山地果园自走式履带运输车的抗侧翻设计【三维SW模型】【含7张CAD图纸和文档资料】
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本科毕业设计（论文）说明书 山地果园自走式履带运输车的抗侧翻设计 学 院 学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 年 5 月 7 日 学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人完全了解华南理工大学广州学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照有关要求提交学位论文的印刷本和电子版本；华南理工大学广州学院图书馆有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用复印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，可以公布论文的部分或全部内容。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日作者联系电话： 电子邮箱： 摘要为适应山地果园路况环境的运输特点，根据履带式运输车的行走特性，提出了基于提高抗侧翻性能的山地果园履带式运输车总体设计要求。在完成各总成设计的基础上，以提高运输车抗侧翻性能为目标，完成了山地果园履带式运输车总体布局的抗侧翻设计。建立整车的三维实体模型并对其进行了仿真，结果满足设计要求，缩短了设计周期。本设计的主要特点是：方案设计中提出多种方案，从可靠性、可实现性、综合性能等进行方案比较，选择方案。技术设计中应考虑总体配置合理、安全；选材、加工方法和技术条件可行；制图正确、标注齐全符合国家标准。充分注意整机各子系统之间的相关性，力求整机性能的一致性和最优化性。关键词：山地果园；自走式履带运输车；总体设计；抗侧翻；仿真。AbstractTo adapt to the environment of mountain orchard road transport characteristics ,according to the tracked vehicle running characteristics, its general layout requirements were put forward based on the improvement of side rollover resistant capability of the tracked vehicle for mountain orchard . After the completion of all assembly designs, in order to improve side rollover resistant capability of the tracked vehicle for mountain orchards, the general layout of the system design was completed. The vehicles 3-D model was established and carried on the simulation. The simulation results showed that the design met the design requirements, and shortened the period of design. The design of the main features are: design in a variety of programmes, from the reliability, can be realized, such as comprehensive performance programme, the options. Technical design should be considered in the overall allocation of reasonable safety; selection, processing methods and technical conditions feasible; correct mapping, tagging complete with national standards.full attention to the relationship between the various subsystems, to the consistency and performance optimization of.Key words: Mountain orchard；Self-propelled tracked vehicle；General layout design；Side rollover resistant；Simulation 36 设计说明书 目录摘要- I -ABSTRACT- -第一章 绪论- 4 -1.1设计背景- 4 -1.2山地运输车的工作特点和基本类型- 5 -1.3课题设计的目的和意义- 6 -1.4本设计的设计要求以及任务- 6 -第二章 总体方案设计- 8 -2.1履带式山地运输车的组成- 8 -2.2设计依据- 9 -2.3总体设计原则- 10 -2.4动力装置的比较与选型- 11 -2.5动力装置的比较与选型- 12 -2.6动力装置的比较与选型- 14 -第三章 主要参数的确定- 16 -3.1总体几何尺寸的设计- 16 -3.2驱动轮主要参数的确定及强度校核- 19 -3.3行走装置的牵引力计算- 21 -第四章 抗侧翻稳定性分析- 25 -4.1抗侧翻设计的意义- 25 -4.2抗侧翻设计的方法分析- 25 -4.3转向稳定性分析- 28 -总结- 36 -参考文献- 37 -致谢- 38 - 第一章 绪论1.1设计背景我国山区面积占全国总面积的三分之二以上，广大山区有着丰富的森林和矿产资源，水果在我国农业产值中的比重不断增加，为发展经济提供雄厚的物质基础。山区由于地形崎岖，交通闭塞，经济文化常常相对落后。水果生产机械化显得明显滞后，其中果园运输尤为突出。例如我国水果中的柑橘有90 种植在地形复杂的丘陵和山地区域，但是在种植和采收过程中果品和农资物料运输仍然以人力运输为主，生产效率低、劳动强度大。而传统的轮式农用运输车缺乏地形的针对性。改革开放以来，我国的科学技术、信息技术迅猛发展，各行各业都发生了翻天覆地的变化，工程机械行业同样得到了相应的快速发展。各行各业都在奋力拼搏、大胆创新，使得工程机械品种不断增加、产量不断提高、性能不断完善，发展势头强劲。农业机械的发展，与国家和农村的经济条件有直接的联系。在经济发达国家，特别是在农业劳动力很少的美国，农业机械继续向大型、宽幅、高速和高生产率的方向发展，并在实现机械化的基础上逐步向生产过程的自动化过渡。电子技术、微型电子计算机技术等各种先进科学技术，在农业机械产品及其设计制造中得到日益广泛的应用。 促进农业机械化装备及技术的推广应用，加快农业机械化更快更好地发展，是全面实现农业可持续协调发展，深入贯彻落实科学发展观的必要要求，是转变农业发展方式，促进结构升级优化的重要任务，是增强可持续发展能力，加快生态环境建设的有力保证；是促进建设社会主义新农村的重要手段，科学，高效加强农业机械技术的推广工作，对于推进现代农业建设，加快发展农机化，实现农业现代化、全面实现小康社会具有非常关键的战略意义。然而我国的农业机械化还相对落后，由于我国地域辽阔，各地域间气候环境等相差极大，要建立适合我国的农业机械任重而道远。农业机械化能够降低农业成本，节约资源，保护环境，节约劳动力，提高农产品质量，有助于实现大规模生产，在我国农业现代化中占据核心地位，具有极其重要的作用，具有广阔的发展前景和巨大的发展前途。但是由于农业机械工作于恶劣的环境中，因此在某种程度上其所需要的技术要求甚至高于工业机械，因此需要加大对农业机械方面的研究以及投入，需要更多的农业机械方面的人才。山地运输车是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的运输机械。山地运输车由发动机、液压系统、传动装置、底盘几部分组成。发动机的作用是提供动力；液压系统功能是把发动机机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能传送给油缸、马达等，再传动各个执行机构，实现各种运动；底盘的作用是承重、传力并保证满足对车速、牵引力和行驶方向的要求。底盘是组成整体的主要部分，行走机构的性能优劣直接影响整机的使用性能、经济性能。目前国外农用运输车产品基本可分为日韩型、意德型、英法型和美加型。日本、韩国两国的地理环境主要以山区为主，耕种规模不大，使得自走式履带、轮式小型运输车得以盛行。意大利与德国的地形特点是丘陵和山区占多数，但以农场经营管理为主，主要使用独立式农用运输车和农用拖拉机变形运输车。英国、法国等众多欧洲国家的地理环境与农场经营规模与以上两种模式有较大差异，主要以中型农场为主，使用农用客货两用车和大型厢式农用货车作运输之用的同时又可满足日常生活的需要。以美国、加拿大和澳大利亚为代表的大农业国家，更多的是使用重型载货汽车和半挂牵引汽车作为农业运输用途的工具。近年来我国山地果园田间运输技术已有所突破，主要技术有架空运输索道和轨道形式。这两种运输技术，为山地陡坡果园的农资和果品运输提供了解决方案，但存在机动性较差的缺点。为更好地提高山地缓坡地果园的运输效率，设计一种操作轻便而且适应性好的运输车很有必要。针对以山地为主的果园地理环境，在无路的粘性土壤路面，轮式车辆的附着力明显小于接地面积较大的履带式车辆，后者对复杂地形的适应性也明显优于前者。1.2山地运输车的工作特点和基本类型1.2.1山地运输车的主要优缺点（1）能无极调速且调速范围大，例如液压马达的最高转速与最低转速之比可达到1000:1。（2）能得到较低的稳定转速，例如柱塞式液压马达的稳定转速可低达1r/min。（3）传动平稳，结构简单，可吸收冲击和振动，操作省力，易实现自动化控制。（4）易于实现标准化、系列化、通用化。但是由于工作环境的恶劣，对机体的损害较大，磨损严重。1.2.2山地运输车的基本类型及主要特点运输车的种类繁多，可以从不同角度对其来写进行划分：（1）根据主要机构传动来写划分根据主要机构是否全部采用液压传动，山地运输车分为机械传动、全液压传动和非全液压（或称半液压）传动两种；（2）根据行走机构的类型划分根据行走机构的不同，山地运输车可分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式和拖式。1.3课题设计的目的和意义研究目的和意义：改善山地运输车的结构，提高运输车的性能，对该运输车进行整体稳定性分析，论证其强度和稳定性是否满足设计要求，由此判断车体抵抗破坏和变形的能力，对不满足条件的区域提出修改措施，并提出减重方案，节省材料，降低成本，提高设计的经济性和合理性。1.4本设计的设计要求以及任务1.4.1设计要求（1）履带式底盘结构的设计应有利于提高运输机在山地果园运行的通过性，即具有较好的转向性能、较强的爬坡能力和抗侧翻能力。 （2）设计履带式运输车的转向及行走控制系统应有利于提高操纵轻便性，适应山地果园运输作业。 （3）运输车的动力传动系统应有利于提高运输机的牵引力、承载能力、运输效率及燃油经济性。 （4）车厢结构及整机布局应优化设计，提高运输机的通用性、适应性和降低使用成本。1.4.2设计任务（1）整车的总体结构方案设计，总体几何尺寸的设计，绘制草图和总装配图；（2）行走装置的选型及设计，驱动轮主要参数的确定及强度校核；（3）三维模型建立，分析质量分布状态；（4）整车抗侧翻稳定性分析；（5）所有零、部件设计计算、绘制零、部件图。第二章 总体方案设计2.1履带式山地运输车的组成山地果园自走式履带运输车除了要具有山地行驶能力外还需要在高载重情况下工作，因此对其总体设计应要求具有合理的布局和结构紧凑。在动力性方面应保证其有足够的驱动力以获得较好的加速、爬坡与越障性能，同时提高履带式运输车的安全性和稳定性也极为重要。由于整车尺寸相对较小，履带底盘的尺寸也有限，因此在山区丘陵地带凹凸不平的路面行驶时比大中型履带车辆易侧翻，提高其各种负荷下的抗侧翻性能显得尤其重要。山地运输车主要由发动机、传动系统、行走装置和电气控制等部分组成。传动系统由液压泵、控制阀、液压马达、制动器、行星齿轮减速器、管路、油箱等组成；行走装置由四轮一带组成；电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。图2-1 山地运输车图2-2 自走式履带运输车的总体结构示意图1.运输车扶手2.转向操纵机构 3.发动机4.变速器操纵机构5.车厢6.主减速器7.车架8.行走机构2.2设计依据2.2.1履带式行走装置的主要特点底盘可以分为履带式与轮式，轮式底盘运用较广，但是它的牵引附着性能较差，在坡地、粘重、潮湿地及沙土地的使用受到一定的限制；履带式底盘牵引附着性能好，单位机宽、牵引力大、接地比压低、越远性能强、稳定性好，在坡地、粘重、潮湿地及沙土地的使用具有更好的性能。（1）牵引力大（通常每条履带的牵引力达机重的3540%），接地比小(一般为),转弯半径小，机动灵活；（2）采用液压传动，能实现无极调速；（3）每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置。两者比较采用履带式底盘可更加适应山西多山的地貌特征。2.2.2 设计参数车长小于2000；车宽小于1500；平地最大载量250kg；坡地最大载量150kg；最大爬坡度：20；前进挡2个，速度14-35km/h，倒挡1个，要求在各种载荷工况下均具有较好的抗侧翻性能。2.3总体设计原则山地果园自走式履带运输车除了要具有山地行驶能力外还需要在高载重情况下工作，因此对其总体设计应要求具有合理的布局和结构紧凑。在动力性方面应保证其有足够的驱动力以获得较好的加速、爬坡与越障性能，同时提高履带式运输车的安全性和稳定性也极为重要。由于整车尺寸相对较小，履带底盘的尺寸也有限，因此在山区丘陵地带凹凸不平的路面行驶时比大中型履带车辆易侧翻，提高其各种负荷下的抗侧翻性能显得尤其重要。根据设计要求，为提高自走式履带运输车的抗侧翻性能，对整车的总体布置采取如下设计原则：（1） 采用精简化的行走系设计，行走系由整体式橡胶履带、驱动轮、支重轮、张紧轮和张紧机构组成。橡胶履带自重轻，行驶时履带上方下垂量较小，可不配托带轮。因设计速度低，仅运载货物，设计时可省去大中型履带车辆所必须的悬架装置，以减轻整车质量，利于抗侧滑和侧翻。（2） 采用超低速齿轮式传动系设计，由两轴式变速器配合中央齿轮主减速器，使履带式运输车具有足够大的驱动力和超低转速输出性能，有利于提高通过性，也有利于提高抗侧翻能力。（3） 为使整车质量分布均匀合理，适于在山地起伏不平的复杂路面上行驶、提高抗侧翻性能，必须兼顾运输车的离地高度和整车重心位置。底盘车架采用 型结构，将发动机和变速器置于近驱动轮方位，即车架后方的同一平台。主减速器壳体固定在车架上并置于发动机和变速器的下方。发动机通过带传动将动力传递给变速器，变速器输出轴通过齿轮传动将动力传递给主减速器中央齿轮，再通过常啮合转向离合器，将动力传到半轴和履带驱动轮，实现履带式运输车的行驶。运输物品的车厢位于车架中前位，使满载时运输车的前、后配重更为均匀，有利于提高抗侧翻性能。（4） 运输车扶手、换挡手柄、离合器和油门等则根据人体工程学布置设计使操纵更为舒适方便。车厢尺寸根据装运水果的标准箩筐尺寸进行设计，以提高果品的装载量，同时在不同装载载荷下其质心位置均有利于提高抗侧翻性能。2.4动力装置的比较与选型履带式运输车常用的动力源主要有三种：电动机、柴油机以及蒸汽机。（1）交流与直流电机电动机是把电能转换成机械能的设备，按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。交流异步电动机功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机，它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。直流电机其缺点是与异步电动机比较，直流电动机结构复杂，使用维护部方便，而且要用直流电源。（2）柴油机 柴油机是用柴油作燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机。柴油机具有热效率高的显著优点，经济性优于汽油机，功率大，符合工程机械向大型化发展的趋势。其应用范围越来越广。柴油机具有较好的燃油经济性，使用成本低，在相同的续驶里程内，可以设置容积小些的油箱。柴油机压缩比可以达到1 523，而汽油机一般控制在810；柴油机热效率高达38，而汽油机为30；柴油机工作可靠，寿命长，排污量少。 随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声和低污染，都是柴油机的重要发展方向。（3）蒸汽机蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性力限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。逐渐为其他动力装置所代替。综上所述，运输车常作业于野外，需要经常行走移动。由于柴油机作为动力装置不受电源、电缆的限制，使得运输车移动、行驶方便，故本设计采用了柴油机作为动力源。2.5传动方式的选择传动系统是从发动机到驱动轮之间所有的动力传递装置的总称。传动系统的功用是把动力装置输出的功率传递给驱动轮，并改变动力装置的输出特性，以满足对自行式工程机械车速和牵引力的要求。目前，工程机械的传动系统有以下四种类型：机械传动、液力机械传动、电力传动以及液压传动。2.5.1机械传动机械传动是指传动系统中采用刚性零部件传递动力的方式。它是通过齿轮、齿条、带、链等机件传递动力和进行控制。工程机械中使用机械传动系统由来已久。机械传动具有结构简单、制造容易、工作可靠、重量轻、操作简单、维护方便、价格低廉、传动效率高、可以利用传动系统运动零件的惯性进行作业等优点。但是机械传动存在许多缺点：在行驶阻力急剧变化的工况下，柴油机容易过载熄火，因此要求司机有熟练的操作技巧。采用机械式变速箱，换挡时动力中断时间长。柴油机振动直接传递到传动系个零件，而行驶阻力的变动又直接影响柴油机的工作，降低了柴油机和零部件的使用寿命。工作阻力的变化将直接影响发动机的工作，为了充分利用发动机的功率，需要增加变速器的档位数，因而变速器结构变得复杂，并且增加了司机的换档次数。机械传动不能进行无极调速，远距离传动比较困难。上述缺点在行驶阻力变化剧烈及经常改变行驶方向的工况下影响特别显著。因此，机械传动适用于行驶阻力比较稳定的连续作业机械。2.5.2液力机械传动液力机械传动是在普通机械传动系统中串联或并联加入液力变矩器（或液力偶合器）后，使发动机输出的动力通过液力变矩器（或液力偶合器）及机械传动部件传到驱动轮，这个系统称为液力机械传动系统。它具有的主要优点是：使工程机械具有自动适应载荷变化的特性；简化了机械的操纵，延迟了机械的使用寿命；提高了机械的起步性能和通过性能同时简化了维修工作。与机械传动相比，液力机械传动的主要缺点是成本高，在行驶阻力变化小而进行连续作业时，上述优点并不明显，而由于变矩器的传动损失，增加的燃油消耗量。2.5.3电力传动电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制。采用发电机驱动发电机发电，通过电力驱动电动机，进而驱动行走机构与工作机构。电力传动的主要优点是：动力装置和车轮之间无刚性联系，便于总体布置和维修。变速箱操纵轻便，可实现无级变速，同时容易实现自动操作。电动轮通用性强，可简单的实现任意多驱动轮的方式以满足不同机械对牵引性能和通过性能的要求。电力传动存在的缺点是：运动平稳性差，易受外界负载的影响，惯性大，起动及转向慢，受温度、湿度、振动、腐蚀等环境因素影响较大。而且成本高，据统计比液力机械传动成本约贵20%左右。目前仅用于大功率的自卸载重汽车、铲运机及矿用轮式装载机等机械中。2.5.4液压传动采用发动机驱动随机的油泵站，再由液压马达驱动行走机构。该传动方式取消了主离合器、变速箱、后桥等传动部件，使工作装置的操纵和整机驱动方式统一，可减轻机重、结构紧凑、总体布置简单，原地转向性能好，可实现牵引力和速度的无极调整，大大提高了牵引性能。与其它传动方式相比，液压传动具有的有点有：能实现无级变速且变速范围大，并能实现微动。变速操纵简单。可利用液压系统实现制动。采用左右轮分别驱动的系统，能方便地实现弯道行驶和转向。便于实现自动和远距离操作。液压传动具有其独特的优越性，但也不能忽视其存在的缺点：对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁。液压传动在能量转化的过程中，压力大，流量损失大，系统传动效率较低。经过对机械传动、液力机械传动、电力传动、液压传动的分析比较，随着液压技术的不断发展完善，液压传动的应用日益广泛，鉴于本机械产品的实际要求，在充分考虑其实现可行性和经济性的基础上本产品设计中采用液压传动系统。2.6行走方式的比较与选择运输车根据不同的行走系可分为轮胎式、履带式等。相对履带式而言，轮胎式挖掘机对路面要求高，由于履带式挖掘机的附着力大，能达到轮胎式的1.5倍，通过性好，接地比压小，适宜在松软地段和湿地作业，抗磨损性能好，可在碎石地段、地形起伏较大的恶劣条件下作业，爬地能力强，宜在山区作业。履带式行走系比之轮胎式有以下特点：（1）履带式运输车的驱动轮只卷绕履带而不在地面滚动，机器全重经支重轮压在多片履带板上，全部重量都是附着重量（这相当于全轮驱动的轮式机器），加上履带支承面上同时抓地的履齿较轮式机器同时抓地的胎面花纹多得多，所以履带式机器的牵引附着性能要好得多。（2）与同马力的轮胎式机器相比，由于履带支承面大，接地比压小（一般小于0.1MPa），所以在松软土壤上的下陷深度小，因而滚动阻力小，有利于发挥较大的牵引力。（3）履带式行走系重量大，运动惯性大，缓冲减振作用小。结构中最好有某些弹性元件。综上比较，考虑到运输车一般在野外作业，工作载荷变化大，作业环境恶劣，技术保养条件差；而履带式行走装置又是液压挖掘机用得最多的一种装置。因此本设计采用了履带式行走装置。经过上述总体方案的选型设计，最终确定行走装置的动力路线为：柴油机液压泵控制阀液压马达制动器减速器驱动轮履带。第三章 主要参数的确定3.1总体几何尺寸的设计履带式底盘是机器的重要部件，它对整个装置起着支撑作用。所以根据现有工业的履带机械（挖掘机）再结合农用的履带（拖拉机）对整个装置进行较完整的配合与加工等一系列的设计。在本次设计中按照标注选定法、理论分析计算法等方法得出的参数值不可能都是完全切合的。通常在设计开始时一些参数还不能利用以上方法完全确定，因此在本设计中有的参数采用了经验公式法进行计算。（1）履带带长： =1.38 (210) 1764式中：为尺寸系数（1.251.5），本设计取； 为整机重量，本设计=2吨（本设计除特殊说明外，含义相同）。考虑到整体布局，类比同型产品可在此基础上增大10%；故可取为1913。（2）驱动轮与导向轮轴向中心距： =1.1(210)1386式中：为尺寸系数(1.01.2)。考虑到整体布局，类比同型产品可在此计算的基础上增大10%-20%；故可将取整为1525。（3）轨距 =0.6(210) 756式中：为尺寸系数(0.60.85)。考虑到整体布局及宽度，故可取为756。（4）履带高度 =0.32(210)403式中:为尺寸系数(0.30.35)。为了整体的整体布局，考虑将其扩大14%左右，计算得=472。（5）履带板宽 由经验数据得：的值可在200800间取值,由于载重量较小，根据中华人民共和国国家标准液压挖掘机履带GB1067789规格系列查取=400。（6）底盘总宽 =756+400 =1156（7）履带接地长度= + 0.35D = + 0.35( ) =1525+0.35（1913-1525） 1661式中：为驱动轮直径，约为。（8）后端支重轮到驱动轮间距 =2.5101 252.5式中：为尺寸系数（2.42.6)；为履带节距，根据表3-1表3-1应用机器质量（吨）3.59104040节距（mm）101135140154171190203216229260317则取=101。（9）前端支重轮到导向轮间距 = =2.41101243.41式中： 为尺寸系数(2.43)，为了布局近似取=243.5(10) 两端支重轮间距 = =1525-252.5-242.4 =1030.1（11）悬架顶部离地高 = =0.4(210) 504式中：为尺寸系数(0.370.42)。为了整体的整体布局，考虑将其扩大3%左右，计算得=519。(12)悬架底部离地高=(0.40.5) =0.45519 =233.55为了整体布局，取整得=235。为了整体美观，试取刚性架提高高度=100(13)相邻两支重轮间距 =(12) =1.46147现将机体主要线性尺寸列于表3-2。表3-2 机体主要线性尺寸项目履带长度轨距轮距履带总高悬架顶部离地高悬架底离地高履带板宽结果/mm191375615254725192354003.2驱动轮主要参数的确定及强度校核驱动轮是将传动系统的动力传至履带，以产生使车辆运动的驱动力。因此，要求驱动轮与履带的啮合性能要良好，即在各种不同行驶条件和履带不同磨损程度下啮合应平稳，进入和退出啮合要顺利，不发生冲击、干涉和脱落履带的现象，其次要耐磨且便于更换磨损元件。3.2.1主要参数的确定（1）节距，驱动轮节距应与履带节距相等，。（2）齿数，增加驱动轮齿数，能使履带速度均匀性改善，摩擦损失减少，但会导致驱动轮直径增大，引起机重和整机高度的增加。驱动轮齿数一般为奇数，使得啮合过程中每个齿都能和节销啮合。其齿数通常取，本设计中取（3）驱动轮直径的确定驱动轮的节圆半径按下式计算： = 187式中：为驱动链轮的名义齿数，为实际齿数的半，则=。 驱动轮模数：驱动轮节距：=163.14=50.24 驱动轮的齿顶圆半径按下式计算： 齿根圆半径的计算公式如下： 式中：为履带节销半径，根据中华人民共和国国家标准液压挖掘机履带GB1067789规格系列查取=26.9。齿根圆弧偏心距： =0.07（） =0.07（101226.9） 3.303.2.2强度的校核按机械零部件的计算方法验算轮齿的齿面接触强度。驱动轮轮齿齿面挤压应力应满足： 式中：驱动轮齿宽度，； 履带销套外径，查对应履带型号得； 许用用挤压应力；=。条件满足，符合强度要求。3.3行走装置的牵引力计算山地运输车行走时，需要克服行走中所遇到的各种运动阻力，牵引力也就是用于克服这些运动阻力的。牵引力计算原则是行走装置的牵引力应该大于总阻力，而牵引力又不会超过机械与地面的附着力。行走装置运行时所发出的牵引力必需能克服下列阻力：履带的内阻力；土壤变形等的运行阻力；坡度阻力和转弯阻力等。3.3.1土壤的变形阻力土壤对履带行走装置在运行时的阻力是由于履带使土壤挤压变形而引起的，土壤形阻力计算如下： = =0.122 =0.24式中：为土壤的变形阻力；为运行比阻力，考虑到挖掘机工作环境较为恶劣，值取为0.100.15。3.3.2坡度阻力 坡度阻力是由于机器在斜坡上因自重的分力所引起的。设坡角度为，则坡度阻力为： = =1.14式中：为坡度阻力；为坡度角度，取为。3.3.3转弯阻力履带式运行装置在转弯时所受到的阻力较为复杂，其中包括履带与地面的摩擦阻力，履带板侧面剪切土壤的阻力以及履带板突肋挤压土壤的阻力等等。这些阻力要全部进行详细计算是比较困难的，但因第一项阻力最大，也是最主要的，所以重点研究履带板在转弯时与地面的摩擦力矩。 = =0.385式中：为转弯阻力；为履带与地面摩擦系数，取值为。3.3.4履带运行的内阻力履带运行时由于履带销轴间的摩擦以及支重轮、导向轮和驱动轮等滚动阻力和轴颈摩擦阻力形成履带运行的内阻力。 = =0.12式中：为履带运行的内阻力。3.3.5不稳定运行时的惯性阻力 = =0.02式中：为不稳定运行时的惯性阻力。3.3.6总阻力的计算忽略风载阻力，则转弯行走阻力为： =0.24+0.385+0.12+0.02 = 0.765坡道运行阻力为： =0.24+1.14+0.12+0.02=1.52因为，则取总阻力为1.52。3.3.7牵引力的校核履带式工程机械的行走牵引力的经验公式计算： = =1.6牵引力，因为，所以牵引力满足要求，则牵引力为：1.6。每条履带的牵引力：。附着力： = 1.63式中：为履带和地面间的附着系数，取为0.9；为坡度角。所以，由此得，满足牵引力计算原则，符合设计要求。第四章 抗侧翻稳定性分析4.1抗侧翻设计的意义在运输车行驶过程中，侧翻是一种严重威胁驾驶员安全的事故。侧翻被定义为能够使车辆绕其纵轴旋转90度甚至更多，以至于车身同地面接触的任何一种操纵。侧翻可以由一个或一系列综合因素产生。主要有三个因素和它们之间的相互作用造成了车辆侧翻事故，这三个因素分别是司机、驾驶环境和车辆结构。当车辆的侧向加速度超过某临界值时，汽车内侧车轮的轴荷（相应的地面支反力）趋于零值，侧翻就可能发生；在有坡度的路面（或无路情况）上遭遇不平路面的冲击时，地面松软或其他障碍物也会产生足够的侧向力，从而使车辆产生侧翻。山地果园自走式履带运输车除了要具有山地行驶能力外还需要在高载重情况下工作，因此对其总体设计应要求具有合理的布局和结构紧凑。在动力性方面应保证其有足够的驱动力以获得较好的加速、爬坡与越障性能，同时提高履带式运输车的安全性和稳定性也极为重要。由于整车尺寸相对较小，履带底盘的尺寸也有限，因此在山区丘陵地带凹凸不平的路面行驶时比大中型履带车辆易侧翻，提高其各种负荷下的抗侧翻性能显得尤其重要。 侧翻是一个包括作用在整车外部和车辆内部的力的相互作用的复杂过程。显然，侧翻受操纵行为和公路环境的影响。由于自走式履带运输车的车速不高，其行驶条件状况多在有坡度的路面（或无路情况）上比较多，侧翻的发生主要受外部环境的影响。4.2抗侧翻设计的方法分析整车静力学仿真用solidworks软件分析整车模型质心位置，利用履带车稳定性评价指标公式计算出履带车的极限坡度角。整个仿真过程也是建立在装配模型的基础上的，通过给各部件进行材料定义，建立相应的测量坐标系等一系列操作来实现。模型图在完全装配好后，给模型中的每个零件定义材料，如表4.1 所示。整车中未被定义材料的金属零件统一定义为普通钢材。图4-1 solidworks建模的山地运输车表4.1 整车以及零部件质量统计序号零部件材质密度/kg.m-3泊松比弹性模量/MPa1车厢Q235A7.83X1030.2742.1X1052车体HT1507.0X1030.1941.16X1053履带橡胶1.0X1030.496.14轮组40Cr7.87X1030.2772.1X1055轴457.82X1030.282.1X1056其他部件普通碳钢7.83X1030.272.0X105完成材料定义后，建立质心的测量坐标系。由于履带式运输车极限坡度角的计算需要求得整车质心的离地高度和距离履带首尾接地的距离，故以履带底平面、履带与地面的首尾接触点的铅垂面和整车的纵向平分面为基准平面建立两个测量坐标系。最后得出整车静力学仿真质心位置，并求得履带运输车行驶状态参数如表4.2所示，表中h为质心高度、a为质心至后支重轮轮心距离、L为履带的接地长度、e为车辆重心距纵向对称面的偏移距离。表4.2 自走式履带运输车行驶状态参数分析序号行驶状态h/mma/mm(L-a)/mmE平均值/mm1平地空载行驶255.4135.4624.65.422上坡满载行驶385.6308.4451.63.133平地满载行驶424.7359.9400.12.44图 4-2 为履带式运输车的极限上坡角lim 和极限下坡角lim示意图，其计算式为：lim=arctan（a/h） (1)lim=arctan(（L-a）/h） (2)式中 履带接地长度。图4-2履带式运输车极限上坡角、极限下坡角示意图由式（1）和式（2）可求出所设计的履带式运输车的纵向极限上、下坡度角，如表4.3所示。表4.3 各行走状态下的自走式履带运输车的纵向极限坡度角序号行驶状态极限上坡角limh/（）极限上坡角limh/（）1平地空载行驶27.967.82上坡满载行驶38.749.53平地满载行驶40.343.3各状态下的横向极限坡度角表明履带式运输车的抗侧翻的能力，计算式为:lim=arctan(0.5(B+b)-e)/h （3）式中 履带式运输车辆轨距履带接地宽度由式（3）计算得横向极限坡度角如表4.4所示。表4.4 各行走状态下的自走式履带运输车的横向极限坡度角序号行驶状态横向极限坡度角 limh/（）1平地空载行驶50.92上坡满载行驶38.73平地满载行驶36.8从仿真分析的结果与设计的要求可知，通过装配过程与各总成设计的目标参数化调整，使履带式运输车的整体布局符合了设计技术参数的要求。静力学仿真的整车质心相对于纵向平分面距离的3个仿真结果均小于55mm，基本上达到整车左右相同配重的原则，提高了整车抗侧翻的性能。结论（1）根据山地果园的特点，为解决微型山地履带运输车抗侧翻性能较差的问题，对整车系统布局提出了可行的设计方案。（2）建立了整车三维实体模型，对模块化组件进行虚拟装配，并对其进行运动学和静力学仿真分析，通过分析优化，使设计满足技术参数要求，提高了整车抗侧翻性能。（3）与现有果园运输工具对比，履带式运输车对地形有较强的适应能力，在山区无路地形也具有更好的通过性和行驶稳定性。由于其行驶速度较低，较适合山地果园短途运输和小规模果园使用，解决了其他运输方式存在的不足。4.3转向稳定性分析4.3.1 履带式车辆的转向原理： 履带式车辆转向是利用转向机构来调节传至两侧履带上的驱动力，使左、右驱动轮上的驱动力不等来实现的。 4.3.2 双履带式车辆转向运动学 履带车辆不带负荷时，在水平地段上绕转向轴线O作稳定转向的简图，如图4-3所示。从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距离R，称为履带式车辆的转向半径。以代表轴线O在车辆纵向对称平面上的投影，的运动速度代表车辆转向时的平均速度。则车辆的转向角速度为： (4) 图4-3 履带式车辆转向运动简图转向时，机体上任一点都绕转向轴线O作回转，其速度为该点到轴线O的距离和角速度的乘积。所以慢、快速侧履带的速度和分别为： (5)式中：B履带车辆的轨距。根据相对运动原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：(1)牵连运动，；(2)相对运动。由上可得：4.3.3 双履带式车辆转向动力学4.3.3.1牵引平衡和力矩平衡图4-4给出了带有牵引负荷的履带式车辆，在水平地段上以转向半径R作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。转向行驶时的牵引平衡可作两点假设：(1) 在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻力，且两侧履带行驶阻力相等，即： (2) 在相同的地面条件和负荷情况下，相当于直线行驶的有效牵引力，即： 图4-4 转向时作用在履带车辆上的外力 所以回转行驶的牵引平衡关系为： (6)设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为，在负荷作用下总的转向阻力矩为： (7)式中：牵引点到轴线的水平距离。如前所述履带车辆转向是靠内、外侧履带产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为： (8)稳定转向时的力矩平衡关系为： 为了进一步研究回转行驶特性，有必要对内、外侧驱动力分别加以讨论。由上可得： (9)式中：为在作用下，土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，作用方向与驱动力方向相同，以表示。变形得式： (10)令所以。称为转向参数，其意义为转向力与车辆切线牵引力之比。显然大表示转向阻力矩大，小表示转向阻力矩小。可以综合反映转向特性。将代入得： (11)下面就值得变化来讨论一下履带车辆转向情况。1.当=0时，转向阻力矩，。表明车辆作直线行驶。2.当=0.5时，内侧履带的驱动力，外侧履带的驱动力。说明内侧转向离合器彻底分离，但制动器没有制动，牵引负荷完全由外侧履带承担。3.当0.5时，内侧履带的驱动力，外侧履带驱动力。说明内侧离合器处于半分离状态，内外侧履带都提供驱动力。4.当0.5时，内侧履带的驱动力，外侧履带驱动力。说明内侧离合器不仅完全分离，而且对驱动链轮施加了制动力矩，履带产生了制动力。假定发动机的转速不变，具有转向离合器的履带式车辆稳定转向时由于快速侧离合器未分离，故该侧履带的速度就等于车辆直线行驶时的速度v。转向时车辆的平均速度： (12)这表明，具有转向离合器的履带式稳定转向时，其平均速度比等速直线行驶时的速度要低。当车辆作直线运动时，两侧离合器是结合的，而制动器则是完全松开的。此时两侧驱动轮以相同的角速度旋转，其转向参数=0。车辆需要转向时，可以有下列两种情况。第一种转向情况是：将两侧制动器完全松开，部分地或全部分离慢速侧离合器。此时两侧履带上的驱动力为正值，因此两侧半轴都传递驱动力，在这种情况下转向参数0.5。当车辆在第一种情况下(0.5)稳定转向时，如图4-5所示，两侧履带上的驱动力均为正值，慢速侧离合器所传递的力矩比快速侧离合器所传递的力矩要小。设此时传到中央传动从动齿轮上的驱动力矩为，则 图4-50.5时作用在具有转向离合器的履带式车辆后桥上的力矩 如果将履带驱动段效率略去不计，这时两侧履带上的驱动力分别是： 式中：驱动轮的动力半径。车轮转向力矩为： (13)上式说明，如0.5的情况下，具有转向离合器的履带式车辆的转向力矩可以靠慢速侧离合器的摩擦力矩来调节，慢速侧离合器分离程度越大，则摩擦力矩越小，车辆转向力矩就越大。当慢速侧离合器全部分离时=0，转向力矩达到不施加制动器时的最大值，此时，=0.5。第二种转向情况是：除了将慢速侧离合器彻底分离外，还对慢速侧加以制动。此时慢速侧履带上的驱动力为负值。因此慢速侧半轴和慢速侧履带是在机体带动下运动的，在这种情况下转向参数0.5。 图4-6 0.5时作用在具有转向离合器的履带式车辆后桥上的力矩在第二种转向情况下(0.5)，慢速侧离合器输出半轴必须制动，在这种情况下，履带车辆的转向力矩可由下式表示(图4-6)： (14)上式说明，在第二种转向情况下，车辆的转向力矩，可以利用调节制动器摩擦力矩的方法来达到。车辆在稳定转向时，制动器上所需的摩擦力矩为：由上式可知，当车辆不带负荷(=0)且滚动阻力极小(=0)时，制动器摩擦力矩可表示为： (17)当车辆转向受限于附着力时，转向力矩应为：车辆稳定转向时，转向力矩恒等于转向阻力矩，即,于是求得由土壤附着力决定的制动器最大摩擦力矩： (18)上面讨论了第二种转向情况下转向离合器制动摩擦力矩的计算方法。4.3.4对履带式车辆转向机构的简单评价履带式车辆的使用寿命和生产率在一定程度上取决于它转向机构的性能情况。为了保证车辆在任何使用条件下都能转向，对转向机构提出的基本要求是：(1)转向机构应保证车辆能平稳地、迅速地由直线运动转入沿任意转向半径的曲线运动；(2)转向机构应使车辆在转向时具有较小的发动机载荷比，以免发动机熄火；(3)转向机构应使车辆具有较小的转向半径，以提高车辆的机动性；(4)转向机构应保证车辆具有稳定的直线行驶性，不应有自由转向的趋势。 总结本设计以一般工程机械设计为基础，主要参考履带底盘的设计过程，并集合了现有相似机械设备进行的山地果园自走式履带运输车的整体设计，以及抗侧翻稳定性的分析。本设计采用常用的设计理论和计算方法对山地运输车
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