ZL50裝載機總體及行星變速箱設計（中間軸及齒輪）

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本科畢業(yè)設計（論文）ZL50 裝載機總體及行星變速箱設計（中間軸及齒輪）（楊大偉）燕 山 大 學2011 年 12 月本科畢業(yè)設計（論文）ZL50 裝載機總體及行星變速箱設計（中間軸及齒輪）學院（系）： 繼續(xù)教育學院 專 業(yè)： 機械工程及其自動化 學生 姓名： 楊大威 學 號： 指導 教師： 答辯 日期： 燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院： 系級教學單位： 學號學生姓名 楊大威專 業(yè)班 級機械工程及其自動化題目名稱 ZL50 裝載機總體及行星變速箱設計（中間軸及齒輪）題目性質1.理工類：工程設計 （√ ） ；工程技術實驗研究型（ ） ；理論研究型（ ） ；計算機軟件型（ ） ；綜合型（ ）2.管理類（ ） ；3.外語類（ ） ；4.藝術類（ ）題目類型 1.畢業(yè)設計（ √ ） 2.論文（ ）題目題目來源 科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ √ ） 主要內容1.總體設計：A.總體方案及總體參數(shù)的確定：①確定軸距和輪距②初選輪胎③初定斗寬和斗型④計算阻力⑤裝載機的使用重量⑥確定發(fā)動機的功率⑦車速和檔位的確定⑧最大卸載高度和相應的卸載距離。B. 牽引計算；①做柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線②確定檔位數(shù)及各檔傳動比③運輸工況的牽引特性曲線④求出各檔最高車速分析該車的牽引性能 C.牽引計算；①做柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線②確定檔位數(shù)及各檔傳動比③運輸工況的牽引特性曲線 。C. 變速箱擋位、速比的確定，動力換檔變速箱形式的選定。2.變速箱設計（行星變速箱）：A.方案設計，確定傳動簡圖；B.技術設計；C.剛度、強度計算。3. 變速箱操縱液壓系統(tǒng)原理圖設計。研究方法：運用所學專業(yè)知識、設計經驗采用計算法和類比法綜合運用的方法。研究思路：首先多方面收集相關資料，進行實習了解裝載機的實際結構，并熟悉裝載機的各個部分，然后根據所學知識，參照相關樣機，取其優(yōu)點，去其缺點，設計出自己的?；疽蟊井厴I(yè)設計是對我們畢業(yè)生一次全面訓練，目的在于鞏固可擴我們在校其間所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練我們的綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。我們在工作設計過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)造的分析，解決技術問題。通過畢業(yè)設計，使學生掌握裝載機的總體設計，變速箱設計，牽引計算的確技術工作的實現(xiàn)方法，為今后步入工作崗位打下良好的基礎。在此次的設計中我們會用 pro/E 建摸并用有限元方法分析某個零件的強度性能。參考資料[I]同濟大學主編.鏟土運輸機械.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.[II]吉林工業(yè)大學編.輪式裝載機設計. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.[III]楊晉生主編. .鏟土運輸機械.北京：機械工業(yè)出版社，1987.[IV]同濟大學主編.工程機械底盤構造與設計.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.[V]諸文農編.底盤設計（上、下）.機械工業(yè)出版社.[VI]許鎮(zhèn)宇、邱宣懷主編.機械零件.人民教育出版社.[VII]機械零件課程設計.貴州人民出版社.[Ⅷ]吉林工業(yè)大學主編.工程機械液壓與液力傳動.機械工業(yè)出版社.[Ⅸ]液壓傳動設計手冊.上海科技出版社.[Ⅹ]東北工學院編.機械零件設計手冊.冶金工業(yè)出版社.[Ⅺ]成大先主編.機械設計手冊.化學工業(yè)出版設，2004.[Ⅻ]《機械工程標準手冊》編委會編. 機械工程標準手冊.中國標準出版社，2002.[ⅰ]黃宗益、薛瑞祺、閻以誦編著.工程機械 CAD.同濟大學出版設，1990.[ⅱ]D.J.Wilde,Globally Optimal Design,Wiley Interscierce,N.Y.1978[ⅲ]Roger E.Kaufman,Mechanism Design by Computer,Machine Designm,Oct.1978周 次 第 1～2 周 第 3 ～5 周 第 6 ～7 周 第 8～10 周 第 11 ～13 周應完成的內容查找英文資料進行英文翻譯，熟悉設計內容并收集資料；熟悉整理資料，方案選擇及總體設計；繪制總體布置圖， 變速箱設計；繪制變速箱裝配圖； 液壓原理及典型零件設計；修改設計圖、完善和裝訂設計成果。指導教師：職稱： 年 月 日系級教學單位審批：年 月 日I摘要ZL50 裝載機是我國輪式裝載機系列中的中型產品，該機是一種較大型的以裝卸散狀物料為主的工程機械，廣泛應用于礦山、基建、道路修筑、港口、貨場、煤場等地進行裝載、推土、鏟挖、起重、牽引等作業(yè)。ZL50 裝載機屬于 ZL 系列，采用輪式行走系，液力機械傳動系，鉸接式車架，工作裝置采用液壓操縱。所以該機具有機動性好、轉向靈活、生產率高、操縱輕便等優(yōu)點，另外，該機后橋布置為擺動橋，增加了整機的穩(wěn)定性，所以該機的安全性好。ZL50 裝載機采用液力變矩器、動力換檔變速箱、四輪驅動、液壓轉向、嵌盤式制動器、鉸接式車架的先進結構，具有牽引力大、操作方便、轉彎半徑小、作業(yè)效率高等優(yōu)點。本設計中采用行星式動力換檔變速箱，它具有 3 個離合器和 3 根軸，且軸安裝在殼體內，使變速箱結構簡單、便于維修。變速箱具有兩個前進檔和一個后退檔，可以產生 3 個速度。本設計中采用了有限元分析方法。在設計變速箱中間軸時，首先用傳統(tǒng)方法進行計算并校核其強度、剛度等。然后用 Pro/ENGINEER 軟件進行建模，并用 Pro/MECHANICA 分析方法對其進行有限元分析，分析其強度。關鍵詞： 裝載機 液力機械傳動系統(tǒng) 行星式動力換檔變速箱 有限元分析方法燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）IIAbstractThe loader ZL50 is wheel type and it is more bigger among the series made in our country .It is suitable for loading discharging materials and it applies for mine、capital construction 、road building、port、field 、coal field and carries loading、pushing dust、 diging、rising weight、.The loader ZL50 is ZL series .It adopts whell type system、liquid engine driving system、ream meet vehicle type、,working set of hydraulic pressure controlling.So it has good flexibility、turning agility、high productivity、 controlling handiness ets.Its back bridge is swing bridge ,so increases the stability of whole machine,and it has a good security.Being quipped with advanced devices such as hydraulic torque conventer、 power shift gearbox、four wheel driving 、hydraulic steeringgear、chuck disk break and artiallated frame.So the loader model ZL50 is featured with high pulling capacity、small turning radius.all of which make it possible for easy_operation.thus resulting in the high efficiency of our product.In my design,I adopt counter_shaft、power_shift transmission.It is equipped with one church and four axles.The axles is placed in room,so the transmission’s construction is simple and maincenance is easy.the transmission has two forward and one reverse gear,it can provide threeSpeeds. Finite element analysis method is adopted in this design.When designning the axis of the gear-box,first I carry through accounting using tradition method and check its intensity and freshness. And then I carry through modeling using 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）IIIPro/ENGINEER，and carry through finity analysis using Pro/MECHANICA analyzed method,analying its intensity.KEY WORDS：loader liquid engine driving system hydraulic torque conventer power shift gearbox Finite element analysis methodIV目 錄摘要 .IAbstract.II緒論 .1第 1 章總體設計 .3第 2 章牽引力計算 .182．1 柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線 .182.1.1 聯(lián)合工作輸入特性曲線 .182.1.2 柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸出特性 .222．2 確定檔位數(shù)及各檔傳動比 .232．3 運輸工況的牽引特性曲線 .262．4 求出各檔最高車速并分析牽引性能 .28第 3 章 總體布置 .30第 4 章 行星式動力換檔變速箱設計 .374．1 傳動比的確定 374．2 傳動簡圖設計 384.2.1 傳動簡圖的選擇 .384.2.2 離合器的布置 .394．3 配齒計算 404.3.1 確定變速箱行星排的參數(shù)（K1、K2） .404.3.2 選配齒輪 .414．4 行星機構運動學和動力學分析 424.4.1 運動學分析 .424.4.2 動力學分析 .464．5 離合器設計 494.5.1 確定換檔離合器的結構型式 .494.5.2 確定主要參數(shù) .494.5.3 摩擦片間最大相對轉數(shù)的驗算 .514.5.4 換檔離合器的滑磨功 .51V4. 6 結構設計 525.6.1 齒輪設計 524.6.2 軸承的選擇計算 .544.6.3 軸的設計 .57第 5 章 變速箱中間軸的有限元分析 .655.1 有限元分析方法概述 655.2 PRO/MECHANICA 分析方法 .665.3 基于 PRO/ENGINEER 特征的建模 675.3.1 Pro /ENGINEER 介紹 675.3.2 建模過程 .685.4 中間軸的靜力學有限元分析 .69參考文獻 .75致謝 .76燕山大學本科生畢業(yè)設計1緒論塔式起重機是我們建筑機械的關鍵設備，在建筑施工中起著重要作用。并且在高層工業(yè)和民用建筑施工中一直處于領先地位。QTZ630 自升式塔式起重機是為滿足高層建筑施工，設備安裝而設計的新型起重運輸機械。本機性能先進，結構合理，操縱使用安全可靠。其主要特點是，起重高度大，工作幅度寬。塔機上部能借助于液壓頂升，根據施工的建筑物的增高而升高，使司機操作方便，視野寬，并始終保持高清晰。因此廣泛的適用于多層和高層民用建筑，多層大跨度工業(yè)廠房，以及采用滑模施工的高大煙囪和筒倉等塔型建筑物的施工，也可用于港口，貨場的裝卸。QTZ630 塔機有多種形式。設計正在不斷的完善中。此次設計的形式為固定上回轉液壓頂升自動加節(jié)，隨著建筑物的升高而升高，最大起升高度可達 140m （附著狀態(tài)） 。近幾年國際塔式起重機技術得到飛速發(fā)展，我國在塔機產品技術開發(fā)領域也根據我國國情取得了巨大的進步：⑴ 為適應城鎮(zhèn)興建經濟實用住房的需要，應積極發(fā)展工效高、投產便捷、可與汽吊競爭的 160~250KN.m 級下回轉快裝塔機的生產。⑵ 大力開發(fā)經濟型城市塔機。按額定起重力矩，這類塔機分為三檔;450、600、1000KN.m,最大幅度 45、50、55m。臂端起重量分別為1、1.2、1.8t，主要用于大城市見縫插針型的中高層或高層建筑的施工。⑶ 適當動臂式自升塔機和曲折式兩用臂架自升塔機的生產，以適應塔機出口市場和國內大中城市內某些特定工程和鋼結構高層建筑施工的需要。⑷ 積極開發(fā)和完善采用變頻調速系統(tǒng)的起升機構、繼續(xù)完善小車變燕山大學本科生畢業(yè)設計2幅機構、回轉機構?？傊?，應大力改進完善電控系統(tǒng)合調速系統(tǒng)，以提高塔機工作平穩(wěn)性、安全可靠性和生產效能。⑸ 為了開拓塔機出口市場，迎接加入 WTO 后面臨的局面，今后推出的塔機新產品必須按 ISO 有關規(guī)定對一些細部做法加以改進。雖然我國的塔式起重機從科研到加工生產方面取得可喜的進步，但是在和國外塔機的使用壽命，成本等方面還存在一定的差距，我相信在今后的發(fā)展中差距會逐步縮小。燕山大學本科生畢業(yè)設計3第 1 章總體設計2.1 概述總體設計是機械設計中最為關鍵的環(huán)節(jié)之一，它滿足機械技術參數(shù)及形式的總的構想?？傮w設計一旦失敗整個設計也就沒什么意義了。總體設計中知道各個部件和各個機構的設計一般由技術負責人主持進行。在接受設計任務后，應進行深入細致的調查研究。收集國內外同類機械的有關資料，了解國內外塔機的使用、生產、設計和科研情況，并進行分析比較，制定總的設計原則。設計原則應當保證所設計的機型在達到國家有關標準的同時，力求結構合理、技術先進、積極性好、工藝簡單、工作可靠。制定設計總則以后，便可制定設計任務書，在調研的基礎上，運用所學知識，從優(yōu)選擇確定總體方案保證設計成功。2.2 總體設計方案的初定上回轉塔機是回轉支撐在塔身頂部的起重機。盡管其設計型號有多種多樣，但其基本結構大體相同。整臺的上回轉塔機主要由金屬結構、工作機構、液壓頂升系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及安全保護裝置等五大部分組成。本次設計為 QTZ630 塔式起重機，其結構為上回轉、水平臂架、液壓自升式。在進行總體設計時應考慮多種形式，綜合考慮其強度、剛度、受力和經濟性問題，以擇優(yōu)設計方案。2.2.1 金屬結構塔式起重機金屬結構部分由：塔身、塔帽、起重臂架、平衡臂架、回轉支撐和底架等主要部分組成。金屬結構是塔式起重機的重要組成部分，金屬結構件的構造設計的合理與否直接影響整臺起重機的性能，所以在設燕山大學本科生畢業(yè)設計4計塔式起重機金屬結構時應考慮如下要求：⑴ 滿足總體設計要求。⑵ 堅固耐用，性能良好。⑶ 重量輕、材料省。⑷ 構造合理、工藝性好。⑸ 造型美觀。1. 基礎高層建筑施工用的附著式塔式起重機大都采用小車變幅的水平臂架，幅度大部分在 50m 以上，無需移動作業(yè)即可覆蓋整個施工范圍，因此多采用鋼筋混凝土基礎。塔機直接座在混凝土基礎上，通過混凝土基礎將整機支反力傳給地基，保持塔機穩(wěn)定運作鋼筋混凝土基礎有多種形式：X 型整體基礎、條塊分割式基礎、獨立塊體式基礎等。對于無底架的自升式塔式起重機則采用整體式方塊基礎。X 型整體基礎的形狀及平面尺寸大致與塔式起重機 X 底架相似，塔式起重機的 X 型底架通過預埋地腳螺栓固定在混凝土基礎上，此種形式多用于輕型自升式塔式起重機。長條型基礎由兩條或四條并列平行的鋼筋混凝土底架組成，分別支撐底架的四個支座和由底架支座傳來的上部載荷。當塔式起重機安裝在混凝土砌塊人行道上或者是原有混凝土地面上，均可采用此種形式的鋼筋混凝土基礎。分塊式基礎由四個獨立的鋼筋混凝土塊體組成，由于基礎僅承受底架傳遞的垂直力，故可作為中心負荷獨立柱基礎處理，其優(yōu)點是，構造比較簡單，混凝土及鋼筋用量比較少，造價便宜。本次設計采用 X 型整體鋼筋混凝土基礎，這種形式適用于有底架固定式自升塔式起重機。這種基礎不僅起著承上啟下的作用將塔機的載荷傳給燕山大學本科生畢業(yè)設計5地基，同時發(fā)揮部分壓重作用，保證塔機的穩(wěn)定性?；炷镣廨喞叽缂s為 5000×5000×1500mm（長×寬×高） ，密度為2.4t/m3,總重為 90t。基礎表面平整。2. 底架結構塔機底架隨塔身的結構特點及爬升方式而異。小車變幅水平臂架自升塔機采用的底架結構可分為：十字型底架、帶撐桿的井字型底架、帶撐桿的水平框架式桿件拼裝底架和塔身偏置式底架。本次設計采用十字型底架，有一根通長的縱梁和絞裝在縱梁中部的兩根活動短梁組成，這種底架可直接固定在混凝土基礎之上。優(yōu)點：無需特殊預埋地腳螺栓，通過調整活動短梁的張開角度可分別構成 3.4×3.4、4×4 以及 5×5 的底架，混凝土基礎塊可根據施工底盤特點采用方型混凝土墩或長方形混凝土墩。3. 塔身結構 塔身結構也稱塔架，是塔機結構的主體。按高度不同可分為固定式、伸縮式、折疊式、接高式；根據構造不同又可分為整體式和分片拼裝式；根據結構形式分為桁架結構和薄壁圓筒結構。標準節(jié)就是一段上、寬、高都統(tǒng)一的塔身。這樣便于用工裝制作，具有互換性。標準節(jié)長度有 2.5m、3m 等多種規(guī)格。它主要由四根主弦桿，三個水平框架，其間有斜腹桿，上下有連接套等組成一空間結構。其構造如圖 2—1 所示：主弦桿要承受壓力和拉力，其合成力矩來平衡起重力矩和附加力矩；水平腹桿和斜腹桿用于傳遞扭矩和水平剪力；連接螺栓傳遞各節(jié)之間拉力。上回轉塔機的塔身以受彎為主，受壓為輔，因此塔身必須結實，有足夠的強度、剛度和局部失穩(wěn)的儲備。燕山大學本科生畢業(yè)設計63.輪胎尺寸對裝載機性能有很大影響，它影響傳動系傳動比的選擇，整機重心高度、離地間隙以及各部件的總體布置等。輪胎尺寸增加，可以增加輪胎的承載能力，能有效地改善附著性能，但它引起機器成本的增加和整機重心的提高。綜合考慮以上因素，參考同類機型，據選用 10.00-20 型低壓寬基胎。由參考書[Ⅴ] 查得：14P型號 12.00-20端面寬度 B=292 mm?外直徑 D=1275mm沖氣壓力 F=6.0 公斤/cm 輪胎負荷 （30 公里/小時）一.初定斗寬和斗型1. 斗寬的確定斗寬 B=輪距+輪胎寬+2a （參見設計指導書）由以上設計知輪距為 1440mm，輪胎寬為 395mm，取 a=50～100mm，則斗寬B=1440+395+2×（50～100）=1935～2035（mm）取 B＝1950mm2. 斗型的確定鏟斗是鏟裝物料的工具，它的斗型與結構是否合理，直接影響裝載機的生產率。在設計工作裝置連桿機構之前，首先要確定鏟斗的幾何形狀和尺寸，因為它與連桿機構的設計有密切聯(lián)系。鏟斗首先要有合理的斗型，減少切削和裝料阻力，提高作業(yè)生產率，其次是在保證鏟斗具有足夠強度和剛度的前提下，盡量減少自重；同時也應考慮到更換工作裝置和修復易損零件的方便。鏟斗有普通型式的鏟斗、蛙式、側卸式和強制卸料等。普通鏟斗有直刀刃、V 形刀刃、帶斗齒和 V 形刀刃帶斗齒鏟斗。直線形斗刃適于裝載輕質和松散小顆粒物料，并可利用刀刃作刮平、清理場地工作；V 形刀刃便于插入物料堆，有利于改善作業(yè)裝置的偏載，適宜鏟裝較密實物料；帶斗齒鏟斗具有較大的插入料堆的能力，適宜于鏟裝礦石和堅實物料。齒型的選擇應考慮插入阻力和耐磨兩個因素，并且要便于更換。尖齒插入力較強，但不耐磨，純齒則較耐磨，然而插入阻力大，一般輪式裝載機多用前者。斗齒有整體和分體式兩種，中小型裝載機多用前者，大型裝載機則常用分體式。這種連接方式便于更換。ZL10 裝載機屬于中小型裝載機，據作業(yè)要求，并參考一些同類產品，本機選用直刀刃尖齒鏟斗，齒數(shù) 8 個。燕山大學本科生畢業(yè)設計73. 確定鏟斗底壁長（以參考圖七 ZL20A 斗為參考斗）A. 計算參考斗的參數(shù)回轉半徑：mR950)620()41520(2????斗底長度系數(shù)： 8.1/9/mgnL?后斗底長度系數(shù)： 427.50/136??zzR擋板高度系數(shù)： 138.095?mkRL?圓弧半徑系數(shù)： 3kr鏟斗橫截面積:Sm=R2m{[0.5λ ψm (λ Zm+λ kmcosγ 1)sinγ]- λ 2m[ctg -0.5π(1- )]γ 2 γ180=9502{[0.5×1.682×(1.427+0.138cos00)×sin500]- 0.3582 [ctg -0.5π(1- )]5002 500180=0.793m2平裝斗容：mmpbaBSV23???= 934164791082??=1.785 3堆裝斗容： )(6822mmmpHMcabBV?????= 910]84934934[75.1 ???=1.972 B. 設計斗的參數(shù)及底臂長因為所設計的鏟斗與參考斗相似，所以： ;628.1?gm?;42.1?zm?;138.0?km?燕山大學本科生畢業(yè)設計8;358.0?rm?;01??m?。?50m?鏟斗的內側寬度：B=2000-25 92?參考同類機型，新設計鏟斗的額定斗容：（取35.0VH）米噸 367.1?回轉半徑： BVRBVRHmpmH?????(=950 4.519072.16?斗底長度： Lgg 87.?后斗臂長度： Rzz 3???擋板高度： mkk 2.1.56鏟斗圓弧半徑： Rrr 7.1843.056????擋板垂直刮平線高度：am06.95??鏟斗刀刃與擋板最上部之間的距離： mb3.71634?Rc2428??鏟斗底臂長：ι=Lg-r/ctg =870-185/ctgγ 2 5002= 473㎜C. 斗容驗算：鏟斗的橫截面積：S=R2{[0.5λg(λ Z+λ kcosγ 1)sinγ]-λ 2r[ctg -0.5π(1- )]}γ 2 γ180= 5162{[0.5×1.682×(1.427+0.138cos00)sin500]-0.3582 [ctg -0.5π(1- )]}5002 500180=233951255 =0.23m燕山大學本科生畢業(yè)設計9平裝斗容： =233951.255 1950baSBVp23????- 702 507=454548748 =0.4543?m3堆裝斗容： )(682cpH?= )]1547019507[4582???=507607945.8 =0.50733相對誤差：= =1.4%＜5%%109.0??HV%105.?鏟斗設計合理。二.計算阻力裝載機作業(yè)時的工作阻力主要是插入阻力和鏟起阻力。插入阻力是裝載機鏟斗插入料堆時，料堆對鏟斗的水平反作用力，與物料性質、料堆高度、鏟斗插入料堆深度和鏟斗結構等因素有關。鏟起阻力是當鏟斗插入料堆一定深度后，利用動臂拳升或轉斗時，料堆對鏟斗的垂直反作用力。1. 插入阻力 4325.1KBLPzaT?式中： ）鏟 斗 插 入 阻 力 （ N?B-鏟斗寬度（cm） cmlLza3.47);?鏟 斗 插 入 料 堆 深 度 （對于松散程度較好的物料：塊度＜300mm 時， 0.1K塊度＜400mm 時， 塊度＜500mm 時， 3.1?如物料松散程度較差，上述各值增大 20～40%；對于細粒料（如礫石等） ；K 1=0.45～0.5；對于小塊細料：K 1=0.75。由任務書知 K1=0.75K2——物料種類（容積比重）的影響系數(shù)：由[Ⅰ]表 1-2，取 K2=0.10K3——散狀物料堆高度影響系數(shù)。由[Ⅱ]表 1-3，取 K3=1.10燕山大學本科生畢業(yè)設計10K4——考慮鏟斗形狀的系數(shù)，一般在 1.1-1.8 之間,取 K4=1.25對于前刃不帶齒的斗，K4 取最大值，本機取K4=1.25由此得 325.1BLPzaT?=1.0×451.25×1.8×1.10×175.5×1.8=3681.8（公斤）≈36082N2．鏟斗阻力鏟斗阻力是指鏟斗插入料堆一定深度后，用動臂油缸提升動臂時，料堆對鏟斗的反作用力。鏟斗插入料堆 深度后，用動臂提升鏟斗，鏟起阻力由鏟斗斗底插入zaL料堆深度 和鏟斗寬度 BK 所決定的矩形面積上的物料所決定。za鏟斗開始提升時的鏟起阻力 N 可按下式確定。N=2.2 BKτ cosψ [Ⅰ]za式中： Lc— 鏟斗插入料堆深度。B—鏟斗寬度 B=1.755mKτ —鏟斗開始提升時物料的剪切阻力Kτ =3300kg/m2ψ—動臂開始提升時鏟斗刃運動方向與垂直線之間的夾角初算時可取為 300則 N=2.2×0.45×1.755×3300×cos300=5079kg=49774N3T三.計算裝載機的使用重量裝載機作業(yè)時要發(fā)揮大的插入力，必需要求機器有足夠的自重，增加附件著重量能夠改善機器的附著性能，但機器自重的增加，將會導致裝載機運行阻力增大動力性能變差，材料和燃料消耗增加，輪胎壽命縮短以及造價提高。對于一般土壤，如附著重量過大，當其比壓超過某一極限而破壞土壤結構時，甚至使附著性能反而變壞。因此在設計時應在保證一定附著牽引力的前提下盡量使機器的自重降低。 ??maxTPG式中： -附著重量。該機為四輪驅動，所以附著重量即為機器自重。-附著系數(shù)。據[Ⅱ] 表 1-2 取為 =0.6519P?-當 取斗底長時， 達到最大植，即： =36082Kg axTzLTmaxTP則燕山大學本科生畢業(yè)設計11= =5551kg??maxTPG65.0382四.確定發(fā)動機功率裝載機作業(yè)時，發(fā)動機的凈功率消耗于兩部分：牽引功率和驅動油泵功率1. 牽引功率：牽引功率是發(fā)動機經傳動系驅動裝 功率?？砂聪率接嬎悖厚R力???2701TkVPN式中： 切線牽引力， = +?kkHfP裝載機插入料堆的理論作業(yè)速度，輪式取 3～4 。T hkm傳動系總效率。機械傳動取 =0.65～0.75。本機為液力機械傳動，取 =0.70額定牽引力， =HPHG???Pf=G?·f=4.546×0.50=2.273T=2273Kg=22.73KNKgfk 8.245.1273???WN63.04851?馬 力2. 驅動油泵功率裝載機上所用的油泵有：作業(yè)泵（供工作裝置液壓缸用） 、轉向泵（供轉向液壓缸用） 、變速泵（供動力換檔變速箱和變矩器冷卻用）等。裝載機不同工況，驅動液壓泵所需功率是不同的。當裝載機作直線行駛，工作裝置不動時，作業(yè)泵、轉向泵處于空轉狀態(tài)，計算時，作業(yè)泵和轉向泵取 500 ） ，變速泵取工作壓力計算。此時驅動液壓泵所需功率很aKP小。如按此工況計算 ，則所選發(fā)動機將有一定的功率儲備，生產率高。2N作業(yè)泵的計算壓力應取多大，需視不同機型而定。裝載機用的柴油機工作條件惡劣，負荷大，應選用按一小時功率標定的工程機械用柴油機。驅動油泵的功率，一般取 。eN4.0～2?由指導書，取 ，又因為 ，eN.02 21?所以 馬 力馬 力 56.8.164.1 ⅠNe?選用 495-23 型柴油機。五.車速和檔位確定燕山大學本科生畢業(yè)設計12檔位數(shù)和各檔速度選擇是否合理，對裝載機的生產率有很大影響。輪式裝載機的速度變化范圍很大，它要適應在工地作業(yè)的要求，又要滿足運輸要求。為了能使功率利用好，燃料經濟性好，需要有合適的檔位。檔位數(shù)應根據裝載機作業(yè)特點選定。輪式裝載機的作業(yè)循環(huán)一般是以Ⅱ檔速度接近料堆，以Ⅰ檔作業(yè)速度插入料堆（松散物料可采用Ⅱ檔速度后退，駛離料堆，然后又以前進Ⅱ檔駛向卸料地點，卸料后又以倒Ⅱ檔后退，再重復上述循環(huán)。輪式裝載機至少應有二個前進檔和一個倒退檔：高速檔用于空載在平地運行，低速檔用于起動、爬坡，倒退檔則用于倒車。運輸?shù)退贆n也可與作業(yè)Ⅱ檔合并使用。如考慮更換共裝，還需增檔位 。由上述工作特點可見，輪式裝載機要求至少有 2～4 個前進檔和兩個倒退檔。輪式裝載機各檔速度推薦取下列數(shù)值：前進Ⅰ檔速度取 3～4 ，對于液力傳動，它是相應于變矩器最高效率hKm工況時的理論作業(yè)速度，超過以上速度駕駛員來不及操縱，反而延長max?鏟斗裝滿時間，增加駕駛員疲勞，降低生產效率。前進Ⅱ檔速度取 10～12 。運輸檔，由于裝載機鉸接車架一般均非彈性懸掛，車速不宜過高，最高車速小于 40 。hK倒檔，為縮短作業(yè)循環(huán)時間，一般要求作業(yè)時的回程速度比前進速度高25～40%，故后退Ⅱ檔取 12～15 。hKmZL10 裝載機主要用于城市建設、環(huán)境衛(wèi)生、煤、砂石料場、中小型水利工程及港口、企業(yè)中，鏟裝或轉運松散物料。參考其他同類產品，選取前進三檔、后退三檔。六.最大卸載高度和相應的卸載距離最大卸載高度和相應的卸載距離根據裝載機的結構型式和它相配合作業(yè)的運輸車輛來確定。為了保證裝于運輸車輛中的物料在運輸過程中不撒落地面，要求物料在車箱中堆高的自然傾角為 ；為了使鏟斗能把物料均勻卸在車箱??30?里，要求鏟斗卸料時其斗刃離車箱壁不小于 （B 為車箱寬度） 。31最大卸載高度是指鏟斗提升到最高位置，卸載角為 ?45從地面到切削刃最低點之間的距離。最大卸載距離是指鏟斗提升到最高位置，卸載角為從裝載機最前面一點（包括輪胎和車架）到鏟斗切削刃的水平距離。由國家標準，卸載高度（ ）不低于 2200mm，ZL10 裝載機當??45?燕山大學本科生畢業(yè)設計13時卸載距離不小于 850mm。本機選取最大卸載高度 ，??45? mH250ax?最大卸載高度時的卸載距離為 890mm.§2-3 裝載機底部部件形式選擇一.行走裝置的選擇 ZL10 裝載機為系列，選用輪式行走系。裝載機行走裝置應根據它的作業(yè)條件與對象、作業(yè)效率與成本以及駕駛員的工作條件等因素來選型。行走裝置可分為輪式和履帶式兩種。輪式裝載機自重輕，行走速度快，機動性好，作業(yè)循環(huán)時間短，作業(yè)效率高，能擔負中等距離（〈1000 米〉 ）的運輸，成本低于履帶式。轉移工地時靠自身運動，不損傷路面，轉移迅速。其修理費用低且修理方便，使機器停工時間短。輪式裝載機在碎石、硬路面作業(yè)時，因輪胎有緩沖作用，對機器的沖擊震動小，延長機器壽命，減輕駕駛員疲勞，隨著輪胎性能的進一步改善，有可能進一步向大型發(fā)展。履帶式在這種作業(yè)條件下工作時，機械震動大，履帶磨損快，而且機器受震動后，緊固件易松動，駕駛員易疲勞。輪式裝載機接地比壓和整機重心較高，通過性和穩(wěn)定性較差，不適宜在松軟土質和坡道地區(qū)作業(yè)。履帶式則在松軟土質上附著性能好，重心底，穩(wěn)定性好，特別適宜在潮濕、松軟路面、工作量集中、不需經常轉移和地形復雜地區(qū)作業(yè)。綜上所述及裝載機的作業(yè)特點，選用輪式行走裝置。二、傳動形式的選擇裝載機所采用的傳動系統(tǒng)基本上有四種形式：機械傳動、液力機械傳動、靜壓傳動和電動輪裝載機。本機為 ZL 系列，參照同類產品，采用液力機械傳動，此傳動系具有以下優(yōu)點：（1）在保持一定插入里的同時，舉升動臂或轉動鏟斗，以減少鏟掘阻力，縮短作業(yè)循環(huán)時間。（2）可隨外載荷變化而自動調整車速，因而可減少變速箱檔位，簡化變速箱‘結構和操作。（3）裝載機在作業(yè)時換檔次數(shù)較多，液力機械傳動因一般均配以動力換檔變速箱，可在不停車情況下?lián)Q檔，操作輕便，動力換檔時間短，生產率高。 ，（4）由于裝載機所用變矩器的可透性小，當運行阻力變化時，發(fā)動機的轉速變化很小，因而當外阻力大迫使車速降低時，發(fā)動機仍能保持燕山大學本科生畢業(yè)設計14較高轉速，則作業(yè)油泵流量不變，工作裝置作業(yè)速度不受影響。（5）變矩器能吸收作業(yè)時傳給傳動系的沖擊，可延長零件壽命。（6）不會因外阻力大而熄火。三、傳動系部件的選擇變矩器型式和有效直徑的確定：(1) 選型裝載機作業(yè)時牽引力和車速的變化范圍大、并且變化急劇、頻繁。工作條件苛刻，而要求所選用的變矩器應具有變換系數(shù) B（B=k 0I ,式中，K—最大變矩系數(shù)，I—變矩器最大效率 所對應的傳動比）盡可能大。最高效率 要高，高效范圍要寬，并要求變矩器在低、中速比范圍內穿透性要小，則當運行阻力增大，迫使車速降低時，發(fā)動機轉速降低不多，以保證液壓泵功率和作業(yè)速度，推薦穿透系數(shù)小于 1.3。但在高速比時正穿透性應很大，使泵輪吸收較小功率。則當變速箱掛空擋時，發(fā)動機功率不會被變矩器本身無益的損耗掉。裝載機用變矩器要求在低速比區(qū)域有一定的負透性，使在鏟裝物料接近結速時，變矩器吸收功率減小，及時把部分功率讓給作業(yè)液壓泵，減少發(fā)動機轉速的下降，提高發(fā)動機功率的利用。此外，還要求其結構簡單、可靠和便于制造，上述這些要求往往是矛盾的，無法同時滿足，因而需綜合比較各項指標進行選型。單級單向渦輪變矩器使用較廣，因其效率較高（一般 90%以上） ，在中低速區(qū)有不大的可透性，而在高速區(qū)則正透性很大，結構簡單，工作可靠，因而工作壽命較長。但其 K 值不大（一般在 3 左右） 。雙渦輪變矩器可提高變矩系數(shù)，擴大高效區(qū)，它的兩個渦輪可隨外載荷的變化而自動換檔，因而可簡化變速箱的結構和操作，改善作業(yè)性能。但其結構復雜，最高效率低（僅 80%左右） 。綜上所述并參考同類產品，本機選 3 元件單級單相向心渦輪變矩器：YJ1 型。（2）確定變矩器的有效直徑：通常采用合理地選擇變矩器有效作用直徑的方法來確定發(fā)動機與變矩器的共同工作區(qū)域，即稱之為匹配。一般認為：裝載機用發(fā)動機扣除 20~40%功率與變矩器匹配較合適。根據本機特點及發(fā)動機特性、變矩器特性，我們選擇 70%的發(fā)動機功率與變矩器匹配。由以下計算變矩器的有效直徑：D= 51式中：Me —輸入變矩器的發(fā)動機扭矩值燕山大學本科生畢業(yè)設計15λ B*—相應于變矩器最高效率工況的泵輪力矩系數(shù)ne—相應于 Me 值的發(fā)動機轉速（轉/分）γ—液體重度（Kg/m）由參考圖八：柴油機和變矩器的外特性曲線得： Me=18.1Kg×70%=12.67Kg λ B*=2.33×10-6γ=872kg/m 3ne=220rpm將以上數(shù)值代入公式，得選變矩器的有效直徑為 D=265mm，即變矩器規(guī)格為 YJ1—265 型。2、變速箱、主傳動、輪邊減速和驅動方式的選擇（1） 變速箱型式的選擇變速箱有人力換檔和動力換檔二種，前者結構簡單，傳動效率較高，但由于操縱繁重，換檔時需切斷動力而費時，不適合裝載機頻繁、快速換檔的要求。裝有液力變矩器的裝載機一般均采用動力換檔變速箱，這種變速箱有兩種結構型式：定軸式和行星式齒輪變速箱，二者的比較如表所示：定軸式與行星式齒輪變速箱的比較比較項目 定軸式 行星式結構與加工效率簡單，零件加工精度要求一般，合齒數(shù)越多效率越低。復雜，零件加工精度要求較高，傳動效率可以比較高。外型尺寸和重量齒輪模數(shù)較大，重量較大 ，變速箱橫向尺寸較大。受力分散，齒輪模數(shù)可減小，重量略輕，結構緊湊，可用較小尺寸得到較大傳動比，軸向尺寸較大，檔位多。扭矩容量 換檔用摩擦片直徑小，片數(shù)多，受結構和通用性限制，扭矩容量增加困難大采用較大直徑的摩擦片作為換檔離合器，所需片數(shù)少，扭矩容易做大燕山大學本科生畢業(yè)設計16工作可靠性 回轉油缸多，離合器油壓受離心力影響，操縱油路需經旋轉密封，易發(fā)生故障采用制動器，不產生離心力，也無需旋轉密封，工作可靠件數(shù)和通用程度；維修；成本零件數(shù)多，但通用零件較多，方便；便于檢查；價格較低齒輪軸類多，隨檔位增加零件相對減少；拆卸不便；造價較高由上述比較可見，兩變速箱各有所長，故在裝載機上均有采用。定軸式由于結構簡單，制造成本較低，維修方便，便于總體布置，在小型裝載機上采用較多。根據本機特點，我們選用定軸式動力換檔變速箱。（2）主傳動、輪邊減速和驅動方式的選擇由于裝載機的作業(yè)速度比較低，所以驅動橋的減速比較一般車輛大的多。要實現(xiàn)這么大的減速比，即使采用雙級主傳動減速也還是相當困難的。因此，為滿足裝載機的低速作業(yè)要求和減小主傳動的被動齒輪-、差速器和半軸所傳遞的扭矩，目前都采用單機主傳動和行星輪邊減速裝置（本機也采用這種方式） 。行星輪邊減速可用較小結構尺寸得到較大傳動比，同時可將整個輪邊減速裝置放在輪轂內，便于整機布置。輪邊減速裝置減速比在結構尺寸允許的情況下，應盡量取大些，這樣可使主傳動齒輪、差速器及半軸尺寸減小，結構緊湊，增大離地間隙，提高裝載機的通過率。輪式裝載機多采用雙橋驅動，以利用整機重量作為附著重量，使牽引力得以充分發(fā)揮，但當裝載機需轉移工地，在路面作長距離行駛時，在傳動系內部將產生循環(huán)功率，加速輪胎磨損，為此一般變速箱內裝有脫橋機構，以使裝載機在好路面行駛時實現(xiàn)單橋驅動。對于采用低壓輪胎、經常在不好路面工作，而較少移動、作長距離行駛的裝載機，可不設脫橋機構。本機不設脫橋機構。本機采用單級主傳動，一級行星輪邊減速和雙橋驅動方式。四、轉向方式的選擇本機為 ZL 系列產品，參照同類產品，選用鉸接式轉向方式，全液壓操縱。該方式有以下優(yōu)點：1.無需相對車身偏轉，可采用大尺寸。寬基面低壓胎以發(fā)揮更大的牽引力。燕山大學本科生畢業(yè)設計172.轉向半徑小，可得到小于自身機長的轉向半徑，機動性好，減少了裝載機調車行駛的路程。3.在保證轉向半徑小的前提下，軸距可做得較長，在作裝載機牽引力工作是，容易保持前后橋上重量的合理分配，保證較好的縱向穩(wěn)定性。行車時縱向顛簸小，減少駕駛員的疲勞。4.整體可左右擺動實現(xiàn)“蠕動”式爬行，增強車輛通過沼澤地和泥濘地區(qū)的能力，并能在非常狹窄地方通過。在機器停車情況下，鏟斗能隨前車一起左右擺動，實現(xiàn)原地對車。5.前后橋零件基本通用，結構簡單，簡化制造工藝，降 低成本。其缺點是：軸距較長，使整車縱向通過半徑增大，橫 縱向穩(wěn)定性差；轉向時前后車架需要相對運動，所以慣性大，容易振動，對液壓轉向系統(tǒng)有較高要求。五、制動系選型制動系統(tǒng)包括三部分：行走制動，停車制動及緊急制 動器。行車制動器用于車輛在行駛中減速，一般由腳踏板控 制，驅動機構采用加力機構，大中型采用氣推油助力裝置?，F(xiàn)代裝載機多采用雙管路系統(tǒng)。停車制動器用于裝載機在坡道上停歇制動，一般裝在變速箱輸出軸上，具有手操縱機械傳動驅動機構。緊急制動器用于停車系失效，緊急制動，有獨立驅動 機構，在中小型裝載機上與停車制動器合而二為一。裝載機制動頻繁，制動強度較高，作業(yè)條件惡劣，因 而對制動器要求除制動效能、效率等問題，還有如下要求 ： （1） 在附有泥水等惡劣使用條件下，應保證有較穩(wěn)定的制動性能。（2） 為適應頻繁制動和確保下坡連續(xù)制動的安全，制動器散熱要快。（3） 壽命要長，便于調整與維修?，F(xiàn)代中小型輪式裝載機多采用鉗盤式制動器，本機 也采用鉗盤式制動器，它與蹄式制動器相比有如下優(yōu)點心 ：（1） 制動性能穩(wěn)定，具有良好的沾水復原性，即不會因沾有泥水而導致制動力矩下降。制動圓盤外露于空間，并隨車輪旋轉，有自動清除泥水作用，容易干燥。（2） 耐熱衰減性能好，不會因摩擦生熱使摩擦系數(shù)減小，而導致制動力矩的明顯下降。其散熱條件好燕山大學本科生畢業(yè)設計18（3） 制動器無增力作用，制動力矩增長平穩(wěn)。（4） 摩擦圓盤的磨損均勻，壽命比蹄式制動器長 2—3 倍。維修方便，摩擦片磨損后可自動調整間隙。更換摩擦片方便，不需拆卸輪胎和輪邊減速傳動裝置，可減少機器停工時間。 第 2 章牽引力計算2．1 柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線2.1.1 聯(lián)合工作輸入特性曲線本機為液力機械傳動，發(fā)動機扣除 20~40%與變矩器匹配，扣除的用來驅動機器的輔助裝置和工作油泵。1.繪制柴油機與變矩器的聯(lián)合工作輸出特性曲線。必須已知：1）變矩器原始特性曲線及變矩器有效直徑，參考參考圖八。2）工作油重度。3）發(fā)動機的凈特性曲線，參考參考書（Ⅴ）P 117圖 5-8。作原始特性曲線及無因次特性曲線表示。變矩器的無因次性能曲線λ 1=fλ (i)K1=fK(i),η 1=fη (i),參考參考圖八。所謂無因次特性曲線表示在循環(huán)圓內，液體具有完全相似的穩(wěn)定流現(xiàn)象的若干變矩器之共同特性曲線函數(shù)曲線。表示某種幾何相似的液力變矩器的原始特性λ T=f(i)， K 1=f(i),η=f(i)，這三條中第一條表示變矩器穿透性，第二條表示變矩器的變矩特性。第三條表示變矩器的變矩經濟性。有了這些無因次特性線后，就可獲得同類型任何幾何尺寸的相似液力變矩器的特性，其計算公式為：MB=λ B×γ×D 5×nB2MT=K×MB燕山大學本科生畢業(yè)設計19η=K×i TBnt=nBiTB一般工程機械選用自動適應性好的具有單值下降的 MT=f(nt)曲線的變矩器。2.發(fā)動機與變矩器的匹配對于裝載機這樣的工程機械，由于變矩器和工作裝置油泵經常同時工作，而工作裝置油泵所消耗的功率約占發(fā)動機功率的 40-60%若，采用全功率匹配，則裝載機在牽引工況時，勢必引起發(fā)動機轉速降低，鏟斗動作緩慢，發(fā)動機功率利用程度低，因此需采用部分功率匹配，但 D 值必須選取適當，D 值過小則裝載機在運輸工況時，勢必在發(fā)動機的部分特性上工作。動力性、經濟性降低，且易造成變矩器過熱；但 D 值如果過大，則裝載機在牽引工況時，不僅鏟斗動作緩慢，作業(yè)效率降低，甚至發(fā)動機熄火。本機扣除 30%的發(fā)動機功率。3.做液力變矩器與發(fā)動機聯(lián)合輸入特性曲線作圖步驟：1）找出特殊工況（最高效率工況、高效區(qū)、起動工況、制動工況）的傳動比值及幾個非特殊工況的傳動比值。2）從變矩器無因次特性曲線上找出各 i 值對應的 λB 值，K 值，η值，列入表 2-1。表 2-1 聯(lián)合輸入特性曲線I ΛΓ（10 -4）Η K0 33.5 0 4.750.1 35 0.4 3.920.3 36 0.74 2.40.35 36.5 0.75 2.020.48 40.5 0.65 1.34燕山大學本科生畢業(yè)設計200.5 39.0 0.66 1.320.65 32.4 0.71 1.200.78 27.8 0.76 1.080.8 26.5 0.755 0.940.9 16.5 0.72 0.81.0 4.0 0.38 0.383）在發(fā)動機額定轉速范圍內，按規(guī)律取發(fā)動機轉速并求得各轉速所對應的發(fā)動機扭矩。4）把 MB和 nB的關系，按照同樣的比例，畫在轉換到泵輪上的發(fā)動機外特性曲線，即得。公式：M=0.7Me，計算結果列入表 2-2。表 2-2 功率匹配表 發(fā)動機轉速 發(fā)動機扭矩 發(fā)動機匹配扭矩1000 74 51.81200 79 55.31300 79.8 55.861400 79.7 55.791500 79 55.31600 78.5 54.951700 78 54.61800 77 53.91900 75.5 52.852000 74 51.82100 73 51.1