（机械电子工程专业论文）轮胎式凿岩锚固钻车底盘的性能分析.pdf

摘要 轮胎式凿岩锚固钻车底盘( 以下简称底盘) 是一种专用底盘。在专用底盘 的设计和制造领域，国内产品和国外产品有很大的差距，但目前国内很多重型 汽车和专用底盘生产厂商都开始设计和生产专用底盘。为保证专用底盘在使用 的过程中有良好的性能，设计和制造的主要依据是专用车的特殊功能、工作环 境以及方便其他零部件的合理布置。 由于轮胎式凿岩锚固钻车主要使用在初挖的地道，路面崎岖不平，行驶条 件和工作环境恶劣。在设计时，底盘材料采用1 6 m n 的钢板和部分型材，底盘 前后两部分采用铰接的形式进行连接，并且铰接部位使用大直径回转支承和关 节轴承，薄弱的部分采用加强筋进行加固，以延长钻车的工作寿命，提高行驶 的平稳性。 本论文在完成底盘的部件选型与结构设计的基础上，针对底盘的工作和行 驶条件恶劣，容易造成其结构件破坏失效的问题，采用三维仿真模型分析的方 法对底盘整体和关键部位进行相应的性能分析和研究。分析采用了有限元的思 想，通过a n s y s 中静力和动力分析功能完成了载荷的加载、分析及后处理， 得到了相关的分析结果和应力应变分布图等。然后对分析结果进行处理，为底 盘的优化和改进提供指导。 关键词：轮胎式凿岩锚固钻车；钻车底盘；有限元；静力分析；动力分析 i i a b s t r a c t c h a s s i so fw h e e la n c h o r i n gd r i l lv e h i c l e ( r e f e r r e d 嬲c h a s s i si na f t e rp a r t ) i s o n eo ft h es p e c i a lc h a s s i s i nt h ef i e l do fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h es p e c i a l c h a s s i s ，t h e r ei saw i d eg a pb e t w e e nd o m e s t i ca n df o r e i g np r o d u c t s ，b u tn o wi no u r c 0 1 n t l 了, m a n ym a n u f a c t u r e r so fh e a v yv e h i c l ea n ds p e c i a lc h a s s i sa r ee n g a g e di n t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h es p e c i a lc h a s s i s i no r d e rt og u a r a n t e et h eh i g h p e r f o r m a n c eo ft h es p e c i a lc h a s s i s ，t h eb a s i so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei st h e s p e c i a lf u n c t i o n 、w o r k i n gc i r c u m s t a n c ea n de a s yt oc o l l o c a t et h ea c c e s s o r yo ft h e d r i l lv e h i c l e d u et ot h a tt h ed r i l lv e h i c l ei sm a i n l yw o r k i n gi nt h en e w s u b w a y ，t h er o a di s b u m p y ，t h ed r i v i n ga n dw o r k i n gc o n d i t i o ni sw i c k e d w et a k es o m em e a s u r e s d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g nt oa c h i e v et h el o n gw o r k i n gl i f e - s p a na n dr u n n i n g s m o o t h l ya n ds t e a d y ，t h em a t e r i a lo ft h ec h a s s i si s 16 m na r m o rp l a t ea n ds o m e p r o f i l e db a r ，u s i n gt h ed o w e lt oj o i nt h et w op a r t so ft h ec h a s s i st o g e t h e ra n d r e v o l v i n gb e a r i n ga n djo i n tb e a r i n g ，a d o p t i n gt h ef o r t i f i e db o a r dt or e i n f o r c et h e w e a k o nt h eb a s i so ff i n i s ht h es e l e c t i o no ft h e p a r t sa n dt h ed e s i g no ft h e s t r u c t u r e ，t h i sa r t i c l ed os o m ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h ew h o l e c h a s s i sa n dt h ek e yp a r tb yu s i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e ls i m u l a t i o nt od e a l w i t l lt h eb r o k e no ft h ep a r tt h a tm a d eb yt h ep o o rw o r k i n ga n dd r i v i n gc o n d i t i o n t h i sp a p e ra d o p tt h ef i n i t ee l e m e n t i d e o l o g y ，g o ta n a l y s i s d a t aa n ds t r e s s d i s t r i b u t i o ng r a p ha f t e rf i n i s ht h em o d e l i n g ，l o a d i n g ，m e s h i n ga n ds o l u t i o no f e n t i t y i nt h ee n d ，i ta c h i e v eg i v i n gs o m ea d v i c e sf o rt h eo p t i m i z i n ga n db e t t e r i n g b yd e a l i n gw i t ht h er e s u l t k e yw o r d s ：w h e e la n c h o r i n gd r i l lv e h i c l e ；c h a s s i so ft h ed r i l lv e h i c l e ；f i n i t e e l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i c a la n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 签名绌吼丝皿、歹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研趟签名，巷心e 香导师。： 礅疑嗍渺7 以哆一 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 轮胎式凿岩锚固钻车是一种的专用的工程车，整车主要由行走部分、操作 部分、工作部分三个主要部分组成。该类钻车在国内外的工程项目中起着重要 作用，主要是承担工程项目的初始阶段的防护墙和稳固的作用，例如一条刚刚 开挖的地道需要对刚挖的部分进行必要的加固和防渗工作，以保证后续工作的 进行，同时保证工作人员的安全；还有常见的就是在高速公路和铁路旁边的防 滑坡的加固。钻车在行走的过程中主要依靠发动机提供动力，在工作过程中主 要依靠电机带动两个三联液压泵对液压油进行加压，实现了全液压式操作，对 效率和工程质量都有很大的提高，同时由于液压系统有一个过载保护功能，可 以提高工程的安全性。 钻车底盘作为钻车的一个骨架部分，不仅承载了整车的重量，而且承受行 走时和工作时的各种冲击和振动，所以底盘的结构和质量对整车的寿命及性能 的发挥有一定影响，为了保证钻车的工作质量和工作寿命，有必要对底盘进行 相应的校核。 首先，由于钻车的工作环境和行驶环境都十分恶劣，路面崎岖不平，有时 整个钻车并不能处在同一个水平面上，因此对钻车的地盘有了更高的要求，需 要在不平稳的情况下保证高的工作效率和质量。 其次，工作装置和底盘的零部件的常规设计均是应用材料力学、弹性力学、 结构力学的经验公式，需要对结构进行大幅度的简化后进行分析设计的。这种 设计方法具有盲目性和不合理性，有限元方法不仅可以弥补传统设计经验的不 足，随着计算机的普及，可以大大降低人们手工计算的劳动强度。对整体结构 做有限元分析和对单个零部件做有限元分析是两种不同的研究方法，整个钻车 底盘系统做有限元分析，这样可以把各个零部件之间的相互影响考虑在内，可 以避免一些零部件的载荷求解过程，也可以避免施加一些零件的近似的位移边 界条件，可以更加直观的看到整体结构中的薄弱部位，从而更加具有目的性的 对局部进行加固，这样有助于提高整个底盘的性能。由于单个零件的固有频率 与其在整体结构中的固有频率是不同的，因此对整体结构做模态分析更有实际 武汉理工大学硕士学位论文 意义，为整体结构的进一步分析、优化设计以及减振、隔振系统的优化改进提 供一定的依据。 最后，一台大型的设备设计要求保证其质量，不能让生成出来的设备是一 个废品，所以需要借助于现代的设计方法和设计工具，对整个设备进行一个模 拟仿真，相当于完成一个试验的过程，试验成功了才能进行投产制造，这样产 品的合格就有了保障。 根据以上要求，本文在底盘的设计过程中建立了三维仿真模型，并且对载 荷和受力进行了分析计算，最后采用有限元分析方法，对整个底盘进行了应力 应变、模态等相关的分析，为整个底盘的制造和改进提供了理论依据。 1 2 研究的目的与意义 本文的研究目的是设计一个结构合理性能优良的底盘，通过相应的应力分 析和模态分析为设计提供改进的依据，同时对关键部位进行强度校核和加固。 底盘整体以及关键零部件有限元分析的意义在于通过对底盘的分析和数据 的处理，为底盘的设计、制造以及后期的改进提供数据和理论指导。底盘的零 部件的常规设计均是应用材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对底盘 结构进行大幅度的简化后进行分析设计的，这种设计方法具有盲目性和不合理 性，有限元方法不仅可以大大弥补传统经验设计的不足。对整体结构做有限元 分析和对单个零部件做有限元分析是两种不同的研究方法，整个系统做有限元 分析，这样能够把各个零部件之间的互相影响考虑在内，可以避免一些零部件 的繁琐的载荷求解过程，可以避免施加一些零件的近似的位移边界条件，可以 更加直观的看到整体结构中的薄弱部位。 1 3 国内外轮胎式凿岩锚固钻车的发展及底盘研究现状 1 3 1 国内外轮胎式凿岩锚固钻车的发展现状及趋势 近年来随着我国经济的高速发展，汽车工业作为国家支柱产业获得了迅猛 发展。专用汽车作为汽车工业的重要组成部分，也获得了快速发展【1 1 。一方面， 随着产业政策逐步落实和行业标准法规政策不断完善，从政策标准法规上规范 生产、提高技术水平及产品质量；另一方面，随着我国城市化建设、高速铁路 建设、公路建设及道路运输业的快速发展，为我国专用汽车提供了大量的市场 2 武汉理工大学硕士学伉论文 需求，专用汽车的产品品种日趋丰富、合理，产品质量、技术水平不断提高， 年产量也大幅提高然而国内专用汽车与世界先进国家的技术水平存在一定差 距。以美国为例，通常1 个4 8 ( 1 哇m ) 、载荷量2 0 t 的二轴厢式半挂车，车辆自 重在7 t 以下，换算成我国目前的1 3 m 长标准二轴厢式半挂车，自重约为6 t ： 而我国目前通常1 3 m 二轴厢式半挂车的自重均在8 t 以上。如果二轴半挂车轴荷 受同样法规的限制，美国的厢式挂车在满载时将比我国车辆多装约2 t 左右的货 物，空载运输时自重又轻2 t ，这对汽车的油耗、轮胎损耗都有较大的影响其 先进的运输经济性不言而喻。在轮胎式凿岩锚固钻车方面，国内外同样存在着 较大的差距，图卜1 和图l 一2 是德国进口的轮胎式凿岩锚周钻车。 图1 - 1 德国进口的轮胎式凿岩锚固钻车 这种从德田进口的轮胎式凿岩锚固钻车与国内的钻车相比有较大的优越 性。首先，这台钻车具有两个钻臂。一个长的钻臂和一个短的钻臂。这个结构 可以从图卜2 中清楚地看到，虽然两个臂的结构差不多，但是功能却有较大的 区别长的臂适合打较深的孔短的臂适合打较短的孔，这样能发挥各自的优 势，提高工作的效率 武汉理工大学硕士学位论文 除了圈卜1 所示的钻车可以实现两个钻臂同时工作的钻车，国外最先进的 已经可以实现四个方向同时施工的四臂钻车，能大大的提高工作效率。国外锚 图卜2 德国进口的轮胎式誊岩锚固钻车 国内目前设计制造的轮胎式凿岩锚固钻车主要还是单臂的钻车钻孔的深 度比较单一如果要钻不同方位的孔，就需要频繁调整钻车的位置，这样就极 大地影响了钻车的工作效率而且加锚索的时候还需要人工的换钻臂上的工具， 不能实现自动化操作，加大了劳动强度。 未来我国轮胎式凿岩锚固钻车的主流市场将主要集中在城市建设、高等级 公路建设等基础工程上，轮胎式凿岩锚固钻车的发展将主要呈现以下几大趋势： ( 1 ) 产品多样化趋势。从功能上看，为了满足不同工程的要求，满足规模 大小不同的工程，满足工作环境不同的工程，需要开发出不同的产品来适应工 程的变化 ( 2 ) 轻量化。新材料和新工艺的采用对于减轻自重、提高运输效率、推动 和健进钻车的技术进步、缩短与国外产品的差距，无疑具有重要意义。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 高技术、高附加值发展趋势。以技术创新的替代性经济增长将成为钻 车行业新的经济增长方式。 ( 4 ) 合资合作趋势。国外在钻车方面，不论是在技术层次还是管理层次都领 先于国内，因此和国外合作可以加快国内在钻车方面的发展速度。 ( 5 ) 人性化、安全性和节能环保趋势。设计越来越人性化、允许个性化设置 性能参数、保证驾驶人员的安全成为设计人员重点考虑的问题。 1 3 2 国内外专用底盘相关研究现状 国外工程机械发展总的趋势是发展快，水平高。如国外工程机械产品在 集成电路、微型计算机及电子监控技术等方面都有广泛的应用，一些节能新 技术得到了推广，可靠性、安全性、环保性能得到了高度重视，也重视大型 化和微型化两个发展方向。现在国内的工程机械发展趋势，正在从低水平、 低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。 从仿制仿造向自主开发过渡，各主要生产厂家不断进行新技术的投入，采用 不同的技术路线，在关键部件及系统上进行技术创新，逐步摆脱了产品设计 雷同、无自己特色和优势的现状。 在国外许多行业很早就已经采用先进的c a d 、c a e 技术对工程机械的工作 装置以及车架系统进行研究，如卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 公司等。2 0 世纪 5 0 、6 0 年代，我国对于一般工作装置、底盘的设计及强度校核主要依靠传统 的经验及方法，使用经典的材料力学、结构力学的经验公式，首先对结构作 大量的简化然后进行分析设计，并通过实验将来对比验证设计的结果，这种 方法具有一定的可靠性和科学性。简单易行是传统的经验分析设计方法的优 点，传统的方法在我国的车辆设计计算中仍然起到一定的作用，但是这种传 统方法也有明显的不足，体现在以下两方面【2 - 3 】： ( 1 ) 由于实验设计带有相当的盲目性，所以钻车的设计改进都不会有明 显的突破。使其整体结构强度、刚度问题都不能得到合理的解决，而且设计 周期长，使钻车的更新换代的速度慢，不能适应现代化商品生产竞争。 ( 2 ) 传统的经验设计，不能对底盘结构的应力分布及刚度分布进行定 量分析。因此，设计中不可避免地造成钻车底盘各部分强度分配不合理的现 象。由于经验分析设计方法具有以上的不足，生产厂家迫切要求一种能与市 场竞争相适应的新的设计方法。随着计算机的普及使用及结构强度分析和结 5 武汉理工大学硕士学位论文 构优化软件的投入使用，使得人们手工劳动强度大大降低，结构分析和设计 速度得到大大提高，有限元方法就是典型的一种。有限元已经广泛应用于工 程结构的设计，但是在工程机械的工作装置和车架设计方面，主要应用的是 有限元静力学分析方法而且主要是对单个零件的研究，对单个零件的研究时 边界条件的施加与实际情况出入较大，因此通过对整个底盘的研究，就能更 准确的反映实际的情况，得到更准确的结果。 1 4 研究内容 论文根据钻车的行驶和工作环境的特殊性，并且各种工况对底盘性能的要 求，对底盘进行了相应的有限元分析，保证底盘的使用寿命和性能发挥。主要 研究内容如下： ， ( 1 ) 完成钻车底盘零部件的选型计算，以及底盘结构的设计。 ( 2 ) 轮胎式凿岩锚固钻车底盘的三维仿真模型的建立，为后面的分析做准 备： ( 3 ) 采用有限元分析软件的相应功能对整个底盘的进行建模、边界条件处 理、加载以及后处理完成底盘的应力和模态分析； 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章底盘的部件选型与结构设计 2 1 底盘的技术性能及技术要求 由于钻车底盘是一个专用底盘，因此在设计的初期就要对底盘的整体性能 参数和整体结构有一个具体的要求。这些技术性能参数和技术要求主要是依据 钻车的工况环境以及行驶环境所提出的，具有很好的针对性。底盘的技术性能 和具体参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 底盘技术性能和技术要求表 序号内容备注 主要载重量： q 处：6 5 吨( 主要分布在三处) 具体分布图如图3 - 1 1 w 处：4 5 0 k g ( 两处) 所示 t 处：1 0 0 0 k g 2 行走速度：o _ _ 3 0k m h 分四档，双向行走 3 爬坡能力：4 0 4 铰接底盘转向角：4 0 。 5 转向半径：内侧3 2 7 0 m m外侧5 2 7 0 m m 6 晟小离地距离：2 4 0 m m 7 驱动方式：柴油机 功率自定 8 行车制动系统：采用全封闭湿式系统 工作时，四个支腿伸 9 前后液压支腿：共四个，前两个支腿外伸行程各5 0 0 m m 出，四轮离地 1 0操作室顶棚升降行程：4 0 0 m m 其余参见底盘图及 1 1预留其它零部件、液压管阀、电控等的安装位置和空间 相关资料 底盘除了自身的重量外，还有其他零部件的质量，具体的载重量的分布位 置如图2 - 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 底盘的设计要求 图2 - 1 底盘载重分布图 2 2 1 底盘结构和材料的要求 在设计的初期，通过对底盘技术要求和技术性能的研究，参考底盘的工作 环境以及工作形式，对底盘的材料和结构都需要有相应的要求。 2 2 1 1 底盘关键结构的要求 ( 1 ) 由于底盘主要工作在巷道中，巷道的截面形状类似于一个门的形状， 巷道的顶部是圆弧型的，因此巷道的中间点高度是最高的，巷道由于工程的要 求并不是一条直线而是曲折的线段组成的。钻车在里面工作的时候有时就需要 拐弯。钻车本身的总长度超过8 米，如果车体做成一体的，会对转弯造成影响， 因此设计中，就将车身分为前后两个部分，中间采用铰接的形式进行连接，这 样可以保证钻车顺利转弯。铰接结构示意图如图2 2 所示。 ( 2 ) 由于钻车采用的是轮胎式结构，在工作的时候车体的稳定性比较差， 轮胎和地面的接触面积很小，摩擦力也不够，容易产生滑动和晃动。为了保证 工作是的稳定性，采用了四个油缸来支撑，工作地时候四个油缸着地，很好地 保证了稳定性，保证了钻孔的工艺性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 2 底盘材料的要求 底盘的主要材料是钢板和型材，为了保证钻车的使用性能和寿命，选用了 1 6 m n 的钢板和高性能的型材，在关键受力部位添加筋板进行加固。 j j l i 、 、一 广 乡i型。8 l 倒 图2 - 2 铰接示意图 2 2 2 有限元分析对仿真模型的要求 根据钻车的工作和行驶的工况及底盘整体和关键零部件的仿真分析的要 求，在底盘强度和刚度分析过程中，需要计算底盘整机和各个零部件质量、整 机和各个零部件的质心位置。除了要对该底盘模型进行静力学分析和动力学分 析，还要对底盘装配体的整体模型进行分析，因此底盘前、后机架之间的装配 以及约束的施加必须保证正确，所以需要建立底盘各个零部件的准确的三维模 型。在有限元分析过程中，网格划分对模型有比较高的要求，为保证划分及分 析计算的顺利完成，在建立钻车底盘模型的过程中要对一些不太影响分析结果 的小边和小角的结构进行简化和省略。 根据有限元分析软件a n s y s 对仿真模型的要求，需要采取以下简化原则 与方法去处理。 简化原则：由于对分析结果有影响必须保留钻车底盘关键部位的细节结 构，；要按照原来的设计要求来保证底盘整体结构和尺寸；在保证有限元分 析精度的前提下，尽量减小分析规模，尽量减少模型网格节点的数量。 简化方法：略去非关键部位的小孔结构以及小尺寸结构；主要起美观 作用的工艺结构可以省略，减小分析计算规模；圆角划分网格麻烦，去掉不 重要的圆角；用倒斜角代替倒圆角由于倒斜角划分网格容易。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 底盘的部件选型和结构设计 自行式工程机械主要由发动机、底盘、工作装置三部分组成。发动机的作 用是提供动力；工作装置主要负责作业；底盘作为整机的总支承并使自行式机 械能以所需的速度和牵引力沿规定的方向行驶，因此钻车底盘的性能好坏将直 接影响钻车的使用性能。按底盘功能不同可分为牵引底盘和承载底盘，按底盘 行走机构形式不同可分为轮胎式底盘和履带式底盘，本文研究设计的底盘是轮 胎式底盘，并且采用柴油机驱动。 2 3 1 底盘传动系统的选型 当今，工程机械所采用的传动系统主要有机械传动、液力机械传动、液压 传动、电传动四种类型。下面通过对四种传动类型各自优缺点的比较和分析来 确定适合本钻车底盘的传动系统【8 】。 2 3 1 1 机械传动 工程机械使用机械传动系统已有很长时间，尽管在铲土运输机械等越来越 多地采用液力机械传动，因为这些工程机械作业时行驶阻力变化很大，但还有 很多工程机械还是采用机械传动，主要因为柴油机特性的改善及湿式离合器的 普遍应用改善了机械传动的某些缺点，并且机械传动具有以下明显的优点：结 构简单、工作可靠、价廉、质量轻、传动效率高、可以利用发动机零件惯性进 行作业。图2 - 3 是动力换档机械的传动示意图。 图2 - 3 动力换档机械的传动系统图 机械传动系统的主要有以下缺点： ( 1 ) 机械传动系统的换挡机构需要人工操作，工程车一般都需要周期循环 l o 武汉理工大学硕士学位论文 作业，换档非常频繁，增加了司机的劳动强度。 ( 2 ) 机械传动系统容易因为工作阻力的变化造成发动机的熄火。 ( 3 ) 由于机械传动都采用刚性联接，由于冲击载荷的影响，会大大降低系 统中各个零件的使用寿命。 ( 4 ) 由于机械换档过程中会出现动力中断，这样会造成履带式机械的停车 等状况，影响使用性能。 2 3 1 2 液力机械传动 液力机械传动系统是指在上述机械传动系统中加入液力变矩器( 或液力耦 合器) 使发动机输出的功率通过液力变矩器和机械传动部分传到驱动轮。由于 液力机械传动具有一系列适合于工程机械传动系统要求的特点，应用范围也日 益扩大。特别是对于轮胎式工程机械来说不论功率大小，几乎都选用液力机械 传动系统。 液力机械传动系统的优点主要有： ( 1 ) 由于没有机械联接，全部通过液体进行动力的传递，减少系统的振动。 ( 2 ) 由于变矩器的自动无级变速能力，可以减少档位次数，简化变速箱的 结构，也可以得到任意小的行驶速度。 ( 3 ) 由于变矩器可以实现无级变速，可以提高柴油机的利用率，并能防止 柴油机熄火。 2 3 1 3 液压传动系统 液压传动系统早就应用到很多工程机械中，但是由于液压元件本身的性能 还不能适应像铲土运输机械等行走机构那样的大功率、前进、后退交替换向频 繁及载荷变化剧烈的工况，所以传动系统采用液压传动的自行式工程机械还很 少见。 2 3 1 4 电传动系统 在电传动系统中最常见的是“电动轮 的型式，图2 - 4 为电动轮传动示意 图。其最基本原理是由直流电动机带动车轮行驶，它的动力来源是柴油机带动 的直流发电机，然后直流发电机驱动直流电机工作。电传动系统的确有一些其 它类型的传动系统所无法比拟的优点，但是它的价格高，约比液力机械传动系 统还贵2 0 左右，消耗大量的有色金属而且自重还大。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 电动轮示意图 经过对上面各种传动系统优缺点的比较和详细的分析，然后综合轮胎式凿 岩锚固钻车的实际情况，以及各种工况下对工程机械稳定性能等方面的要求， 最终采用液力机械系统作为钻车的传动系统，底盘的液力传动系统如图2 5 所 示，主要组成部件是桥、变速箱、液力变矩器以及柴油机，柴油机把动力通过 液力机械传动系统来驱动钻车的前后桥，来实现钻车的行走。 桥变速籍 i 蓖) | 7 变矩器柴油j i n i 图2 - 5 钻车采用的液力传动系统 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 底盘传动系统主要部件的选型 2 3 2 1 发动机的选型 发动机的基本型式的选择首先要确定的是采用汽油机还是柴油机，其次是 确定发动机气缸的排列型式及发动机的冷却方式。目前大型汽车的发动机已经 柴油化，中型汽车也大部分选用柴油机。柴油机和汽油机相比，具有油耗低、 燃料经济性好、无点火系统，故障少、工作更可靠、耐久性好、寿命长、排气 污染低和防火安全性好等许多突出优点。根据钻车的工作环境和类似工程机械 设计的参照，在本钻车的设计中，决定采用柴油机作为主要动力源。 ( 1 ) 发动机最大功率一的确定 发动机功率愈大则钻车的动力性愈好，但功率过大会使整车的燃料经济性 下降、发动机功率利用率降低、动力传动系的质量变大。因此，要合理地选择 发动机的最大功率f 们。 设计的时候可参考同类型、同级别且动力性相近的工程车的功率进行最大 功率的估算，一亦可根据所要求的最高车速吃m 舣按下式计算出： e 一= 寺( 舞屹一+ 蒜v 3 口懈) 1 ， 式中：m 缸为发动机的最大功率( k w ) ；硌为传动系统的传动效率，对 单级主减速器驱动桥的4 2 式汽车取r r o 9 ；为汽车总质量( k g ) ； g 为重力加速度( m s 2 ) ；f 为滚动阻力系数，对载货汽车取o 0 2 ，对矿用自卸 汽车取o 0 3 ，对轿车等高速车需考虑车速影响并取：f = o 0 1 6 5 + 0 0 0 0 1 ( v - 5 0 ) ； 屹m 觚为最高车速( k m h ) ；c d 为空气阻力系数，轿车取o 枷6 ，客车去o 7 ， 货车取0 8 1 0 ；a 为汽车的正面投影面积( m 2 ) ；可按前轮距b ，、汽车总高h 、汽 车总宽b 等尺寸近似计算：对轿车：h = o 7 8 b h ；对货车：a b h 。 按照本车的设计要求和技术性能参数，钻车的总质量m 口取2 0 吨，重力加 速度取为9 8 m s 2 ，f 取o 0 3 ，最高车速心m a x 取3 0 k m h ，空气阻力系数c d 取 为0 9 ，钻车的正面投影面积a 根据式子a b a h 计算得4 m 2 。代入式2 一l 计算得： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 p = 1 j 一0 9l 2 0 0 0 0 x98x0 0 3 3 0 + 3 6 0 0型7 6 1 4 0 3 。3 )j = 5 5 。7 5 5 ( t w ) 按式2 1 求出的最大功率m 锻应为发动机在装有全部附件下测定时得到的 最大有效功率或净输出功率，这个值比般发动机外特征的最大功率值低 1 2 心0 。因此需要对计算结果进行一个修正，然后进行发动机功率的选定。 在选定发动机的最大功率的同时还必须对发动机最大功率时的转速刀口提 出要求，最大功率时的转速n 扫不仅影响发动机本身的技术指标、使用性能、寿 命，而且影响整车的性能( 如v 口m 戤) 、传动系统的寿命以及主减速比的选择。 目前情况下，中型货车汽油机的刀口多为3 2 0 0 - 4 4 0 0 r m i n ，轿车和轻型客车、轻 型货车用的小型高速柴油机的万p 多为3 2 0 0 4 2 0 0 r m i n 。柴油机的刀p 多为 2 2 0 0 - 3 4 0 0 r m i n ；重型货车柴油机的刀p 多为1 8 0 0 - 2 6 0 0 r m i n ；在本车的计算过 程中，根据钻车的类型和性能，刀口取为1 8 0 0 - 2 6 0 0 r m i n 。 ( 2 ) 发动机最大转矩互m 取及其相应茕蓼吻 发动机的最大转矩z m 戤及其相应转速t 将直接影响汽车的动力因数、加 速性能、爬坡性能等动力特性，而其转矩适应系数则标志着汽车行驶阻力增加 时发电机沿着外特性曲线自动增加转矩的能力，公式为口= 正m 舣0 ，即最大 转矩与最大功率下的转矩之比值。显然口值大则可减少换档次数，从而降低油 耗。车用柴油机的口值多在1 1 1 2 5 ( 带校正器时) 和1 0 5 1 1 0 ( 不带校正器 时) 。 当确定发动机的最大功率m 戕及相应转速疗妒后，可按式( 2 2 ) 求发动机 的最大转矩? ：m 懿( 单位为( n m ) ) ： p 一= 口耳= 7 0 1 9 c r e m , ( 2 2 ) n p 式中：口为发动机的转矩适应系数；死为最大功率时的转矩( n m ) ； m 取为最大功率( k w ) ；n p 为最大功率的相应转速( r m i n ) 。根据上面的要求 选取合适的数值代入式2 - 2 中得： z 咄= 7 0 1 9 1 1 7 5 x 5 5 7 o o = 2 5 5 4 5 ( n m ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 发动机最大转矩的相应转速刀丁的选择原则是使即r 与n 口保持适当关系。 因为刀丁过于接近n d ，则会使最低稳定车速偏高，将导致汽车在通过繁忙的交 叉路口时换档次数变多，甚至需要增多变速器的档位数。因此，称为转速适应 系数的n d 与，之比不宜小于1 4 ，通常取为1 抛0 。 ( 3 ) 发动机的适应性系数 发动机适应性系数主要体现发动机适应汽车行驶工况的程度，企值越 大，发动机的适应性就会越好。值大的发动机优势在于可以减少换档次数、 减轻操作人员的疲劳、减小传动系统的磨损和降低油耗。现代发动机的适应性 系数值对汽油机= 1 4 2 4 ；对柴油机m = 1 6 2 6 。 经过上面的计算和对相关参数的选取，最后选用的柴油机是北内的 f 6 l 9 1 2 w ，柴油机f 6 l 9 1 2 w 具体的参数如表2 2 所示，外特性曲线图如图2 6 所示。 表2 - 2 柴油机f 6 l 9 1 2 w 参数 柴油机最大功率( k w b h p ) 6 9 k w 柴油机标定转速( r m i n ) 15 0 0 - - 2 5 0 0 性能参数柴油机最大转矩( n m ) 2 8 5 柴油机最大转矩转速( r m i n )1 6 0 0 排放e p o i i 柴油机型号f 6 l 9 1 2 w 缸数6 吸气系统自然进气 排量5 6 5 5 l 缸径及冲程( m m )1 0 0 1 2 0 点火顺序1 5 3 6 2 4 冷却剂空气 结构参数 喷射方式涡流 压缩比 1 9 ：1 旋向顺时针( 从风扇端看) 功率输出飞轮 净重量( 起) 4 2 0 长( m m )1 1 2 0 宽( m l n ) 6 7 3 高( 1 1 1 1 1 1 )8 1 5 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6f 6 l 9 1 2 w 柴油机外特性曲线图 2 3 2 2 液力机械变速器的选型与匹配 液力机械变矩器是由液力变矩器和机械变速器组成的新型变速器。下面将 分别对液力变矩器和变速箱进行比较选型然后进行匹配。 变速箱的存在是因为发动机的某些物理特性。首先，任何发动机都有其峰 值转速；其次，发动机最大功率及最大扭矩在一定的转速区出现。例如，发动 机最大功率出现在5 5 0 0 转。变速箱可以在汽车行驶过程中使发动机和车轮之间 产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。理 想情况下，变速箱应具有灵活的变速比。无级变速箱( c v t ) 就具有这种特性， 可以较好的发挥发动机的动力性能【1 2 1 3 1 。 ( 1 ) 液力变矩器的选型 一 。 液力变矩器的工作原理是通过液体介质来实现动力的传递，同时为了提高 传递效率和其它需求，还配有取力器等配件。液力变矩器在工程机械上应用比 较广泛，主要它有适合工程机械的特性，可以自动调节功率、增减扭矩、增大 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 起动扭矩等，提高了工程机械的使用寿命。但变矩器自身的明显缺点是传动效 率低，一般只有o 7 0 7 5 左右。 ( a ) 液力变矩器的选型与匹配主要依据三个原则：与发动机一起工作的液 力变矩器功率的匹配、保证涡轮轴上有最大的输出功率、燃料的经济性。由于 柴油机已经选定，知道了柴油机的功率和扭矩值，参照同类型的工程车型选取 变矩器，这是一种最经济方便的匹配方法。在本文的选型设计中，选用的是美 国d a n a 公司生产的c 2 7 2 型液力变矩器。主要技术参数如表2 3 所示： 表2 - 3c 2 7 2 液力变矩器的技术参数 1w h e e lg r o u p 1 2 2s t a l lt o r q u er a t i o3 1 3o f f s e td r i v e2 7 0 l b s - f t ( 3 6 0 n m ) 4t h r o u g hd r i v e3 2 5 l b s f t ( 4 41n m ) 5 法兰输出位置 偏置 6 输出法兰 5 c 7 调压阀压力 2 5 0 p s i 8 补油泵 1 5 g p m ，装于a 口 9弹性盘 1 3 5t | 1 0 带直接式过滤器 1 1另配油温表和油压表各一只 ( b ) 变矩器的特性 变矩器的泵轮是与发动机的曲轴相连的，泵轮的力矩就是发动机的负载力 矩。在讨论变矩器与发动机共同作用之前，必须了解变矩器泵轮力矩m p 与转 速, 。的关系，即流体力学中变矩器设计原理公式的物理意义： m p = 五p 7 刀2 p d ，( 2 - 3 ) 式中：m ，为泵轮输入力矩；名。为泵轮力矩系数；y 为液体重度； n d 为泵轮转速；d 为变矩器循环圆直径 对一个确定的变矩器则y 和d 是不变的，为一常数。令i d 5 = c ，则可得 m p = c 乃，z ；。上式为二次方程，说明泵轮的力矩坼与转速n p 呈抛物线关系， 而抛物线的形状决定于力矩系数a 。，具体的图形为一簇抛物线如图2 7 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 m p n p 图2 - 7 泵轮力矩与转速的关系图 变矩器分为可透性和不可透性变矩器，由于工程机械工作和行驶过程中外部载 荷的波动较大，工程机械的性能会有很大的变化，变矩器的液压油也会消耗发 动机的一部分功率，为了使变矩器可以和发动机达到最佳的匹配，并且能最大 的发挥发动机的效率，使工程机械具有很好的经济性和高效性，因此在本钻车 的设计选型中应该选用可透性变矩器。 可透变矩器与发动机的匹配特性图如图2 8 所示： m p n p 图2 - 8 可透变矩器与发动机的匹配 ( 2 ) 变速箱的选型 由于设计采用的是液力机械变速器，因此在选定了液力变矩器后，根据产 家提供的数据和建议，变速箱选用美国d a n a 公司生产的r 3 2 0 0 0 变速箱，表2 4 所示为r 3 2 0 0 0 变速箱具体的技术参数： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 4 变速器r 3 2 0 0 0 相关技术参数 r 3 2 0 0 0 相关技术参数爬坡能力 1 长轴降，前后输出 2前输出法兰6 c 3 后输出法兰 6 c 4输入法兰5 c 5 档位4 档 6 4 档 2 5 51 0 9 0 73 档1 5 52 0 6 0 8 2 档 9 33 9 1 0 9 1 档 4 61 2 3 9 0 1 0 控制阀手动控制 ( 3 ) 液力机械变速器与发动机的匹配 在整个驱动系统中，变速器合理匹配是为了保证变速器可以最大限度满足 汽车的使用条件并且获得理想的动力特性。在确定变速器与发动机匹配时，整 车的使用条件和发动机的外特性是重要依据。对公路上的汽车一般要求启动力 扭矩小，高速范围内具有较大的功率和行驶的经济性。而对工程机械和矿山汽 车则要求具有较大启动力矩，且在低速范围内具有尽可能大的功率。驱动轮的 等功率特性是变速器匹配的目的，可以保证在整个速度范围内汽车都能充分使 用驱动装置的最大功率。从m = 7 1 6 2 n n 的关系式中我们可知，等功率特性对 应的扭矩特性是一条双曲线特性。虽然它在低速区内受路面附着条件制约，在 高速区受最高车速限制，但是它具有我们最需要的理想的驱动特性，因此在驱 动系统设计过程中必须尽可能满足这个要求。由于发动机本身的调整范围是有 限的，变速器就是为这个目的匹配的。通过合理的选配变速器的各个参数，如 型式、总速比、个档速比等，就能比较接近驱动轮的理想扭矩输出特性，充分 满足车辆行驶要求。 整车、发动机及液力机械变速器之间的匹配是否合理主要通过以下几个要 求进行检查【l5 】： 钔检查所选发动机的最大净功率( 发动机额定功率减去非标附件功率与变 矩器油泵消耗功率和) 是否小于变速器功率，如缺少数据可以用额定功率乘以 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 0 9 估算。 在设计的钻车中，选用的发动机的最大净功率是6 9 x0 9 = 6 2 1 k w ，比变 矩器的功率小，因此这个条件满足。 b ) 检查所选发动机的最大净扭矩( 发动机最大扭矩减去非标附件扭矩与变 速器油泵消耗扭矩和) 是否小于变速器允许输入扭矩，或用发动机最大扭矩乘 以0 9 5 估算。 在本文设计的钻车中，发动机的最大扭矩是2 8 5 x 0 9 5 - - , - 2 7 0 7 副渤，变矩 器偏置驱动时的允许输入扭矩为3 6 0 n m ，同轴驱动时的允许输入扭矩为4 4 1 n m ， 因此都可以满足这个条件。 c ) 利用液力机械变速器指导书中推荐的“功率限制区 图，检查所预选发 动机的净功率和净扭矩是否在规定范围内。 经过对比分析，选择的部件能够满足这三个匹配要求。 经过上面液力机械变速器的选型和匹配，并且在厂家的建议下，最终选用 的是道依茨f 6 l 0 1 2 w 的发动机，d a n a 公司c 2 7 2 变矩器以及d a n a 公司r 3 2 0 0 0 变速箱。 2 3 3 底盘转向系统的设计 2 3 3 1 转向系的设计要求 一个转向系统应能稳定地保持底盘直线行驶，并能根据要求灵活地改变行 驶方向。转向系统设计的基本要求是【7 】： ( 1 ) 工作稳定可靠。绝对可靠是对转向系的最基本要求，因为转向操纵是 否可靠，将直接影响底盘行驶的安全性。设计时必须考虑零件承受路面对其的 交变冲击载荷，保证转向机构和零件有足够的强度及寿命。 ( 2 ) 对于采用动力转向系统的底盘，除了保证发动机在怠速时亦能正常转 向外，还应考虑在发动机或油路发生故障时，有应急转向的措施，应尽量减少 转向系统机械传动及连接处的间隙，间隙最好能自动补偿或调整。 ( 3 ) 设计时不但要正确地选择导向轮的定位角外，还要保证直线行驶的稳 定性和转向盘相对导向轮偏转角的灵敏度。自由行程最好不超过1 0 。1 5 。， 达2 5 。3 0 。时则必须进行调整。 ( 4 ) 动力转向系统的稳定性问题。在考虑转向系的方案是首先要避免的是 武汉理工大学硕士学位论文 系统的振动，新设计的系统必须经过专门的试验和研究。 ( 5 ) 使用经济耐久。在转向方式的选择及系统设计时，轮胎的磨损和燃油 的经济性也要重点考虑，转向系统设计的目的就是要尽量减少弯道行驶时的由 于轮胎侧滑引起的轮胎磨损及发动机功率损耗。 ( 6 ) 操纵轻便灵活。操纵轻便灵活，不仅可以减少驾驶人员的疲劳，而且 是提高生产率的一个重要因素。 2 3 3 2 转向方式的选择 不管是大型还是中、小型的机械，工程机械发展总方向都是提高生产率。 工作装置的作业特点与底盘的转向方式是否配合适当，对提高生产率、缩短作 业循环的周期有很大影响。 例如，铰接转向装载机，由于工作装置安装在前车架，在装载、卸料作业 循环中比采用偏转后轮的装载机更容易对准作业方向，从而使效率提高2 0 。 近年来速差转向的装载机在狭窄地区能快速高效地工作，其特点在于转向半径 小，改变行驶的方向十分方便，促使这类工程机械很