《工程机械设计基础》第一篇课程总结.doc

现代施工机械与技术阶段复习总结宋晨（太原科技大学 山西省 太原市 030024）摘要： 对现代施工施工与技术前五章的学习，为更好的了解和学习典型工程机械的工作装置及控制技术，对前五章所学的知识进行总结，通过课本，自己的经验以及各种参考文献，写出自己对前五章所学内容的了解。在学习过程中了，除了在课本上学习以外，经常在果壳网汽车学院参与讨论。本文主要从发动机和底盘两个方面介绍了自己所学的内容。通过写此总结使自己对前五章的内容有更加深刻的了解。关键词：工程机械；总结；发动机；底盘1 工程机械用发动机目前，工程机械实用的动力装置主要有电动机和内燃机两种，内燃机又分为柴油机和汽油机两种。1.1内燃机概述内燃机分类方法较多，按工作循环分，可分为二冲程和四冲程两种，不过二冲程已经几乎完全被淘汰，四冲程发动机做工过程分为吸气、压缩、做功、排气。按排列方式分可以分为直列型，V型，W型等。按进气方式分，可以分为自然吸气和涡轮增压1。内燃机中的基本术语有工作循环、缸数、刚径、上下止点、活塞行程、气缸和发动机工作容积，压缩比等。内燃机主要性能参数有有效功率，有效转矩两个指标，换算关系为：Pe为有效功率，单位为KW；Me为有效转矩，单位为N.m；ne为转速，单位为转/分钟；常用的功率有千瓦和马力，其中1KW=1.36马力，而1马力的功率是一秒钟把75千克的物体匀速提升1米做的功。1.2内燃机工作原理及主要部件这四幅图很好的解释了发动机的工作原理和过程，该发动机为DOHC，DOHC的全称是Double Overhead Camshaft，即双顶置凸轮轴。发动机的主要零件有两大机构和七大系统，分别为曲柄连杆结构、配器机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、启动系统、增压系统排放系统。各系统之间相互配合工作，构成了一台发动机。1.3发动机各标号解释虽然课本上没有这一节内容，但是自己出于对汽车的了解及喜欢，加上百度，总结了些自己所知道的其中包括T、FSI、CVT、CVVT、SOHC、ABS、DSG、LSD、SOHC、DOHC等。发动机后面带T，为涡轮增压发动机，英文为Turbo，采用该发动机功率大约可以提高百分之四十，常见的有1.4T，1.8T等。 图1 吸气过程 图2 压缩过程 图3 做功过程 图4 排气过程FSI是Fuel Stratified Injection的英文缩写，意指燃油分层喷射。燃油分层喷射技术是电喷发动机利用电子芯片经过计算分析精确控制喷射量进入气缸燃烧，以提高发动机混和燃油比例，进而提高发动机效率的一种技术。 与传统技术把燃油喷入进气歧管的发动机相比，FSI发动机的主要优势有：动态响应好、功率和扭矩可以同时提升、燃油消耗降低。CVVT与CVT虽然一字之差但是代表的意思完全不同，CVVT是英文Continue Variable Valve Timing的缩写，翻译成中文就是连续可变气门正时机构，目的都是给不同的发动机工作状况下匹配最佳的气门重叠角，简而言之就是在发动机高速转动时提前打开进气门，推迟关闭排气门，使进气更充分，排气更完全，提高燃油燃烧率，使发动机保持动力强劲。左图为奥迪尾部标识,其中4.5代表发动机排量，T代表涡轮增压，FSI为燃油分层喷射，目前尾部标识有TFSI多属于高端车型。 图5 奥迪标识 DOHC的全称是Double Overhead Camshaft，即双顶置凸轮轴，SOHC为单顶置凸轮轴，DOHC加大了进气量，提升马力和燃烧效率。追求高速有明显优势。CVT为无级变速。DSG为直接换档变速器（Direct Shift Gearbox）也称为S-Tronic变速器或者双离合变速器。ABS为防抱死系统。LSD为限滑差速器。2 工程机械传动系统2.1传动系统概述动力装置和驱动轮之间的所有传动部件称为传动系统。其主要作用有1.降速增力2.实现变速3. 实现倒退4.切断动力5.实现左右驱动轮不同速度（差速器）。目前常用的传动系统有机械传动、液力机械传动、液压传动、电传动。机械传动由离合器、变速箱、万向节、驱动桥组成，其优点是效率高，结构简单，工作可靠，但缺点是容易过载，换挡时候需切断动力。液力机械传动的核心装置是液力变矩器或者液力耦合器。液压传动是通过液体的压力能传递能量。而电传动则由发动机带动直流发电机，再把电能分别输送到各个轮胎上的电动机上带动轮胎转动，目前电动传动主要用于大型矿用车上。2.2主离合器主离合器装在发电机和变速箱之间，用来切断或传递发动机传给传动系统的力。根据离合器自然状态下的接合与分离状态，又可以分为经常接合式和非经常结合式。其主要组成为主动部分、从动部分、压紧机构、分离机构。需要传力时，通过压紧机构把主动部分和从动部分靠摩擦力压紧，使之成为一个整体，从而传递力，故传递力的大小与摩擦力的大小有关，在需要传递比较大的力的时候常采用双片式离合器。膜片式弹簧离合器是用一个薄弹簧钢板制成有锥度的膜片弹簧，该离合器具有结构简单，受力均匀，寿命长，质量轻等优点，故在工程机械上也开始广泛使用。2.3液力耦合器和液力变矩器 液力变矩器和液力耦合器在结构上区别是液力变矩器比耦合器多一个导轮，功用上是变矩器既可以改变转速，又可以改变转矩，而耦合器只能改变转速。 车辆起步时，泵轮随发动机输出轴转动，涡轮与导轮静止。如上图，工作液由泵轮带动,沿左图中1的方向流向涡轮。涡轮静止，液体沿着涡轮叶片方向2流向导轮。导轮也静止，液体再沿着、导轮叶片方向3流向泵轮。根据液流受力平衡条件，Mw= Mb + Md，也就是涡轮转矩等于泵轮和导轮转矩之和。液力变矩器就增大了发动机的转矩输出。涡轮转速达到一定程度时，牵连速图6 液力变矩器工作原理度u增大，右图中V的方向左偏，与导轮叶片方向平行，导轮转矩Md变为0。此时Mw=Mb，即输出、输入转矩相等。涡轮转速进一步上升，V的方向进一步左偏，导致导轮的转矩就变为了负值。涡轮力矩变为Mw=Mb-Md。输出转矩就小于了输入转矩2。为了提高效率，便有了锁止离合器，将导轮和涡轮链接在一起，液力变矩器就不工作了，此时相当于机械传动效率就高了。2.4变速箱 变速箱的主要作用为改变传动比，实线倒档和空挡。 变速箱按操作方式不同，分为机械式换挡和动力式换挡。机械式换挡是人力通过操纵机构波动齿轮或结合套换挡，需较长时间切断动力。动力换挡切断动力时间短，带负荷不停车换挡。当在变速箱中有行星轮时候，所采用的换挡方式必须是动力换挡。普通的家用汽车只有一个倒档，手动挡汽车也只有一个变速操纵杆（部分四驱车除外），但是工程机械由于工况的不同，往往前进挡数和倒退挡数量一样，而且有两个操纵杆，需要配合操作。在学习过程中看到变速箱的传动简图基本上可以看懂，但是当看到变速箱的剖面图时候就不知所云。对于定轴动力换挡变速箱，在换挡时候靠离合器摩擦片压紧传递力。行星式变速换挡变速箱，工作原理是依据行星轮的闭锁特性，太阳轮、行星架、齿圈三个部件中容易固定一个，便会产生不同的传动比。传动过程中必须是自由度为1的机构，对于二自由度变速箱，需要消除一个自由度，故应该有一个操作杆，三自由度的需要两个操作杆，以此类推。但是对于行星式变速换挡变速箱是我学的最糊涂的部分。 CVT机构在可调节的齿轮轮毂上且位于同步齿轮的外围圆周上通过连接轴安装有扇形齿轮，扇形齿轮上的齿轮与同步齿轮外圆上的齿轮相啮合，扇形齿轮的外侧与齿杆的一端相固定，这样就组成了可调节的齿轮，当可调齿轮绕齿杆弯曲方向转动来驱动内齿圈时，通过伺服机构调节齿轮转轴与内齿圈转轴之间的距离，从而改变两个相邻齿杆之间所作用内齿圈的齿数，改变传动比，进而可以实现无级变速。 还有一种变速箱就是CVT变速箱，也是无级变速。 图7 CVT变速器2.5万向传动装置发动机位置较高，而驱动轴位置较高，为了实现这种不同高度上的动力传递，故需要用万向节来传动，最常用的就是十字轴刚性万向节，该种万向节虽然可以实现较大夹角之间的传动，但是当夹角越大的时候，瞬时角速度差距越大，这样就会造成传动不平稳，为了克服这一现象便出现了双万向节传动，两个万向节按一定方向安装，就可以相互抵消这种不等速性。2.6驱动桥驱动桥由主减速器，差速器，半轴，驱动桥壳组成。主减速器的作用是再次减速，增大转矩，一般由一对90的锥齿轮组成。其原理为通过齿轮传动比的改变获得更大的转矩。差速器可以说是汽车历史上的一个伟大发明明差速器的人正是大名鼎鼎的雷诺公司的创始人，Louis Renault。 图8 差速器 左右驱动轮同速时，行星轮锁死。左右半轴和差速器壳一起同速转动，而差速器行星齿轮不动。左驱动轮遇到较大阻力而停止转动时的情况。这时，右半轴、桥壳照常转动，并且行星齿轮也转动起来。这样就实现了，左右驱动轮不同转速。左右半轴和差速器壳（行星轮公转）三者的转速关系为：左半轴+右半轴=2 x 差速器壳3。 差速器虽然作用明显，但是他也有致命的缺点，就是当一边轮胎失去摩擦力的时候整个车就会失去动力，这时就需要与差速锁配合工作，差速锁的工作原理是，当左右车轮的转速差到达一定预设数值后。差速器内部的机械结构会锁死差速器，使得左右两轮拥有相同的输出转矩。目前最常用的差速锁是伊顿差速锁，该差速锁为纯机械结构，可靠度高。图9 差速锁3 工程机械行驶系统工程机械行驶系统分为轮胎式和履带式。3.1 履带式工程机械行驶系统履带行驶系统由履带、驱动轮、支重轮、拖带轮、引导轮和张紧装置组成。履带可以适合各种复杂的地形，在恶劣的环境中工作。履带的功用是支撑车辆的质量，并保证车辆发出足够的驱动力。驱动轮用来驱动履带，安装在最终的从动轴或从动轴上。支重轮用来将机械的质量传递给履带，托带轮是用来托住履带，防止其下垂过大。引导轮的作用是支撑履带并引导履带正确卷绕，同时与张紧装置一起使履带保持一定张紧度。3.2 轮胎式工程机械行驶系统轮胎式行驶系统由车架、车桥、车轮、悬架组成。车架又可分为铰接式车架和整体式车架，铰接式车架转向方便，转弯半径小。车桥由转向桥、驱动桥、转向驱动桥、支持桥等。车轮和轮胎，好多人认为车轮和轮胎就是一样的，但是并非如此。车轮的明确定义是“介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件，通常由轮辋和轮辐组成。下图为关系图。 图10 车轮 图11 轮胎 图12 车轮总成悬架的功用是链接车桥和车架，传递两者之间的各种作用力和力矩。悬架可以分为独立式悬架（图13b）和非独立式悬架（图13a）。 图13 悬架 图14 前悬架4 工程机械转向操作系统 转向：改变或者保持行驶方向。4.1轮胎式工程机械转向系统概述 整体式车架一般用偏转车轮转向，可以是偏转前轮转向，也可以是偏转后轮转向，也可以全轮偏转。全轮偏转更加灵活，但是结构复杂，成本高。铰接车架一般用于铰接式车架，该种转向转弯半径小，结构简单，但是直线行驶特性差。在转向时候，为了保证各个车轮做纯滚动，则各个车轮轴线应该相交于一点，则转向时车轮偏转角关系如下。而对于过程机械，例如多轴全地形起重机，在转向时，中间一周是固定不动，离中间轴越远的轴上的轮胎偏角越大。 图15 车轮转向关系图4虽然多轴车专线关系复杂，自己也不会推算，但是可以找到以图中九桥全地面起重机为例，内侧九个轮胎偏转角度各不相同，但是轮胎的偏转垂线交于一点，越靠近中轴的轮胎偏转角越小，转弯半径也越小，中轴前的轮胎和中轴后的轮胎偏转方向相反，这样才可以实现转向。自己在组装乐高42009车模时候，发现，各轴之间由机构连接，当第一个轮胎转过一定角度时，后面4个轮胎便会跟着转过相应角度，转过角度大小由提前设定好的转向杆的长度决定，根据计算出的角度反算出长度。图16 乐高42009 图17 乐高42009底盘4.2转向器转向器的功用是将方向盘上的操纵力放大并改变动力传递方向。转向器按逆转效率之分，可分为可逆式、不可逆式、极限可逆式。典型转向器结构有齿轮齿条式转向器，循环球式转向器，蜗杆曲柄指销式转向器。4.3典型工程机械转向操纵机构 有人力转向传动机构和动力传动转向机构两种，动力传动转向机构也就是带助力方向盘，可以减轻驾驶员的劳动强度，主要有液压助力。4.4履带式工程机械转向操纵系统 履带式工程机械转向原理类似小船的转向原理，通过改变两侧驱动轮上的驱动力矩，使两侧履带上具有不同的驱动力，从而实现转向。转向时候一侧加驱动力，一次为制动力，这样车辆便会转向，转弯半径的大小取决于两边的力之差。该种转向对地面损坏非常大，这也是履带式工程车辆无法上路的原因之一。5 轮胎式工程机械制动系统5.1制动系统概述制动系统的功用只要是1使行驶中的机械减速或停车2下坡时候保持适度恒定3使已停止的车辆保持稳定。制动系统可以分为停车制动和驻车制动两种类型。制动的原理便是把汽车的动能通过摩擦转化为热能，最终使汽车减速或者停止。5.2制动器制动器可以分为盘式和鼓式，鼓式制动器通过内张或外缩