【《某丘陵底盘的总体结构设计案例分析》5700字（论文）】

某丘陵底盘的总体结构设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u27468某丘陵底盘的总体结构设计案例分析 -1-296621.1底盘设计目标 -1-133691.2底盘总体设计方案 -2-181511.1.1底盘的选型 -2-117221.1.2整机的总体布局 -2-35291.3底盘行走系统的设计 -3-70471.4底盘动力系统的设计 -6-261251.4.1最大驱动力计算 -6-298001.4.1.发动机的选型 -7-255971.5底盘传动系统的设计 -8-225281.6小结 -11-1.1底盘设计目标目前，关于国内浅山丘陵地区相应的环境参数调研相对较少，设计农业机械所用行走底盘时，设计方案的确定需要和环境及农艺相结合，通过环境和农艺调研确定参数，对宁夏回族自治区柠条种植区进行实地调研和查阅资料后，得知柠条种植采用大田育苗技术，固定或半固定于半沙地，路面坡道较多且最大坡度可达25°，地面起伏频繁。柠条的种植多采用双行带距8m的种植农艺，如图2-1所示。(b)图SEQ图\*ARABIC2-1柠条种植区该行走底盘设计要求符合作业环境参数参数的同时，还需要有较好的通过性、爬坡性和稳定性，需要为柠条平茬极具作业提供动力。综上所述，设计目标如下：（1）底盘满载质量≤4000kg；（2）行驶速度范围为4～8km/h；（3）在半沙化路面的通过性良好，满载接地比压30kPa；（4）具备较好的爬坡越障能力，最大爬坡角度≥30°；（5）操纵方式简单，转向灵活且具有较小的转向半径。（6）结构紧凑，方便维修。1.2底盘总体设计方案1.1.1底盘的选型本课题设计的底盘作业环境为浅山丘陵地区，具有一般丘陵地区路面坡道多，坡度大和地面起伏频繁等特点的同时，又存在浅山区特有的土壤半沙化的缺点。行走底盘按照结构不同大致可分为三种[28]。腿式底盘应用与机器人的较多。履带式底盘在行驶过程中相较于另外两种底盘，在坡地作业时通过性好，由于结构特殊，行走时与路面接触面积大，接地比压较小，对地面的压实程度小，转弯半径也比较小，在负重大或行走路面沙化的工作环境中能很好地发挥优势。轮式底盘相比于履带式底盘重量小，行驶灵活，速度快，维修方便。适合于平稳路面上的行驶作业。但是普通的轮式底盘在浅山丘陵地区地形工作能力较差，很难满足复杂地形对于底盘的作业要求，由于爬坡性能和通过性能较差，不适合在路面承受力差和多坡道路面行驶[29-31]。所以，本文选定履带式行走机构为浅山丘陵作业车辆底盘的行走系统。履带底盘的行走形式有普通型、联合型、战车型和三角形[32]。普通型重视接地长度，稳定性好但越障性能较差；联合型偏重于行驶性能；战车型的履带有较大的前进角和离去角，良好的越障性能是这种类型适用于路面条件恶劣的环境；三角形可使机构小型化，适用于收割机和旱田作业机械。根据设计要求，选择战车型履带。本文对于底盘的设计要求中，对于车速要求较低，所以选用整体式行走系统。1.1.2整机的总体布局行走底盘的总体布局关系到柠条平茬机整机的作业经济性、通过性、稳定性和安全性。因此，总体布局对于底盘的整体设计的合理性具有很大影响[33]。分析影响整机布局的各种因素，设计底盘的总体布局为：（1）动力系统选用柴油机作为主要的动力源。（2）行走系统设计：与传统的履带式底盘相同，主要由“五轮一带”，包括驱动轮、支重轮、托带轮、张紧轮、引导轮、履带以及张紧装置组成[34]。（3）传动系统设计：本文中的传动系统是指柴油机动力传递至驱动轮中间的所有传动机构组成的系统。主要由带传动、变速箱组成。5底盘的整机结构的设计尺寸为2860mm×1680mm×2400mm，底盘的总体布局如图2-2所示。5294665487294665487主视图(b)俯视图油箱；2-驾驶室；3-平茬装置搭载位置；4-变速箱；5-发动机；6-液压动力装置；7-行走系统；8-车架；9-皮带图2-2总体布局图1.3底盘行走系统的设计1.3.1行走系统的工作原理底盘行走系统的功用是将整机支撑于工作路面之上，并将由传动系输入的转矩转换成车辆在地面上的移动和牵引力[35]。履带式底盘行走系统采用“四轮一带”式的结构，主要组成为驱动轮、支重轮、托带轮、张紧轮、引导轮、橡胶履带、张紧装置和车架等。底盘行驶过程中，驱动轮通过轮齿和履带啮合，驱动轮将履带向前卷起，当驱动轮的驱动力大于行走阻力时，底盘向前正常行驶。行走系统结构如图2-3所示452145211-张紧轮；2-履带；3-托带轮；4-驱动轮；5-支重轮；6-车架图2-3行走系统结构图1.3.2主要参数的计算本小节是以底盘设计的基本理论为依托，联系实际作业环境以及设计的目标和要求，根据现有的农用履带式底盘，通过计算得行走系统的最终设计参数。（一）履带主要参数与选型1、履带节距。整机的总质量是影响履带节距的重要因素，整机重力越大，履带节距取值越大，参考经验公式（2-1）进行估算[36]。（2-1）式中：为履带节距；为履带节距系数，取15-17.5；为整机质量，取预估值4000kg。2、履带板的宽度。履带板的主要参数为履带板的宽度，同等吨位下，宽度是影响整机接敌必大的主要因素。参照公式为:（2-2）式中，为履带宽度;为机体自重kg。将预估整机重量代入公式（2-1）、（2-2）得，。履带的接地长度和轨距。履带接地长度参考公式为：（2-3）履带式行走系统中，接地长度与轨距的比值超过1.7时，履带式底盘在浅山丘陵山地环境下会存在转向困难的问题；当取值小于1时，行走系统的跑偏可能性增加[37]。此处比值取值范围选为1.2～1.4。经计算确定履带接地长度，轨距。综合考虑底盘作业环境和设计要求，选用轮齿式橡胶履带。根据计算所得，参考行业标准《JB/T6682-2008联合收割机橡胶履带系列参数》，选用履带的型号为GRT-500×90×60-4000。履带主要参数如表2-1所示。表2-1履带主要参数名称参数值驱动类型轮齿型带宽（mm）500节距（mm）90带厚（mm）40接地长度（mm）1800履带轨距（mm）1350适应机重（kg）2500～40003、接地比压。履带式行走底盘的一个重要性能参数就是接地比压，其大小直接影响底盘行驶过程中通过性，也对稳定性造成一定影响。履带式行走底盘接地比压的计算公式如下[38,39]：（2-4）式中：为整机重量；为履带接地长度；为履带宽度。将相关参数代入式（2-4）得，符合设计要求。驱动轮参数驱动轮是主动轮，是变速箱输出的动力通过啮合传递给履带的装置。齿数的大小是决定传动系统稳定运行的关键因素。齿数较少时，齿轮外廓体积较小，传动系统总体积较小；齿数过大，齿轮尺寸增加，传动系统的重量增加，会影响底盘的各项性能[40]。但齿数过少，会产生不均匀传动的问题，也会减少齿轮的使用寿命。通常传递速度较，驱动轮齿数越少越好，但不得小于10，同时为了使全部齿轮啮合准确，齿数大小为奇数，增加使用寿命。根据农业行业推荐标准《JB1T6682-2008联合收割机橡胶履带系列参数》，选择驱动轮齿数为。为避免发生根切，采用正变位齿轮。1、驱动轮分度圆的直径公式为：（2-5）式中：为履带节距；为驱动轮齿数。2、驱动轮齿根圆的直径公式为：（2-6）式中：为内传动表面与钢丝绳中心平面之间的距离,为18mm；3、驱动轮齿顶圆的直径公式为（2-7）式中：为履带厚度,为20mm；将代入公式（2-5），（2-6）和（2-7）中得到驱动轮的主要参数如表2-2，表2-2驱动轮主要参数参数名称参数值配置方式前置驱动驱动轮齿数13分度圆直径373mm根圆直径337mm顶圆直径408mm齿面弧线半径R=30-60mm支重轮参数支撑轮通过两侧的轴承及轴套与车架连接，主要担负底盘自身的重力以及农机具工作时产生的外力，同时支重轮夹持履带避免发生横向滑脱[41,42]。一般底盘上，都采用多个直径较小的支重轮，支重轮的个数由整机重力决定，重力越大，个数越多[43]。参考经验公式（2-8）进行估算，（2-8）将代入公式（2-8)得支重轮踏面直径。具体的安装方式应有助于增大接地长度，均匀接地比压。两支重轮间的距离一般为或，但是不能是或[44]。原因是因为随时都要保证履带啮合的铁齿上至少有一个支重轮，这样才可以减少因支重轮起伏而引起的高度差，提高平稳性，减少阻力。综上选用直径为290mm的支重轮，双侧履带各布置6个支重轮，相邻间距为290mm。托带轮参数托带轮的主要作用是支撑上方的履带，使履带保持张紧张态，从而避免履带下垂，减缓履带转动时的跳振。通常单侧履带配装1～2个托带轮，直径略小于支重轮直径。综上设计托带轮直径为250mm，共两个。（五）张紧轮和张紧装置张紧轮主要是为了引导履带运动方向，从而防止履带发生横向滑动，同时为了保持张紧力适中，可以与张紧装置一同使用，避免履带跳振。参考经验公式（2-9）进行估算，（2-9）将代入公式得张紧轮直径。1.4底盘动力系统的设计1.4.1最大驱动力计算履带式行走系统受到的行走阻力主要包括两部分。内部阻力为履带安装处的摩擦力，例如驱动轮和履带啮合时产生的摩擦力、车轮与各自的轴承之间的摩擦力等。履带的外部阻力为履带式底盘行走的过程中，履带受到地面挤压变形而产生的阻力[45,46]。履带底盘的直线行走所需驱动力：（2-10）式中：为外部滚动阻力系数，一般取0.1，各种路面的滚动阻力系数如表2-3；为内部阻力系数，取0.05；为整机质量，取预估值4000kg。表2-3各种路面的滚动阻力系数路面性质滚动阻力系数混凝土0.05冰面0.03～0.04坚实土路0.07松散土路0.10泥泞路面0.10～0.15履带底盘的坡道行驶所需驱动力：（2-11）式中：为坡道角度，取。经计算可知，，。底盘在爬坡时所需驱动力远大于底盘直线行驶时所需驱动力，则以底盘爬坡时所需要的驱动力为最大驱动力，计算得到最大驱动功率。最大驱动功率计算公式为：（2-12）式中：为最大驱动力，；为行驶速度，取8km/h；为传动系统效率，取；为行走系统效率，取。计算得最大驱动功率。一般履带式底盘停止行走后，操纵换挡机构完成转向，转向完成后再换挡继续直线行驶[47]。所以根据底盘转向时的功率消耗进行校核。履带车辆转向工况消耗功率是直线行驶消耗功率1.63-3.24倍。底盘转向时得驱动功率：（2-13）计算得。经计算和校核，确定底盘所需最大驱动功率为。根据项目的实际设计需求，发动机是柠条平茬机唯一的动力来源，它不仅需要给行走系统提供动力，发动机还需将动力分配给柠条平茬作业机具。已知平茬机具作业功率为，则整机需求最大功率为（2-14）1.4.1.发动机的选型浅山丘陵作业车辆需要有良好的爬坡性能、转向性能，还要够正常的进行作业。因此，选择一个适合的发动机提供动力源十分重要[48,49]。本文所设计的底盘在工作时，由于工作环境的影响，行走速度较低，同时又要搭载相应的农机具，所以要求有足够的起步转矩，汽油机虽然转速比柴油机高，但是输出转矩往往比柴油机低[50]，同时柴油机的经济性相比更好。所以选用柴油机作为整机动力源。根据前文计算已知，所选动力源功率应大于此功率。选用玉柴YCD4系列柴油机作为整机动力源，主要参数如表2-4所示。表2-4柴油机主要参数发动机参数名称参数型号YCD4N4S-110制造厂广西玉柴机械股份有限公司最大输出功率（Kw）80最大扭矩（N·m）310额定转速（rpm）3200缸径行程（mm）93×103冷却方式水冷外形尺寸（mm）830×620×6801.5底盘传动系统的设计1.5.1传动方案的确定本设计作为柠条平茬作业等农机具的负载底盘并为其提供动力。因此，柠条平茬机底盘的传动系统应分为两个分支，一个分支是将发动机提供动力传递至行走系统的驱动轮，另一个分支是将动力传递至负载的农机具进行作业。目前，车辆底盘主要的几种传动主要有液力机械式、机械式、静液压式和电力式[51]。传动方式的优缺点如表2-5。表2-5传动方式的优缺点传动方式优缺点机械传动简单的结构、可靠的工作性能、低成本、高效率，尺寸较大。常用于工程上的机械以及连续式作业负荷平稳的机械。液力传动单纯的液力传动结构复杂、成本较高，挡位合理、操纵方便，在轿车上广泛使用。静液压式传动系统造价也比较高，但其传动系统布置比较灵活，被广泛应用于军用车辆。电力传动电力式传动系统多应用于工程机械。传动方案主要取决于所设计底盘的功率大小和实际工作用途[52]。通过综合考虑众多影响因素等因素，本设计中的底盘行走系统选用机械传动方式，传动简图如图2-4所示，动力输出系统选用液压传动方式。1-带轮；2-液压平茬装置；3-发动机；4-变速箱；5-车轮；6-履带图2-4传动方案简图行走系统传动方案为：发动机—带传动—变速箱—驱动轮。发动机至变速箱采用皮带传动，带传动的结构简单、工作平稳、经济耐用。变速箱选用机械齿轮变速箱，选用了履带底盘专用变速箱，传动平稳准确，可靠性高。1.5.2传动系统参数的确定（一）速度的确定传动比主要与各档位行驶速度有关，所以应根据设计目标以及底盘自身转移的实际需求，先确定底盘的工作档位以及各档位的理论速度，再根据传动方案来计算传动比。本设计的车辆底盘主要作用是搭载柠条平茬等其他农业机械进行浅山丘陵地区的农业活动。所以，其理论速度的设计可参考其它同类型产品，确定车辆底盘理论设计的转移行驶速度为6~8km/h，工作时行驶速度为2~4km/h，后退行驶速度为4~6km/h。（二）带传动的设计带传动将柴油发动机动力传递给变速箱的输入轴。本设计所选发动机额定功率为80kw，根据《机械设计手册》进行设计，带传动参数如表2-6所示。表2-6带传动的主要参数名称参数V带类型SPB型V带主动带轮直径（mm）180从动带轮直径（mm）270传动比1.5基准长度1800中心距536单根带功率13.83V带根数7变速箱的选型本设计所选发动机的额定转速为3200r/min，根据理论设计目标中的车速以及实际工况需求，降低操纵的复杂程度，变速箱确定为两个前进挡加一个倒退挡。确定带传动的传动比大小为1.5，皮带输出轴的转速为（2-15）1、履带底盘工作时行驶速度为，则驱动轮的转速为：（2-16）Ⅰ挡设计的传动比为：（2-17）2、履带底盘后退时行驶速度为，则驱动轮的转速为：（2-18）变速箱的传动比为：