学术报告刘卫飞.ppt

载重量2.9吨装载机功能原理设计、总体设计和动力换档变速箱设计 刘卫飞•总论•功能原理设计•总体设计•动力换档变速箱设计•总结•参与文献第一部分 总论•装载机是随着汽车、拖拉机工业发展而发展起来的行业，目前的发展趋势是向大型和小型两级发展大型化，可以提高机械作业的效率；小型化的是为了适应城市建设中拥挤，狭窄的施工现场•装载机作业效率高，用途广泛，它不仅对松散的堆积物料可进行装、运、卸作业，还可对岩石，硬土进行轻度铲掘作业，并能用来清理、刮平场地及牵引作业因此，它被广泛用于建筑、矿山、道路、水电和国防建设等国民经济各个部门•装载机是由传动系、行走系、转向系、制动系、回转支撑装置等五部分组成 •首先对装载机的原理方案进行了分析设计•以确定下来的原理方案为依据，进行了装载机的总体设计•最后一个阶段的工作是装载机变速箱的设计第二部分 原理方案设计2.1 设计思路 2.2 黑箱法求解总功能 2.3 技术过程流程图2.4 原理解组合•最终方案 •经过初步比较，拟定最终选择方案为：（A1+B1+C2+D1+E2+F3+G3+H2+I3+J2）即以柴油机为动力，采用液力机械传动、铰接转向的轮胎式正铲装载机。

第三部分 总体设计3.1 装载机的选型•装载机的总体设计是根据其主要用途、作业条件、使用场合及生产情况等合理地选择与确定机型和各部分的结构形式、性能参数及整机尺寸等，并进行合理的布置•总体设计必须保证从装载机整体性能出发，正确的选择和确定各总成的结构形式，总体参数，使其获得良好的匹配关系，并进行合理的布置3.1.1 行走装置的选型•装载机行走装置主要分为轮胎式和履带式两大类，其中轮式自重轻，行走速度快，机动灵活，用途多，作业效率高，成本低履带式整机重心低，故通过性和稳定性较好，适宜在松软土质和坡道地区进行作业，其在松软土质上的附着性能好 •本次设计装载机工作地面状况一般，产装物料主要是沙石，综合考虑选择轮胎作为装载机的行走装置3.1.2 驱动形式的选择•驱动桥是变速箱或万向节传动装置之后，驱动轮之前的所有传动机构的总称，由主传动器、差速器、半轴、轮边传动、桥壳等组成•装载机等工程机械一般均采用全桥驱动方式，其利用了全部车辆自重作为附着重量，增大了牵引力的提升潜力3.1.3 传动系的选择•动力装置和驱动轮之间的所有传动部件总称为传动系•绝大多数自行式工程机械的动力装置为柴油机，以柴油机作为动力装置的装载机传动系主要有机械式、液压传动式、液力机械传动式式、和电传动4种。

•选取液力机械传动方式 3.1.4 转向方式的选择•转向系的功用是使工程机械按照其需要保持稳定的直线行驶或准确灵活地改变行驶方向•轮式机械转向方式可分为偏转式前轮转向 、偏转式后轮转向 、偏转式全轮转向 、铰链转向方式 •综合考虑，选取转向系为铰链转向方式•3.1.5 制动系的选择•装载机在工作过程中需频繁制动，制动强度高而且工作条件恶劣，以前多采用蹄式制动器，其性能在恶劣条件下不够稳定，受工作条件影响大，散热性能差，不便调整与维修，故逐渐被钳盘式制动器所淘汰•本装载机采用钳盘式制动器3.1.6 变速箱形式的选择•变速箱有人力换档变速箱和动力换档变速箱•分为定轴式和行星式齿轮变速箱，定轴式结构简单，制造成本低，维修方便，便于总体布局•经过比较，选用定轴式动力换档变速箱3.1.7 轮胎的选型•轮胎的选择关系到装载机附着力以及牵引力的发挥水平•装载机用轮胎除了具有一定承载能力外，还需要有较好的耐磨性、抗穿刺性、牵引性、通过性、散热性能•由于多在松软潮湿或干硬不平的地面上工作，为减少接地比压，改善附着性能，多采用宽基低压轮胎3.2 装载机的设计计算3.2.1 工作阻力的计算装载机作业时的工作阻力主要是插入阻力和掘起阻力3.2.2 牵引力的计算当装载机沿着平坦地面匀速前进时，铲斗插入料堆的作用力即是装载机的牵引力 3.2.3 发动机功率校核•牵引功率•驱动液压泵功率 •校核 3.2.4 液力变矩器与柴油机的匹配计算1.液力变矩器原始特性曲线 2.初步确实循环圆直径3.发动机+变矩器共同工作的输入特性曲线（1）液力变矩器的输入特性曲线 （2）发动机外特性参数（净功率,扣除18.1%的其它消耗） （3）寻找发动机+变矩器共同输入特性点发动机：： 变矩器： 交点代表不同传动比下的交点，即共同工作点4.发动机与液力变矩器共同工作的输出特性 （1）计算数据 2） 发动机+变矩器共同工作输出特性图第四部分 动力换档变速箱设计4.1 传动方案的选择1．换挡方式：滑动齿轮换挡、啮合套换挡由于装载机换档频繁，故多采用啮合套换档2．变速箱分类：按传动简图分为：非组成式变速箱和组成式变速箱因为铲土类的装载机要求倒档数多，若采用非组成式则零件数目多，故本设计采用组成式变速箱。

3. 传动方案的选择传动方案一传动方案二传动方案三•经比较，方案三空间利用率最高，且换挡灵活，故予以采用，传动方案如下图4.2 传动比及档位数的确实4.2.1 传动比的确定1.车轮半径的确定2.头档总传动比的确定3. 运输工况最高车速总传动比的确定4.2.2 档位数的确定 1 档位数•档位数越多，发动机功率利用越好，但档位数过多，会使用变速箱的结构复杂如果选的各档之间的间隔不当，对发动机功率利用率也有影响因此各档的总传动比需要按等比级数排列 •对于液力机械传动的轮式装载机，一般前后均为四个档，其中两个是工作用档位，两个是运输用档位4.3 配齿计算4.3.1 确定主参数1.中心距 中心距的大小直接影响到变速箱结构的紧凑性 ，故采用较小的中心距2.齿轮模数 齿轮模数直接决定齿轮弯曲强度，从增加弯曲强度出发，应选用大模数 3.初步确定齿宽 在一定范围内b大强度就高，但b过大反而使齿轮承载能力随之降低由于本设计采用直齿，故 4.3.2 选齿配齿1.确定各传动比方程，因为装载机要求前进档比后退档快20%~40%，本设计取（1）平衡方程 2.传动比方程3.中心距方程4）由2. 各档传动比状况及评价3.实际中心距室 4.各轴的侧视简图•5.在功率利用最好时各档的实际车速4.4 齿轮的设计计算 齿轮的主要破坏形式是接触疲劳破坏和弯曲疲劳破坏，因而齿轮设计计算应进行两个项目的计算：（1）弯曲疲劳强度的计算；（2）接触疲劳强度计算；因啮合齿轮对 和 所受力最大，故以其为代表进行校核。

齿轮材料选用20CrMnTi,渗碳，淬火，表面硬度HRC58-64，心部HRC31-48 齿轮上的扭距 4.4.1 按齿面接触疲劳强度设计1．计算裁荷系数k 式中， 使用系数; 动裁荷系数； 齿间载荷分配系数； 齿向载荷分配系数；2. 选取齿宽系数 ；3. 材料的弹性系数 ；4.齿轮的接触疲劳强度极限 ；5.应力循环系数 ；6.接触疲劳寿命 、 ；7.接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数为1 ； 8.区域系数 ；9.齿轮表面接触疲劳强度均满足要求 4.4.2 按齿根弯曲疲劳强度设计1.齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；2.弯曲寿命系数 、 ；3.弯曲疲劳许用应力，取安全系数s=1.4 ；4.载荷系数 ；5.齿形系数 、 及应力校正系数 、6.计算大、小齿轮 并加以比较因小齿轮的数值较大，故只需对其进行校核所以齿轮12，13强度满足要求 。

4.5 离合器的设计 由于片式摩擦离合器具有结构简单，在功率传递时几乎没有什么损失，及其具有过载保护等优点，故本设计采用活塞缸式旋转摩擦离合器 4.5.1 离合器的结构设计1. 传动部分（包括外鼓与外片、内鼓与内片）外鼓与外片之间一般用矩形花键联接，内鼓与内片一般用渐开线花键联接2. 压紧部分 主要是液压缸活塞，液压缸用钢制成；活塞由可锻铸铁制成4.5.2 离合器润滑与密封 1．离合器的摩擦片应得到可靠的冷却润滑，冷却油不足会引起摩擦片翘曲变形2．换挡离合器有两处要密封，一是进入离合器轴处，需采用旋转密封；二是油缸活塞处，需采用滑动密封4.5.3 离合器主参数的计算1. 扭矩容量计算 2. 摩擦片数的确定3. 摩擦片材料的选择： 摩擦片采用粉末冶金衬面摩擦材料，主动片为20#钢，从动片为65Mn烧结铜基粉末，离合器为湿式离合器 4.6 轴的结构设计和强度校核4.6.1 轴的结构设计1.第Ⅳ轴的设计（1）轴的材料 选择轴的材料为20CrMnTi （2）初步确定轴端直径 传递的功率为 传递的转速为 传递的转矩为 轴的直径为 （3）轴的尺寸设计（4）轴承与花键的选取 箱体两端采用深沟球轴承，其余各处采用 推力球轴承； 花键的选取 ；4.6.2 轴的强度校核1. 轴的强度校核有三种方法（1）按扭转强度校核 （2）按弯扭强度校核 （3）按疲劳强度进行精确校核 IV受力最大，最容易发生危险，所以选择IV轴进行校核。

2. 轴的受力图（1）轴的空间受力图（2）轴的水平受力图（3）水平弯矩图（4）垂直弯矩图 3.计算轴的空间受力（1） 齿轮直径 （2） 齿轮受力 （3）支反力 4. 计算弯矩  满足要求4.6.3 花键的校核 由于Ⅳ轴的受力最大，故只选取其中的花键校核，其所选花键为 4.6.4 轴承的选择与校核1.轴承的选用 ，设计使用的是滚动轴承 2.轴承的校核 4.7 变速箱的润滑、冷却、密封 变速箱中齿轮、轴承、衬套等零件的摩擦表面的润滑可采用两种方式，压力强制润滑、激溅润滑 变速箱的密封必须可靠，箱体、箱盖、轴承座之间都应有纸垫或橡胶圈，箱体上应采用不钻透螺孔，防泄漏，尤其注意离合器换挡油路必须可靠 第五部分 总结1.在功能原理设计方案中，本文是按传统的工程机械设计思路所设计2. 在设计计算方面，本文中有两个难点，一个是匹配计算，另一个是配齿计算3.最后一个比较重要的地方是变速箱的设计，而比较特殊的地方应属离合器的设计 参考文献[1] 廖林清.《机械设计方法学》.重庆大学出版社,2003[2] 张光裕、许纯新主编.《工程机械底盘设计》.北京：机械工业出社，1987[3] 杨晋生主编.《铲土运输机械设计》. 北京：机械工业出版社，1981 [4] 张光裕主编.《工程机械底盘结构与设计》. 北京：中国建筑工业出版社[5] 濮良贵、纪名刚主编.《机械设计》. 北京：高等教育出版社，2006 [6] 褚文农主编.《底盘设计》（上，下册）. 北京：机械工业出版社，1981[7] 阮忠唐主编.《联轴器、离合器设计与选用指南》. 北京：化学工业出版社，2006 [8] 范钦珊主编.《材料力学》（第2版）. 北京：高等教育出版社，2006 [9] 清华大学工程图学及计算机辅助设计教研室编.《机械制图》（第四版）. 北京：高等教育出版社，2005[10] 同济大学主编.《铲土运输机械》. 北京：中国建筑工业出版社，1987[11] 吉林工业大学编.《轮式装载机设计》.北京：中国建筑工业出版社，1989[12] 史美堂主编.《金属材料热处理》.上海科技出版社[13] 王大康主编.《机械设计综合课程设计》. 北京：机械工业出版社[14] 张玉、刘平主编.《几何量公差与测量技术》.东北大学出版社，1999 [15] 李建成主编.《装载机设计》. 北京：机械工业出版社，2000 。