履帶式行走底盤設(shè)計(jì)【履帶式農(nóng)用拖拉機(jī)底盤的設(shè)計(jì)】

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According to the requirements of farmland homework on tractor designs caterpillar agricultural tractor chassis . Research projects to improve the level of agricultural machinery design level and the agricultural mechanization technology is of great significance.The research application agricultural mechanics,automobile tractor, mechanical design, mechanical principles such as theories ,the crawler walking chassis drive walking system has carried on the theoretical analysis and research, which completed the crawler chassis determination of main working parameters and mechanical calculation. Use of Auto CAD, Pro E engineering such as software to complete the overall design of the chassis, has reached the requirement of technical specification. Thus, get the whole frame related with the structure of the framework, which provides some information later for the further analysis .Key words: Track; Chassis; Walking device; Design1 前言 1.1 該研究的目的及意義 履帶式拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能決定了它在農(nóng)田機(jī)耕作業(yè)中具有明顯優(yōu)勢。首先，履帶式拖拉機(jī)的接地比壓相對較低,從51.8KW到118.4 KW的各型拖拉機(jī)的接地比壓為3050KPa,而同級別的輪式拖拉機(jī)接地比壓要大的多。以96.2 KW拖拉機(jī)為例: 東方紅1302 履帶機(jī)接地比壓(裝推土鏟)為47.7KPa;東方紅1304 輪式機(jī)的接地比壓約為104 KPa, 相當(dāng)于履帶拖拉機(jī)的二倍多。無論是整地耙地作業(yè)還是播種作業(yè)履帶式拖拉機(jī)比輪式拖拉機(jī)都占有絕對優(yōu)勢。其次，履帶式底盤的拖拉機(jī)不會對翻耕過的土壤造成多次反復(fù)的碾壓，而輪式底盤在整地和耙地作業(yè)時(shí)輪胎在翻耕過的土壤上反復(fù)碾壓，造成對土壤的多次壓實(shí)，不利于播種后種子的生長發(fā)育。因此，研究履帶底盤的性能具有極其重要的意義。最后，幾乎所有近山區(qū)種植糧油作物的農(nóng)戶毫無例外的選擇履帶式拖拉機(jī)。由于山區(qū)的大部分耕地坡度較大,而輪式拖拉機(jī)在坡地作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性差、不安全、作業(yè)質(zhì)量也差。農(nóng)戶普遍選擇履帶式拖拉機(jī)進(jìn)行犁地、耕地、耙地作業(yè)。與輪式拖拉機(jī)相比，履帶式拖拉機(jī)完成的作業(yè)量可達(dá)到總作業(yè)量的6070。因此，綜合考慮,本設(shè)計(jì)圍繞履帶式行走底盤的相關(guān)資料對其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新。主要以參考農(nóng)業(yè)機(jī)械為主，并且相應(yīng)的履帶為橡膠履帶,結(jié)合現(xiàn)有的底盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。此款履帶拖拉機(jī)適用于我國旱地，特別是平原地區(qū)，在坡度不大的山區(qū)也可使用。1.2 履帶式行走底盤設(shè)計(jì)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 國外的研究與發(fā)展 底盤的作用是支承、安裝發(fā)動機(jī)及其各部件總成，形成車輛的整體造型，并傳遞動力，使整車產(chǎn)生運(yùn)動，保證正常行駛。在國外，履帶式行走底盤研發(fā)較早。早在1986年W.C.Evans和D.S.Gove在硬地面和已耕地上,完成了1種橡膠履帶與1種四輪驅(qū)動拖拉機(jī)牽引性能實(shí)驗(yàn)的研究。在相同的底盤結(jié)構(gòu)情況下，橡膠履帶牽引效率與動態(tài)牽引比要高,在已耕地和硬地面上其最大牽引效率是85%90%,四輪驅(qū)動拖拉機(jī)是70%85%。此后又有許多橡膠履帶拖拉機(jī)與四輪驅(qū)動拖拉機(jī)性能試驗(yàn)的研究，如橡膠履帶拖拉機(jī)與四輪驅(qū)動拖拉機(jī)在4 種地面(未耕、已耙過、已犁過燕麥茬地和玉米茬地)的牽引性能(動力牽引比、牽引系數(shù)與打滑率）的關(guān)系等。在市場發(fā)展方面，國外生產(chǎn)的履帶拖拉機(jī)在技術(shù)水平、生產(chǎn)能力等性能方面具備較強(qiáng)的競爭能力。履帶拖拉機(jī)國際上的競爭對手是卡特匹勒公司的橡膠履帶拖拉機(jī)系列產(chǎn)品。一拖公司的產(chǎn)品無論是技術(shù)水平、還是生產(chǎn)能力都不具備競爭能力，只有價(jià)格有吸引力，但從性能價(jià)格比分析，一拖產(chǎn)品還是處于劣勢。因此，公司的新一代大功率橡膠履帶拖拉機(jī)將盡快投放市場，借以鞏固傳統(tǒng)市場，發(fā)揮競爭優(yōu)勢。1.2.2 國內(nèi)的研究與發(fā)展我國生產(chǎn)履帶底盤的歷史較短，與起重機(jī)的發(fā)展基本相同，與世界先進(jìn)國家相比，國內(nèi)履帶底盤的技術(shù)含量低、系列化程度低，在制造和設(shè)計(jì)上還存在一定的差距。近年來，國內(nèi)履帶起重機(jī)的快速發(fā)展，給履帶底盤的發(fā)展帶來了機(jī)遇，系列得以不斷的提高。20多年來,國內(nèi)部分院校、研究院所和企業(yè)對橡膠履帶車輛做了一定的研究，如:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院及南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對水稻收割機(jī)橡膠履帶的研究,青島建筑工程學(xué)院對橡膠履帶接地齒接地壓力的試驗(yàn)研究,中國一拖集團(tuán)有限公司對橡膠履帶拖拉機(jī)的研究和杭州永固橡膠廠對橡膠履帶的研究等。下面主要介紹在橡膠履帶拖拉機(jī)方面的研究。1994 年中國一拖集團(tuán)有限公司在牽引力等級為3 t 級的履帶拖拉機(jī)上,對采用金屬履帶和橡膠履帶進(jìn)行了比較試驗(yàn),試驗(yàn)在硬黃土地面上進(jìn)行。與此同時(shí)，相關(guān)的底盤也有了一定的發(fā)展。此后,一拖公司還對采用橡膠履帶的拖拉機(jī)、推土機(jī)進(jìn)行了使用試驗(yàn)。主要是橡膠履帶的耐磨性試驗(yàn),橡膠履帶的脫軌試驗(yàn),橡膠履帶的壽命試驗(yàn),不同結(jié)構(gòu)橡膠履帶的可靠性試驗(yàn),橡膠履帶的伸長試驗(yàn)以及通常性的作業(yè)查定。國內(nèi)市場上的履帶拖拉機(jī)及變形產(chǎn)品，目前仍然是一拖的產(chǎn)品為主導(dǎo)。這類產(chǎn)品的銷售由于受國家宏觀經(jīng)濟(jì)政策的影響，處于波動狀態(tài)。無論是作為工程機(jī)械變型、農(nóng)田作業(yè)牽引或驅(qū)動動力，還是作為農(nóng)業(yè)機(jī)械行走底盤，其功能并非輪式拖拉機(jī)可以完全替代的。但受國家政策和大功率輪式拖拉機(jī)發(fā)展的影響，長遠(yuǎn)看會在市場競爭中處于被動局面?？傊c履帶相對應(yīng)的底盤作為相關(guān)機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)，其發(fā)展方向始終圍繞著安全可靠性、操作舒適性、環(huán)保節(jié)能等方面發(fā)展，在這方面國內(nèi)外一直在不斷的努力改進(jìn)中。2 設(shè)計(jì)任務(wù)書2.1 總體設(shè)計(jì)依據(jù)履帶式底盤是機(jī)器的重要部件，它對整個裝置起著支撐作用。所以根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)的履帶機(jī)械（挖掘機(jī)）再結(jié)合農(nóng)用的履帶（拖拉機(jī)）對整個裝置進(jìn)行較完整的配合與加工等一系列的設(shè)計(jì)。2.1.1 設(shè)計(jì)要求在現(xiàn)有的機(jī)械資料的基礎(chǔ)上，充分考慮到實(shí)際的要求，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的緊湊及其配合的合理。同時(shí)，要對應(yīng)該計(jì)算的部分進(jìn)行必要的計(jì)算，但是實(shí)際的情況有所不同，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，爭取找到比較好的方案和結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)在相關(guān)工業(yè)機(jī)械上的一些底盤設(shè)計(jì)與實(shí)物作為參考，綜合考慮底盤結(jié)構(gòu)，使其可以在不同的地域都可較好的支撐機(jī)體使其可以正常的工作。本設(shè)計(jì)對驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個底盤結(jié)構(gòu)較好的適應(yīng)多山的環(huán)境。2.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）產(chǎn)品的用途估計(jì)；（2）主要技術(shù)參數(shù)、性能參數(shù)的確定；（3）履帶底盤結(jié)構(gòu)分析及其確定；（4）行走裝置的設(shè)計(jì)；（5）履帶車輛相關(guān)性能的計(jì)算和確定；（6）重要零部件的設(shè)計(jì)及校核。2.2 產(chǎn)品的用途本次設(shè)計(jì)的履帶底盤是對相應(yīng)小功率農(nóng)用機(jī)械使用的。目前這個設(shè)計(jì)主要是考慮在半干旱及干旱條件下使用，比如用在煙草、油菜等作物的種植和收獲機(jī)械平臺上。一些地區(qū)，如山區(qū)，丘陵等難以行走的復(fù)雜地面有著較好的普及潛力。同時(shí)，它可以提高相關(guān)作業(yè)的效率，有效的提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。2.3 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)與主要技術(shù)參數(shù)這里參照小型農(nóng)用拖拉機(jī)履帶底盤設(shè)計(jì)的指標(biāo)及參數(shù)，見表1。2.4 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題及其解決方法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是在保證正常工作條件下，其結(jié)構(gòu)盡可能的簡單方便。同時(shí)，要注意結(jié)構(gòu)的合理性與正確性。本次設(shè)計(jì)采用六角螺母的定位方法，使其在結(jié)構(gòu)上基本一致，同時(shí)結(jié)構(gòu)也緊湊的連接，初步達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。還有，對于履帶轉(zhuǎn)向的控制，主要是通過設(shè)置主動輪的運(yùn)動，采用單邊離合的方式，以某一邊為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)向。表1 履帶式行走底盤設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)Table 1 Crawler type walking chassis design main technical indicators and parameters 序 號 項(xiàng) 目 單 位 參 數(shù) 1 整機(jī)重量 kg 600 2 行走速度 m/s 0.51.5 3 驅(qū)動輪半徑 mm 約108 4 發(fā)動機(jī)的功率 kw 8左右 5 履帶高度 mm 360 6 底盤軸距 mm 860 7 底盤軌距 mm 450 8 履帶板寬 mm 200 9 底盤高度 mm 4003 設(shè)計(jì)方案的比較分析與選擇 3.1 行走底盤方 案3.1.1 履帶式底盤與輪式底盤的比較底盤可以分為履帶式與輪式，輪式底盤運(yùn)用較廣，但是它的牽引附著性能差，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地的使用受到一定的限制。雖然大功率輪式拖拉機(jī)具有輪距調(diào)整方便、軸距長、質(zhì)量分配均勻、充氣輪胎有減振性,行駛中地面仿形性好, 振動小、運(yùn)輸速度快,綜合利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但是不適于低濕地作業(yè)。而且,引進(jìn)國外的具有世界先進(jìn)技術(shù)水平的大功率輪式拖拉機(jī),價(jià)格和維修費(fèi)用都較高。大功率輪式拖拉機(jī)機(jī)重一般在55008500kg, 接地面積比履帶拖拉機(jī)小,因此接地壓力較大，土壤易板結(jié)，不利于土壤的蓄水保墑和作物的生長，即使經(jīng)過深度翻耙,依然會保持碎小的板結(jié)硬塊, 土壤的顯微結(jié)構(gòu)遭到了破壞。履帶式底盤牽引附著性能好，單位機(jī)寬牽引力大、接地比壓低、越遠(yuǎn)性能強(qiáng)、穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)緊湊，容易操縱，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地使用時(shí)性能顯著。兩者比較采用履帶式底盤更加適應(yīng)多山的地貌特征。履帶底盤又分為金屬履帶底盤和橡膠履帶底盤。金屬履帶拖拉機(jī)牽引力大，適合重負(fù)荷作業(yè)(如耕、耙等)，接地比壓小,對農(nóng)田壓實(shí)、破壞程度輕,特別適合在低、濕地作業(yè), 而且除田間作業(yè)外, 還在農(nóng)田基本建設(shè)和小型水利工程中用作推土機(jī), 綜合利用程度較高。但其主要缺點(diǎn)是在潮濕和砂性土壤上行走裝置,如支重輪、導(dǎo)向輪、托帶輪及履帶板(俗稱三輪一板)磨損較快, 維修費(fèi)用高,作業(yè)速度較慢,隨著公路網(wǎng)發(fā)展,金屬履帶拖拉機(jī)轉(zhuǎn)移越發(fā)困難,使用不便。橡膠履帶拖拉機(jī)采用方向盤操縱的差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),可控性強(qiáng),機(jī)動靈活,轉(zhuǎn)彎更省力,履帶接地面積大,并有減振效果,乘坐舒適,由于接地比壓低,對地面破壞程度輕,尤其適于低濕地作業(yè),并可大大提高作業(yè)速度,改善道路轉(zhuǎn)移適應(yīng)性。橡膠履帶壽命長，維修保養(yǎng)費(fèi)用和轉(zhuǎn)移運(yùn)輸費(fèi)用低。在開荒、改造中低產(chǎn)田、沙壤土質(zhì)地區(qū),顯示出極強(qiáng)的優(yōu)越性。其缺點(diǎn)是初置成本高。3.1.2 方案的確定及總體設(shè)計(jì)依據(jù)輪式與履帶機(jī)械的特點(diǎn)，及其以上所敘述的比較分析，綜合考慮后得出本設(shè)計(jì)采用橡膠履帶進(jìn)行底盤設(shè)計(jì)，并且采用傳統(tǒng)模式的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)、汽車拖拉機(jī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等理論，對履帶式行走底盤的驅(qū)動行走系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析與研究，完成了履帶底盤主要工作參數(shù)的確定和力學(xué)的計(jì)算。（相關(guān)計(jì)算見后面第4部分）3.2 履帶行走裝置的設(shè)計(jì) 3.2.1 履帶行走裝置的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理履帶行走裝置有“四輪一帶”（驅(qū)動輪、支重輪、導(dǎo)向輪、拖帶輪及履帶），張緊裝置和緩沖彈簧，行走機(jī)構(gòu)組成。如圖1所示。 1-履帶；2-驅(qū)動輪；3-托帶輪；4-張緊裝置；5-緩沖彈簧；6-導(dǎo)向輪；7-支重輪；8-行走機(jī)構(gòu)；1 - Track; 2 - Driving wheel; 3 -Towing wheel ; 4 -Tensioning device ; 5 - Buffer spring; 6 - Guide wheel; 7 - Roller; 8 -Walking mechanism;圖1 履帶底盤結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Crawler chassis structure 履帶行走機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、拖拉機(jī)等野外作業(yè)車輛。行走條件惡劣，要求該行走機(jī)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并具有良好的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向能力。履帶與地面接觸，驅(qū)動輪不與地面接觸。當(dāng)馬達(dá)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時(shí)，驅(qū)動輪在減速器驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的作用下, 通過驅(qū)動輪上的輪齒和履帶鏈之間的嚙合, 連續(xù)不斷地把履帶從后方卷起。接地那部分履帶給地面一個向后的作用力, 而地面相應(yīng)地給履帶一個向前的反作用力, 這個反作用是推動機(jī)器向前行駛的驅(qū)動力。當(dāng)驅(qū)動力足以克服行走阻力時(shí), 支重輪就在履帶上表面向前滾動, 從而使機(jī)器向前行駛。整機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)的前后履帶均可單獨(dú)轉(zhuǎn)向，從而使其轉(zhuǎn)彎半徑更小。3.2.2 履帶 履帶工作條件惡劣，必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，耐磨性能要求良好，質(zhì)量較輕以減少金屬的消耗量，并減輕履帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動載荷，履帶和地面要有良好的附著性能，保證能發(fā)出足夠的牽引力，還要考慮減少行駛及轉(zhuǎn)向的阻力。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，本機(jī)初定整機(jī)質(zhì)量為600kg，選擇橡膠履帶總條數(shù)為2條。履帶支承長度L，軌距B和履帶板掛寬度b應(yīng)合理匹配，使接地比壓，附著性能和轉(zhuǎn)彎性能符合要求。令表示為接地長度，單位m，表示履帶的高度，單位m，G表示機(jī)器整機(jī)重量，單位為kg。則有經(jīng)驗(yàn)公式知： 取 取 履帶節(jié)距和驅(qū)動輪齒數(shù)z應(yīng)該滿足強(qiáng)度、剛度要求。在此情況下，盡量選擇小的數(shù)值，以降低履帶高度。根據(jù)節(jié)距與整機(jī)重量的關(guān)系：其中的單位為mm,G的單位為kg。則則根據(jù)計(jì)算的與實(shí)際的資料,選擇履帶寬為200mm,總長2300mm。3.2.3 驅(qū)動輪在履帶作業(yè)機(jī)械上，多數(shù)都是把驅(qū)動輪布置在后方，這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是可以縮短履帶驅(qū)動區(qū)段的長度，減少因驅(qū)動力造成履帶銷處的磨擦損失，延長了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部拱起，避免了轉(zhuǎn)向時(shí)履帶脫落的危險(xiǎn)，有利于提高行走系統(tǒng)效率。驅(qū)動輪中心高度應(yīng)有利于降低重心（或車身）高度和增加履帶接地長度，改善附著性能，因此驅(qū)動輪高度應(yīng)盡量小。本設(shè)計(jì)選擇驅(qū)動輪后置，齒數(shù)為，如下圖所示 圖2 驅(qū)動輪圖Figure 2 Driving wheel figure則驅(qū)動輪直徑 式中：-履帶節(jié)距。由公式 ； 得模數(shù) 分度圓直徑 ； 齒根圓直徑 ；齒頂高 ；齒根高 ；齒高 。 3.2.4 導(dǎo)向輪、支重輪和托帶輪導(dǎo)向輪的前后位置根據(jù)驅(qū)動輪位置而定，通常布置在前面。導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，可以防止跑偏和越軌，導(dǎo)向輪中心離地面高度應(yīng)有利于降低重心。本設(shè)計(jì)選擇導(dǎo)向輪前置，其直徑比驅(qū)動輪直徑略小，即 支重輪的個數(shù)和布置應(yīng)有利于使履帶接地壓力分布均勻。農(nóng)業(yè)用行走機(jī)構(gòu)工作多在山區(qū)或丘陵地區(qū)，路面多為土路，履帶裝置需要較小的平均接地比壓，支重輪的壓力要分配均勻。因此，對于小型農(nóng)用履帶拖拉機(jī)應(yīng)采用直徑較小的多個支重輪。本設(shè)計(jì)選用8個支重輪，其直徑。支重輪的排列應(yīng)考慮機(jī)器的平穩(wěn)性，兩支重輪之間的距離s一般為1.5，取s=150mm,其目的是保證行走裝置在任何時(shí)候都有支重輪作用在履帶的鐵齒上，從而減少或消除機(jī)器行走過程中的起伏落差，提高機(jī)器行走的平穩(wěn)性，減少行駛阻力。托帶輪的作用是拖住履帶，防止履帶下垂過大，以減少履帶在運(yùn)動中的振跳現(xiàn)象，并防止履帶側(cè)向滑落。托帶輪與支重輪相似，但其所承受的載荷較小，工作條件較支重輪要好，所以尺寸較小。本設(shè)計(jì)選用2個直徑為100mm的托帶輪。3.2.5 張緊裝置 張緊裝置的緩沖彈簧必須有一定的預(yù)壓量，使履帶中產(chǎn)生預(yù)張緊力。其作用是前進(jìn)時(shí)不因稍受外力即松弛而影響履帶銷和驅(qū)動輪齒的嚙合，倒退時(shí)能產(chǎn)生足夠的牽引力，確保履帶銷和驅(qū)動輪齒的正常嚙合。張緊彈簧由于裝置的反沖作用，在右方頂著導(dǎo)向輪使其在工作過程中，始終保持一定的張緊狀態(tài)，從而使履帶張緊導(dǎo)向輪導(dǎo)向。張緊裝置示意圖如下： 圖3 張緊裝置示意圖 Figure 3 Tensioning system schematic diagram (1)彈簧的選擇。因張緊裝置的作用，是通過彈簧對導(dǎo)向輪的推動從而達(dá)到張緊的作用。因此，選用壓縮、拉伸彈簧即可。對于選材采用通用的材料（）即可。運(yùn)用公式求得隔振彈簧的剛度： （1）式中：-隔振系統(tǒng)頻率比； -振動質(zhì)體總重量；取； -振動頻率。由則代入公式 則通過計(jì)算知彈簧的剛度為。按工作的載荷進(jìn)行計(jì)算時(shí)，許用應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)取低，取，彈簧的工作載荷約為。（2）彈簧的計(jì)算。運(yùn)用公式求得螺旋彈簧曲度系數(shù): （2）式中：C-旋繞比（當(dāng)材料直徑時(shí)，C一般?。┰嚾⌒@比C=6，則根據(jù)公式求得材料的直徑: （3）式中: 曲度系數(shù)；（?。?旋繞比；（?。?彈簧的工作載荷；（?。?許用切應(yīng)力。（?。┯?jì)算得彈簧絲直徑：根據(jù)公式： （4）式中：切變模量；(取) 彈簧中徑。(取)計(jì)算得彈簧有效圈數(shù) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取 選擇冷卷壓縮彈簧YII，兩端圈并緊并磨平，取則總?cè)?shù) 根據(jù)公式: （5）式中：-彈簧材料直徑。 計(jì)算得節(jié)距 ，選擇 間距 根據(jù)公式： 計(jì)算得自由高度 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取 壓縮彈簧高徑比 壓縮彈簧工作高度 壓縮彈簧壓并高度 螺旋角 彈簧材料的展開長度 經(jīng)計(jì)算可知：b5.3,滿足穩(wěn)定性的要求。4 履帶底盤相關(guān)性能的計(jì)算4.1 牽引性能計(jì)算履帶機(jī)械整機(jī)參數(shù)初步確定以后，一般應(yīng)進(jìn)行下列計(jì)算，以估計(jì)該履帶機(jī)械的基本性能是否滿足預(yù)期要求，整機(jī)參數(shù)選擇是否合理。這里主要是關(guān)于牽引性能的計(jì)算。計(jì)算時(shí)所用的工況一般為：空載狀態(tài)，在水平區(qū)段的茬地上（對旱地是適耕的茬地，對水田是中等泥腳深度的茬地），帶牽引負(fù)荷（牽引線與地面平行）全油門等速行駛。以下為表示的示意圖。（圖4） 圖4 履帶受力示意圖 Figure 4 Track force diagram(1) 履帶式機(jī)械的驅(qū)動力 履帶機(jī)械= （6）式中: -發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩 ； -各檔總傳動比； -各檔總傳動效率； -驅(qū)動輪動力半徑 ； -履帶驅(qū)動段半徑效率，計(jì)算時(shí)一般取。 =； =； =。式中：-最大使用重量；-履帶接地長度； -履帶板寬度； -般為； -額定牽引力； -牽引力。根據(jù)(2)中的活動阻力，經(jīng)計(jì)算即可得經(jīng)計(jì)算后得結(jié)果=。(2) 履帶式機(jī)械的活動阻力 =f （7）式中: -使用重量；f -履帶式一般取0.1。經(jīng)計(jì)算后得結(jié)果=(3) 行駛速度 理論速度 =0.377 實(shí)際速度 =(1-) （8）式中：-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速； -驅(qū)動輪動力半徑；-驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率（履帶式一般取0.07）。經(jīng)計(jì)算后得結(jié)果=（2.55）(4) 履帶式機(jī)械的牽引效率 = （9）式中: -各檔的總傳動效率；-滾動效率；-滑轉(zhuǎn)效率；-履帶驅(qū)動帶效率（一般取0.95）。經(jīng)計(jì)算后得結(jié)果(5) 履帶機(jī)械的附著力（要求：附著力應(yīng)大于或等于履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力且大于等于各阻力之和。） = （10）式中: -一般取0.75； -取600千克。經(jīng)計(jì)算后得結(jié)果=2.25。 (符合要求)4.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的分析與計(jì)算4.2.1 履帶轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動力說明履帶行走裝置在轉(zhuǎn)向時(shí), 需要切斷一邊履帶的動力并對該履帶進(jìn)行制動, 使其靜止不動, 靠另一邊履帶的推動來進(jìn)行轉(zhuǎn)向, 或者將兩條履帶同時(shí)一前一后運(yùn)動, 實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向, 這里就用到了單向離合器。但兩種轉(zhuǎn)向方式所需最大驅(qū)動力一樣。因此以機(jī)器單條履帶制動左轉(zhuǎn)為例, 見圖5。圖5 履帶轉(zhuǎn)左向示意圖 Figure 5 Tracks turn left to the sketch左邊的履帶處于制動狀態(tài), 在右邊履帶的推動下, 整臺機(jī)器繞左邊履帶的中心C1 點(diǎn)旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力矩Mr, 右邊履帶的行走阻力Fr/ 2 。一般情況, 履帶接地長度L 和履帶軌距B 的比值L/ B1.6。同時(shí), L/ B 值也直接影響轉(zhuǎn)向阻力的大小,在不影響機(jī)器行走的穩(wěn)定性及接地比壓的要求下, 應(yīng)盡量取小值, 也就是盡量縮短履帶的長度,可以降低行走機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動力。4.2.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的計(jì)算 轉(zhuǎn)向阻力矩是履帶繞其本身轉(zhuǎn)動中心O1（或O2）作相對轉(zhuǎn)動時(shí)，地面對履帶產(chǎn)生的阻力矩，如圖6所示，O1、O2 分別為兩條履帶的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心。為便于計(jì)算轉(zhuǎn)向阻力矩的數(shù)值，作如下假設(shè)： 圖6 履帶轉(zhuǎn)向受力圖 Figure 6 Tracks to turn to (1)機(jī)體質(zhì)量平均分配在兩條履帶上，且單位履帶長度上的負(fù)荷為： （11）式中: -車身總質(zhì)量； -履帶接地長度。經(jīng)過計(jì)算：.形成轉(zhuǎn)向阻力矩的反力都是橫向力且是均勻分布的。履帶拖拉機(jī)牽引負(fù)荷在轉(zhuǎn)向時(shí)存在橫向分力，在橫向分力的影響下，車輛的轉(zhuǎn)向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至，移動距離為。根據(jù)上述假設(shè)，轉(zhuǎn)向時(shí)地面對履帶支承段的反作用力的分布為矩形分布。在履帶支承面上任何一點(diǎn)到轉(zhuǎn)動中心的距離為，則微小單元長度為，分配在其上的車體重力為，總轉(zhuǎn)向阻力矩可按下式： （12）式中: 轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。（經(jīng)查表計(jì)算： 式中: -車輛作急轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)； -履帶軌距。）將式（11）代入上式積分得并簡化得： （13）即： （2)當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑如圖7所示，兩側(cè)履帶都向前運(yùn)動，此時(shí)兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝同一方向（即行駛的反方向），外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （14) 圖7 此時(shí)轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 7 At this point to sketch （3)當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑，如圖8所示，此時(shí)兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝反方向，外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （15）式中: 分別為內(nèi)側(cè)前進(jìn)阻力和驅(qū)動力； 分別為外側(cè)前進(jìn)阻力和驅(qū)動力?？紤]機(jī)體的重心在中心位置，所以履帶的前進(jìn)阻力為： （16） 式中: 履帶滾動阻力系數(shù)（ 即）轉(zhuǎn)向時(shí)的最大驅(qū)動力矩為： 式中：r-驅(qū)動輪節(jié)圓半徑。 圖8 此時(shí)轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 8 At this point to sketch大半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)主動輪上的力： （17）小半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)主動輪上的力： （18）式中：-轉(zhuǎn)向比，。轉(zhuǎn)向時(shí)的最大驅(qū)動力矩為：經(jīng)過以上介紹及公式計(jì)算得： 分別計(jì)算轉(zhuǎn)向半徑的情況，得到。與根據(jù)文獻(xiàn)“履帶車輛行駛力學(xué)”，得主動輪上的最大的驅(qū)動力及力矩為： 所得結(jié)果相同。5 履帶底盤重要零部件的計(jì)算及校核5.1 軸的設(shè)計(jì)與校核5.1.1 軸的尺寸設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)要求：（1）便于加工，軸上零件要易于拆裝；（2）軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作關(guān)系；（3）個零件要牢固可靠地相對固定；（4）改善受力狀況，減小應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)中驅(qū)動輪傳動軸大致結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖9 驅(qū)動輪傳動軸 Figure 9 Driving wheel drive shaft軸總長為240mm，從左至右依次為AF段。A段：根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算出直徑d1=43mm，其長度為78mm，安裝驅(qū)動輪，傳遞電動機(jī)動力，根據(jù)驅(qū)動輪選的鍵的型號為12*66。左面有個螺紋孔，直徑為20mm。B段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d2=63mm，長度為22mm。C段：安裝套筒和深溝球軸承，直徑d4=47mm，長度為84mm，其中軸承與軸采用過盈配合，選用基孔制。D段：安裝套筒，直徑d5=44mm，長度為15mm。E段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d6=40mm，長度為17mm。F段：安裝皮帶輪，直徑d7=33mm，長度24mm,傳遞動力，所選鍵的型號為7*16。右面有個螺紋孔，直徑為12mm。5.1.2 軸的校核 對驅(qū)動輪傳動軸進(jìn)行校核，受力如下圖所示。 圖10 傳動軸受力狀況 Figure 10 Stress state of the shaftAB段：彎矩圖如下: 圖11 AB段彎矩圖 Figure 11 AB section bending moment diagram由彎矩圖可知AB段最大彎矩在B點(diǎn)，又AB段直徑已知d=43mm，故該處抗彎系數(shù) （19）最大彎應(yīng)力為： （20） 所以該段符合設(shè)計(jì)要求。BC段：可知該段只受一個扭矩，根據(jù)公式： （21） 該段扭矩圖如下 圖12 BC段扭矩圖 Figure 12 BC torque figure由扭矩圖可知，該軸段受的扭矩均勻，所以扭矩大小為M，又該段直徑已知d=33mm。故該段抗扭截面系數(shù)： （22）故該軸段最大切應(yīng)力為： （23） 所以該軸符合設(shè)計(jì)要求。5.2 驅(qū)動輪的校核5.2.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 由公式 （24）計(jì)算出驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，傳動比根據(jù)齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算公式 （25）式中：法向力； 曲率半徑； 傳動比； 綜合彈性模量。一對標(biāo)準(zhǔn)齒輪的齒面接觸強(qiáng)度按下面公式計(jì)算 （26） 驅(qū)動輪是一個只有6個齒的齒輪，為了方便校核，此處按正常齒進(jìn)行強(qiáng)度校核，則驅(qū)動輪的接觸強(qiáng)度。其中：載荷系數(shù)；傳動比；。 顯然，驅(qū)動輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度符合要求。5.2.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式 （27）式中：為模數(shù)； 為齒形系數(shù)； 為應(yīng)力修正系數(shù)。（查表得，1.75，）代入數(shù)值計(jì)算得： 因此，驅(qū)動輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度也符合要求。5.3 軸承的壽命校核軸承壽命計(jì)算公式 （28）式中：-為轉(zhuǎn)速； -為基本額定動載荷； -為當(dāng)量動載荷，； -為壽命指數(shù)，對于球軸承4。對驅(qū)動輪傳動軸處的軸承進(jìn)行壽命校核 查表得 因?yàn)闄C(jī)器行走時(shí)傳動軸處的載荷最大，故按此時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行壽命計(jì)算，得 按照上述方法，同樣可計(jì)算出：支重輪處軸承的使用壽命 由于農(nóng)田作業(yè)機(jī)是季節(jié)性的工作，所以軸承的使用壽命均符合要求。5.4 鍵的設(shè)計(jì)及其校核 鍵的尺寸選擇主要由安裝軸的軸徑?jīng)Q定，由驅(qū)動輪的尺寸可得出安裝尺寸為43mm和33mm。查設(shè)計(jì)手冊3得鍵的尺寸分別為1266，其長度為66mm,和716,長度為16mm。 類型選擇為普通平鍵。按照下面的公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算： （29）強(qiáng)度驗(yàn)算：鍵的材料選擇為45號鋼，查設(shè)計(jì)手冊得：許用擠壓應(yīng)力 故鍵能安全工作。5.5 機(jī)架的校核在機(jī)器行走過程中，機(jī)架起到支撐作用，其作用實(shí)則為梁。故在校核時(shí)，近似將其作為梁來校核。此處校核單邊機(jī)架處于水平位置時(shí)滿足要求，其受力狀況下圖所示。 圖13 機(jī)架受力圖 Figure 13 Frame by trying to其中，為外力合力及機(jī)器自身的重量約為2000N，平均分布在兩邊支架上,即，慣性矩。AB段：；BC段：；CD段：； 由以上可知截面B是危險(xiǎn)截面，此處拉應(yīng)力 （30） 故機(jī)架強(qiáng)度滿足要求。5.6 螺栓的設(shè)計(jì)及校核機(jī)架與驅(qū)動輪軸承座通過螺栓連接，這里對螺栓的要求比較高，要具有較高的強(qiáng)度和剛度。對此處的螺栓應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，如下圖。這里選擇的是高強(qiáng)度螺栓，等級8.8級，型號為M24*56,材料為低碳合金鋼，抗拉強(qiáng)度800MPa,屈服強(qiáng)度640MPa。按照下面的公式進(jìn)行校核： 預(yù)緊力計(jì)算公式： （31）校核計(jì)算公式： （32） 圖14 螺栓受力圖 Figure 14 Bolt by trying to許用應(yīng)力計(jì)算公： （34） 式中： -載荷； -螺栓預(yù)緊力； -可靠性系數(shù)，取1.11.3； -接合面數(shù)； -接合面摩擦因數(shù)，取0.15； -螺紋小徑； -螺栓屈服強(qiáng)度； -安全系數(shù)，取2.5。故，該螺栓強(qiáng)度滿足要求。6 總結(jié)對履帶式行走底盤的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要目的是為了解決相關(guān)農(nóng)用機(jī)械的生產(chǎn)效率，以滿足社會的廣泛需要。經(jīng)過設(shè)計(jì)與計(jì)算，其發(fā)動機(jī)配用11馬力，轉(zhuǎn)速2000r/min左右，保證機(jī)構(gòu)工作時(shí)有一定的工作動力。主要結(jié)論如下：(1) 對履帶底盤的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到了一些特殊的結(jié)構(gòu)組成及其安裝方法，其中履帶寬200mm,履帶總長2300mm左右，軌距450mm,輪距860mm,履帶高360mm等；(2)設(shè)計(jì)了履帶車輛的基本性能計(jì)算，包括驅(qū)動力為8.085kw,牽引力為13.23KN,運(yùn)動的平均速度在0.51.5m/s等；(3)對履帶張緊的設(shè)計(jì)及其相關(guān)計(jì)算，包括彈簧的有效圈數(shù)為7，節(jié)距12mm,間距7mm等。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于該履帶式行走地盤適用性強(qiáng)，體積小，質(zhì)量輕，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的地面環(huán)境條件。對于此次設(shè)計(jì)同樣存在一些問題，如設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果有待生產(chǎn)后，進(jìn)行實(shí)際考核與驗(yàn)證；整體結(jié)構(gòu)需利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，進(jìn)行有限元分析以優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)；主要部件與結(jié)構(gòu)，有待通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和研究，以驗(yàn)證其合理性等。參考文獻(xiàn)1 吳宗澤.第3版， 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊M.北京: 高等教育出版社，2006.5:1253.2 張淑娟、全臘珍.畫法幾何與機(jī)械制圖M.中國農(nóng)業(yè)出版社,2007:1196.3 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(上冊)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002，1.4 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(下冊)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，1. 5 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊第二卷M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.6 朱士岑，趙水.橡膠履帶拖拉機(jī)的發(fā)展與研究 J.中國知網(wǎng)，2002， （6）: 2-7. 7 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謝本設(shè)計(jì)是在李軍政老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在四年的學(xué)習(xí)、生活中，李老師不僅教書，而且育人，對我的指導(dǎo)和關(guān)心讓我終生難忘。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深的感染和激勵著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，李老師始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和親切的關(guān)懷，在設(shè)計(jì)過程中，李老師提出了許多啟發(fā)性、預(yù)料性和指導(dǎo)性建議，包括資料的搜集，設(shè)計(jì)方案的提出，設(shè)計(jì)過程中的指導(dǎo)，設(shè)計(jì)結(jié)果的審核等。在此，謹(jǐn)向李老師表示最誠摯的謝意！此外，我還要感謝在一起度過愉快的大學(xué)本科生活的09級汽車服務(wù)工程一班的同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個又一個的困難和疑惑，直至本設(shè)計(jì)的順利完成。在本設(shè)計(jì)即將完成之際，我的心情很激動，這其中除了自己付出的汗水，還有許多可愛的老師、同學(xué)、朋友們給予的無言的幫助，請?jiān)谶@里接受我誠摯的謝意！最后還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的爸爸媽媽，謝謝你們！最后，再次向所有關(guān)心和幫助我的老師、朋友和同學(xué)們表示深深的謝意!謝謝你們！24