工程机械与车辆

张 志 强,Email:zhangzhiqiang78whu.edu.cn,工程机械及车辆,课程结构,整机部分的构造与设计,现代设计方法基础及应用,底盘的构造与设计,内燃机构造与工作原理,底盘部分的构造及设计,整机部分的构造及设计,课程安排,工程机械结构课程以工程机械（余恒睦）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，为学习工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（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论、工程机械总体设计、底盘各系统设计理论等。,绪 论,1. 工程机械的设计特点与要求 2.工程机械系统的基本组成 3. 学习本课程的目的,1.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。 2.以工程机械底盘理论为基础，要求发动机、行走机构与工作装置的特性之间具有良好的匹配关系。 3.工作介质性质复杂，要求工作装置结构设计形式多样。 4.工作介质的状态在作业中发生不断变化，要求工作参数调节方便。 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态监控越来越重视。 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水平，普遍应用机电液一体化和现代控制技术。 7.现代工程机械与人们的生活关系日益密切，要求产品设计人性化，造型美观。,1.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5000米高原地区作业，最低温度零下 40°C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。,SD7G高原型推土机,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。 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，则发动机进入外特性阶段的工况。,工程机械传动系简图,汽油机外特性及部分负荷特性中的功率与转矩曲线,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、开沟、钻孔、搬运、平地等，使用效率高。,低密实度 密实度提高 高密实度,智能自动调幅压实系统,宝马VARIOMATIC系统，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，压实效率高；降低振动影响；压实均匀性好，避免压实过度或不足。,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,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,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,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,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示意图,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,缆机吊钩实拍,2. 工程机械系统的基本组成,底盘部分,工程机械系统基本组成及其相互关系,1.动力系统,功能: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。,2.传动系统,功能: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、液力机械传动、液压传动和电传动等四种形式。,3.行走系统,功能: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、冲击以保证机械的正常行驶。行走系统主要有轮式和履带式两种类型。,4.操纵控制系统,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操纵系统和工作装置操纵系统两个部分。,功能: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。,5.执行系统,3. 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； 掌握工程机械底盘组成、分类、各部件的构造和工作原理； 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； 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,工作装置,动力装置,底盘,第一篇 工程机械底盘构造,第一节 工程机械底盘分类方式,按照行驶装置结构不同分为轮式底盘和履带式底盘，或轮式车辆和履带式车辆两大类。 按传动形式分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电动轮式四种。,第一章 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、动力装置和底盘三大部分。工作装置1固定在前车架，发动机9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：传递动力给行驶系的驱动车轮和其他辅助装置，主要部件包括液力变矩器8、行星齿轮变速器14、万向传动装置、前后驱动桥12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和作业。主要部件包括车架5、前后车桥12和15、前后车轮以及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。,履带式底盘和轮式底盘一样也具有4个系统，但在构造组成和行驶原理上有些差别。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带式制动器。,减速增扭,以某运输车为例，该车总重量为200KN，最小滚动阻力约为3.0KN（沥青路面上行驶，约为1.5机械总重量的滚动阻力），假设采用车用增压柴油机OM401LA，其所能产生的最大扭矩为1KN×m左右（转速为1200r/min时），假设此扭矩直接传给驱动轮，则驱动轮可能得到的牵引力仅为2KN。 即使能启动，该柴油机在发出最大功率150KW以上时的曲轴转速为1500r/min以上，假设将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280km/h以上。,第二节 传动系功用,变速变扭,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，这就要求工程机械牵引力和速度应有足够的变化范围。而发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）较窄。 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变化，应使传动系的传动比i（发动机转速与驱动轮转速之比）应具有足够大的变化范围，即传动系应起变速作用。 通过变速作用，满足了工程机械的动力性和经济性要求。,第二节 传动系功用,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。,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：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。,差速作用,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。,第二节 传动系功用,第三节 传动系类型,湘电集团220t自卸车（2000w以上）,太原重工55m3电动铲（1亿以上）,北理工纯电动客车（100w左右）,特斯拉电动车（100w）,BAGGER系列斗轮式挖掘机，1978年由德国KRUPP公司研制（第一台型号为288，直到293，共研制了六台），12条履带,第四节 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的操控性能；缺点：传动部件多，贯穿乘坐舱的传动轴占据了舱内的地台空间,第四节 传动系布置方案,前置前驱动（FF）：现代小、中型轿车普遍采用的布置方案（上世纪中期由法国雪铁龙公司发明）。优点：降低了车厢地台高度，抗侧滑的能力较强（前轮大约承担62%的车身重量，驱动轮所获得抓地力较大）；缺点：前轴兼具驱动和转向，结构复杂，工作条件恶劣。另外上坡时重心后移，前轮抓地力不足，下坡时重心前移，制动时容易翻车,第四节 传动系布置方案,前置前驱动（FF）：转向不足特性分析,FF车辆由于前后配重差别大，在进入极限转弯的状态时，由于大部分车身重量产生的离心力都施加在前轮上，当前轮抓地力不足时，极易出现转向不足（即推头）的现象,当出现严重转向不足现象时，车辆极易失控，跑出车道,解决措施：首先松开油门，然后往弯道外侧转向，以降低前轮的侧向受力，使前轮重新获得足够大的抓地力,后置后驱动（RR）：主要用于大中型客车（以及保时捷911系列）。结构简单，空间利用率高，有利于减轻发动机的高温和噪声对驾驶员的影响，但发动机散热条件差，故障不易察觉、远距离操纵使操纵机构复杂，并易出现转向过度（即甩尾）现象,中置后驱动：主要用于大多数跑车和方程式赛车中，轴荷分配均匀，具有中性的操控特性，但发动机占去座舱空间，降低了空间利用率和实用性,第四节 传动系布置方案,全轮驱动（4WD、AWD）：增加分动器，主要用于越野车及SUV中。四个车轮均有动力，地面附着率最大，通过性和动力性好，但结构复杂，成本高。,第四节 传动系布置方案,