YYY S FENTrelTRrelTX F F Y YYY S 第二章 齿轮机构设计 18 大小齿轮的齿宽，=60mm，=50mm（为防止滑动发生啮合错位b 1 b 2 b 小齿轮多出 10mm） 法面模数，=10mm n m n m 使用系数，=1.1 A K A K 动载系数，=1.05 V K V K 齿向载荷分布系数，=1.05 F K F K 齿间载荷分配系数，=1.2 F K F K 复合齿形系数，=4.36，=3.95 FS Y 1FS Y 2FS Y 抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数，=0.7YY 许用弯曲应力（N/mm） FP 2 齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值（N/mm） FE 2 抗弯强度计算的寿命系数，=1.1347 NT Y NT Y 相对齿根圆角敏感性系数，=1 relT Y relT Y 相对表面状况系数，=0.9 RrelT Y RrelT Y 抗弯强度计算的尺寸系数，=0.97 X Y X Y 将以上数据代入相应公式计算得： 小齿轮： =295.1871MPa，=516.5235MPa 1F 1FP 1F =1.74981.4（=1.6 为较高可靠度级别） 1F S minF S 大齿轮： =267.4287MPa，=481.1452MPa 2F 2FP 1F =1.79921.4 2F S 因此，由以上数据得出此齿轮机构是安全的。 第二章 齿轮机构设计 19 2.3 大小齿轮最终参数的确定大小齿轮最终参数的确定 2.3.1 大小齿轮相关参数大小齿轮相关参数 表 2.2 大小齿轮参数 通过计算可知小齿轮的齿顶圆直径小于200mm，则小齿轮采用实心结构,下 图2-3所示，小齿轮采用40Cr（采用表面淬火热处理使其硬度值达到 4855HRC）的材料。而大齿轮的齿顶圆直径大于400mm，为了节约贵重材料， 常采用齿圈套装于轮心上的组合结构，大齿轮齿圈采用45 钢（表面淬火使其硬 度值达到4050HRC），轮心用铸钢，两者采用轻微的过盈配合，并用螺栓将齿 圈和轮辐连接起来，如下图2-4所示。 模数：10mm； 大小齿轮的齿数：112/14 齿轮机构的中心距为630mm。 该小齿轮的应力循环次数设定为 6 2.8 10 名称小齿轮大齿轮 变位