工程机械及车辆(1)

1、张张 志志 强强 Email: 工程机械及车辆工程机械及车辆 课程结构课程结构 整机部分整机部分 的构造与的构造与 设计设计 现代设计现代设计 方法基础方法基础 及应用及应用 底盘的构底盘的构 造与设计造与设计 内燃机构内燃机构 造与工作造与工作 原理原理 底盘的主要组成 传动系传动系行走系行走系转向系转向系制动系制动系 底盘部分的构造及设计底盘部分的构造及设计 类类 别别机机 型型 挖掘机械挖掘机械挖掘机，挖掘装载机，掘进机械挖掘机，挖掘装载机，掘进机械 铲土运输机械铲土运输机械 推土机，装载机，平地机，铲运机推土机，装载机，平地机，铲运机 起重机械起重机械塔式，轮式，履带式，升降机，卷扬机

2、塔式，轮式，履带式，升降机，卷扬机 压实机械压实机械压路机，夯实机，振动碾压路机，夯实机，振动碾 桩工机械桩工机械打桩机，压桩机，钻孔机打桩机，压桩机，钻孔机 混凝土工程机械混凝土工程机械混凝土泵车，搅拌运输车混凝土泵车，搅拌运输车 工程运输机械工程运输机械自卸汽车，工程挂车自卸汽车，工程挂车 钻孔机械钻孔机械凿岩机，钻机，凿岩钻车，凿岩机，钻机，凿岩钻车，TBM 整机部分的构造及设计整机部分的构造及设计 课程安排课程安排 工程机械结构课程以工程机械结构课程以工程机械工程机械（余恒（余恒 睦）为教材，主要讲述工程机械底盘组成、睦）为教材，主要讲述工程机械底盘组成、 各系统部件构造和工作原理等，

3、为学习工各系统部件构造和工作原理等，为学习工 程机械设计课程打下基础；程机械设计课程打下基础； 工程机械设计课程以工程机械设计课程以工程机械设计工程机械设计 （吴庆鸣）为教材，主要论述工程机械设（吴庆鸣）为教材，主要论述工程机械设 计理论和设计方法，包括工程机械一般理计理论和设计方法，包括工程机械一般理 论、工程机械总体设计、底盘各系统设计论、工程机械总体设计、底盘各系统设计 理论等。理论等。 绪绪 论论 1. 1. 工程机械的设计特点与要求工程机械的设计特点与要求 2.2.工程机械系统的基本组成工程机械系统的基本组成 3. 3. 学习本课程的目的学习本课程的目的 1.1.工程作业环境条件复杂

4、多变，要求设计能够适应当地的气候、工程作业环境条件复杂多变，要求设计能够适应当地的气候、 地理特点。地理特点。 2.2.以工程机械底盘理论为基础，要求发动机、行走机构与工作以工程机械底盘理论为基础，要求发动机、行走机构与工作 装置的特性之间具有良好的匹配关系。装置的特性之间具有良好的匹配关系。 3.3.工作介质性质复杂，要求工作装置结构设计形式多样。工作介质性质复杂，要求工作装置结构设计形式多样。 4.4.工作介质的状态在作业中发生不断变化，要求工作参数调节工作介质的状态在作业中发生不断变化，要求工作参数调节 方便。方便。 5.5.多数量多品种工程施工机械协同作业，对现代工程机械的状多数量多品

5、种工程施工机械协同作业，对现代工程机械的状 态监控越来越重视。态监控越来越重视。 6.6.工程质量要求不断提高，要求产品具有较高的作业质量控制工程质量要求不断提高，要求产品具有较高的作业质量控制 水平，普遍应用机电液一体化和现代控制技术。水平，普遍应用机电液一体化和现代控制技术。 7.7.现代工程机械与人们的生活关系日益密切，要求产品设计人现代工程机械与人们的生活关系日益密切，要求产品设计人 性化，造型美观。性化，造型美观。 1.1.工程机械的设计特点与要求工程机械的设计特点与要求 所用发动机为高原型，能够适应所用发动机为高原型，能够适应5000米高原地区作米高原地区作 业，最低温度零下业，最

6、低温度零下 40C能够正常启动；耐高压水能够正常启动；耐高压水 箱可避免低气压引起的开锅现象；较寒冷地区可安箱可避免低气压引起的开锅现象；较寒冷地区可安 装暖风装置；驾驶室密封严密；玻璃可防紫外线照装暖风装置；驾驶室密封严密；玻璃可防紫外线照 射，并且有小氧气瓶可供用户选用。射，并且有小氧气瓶可供用户选用。 SD7GSD7G高原型推土机高原型推土机 内燃机与工程机械间的匹配内燃机与工程机械间的匹配 内燃机的转速高、力矩大，且力矩和转速的变化范围都比较小，而工程机内燃机的转速高、力矩大，且力矩和转速的变化范围都比较小，而工程机 械作业和运行时，要求牵引力大、速度低，并且要求牵引力和行驶速度变械作

7、业和运行时，要求牵引力大、速度低，并且要求牵引力和行驶速度变 化范围大、进退自如，因此必须设置一套传动系统来根据工作要求传递驱化范围大、进退自如，因此必须设置一套传动系统来根据工作要求传递驱 动力、变换速度。动力、变换速度。 此外，为改善发动机外载荷适应能力差的问题，发动机需加装调速器，以此外，为改善发动机外载荷适应能力差的问题，发动机需加装调速器，以 改变每一循环的供油量。发动机空载时，转速升高至额定转速后，由调速改变每一循环的供油量。发动机空载时，转速升高至额定转速后，由调速 器自动减小油门开度，直到稳定转速。加载后，转速下降，调速器自动加器自动减小油门开度，直到稳定转速。加载后，转速下降

8、，调速器自动加 大油门开度，使发动机驱动力矩自动与外载荷相适应。当外载荷达到发动大油门开度，使发动机驱动力矩自动与外载荷相适应。当外载荷达到发动 机额定力矩时，发动机转速为额定转速。若外载荷继续增大，则发动机进机额定力矩时，发动机转速为额定转速。若外载荷继续增大，则发动机进 入外特性阶段的工况。入外特性阶段的工况。 工程机械传动系简图工程机械传动系简图 汽油机外特性及部分负荷特汽油机外特性及部分负荷特 性中的功率与转矩曲线性中的功率与转矩曲线 发动机的调速外特性发动机的调速外特性 山猫小型设备有40多种作业匹配的附件装置，并能 够在2分钟内完成各种附件的更换。一机多用，能完成 多种作业，如挖掘

9、、开沟、钻孔、搬运、平地等，使用 效率高。 低密实度低密实度 密实度提高密实度提高 高密实度高密实度 智能自动调幅压实系统智能自动调幅压实系统 宝马宝马VARIOMATIC系统系统，由摆动油缸控制两偏心轴相对位置（两偏心，由摆动油缸控制两偏心轴相对位置（两偏心 轴旋转方向相反），使得此时激振器的输出力相对于垂直方向可调。输出轴旋转方向相反），使得此时激振器的输出力相对于垂直方向可调。输出 力在垂直方向上的分力减小，振幅相应减小，分力增加，振幅增加。能根力在垂直方向上的分力减小，振幅相应减小，分力增加，振幅增加。能根 据土壤的密实度自动调整振幅和频率，据土壤的密实度自动调整振幅和频率，压实效率高

10、压实效率高；降低振动影响降低振动影响；压实；压实 均匀性好，均匀性好，避免压实过度或不足避免压实过度或不足。 大坝施工设备防碰撞系统大坝施工设备防碰撞系统 云南龙开口水电工程机电布置图云南龙开口水电工程机电布置图四川大岗山水电工程机电布置图四川大岗山水电工程机电布置图 施工场地狭窄，施工设备工作范围有比较大的重叠施工场地狭窄，施工设备工作范围有比较大的重叠 制定严格的规章制度，可以减少碰撞现象，但由于对现场设备调制定严格的规章制度，可以减少碰撞现象，但由于对现场设备调 控较多，可能会对现场施工造成影响控较多，可能会对现场施工造成影响 现场人员的观察与监测受到观察位置、距离、可视度、现场光线现场

11、人员的观察与监测受到观察位置、距离、可视度、现场光线 照明、视角以及疲劳度等很多因素的影响，可能会发出错误的指照明、视角以及疲劳度等很多因素的影响，可能会发出错误的指 令令 大坝施工设备防碰撞系统大坝施工设备防碰撞系统 检测装置在各设备上的安装位置检测装置在各设备上的安装位置 示意图示意图 缆机操作室实拍及系统显示界面缆机操作室实拍及系统显示界面 基站实拍及系统显示界面基站实拍及系统显示界面缆机吊钩实拍缆机吊钩实拍 2. 2. 工程机械系统的基本组成工程机械系统的基本组成 工作装置 回转 机构 行走 机构 液压 系统 动力装置 辅助 系统 驾驶室 平台总成 液压泵 操作人员指令操作人员指令 操

12、纵控制系统操纵控制系统 传动系统传动系统 行走系统行走系统 动力系统动力系统 （发动机（发动机） 执行系统执行系统 ( (工作装置工作装置) ) 地面条件地面条件 工作介质工作介质 底盘部分底盘部分 工程机械系统基本组成及其相互关系工程机械系统基本组成及其相互关系 1.1.动力系统动力系统 功能功能: :为机械系统提供所需的动力及能源。为机械系统提供所需的动力及能源。 工程机械的动力装置以柴油发动机为主。工程机械的动力装置以柴油发动机为主。 2.2.传动系统传动系统 功能功能: :改变机械运行速度、运动规律及方向，并将发动改变机械运行速度、运动规律及方向，并将发动 机的动力以最有效的方式传递给

13、行走机构和工作装置。机的动力以最有效的方式传递给行走机构和工作装置。 工程机械的主要传动类型包括机械传动、液力机工程机械的主要传动类型包括机械传动、液力机 械传动、液压传动和电传动等四种形式。械传动、液压传动和电传动等四种形式。 3.3.行走系统行走系统 功能功能: :承担整机重量，提供足够的牵引力，传递和承受承担整机重量，提供足够的牵引力，传递和承受 地面作用于行走机构的力和力矩，并吸收振动、冲击以地面作用于行走机构的力和力矩，并吸收振动、冲击以 保证机械的正常行驶。保证机械的正常行驶。行走系统主要有行走系统主要有轮式轮式和和履带式履带式两两 种类型。种类型。 4.4.操纵控制系统操纵控制系

14、统 功能：使机械能够正常稳定运行，使工作装置能够完成功能：使机械能够正常稳定运行，使工作装置能够完成 所要求的作业。工程机械的操纵控制系统一般包括底盘所要求的作业。工程机械的操纵控制系统一般包括底盘 操纵系统和工作装置操纵系统两个部分。操纵系统和工作装置操纵系统两个部分。 功能功能: :利用机械系统的动力改变作业介质的状态、形状、利用机械系统的动力改变作业介质的状态、形状、 位置或性质。主要包括各种类型的工作装置与机构。位置或性质。主要包括各种类型的工作装置与机构。 5.5.执行系统执行系统 3. 3. 本课程学习目的本课程学习目的 了解现代产品设计的理念、基本原理与方法；了解现代产品设计的理

15、念、基本原理与方法； 掌握工程机械底盘组成、分类、各部件的构造和工作原掌握工程机械底盘组成、分类、各部件的构造和工作原 理；理； 了解各种工程机械基本组成以及工作原理；了解各种工程机械基本组成以及工作原理； 了解各种工程机械及设备的主要发展趋势；了解各种工程机械及设备的主要发展趋势； 为工程机械产品设计理论的学习奠定坚实的基础。为工程机械产品设计理论的学习奠定坚实的基础。 工程机械工程机械 工作装置工作装置 动力装置动力装置底盘底盘 第一篇第一篇 工程机械底盘构造工程机械底盘构造 第一节第一节 工程机械底盘分类方式工程机械底盘分类方式 按照行驶装置结构不同分为按照行驶装置结构不同分为轮式底盘轮

16、式底盘和和履带式底盘履带式底盘，或轮式，或轮式 车辆和履带式车辆两大类。车辆和履带式车辆两大类。 按传动形式分为按传动形式分为机械传动机械传动、液力机械传动液力机械传动、液压传动液压传动和和电动电动 轮式轮式四种。四种。 第一章第一章 工程机械底盘概述和分类工程机械底盘概述和分类 如图所示的轮式装载机分为工作装置、动力装置和底盘如图所示的轮式装载机分为工作装置、动力装置和底盘 三大部分。工作装置三大部分。工作装置1固定在前车架，发动机固定在前车架，发动机9固定在后车架上，固定在后车架上， 前后车架通过中央铰销连成整体。装载机底盘除了车架外，还前后车架通过中央铰销连成整体。装载机底盘除了车架外，

17、还 包括传动系、轮式行驶系、转向系和制动系等部分。包括传动系、轮式行驶系、转向系和制动系等部分。 1、传动系：传递动、传动系：传递动 力给行驶系的驱动车轮和力给行驶系的驱动车轮和 其他辅助装置，主要部件其他辅助装置，主要部件 包括液力变矩器包括液力变矩器8、行星、行星 齿轮变速器齿轮变速器14、万向传、万向传 动装置、前后驱动桥动装置、前后驱动桥12 和和15。 2、行驶系：支承整车的重量和载荷，并保证车辆正常行驶、行驶系：支承整车的重量和载荷，并保证车辆正常行驶 和作业。主要部件包括车架和作业。主要部件包括车架5、前后车桥、前后车桥12和和15、前后车轮以及、前后车轮以及 连接车架与车桥的悬

18、挂装置等。连接车架与车桥的悬挂装置等。 3、转向系：改变和保持车辆的行驶方向。主要部件包括带、转向系：改变和保持车辆的行驶方向。主要部件包括带 方向盘的转向器和转向传动装置等组成。方向盘的转向器和转向传动装置等组成。 4、制动系：降低和稳定车速，以及在不使用车辆时实现停、制动系：降低和稳定车速，以及在不使用车辆时实现停 车制动。包括中央制动器或手制动器，以及轮边制动器或脚制动车制动。包括中央制动器或手制动器，以及轮边制动器或脚制动 器等。器等。 履带式底盘履带式底盘和轮式底盘一样也具有和轮式底盘一样也具有4个系统，但在个系统，但在构造组构造组 成成和和行驶原理行驶原理上有些差别。履带式底盘通过

19、不停地卷绕履带实上有些差别。履带式底盘通过不停地卷绕履带实 现行走；履带式底盘传动系无差速器，而存在转向离合器以及现行走；履带式底盘传动系无差速器，而存在转向离合器以及 带式制动器。带式制动器。 减速增扭减速增扭 以某运输车为例，该车总重量为以某运输车为例，该车总重量为 200KN，最小滚动阻力约为，最小滚动阻力约为 3.0KN（沥青路面上行驶，约为（沥青路面上行驶，约为 1.5机械总重量的滚动阻力），机械总重量的滚动阻力）， 假设采用车用增压柴油机假设采用车用增压柴油机 OM401LA，其所能产生的最大，其所能产生的最大 扭矩为扭矩为1KNm左右（转速为左右（转速为 1200r/min时），

20、假设此扭矩时），假设此扭矩 直接传给驱动轮，则驱动轮可能直接传给驱动轮，则驱动轮可能 得到的牵引力仅为得到的牵引力仅为2KN。 即使能启动，该柴油机在发出最即使能启动，该柴油机在发出最 大功率大功率150KW以上时的曲轴转以上时的曲轴转 速为速为1500r/min以上以上，假设将，假设将 发动机与驱动轮直接连接，则此发动机与驱动轮直接连接，则此 时该运输车辆的行驶速度为时该运输车辆的行驶速度为 280km/h以上。以上。 第二节第二节 传动系功用传动系功用 变速变扭变速变扭 工程机械的使用条件，如负荷大小、路面状工程机械的使用条件，如负荷大小、路面状 况等都在较大范围内变化，这就要求况等都在较

21、大范围内变化，这就要求工程机工程机 械牵引力和速度应有足够的变化范围械牵引力和速度应有足够的变化范围。而发。而发 动机在整个转速范围内扭矩的变化不大，汽动机在整个转速范围内扭矩的变化不大，汽 油机扭矩适应性系数（表示最大功率时发动油机扭矩适应性系数（表示最大功率时发动 机转速与最大转矩时发动机转速之比）仅为机转速与最大转矩时发动机转速之比）仅为 1.152.0，且功率及燃油消耗率的变化，且功率及燃油消耗率的变化 却很大，因而保证发动机功率较大而燃油消却很大，因而保证发动机功率较大而燃油消 耗率较低的曲轴转速范围（即有利转速范围）耗率较低的曲轴转速范围（即有利转速范围） 较窄。较窄。 为了使发动

22、机能保持在有利转速范围内工作，为了使发动机能保持在有利转速范围内工作， 而车辆牵引力和速度又能在足够大的范围内而车辆牵引力和速度又能在足够大的范围内 变化，应使传动系的变化，应使传动系的传动比传动比i（发动机转速发动机转速 与驱动轮转速之比与驱动轮转速之比）应具有足够大的变化范）应具有足够大的变化范 围，即传动系应起围，即传动系应起变速作用变速作用。 通过变速作用，满足了工程机械的动力性和通过变速作用，满足了工程机械的动力性和 经济性要求。经济性要求。 第二节第二节 传动系功用传动系功用 实现车辆倒驶实现车辆倒驶 发动机不能反向旋转。因此传动系能使驱动轮反向旋转。发动机不能反向旋转。因此传动系

23、能使驱动轮反向旋转。 结合或中断动力结合或中断动力 短时间切断动力：发动机只能在无负荷情况下起动，而且短时间切断动力：发动机只能在无负荷情况下起动，而且 起动后的转速必须保持在最低稳定转速以上，否则可能熄起动后的转速必须保持在最低稳定转速以上，否则可能熄 火；变换传动系档位时，也需中断动力。长时间切断动力：火；变换传动系档位时，也需中断动力。长时间切断动力： 不熄火停车；高速行驶的车辆，可利用惯性实现长距离滑不熄火停车；高速行驶的车辆，可利用惯性实现长距离滑 行，传动系应能长时间保持在中断传动状态。行，传动系应能长时间保持在中断传动状态。 差速作用差速作用 转弯行驶时，左右车轮所滚过的距离不同

24、，应使两车轮转转弯行驶时，左右车轮所滚过的距离不同，应使两车轮转 速不同。速不同。 第二节第二节 传动系功用传动系功用 传动系基本类型传动系基本类型 机械传动机械传动液力机械传动液力机械传动液压传动液压传动电动轮式电动轮式 第三节第三节 传动系类型传动系类型 机械传动优点机械传动优点 成本低廉成本低廉 传动效率高传动效率高传动准确传动准确利用惯性利用惯性 机械传动缺点机械传动缺点 负荷冲击大负荷冲击大 有级变速有级变速换档动力中断换档动力中断操纵费力操纵费力 液力机械传动优点液力机械传动优点 自动适应自动适应 载荷能力强载荷能力强 操纵方便操纵方便 冲击小，冲击小， 使用寿命长使用寿命长 机械

25、起步性能机械起步性能 和通过性能高和通过性能高 液力机械传动缺点液力机械传动缺点 效率略低效率略低 结构复杂结构复杂成本高成本高 液压传动优点液压传动优点 无级变速无级变速 操纵方便操纵方便 可实现制动可实现制动任意半径转向任意半径转向 液压传动缺点液压传动缺点 价格贵价格贵 噪声大噪声大 湘电集团湘电集团220t自卸车自卸车 （2000w以上）以上） 太原重工太原重工55m3电动铲电动铲 （1亿以上）亿以上） 北理工纯电动客车北理工纯电动客车 （100w左右）左右） 特斯拉电动车（特斯拉电动车（100w） BAGGER系列斗轮式挖掘机，系列斗轮式挖掘机，1978年由德国年由德国KRUPP公司研制（第一台型号为公司研制（第一台型号为 288，直到，直到293，共研制了六台），共研制了六台），12条履带条履带 第四节第四节 传动系布置方案传动系布置方案 前置后驱动（FR）：主要用于货车、部分客车和部分高级轿车。传统的布置 形式，优点：轴荷分配均匀（即汽车的前后轴承担重量比较平衡，一般情况 下，汽车后轴可承担约47%的车身重量），以后轮驱动的汽车在陡坡或连续 弯道中能获得较佳