某丘陵底盤的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u27468某丘陵底盤的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析 -1-296621.1底盤設(shè)計目標 -1-133691.2底盤總體設(shè)計方案 -2-181511.1.1底盤的選型 -2-117221.1.2整機的總體布局 -2-35291.3底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計 -3-70471.4底盤動力系統(tǒng)的設(shè)計 -6-261251.4.1最大驅(qū)動力計算 -6-298001.4.1.發(fā)動機的選型 -7-255971.5底盤傳動系統(tǒng)的設(shè)計 -8-225281.6小結(jié) -11-1.1底盤設(shè)計目標目前，關(guān)于國內(nèi)淺山丘陵地區(qū)相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)調(diào)研相對較少，設(shè)計農(nóng)業(yè)機械所用行走底盤時，設(shè)計方案的確定需要和環(huán)境及農(nóng)藝相結(jié)合，通過環(huán)境和農(nóng)藝調(diào)研確定參數(shù)，對寧夏回族自治區(qū)檸條種植區(qū)進行實地調(diào)研和查閱資料后，得知檸條種植采用大田育苗技術(shù)，固定或半固定于半沙地，路面坡道較多且最大坡度可達25°，地面起伏頻繁。檸條的種植多采用雙行帶距8m的種植農(nóng)藝，如圖2-1所示。(b)圖SEQ圖\*ARABIC2-1檸條種植區(qū)該行走底盤設(shè)計要求符合作業(yè)環(huán)境參數(shù)參數(shù)的同時，還需要有較好的通過性、爬坡性和穩(wěn)定性，需要為檸條平茬極具作業(yè)提供動力。綜上所述，設(shè)計目標如下：（1）底盤滿載質(zhì)量≤4000kg；（2）行駛速度范圍為4～8km/h；（3）在半沙化路面的通過性良好，滿載接地比壓30kPa；（4）具備較好的爬坡越障能力，最大爬坡角度≥30°；（5）操縱方式簡單，轉(zhuǎn)向靈活且具有較小的轉(zhuǎn)向半徑。（6）結(jié)構(gòu)緊湊，方便維修。1.2底盤總體設(shè)計方案1.1.1底盤的選型本課題設(shè)計的底盤作業(yè)環(huán)境為淺山丘陵地區(qū)，具有一般丘陵地區(qū)路面坡道多，坡度大和地面起伏頻繁等特點的同時，又存在淺山區(qū)特有的土壤半沙化的缺點。行走底盤按照結(jié)構(gòu)不同大致可分為三種[28]。腿式底盤應(yīng)用與機器人的較多。履帶式底盤在行駛過程中相較于另外兩種底盤，在坡地作業(yè)時通過性好，由于結(jié)構(gòu)特殊，行走時與路面接觸面積大，接地比壓較小，對地面的壓實程度小，轉(zhuǎn)彎半徑也比較小，在負重大或行走路面沙化的工作環(huán)境中能很好地發(fā)揮優(yōu)勢。輪式底盤相比于履帶式底盤重量小，行駛靈活，速度快，維修方便。適合于平穩(wěn)路面上的行駛作業(yè)。但是普通的輪式底盤在淺山丘陵地區(qū)地形工作能力較差，很難滿足復雜地形對于底盤的作業(yè)要求，由于爬坡性能和通過性能較差，不適合在路面承受力差和多坡道路面行駛[29-31]。所以，本文選定履帶式行走機構(gòu)為淺山丘陵作業(yè)車輛底盤的行走系統(tǒng)。履帶底盤的行走形式有普通型、聯(lián)合型、戰(zhàn)車型和三角形[32]。普通型重視接地長度，穩(wěn)定性好但越障性能較差；聯(lián)合型偏重于行駛性能；戰(zhàn)車型的履帶有較大的前進角和離去角，良好的越障性能是這種類型適用于路面條件惡劣的環(huán)境；三角形可使機構(gòu)小型化，適用于收割機和旱田作業(yè)機械。根據(jù)設(shè)計要求，選擇戰(zhàn)車型履帶。本文對于底盤的設(shè)計要求中，對于車速要求較低，所以選用整體式行走系統(tǒng)。1.1.2整機的總體布局行走底盤的總體布局關(guān)系到檸條平茬機整機的作業(yè)經(jīng)濟性、通過性、穩(wěn)定性和安全性。因此，總體布局對于底盤的整體設(shè)計的合理性具有很大影響[33]。分析影響整機布局的各種因素，設(shè)計底盤的總體布局為：（1）動力系統(tǒng)選用柴油機作為主要的動力源。（2）行走系統(tǒng)設(shè)計：與傳統(tǒng)的履帶式底盤相同，主要由“五輪一帶”，包括驅(qū)動輪、支重輪、托帶輪、張緊輪、引導輪、履帶以及張緊裝置組成[34]。（3）傳動系統(tǒng)設(shè)計：本文中的傳動系統(tǒng)是指柴油機動力傳遞至驅(qū)動輪中間的所有傳動機構(gòu)組成的系統(tǒng)。主要由帶傳動、變速箱組成。5底盤的整機結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸為2860mm×1680mm×2400mm，底盤的總體布局如圖2-2所示。5294665487294665487主視圖(b)俯視圖油箱；2-駕駛室；3-平茬裝置搭載位置；4-變速箱；5-發(fā)動機；6-液壓動力裝置；7-行走系統(tǒng)；8-車架；9-皮帶圖2-2總體布局圖1.3底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計1.3.1行走系統(tǒng)的工作原理底盤行走系統(tǒng)的功用是將整機支撐于工作路面之上，并將由傳動系輸入的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成車輛在地面上的移動和牽引力[35]。履帶式底盤行走系統(tǒng)采用“四輪一帶”式的結(jié)構(gòu)，主要組成為驅(qū)動輪、支重輪、托帶輪、張緊輪、引導輪、橡膠履帶、張緊裝置和車架等。底盤行駛過程中，驅(qū)動輪通過輪齒和履帶嚙合，驅(qū)動輪將履帶向前卷起，當驅(qū)動輪的驅(qū)動力大于行走阻力時，底盤向前正常行駛。行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示452145211-張緊輪；2-履帶；3-托帶輪；4-驅(qū)動輪；5-支重輪；6-車架圖2-3行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.2主要參數(shù)的計算本小節(jié)是以底盤設(shè)計的基本理論為依托，聯(lián)系實際作業(yè)環(huán)境以及設(shè)計的目標和要求，根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)用履帶式底盤，通過計算得行走系統(tǒng)的最終設(shè)計參數(shù)。（一）履帶主要參數(shù)與選型1、履帶節(jié)距。整機的總質(zhì)量是影響履帶節(jié)距的重要因素，整機重力越大，履帶節(jié)距取值越大，參考經(jīng)驗公式（2-1）進行估算[36]。（2-1）式中：為履帶節(jié)距；為履帶節(jié)距系數(shù)，取15-17.5；為整機質(zhì)量，取預估值4000kg。2、履帶板的寬度。履帶板的主要參數(shù)為履帶板的寬度，同等噸位下，寬度是影響整機接敵必大的主要因素。參照公式為:（2-2）式中，為履帶寬度;為機體自重kg。將預估整機重量代入公式（2-1）、（2-2）得，。履帶的接地長度和軌距。履帶接地長度參考公式為：（2-3）履帶式行走系統(tǒng)中，接地長度與軌距的比值超過1.7時，履帶式底盤在淺山丘陵山地環(huán)境下會存在轉(zhuǎn)向困難的問題；當取值小于1時，行走系統(tǒng)的跑偏可能性增加[37]。此處比值取值范圍選為1.2～1.4。經(jīng)計算確定履帶接地長度，軌距。綜合考慮底盤作業(yè)環(huán)境和設(shè)計要求，選用輪齒式橡膠履帶。根據(jù)計算所得，參考行業(yè)標準《JB/T6682-2008聯(lián)合收割機橡膠履帶系列參數(shù)》，選用履帶的型號為GRT-500×90×60-4000。履帶主要參數(shù)如表2-1所示。表2-1履帶主要參數(shù)名稱參數(shù)值驅(qū)動類型輪齒型帶寬（mm）500節(jié)距（mm）90帶厚（mm）40接地長度（mm）1800履帶軌距（mm）1350適應(yīng)機重（kg）2500～40003、接地比壓。履帶式行走底盤的一個重要性能參數(shù)就是接地比壓，其大小直接影響底盤行駛過程中通過性，也對穩(wěn)定性造成一定影響。履帶式行走底盤接地比壓的計算公式如下[38,39]：（2-4）式中：為整機重量；為履帶接地長度；為履帶寬度。將相關(guān)參數(shù)代入式（2-4）得，符合設(shè)計要求。驅(qū)動輪參數(shù)驅(qū)動輪是主動輪，是變速箱輸出的動力通過嚙合傳遞給履帶的裝置。齒數(shù)的大小是決定傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。齒數(shù)較少時，齒輪外廓體積較小，傳動系統(tǒng)總體積較??；齒數(shù)過大，齒輪尺寸增加，傳動系統(tǒng)的重量增加，會影響底盤的各項性能[40]。但齒數(shù)過少，會產(chǎn)生不均勻傳動的問題，也會減少齒輪的使用壽命。通常傳遞速度較，驅(qū)動輪齒數(shù)越少越好，但不得小于10，同時為了使全部齒輪嚙合準確，齒數(shù)大小為奇數(shù)，增加使用壽命。根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)推薦標準《JB1T6682-2008聯(lián)合收割機橡膠履帶系列參數(shù)》，選擇驅(qū)動輪齒數(shù)為。為避免發(fā)生根切，采用正變位齒輪。1、驅(qū)動輪分度圓的直徑公式為：（2-5）式中：為履帶節(jié)距；為驅(qū)動輪齒數(shù)。2、驅(qū)動輪齒根圓的直徑公式為：（2-6）式中：為內(nèi)傳動表面與鋼絲繩中心平面之間的距離,為18mm；3、驅(qū)動輪齒頂圓的直徑公式為（2-7）式中：為履帶厚度,為20mm；將代入公式（2-5），（2-6）和（2-7）中得到驅(qū)動輪的主要參數(shù)如表2-2，表2-2驅(qū)動輪主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值配置方式前置驅(qū)動驅(qū)動輪齒數(shù)13分度圓直徑373mm根圓直徑337mm頂圓直徑408mm齒面弧線半徑R=30-60mm支重輪參數(shù)支撐輪通過兩側(cè)的軸承及軸套與車架連接，主要擔負底盤自身的重力以及農(nóng)機具工作時產(chǎn)生的外力，同時支重輪夾持履帶避免發(fā)生橫向滑脫[41,42]。一般底盤上，都采用多個直徑較小的支重輪，支重輪的個數(shù)由整機重力決定，重力越大，個數(shù)越多[43]。參考經(jīng)驗公式（2-8）進行估算，（2-8）將代入公式（2-8)得支重輪踏面直徑。具體的安裝方式應(yīng)有助于增大接地長度，均勻接地比壓。兩支重輪間的距離一般為或，但是不能是或[44]。原因是因為隨時都要保證履帶嚙合的鐵齒上至少有一個支重輪，這樣才可以減少因支重輪起伏而引起的高度差，提高平穩(wěn)性，減少阻力。綜上選用直徑為290mm的支重輪，雙側(cè)履帶各布置6個支重輪，相鄰間距為290mm。托帶輪參數(shù)托帶輪的主要作用是支撐上方的履帶，使履帶保持張緊張態(tài)，從而避免履帶下垂，減緩履帶轉(zhuǎn)動時的跳振。通常單側(cè)履帶配裝1～2個托帶輪，直徑略小于支重輪直徑。綜上設(shè)計托帶輪直徑為250mm，共兩個。（五）張緊輪和張緊裝置張緊輪主要是為了引導履帶運動方向，從而防止履帶發(fā)生橫向滑動，同時為了保持張緊力適中，可以與張緊裝置一同使用，避免履帶跳振。參考經(jīng)驗公式（2-9）進行估算，（2-9）將代入公式得張緊輪直徑。1.4底盤動力系統(tǒng)的設(shè)計1.4.1最大驅(qū)動力計算履帶式行走系統(tǒng)受到的行走阻力主要包括兩部分。內(nèi)部阻力為履帶安裝處的摩擦力，例如驅(qū)動輪和履帶嚙合時產(chǎn)生的摩擦力、車輪與各自的軸承之間的摩擦力等。履帶的外部阻力為履帶式底盤行走的過程中，履帶受到地面擠壓變形而產(chǎn)生的阻力[45,46]。履帶底盤的直線行走所需驅(qū)動力：（2-10）式中：為外部滾動阻力系數(shù)，一般取0.1，各種路面的滾動阻力系數(shù)如表2-3；為內(nèi)部阻力系數(shù)，取0.05；為整機質(zhì)量，取預估值4000kg。表2-3各種路面的滾動阻力系數(shù)路面性質(zhì)滾動阻力系數(shù)混凝土0.05冰面0.03～0.04堅實土路0.07松散土路0.10泥濘路面0.10～0.15履帶底盤的坡道行駛所需驅(qū)動力：（2-11）式中：為坡道角度，取。經(jīng)計算可知，，。底盤在爬坡時所需驅(qū)動力遠大于底盤直線行駛時所需驅(qū)動力，則以底盤爬坡時所需要的驅(qū)動力為最大驅(qū)動力，計算得到最大驅(qū)動功率。最大驅(qū)動功率計算公式為：（2-12）式中：為最大驅(qū)動力，；為行駛速度，取8km/h；為傳動系統(tǒng)效率，?。粸樾凶呦到y(tǒng)效率，取。計算得最大驅(qū)動功率。一般履帶式底盤停止行走后，操縱換擋機構(gòu)完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向完成后再換擋繼續(xù)直線行駛[47]。所以根據(jù)底盤轉(zhuǎn)向時的功率消耗進行校核。履帶車輛轉(zhuǎn)向工況消耗功率是直線行駛消耗功率1.63-3.24倍。底盤轉(zhuǎn)向時得驅(qū)動功率：（2-13）計算得。經(jīng)計算和校核，確定底盤所需最大驅(qū)動功率為。根據(jù)項目的實際設(shè)計需求，發(fā)動機是檸條平茬機唯一的動力來源，它不僅需要給行走系統(tǒng)提供動力，發(fā)動機還需將動力分配給檸條平茬作業(yè)機具。已知平茬機具作業(yè)功率為，則整機需求最大功率為（2-14）1.4.1.發(fā)動機的選型淺山丘陵作業(yè)車輛需要有良好的爬坡性能、轉(zhuǎn)向性能，還要夠正常的進行作業(yè)。因此，選擇一個適合的發(fā)動機提供動力源十分重要[48,49]。本文所設(shè)計的底盤在工作時，由于工作環(huán)境的影響，行走速度較低，同時又要搭載相應(yīng)的農(nóng)機具，所以要求有足夠的起步轉(zhuǎn)矩，汽油機雖然轉(zhuǎn)速比柴油機高，但是輸出轉(zhuǎn)矩往往比柴油機低[50]，同時柴油機的經(jīng)濟性相比更好。所以選用柴油機作為整機動力源。根據(jù)前文計算已知，所選動力源功率應(yīng)大于此功率。選用玉柴YCD4系列柴油機作為整機動力源，主要參數(shù)如表2-4所示。表2-4柴油機主要參數(shù)發(fā)動機參數(shù)名稱參數(shù)型號YCD4N4S-110制造廠廣西玉柴機械股份有限公司最大輸出功率（Kw）80最大扭矩（N·m）310額定轉(zhuǎn)速（rpm）3200缸徑行程（mm）93×103冷卻方式水冷外形尺寸（mm）830×620×6801.5底盤傳動系統(tǒng)的設(shè)計1.5.1傳動方案的確定本設(shè)計作為檸條平茬作業(yè)等農(nóng)機具的負載底盤并為其提供動力。因此，檸條平茬機底盤的傳動系統(tǒng)應(yīng)分為兩個分支，一個分支是將發(fā)動機提供動力傳遞至行走系統(tǒng)的驅(qū)動輪，另一個分支是將動力傳遞至負載的農(nóng)機具進行作業(yè)。目前，車輛底盤主要的幾種傳動主要有液力機械式、機械式、靜液壓式和電力式[51]。傳動方式的優(yōu)缺點如表2-5。表2-5傳動方式的優(yōu)缺點傳動方式優(yōu)缺點機械傳動簡單的結(jié)構(gòu)、可靠的工作性能、低成本、高效率，尺寸較大。常用于工程上的機械以及連續(xù)式作業(yè)負荷平穩(wěn)的機械。液力傳動單純的液力傳動結(jié)構(gòu)復雜、成本較高，擋位合理、操縱方便，在轎車上廣泛使用。靜液壓式傳動系統(tǒng)造價也比較高，但其傳動系統(tǒng)布置比較靈活，被廣泛應(yīng)用于軍用車輛。電力傳動電力式傳動系統(tǒng)多應(yīng)用于工程機械。傳動方案主要取決于所設(shè)計底盤的功率大小和實際工作用途[52]。通過綜合考慮眾多影響因素等因素，本設(shè)計中的底盤行走系統(tǒng)選用機械傳動方式，傳動簡圖如圖2-4所示，動力輸出系統(tǒng)選用液壓傳動方式。1-帶輪；2-液壓平茬裝置；3-發(fā)動機；4-變速箱；5-車輪；6-履帶圖2-4傳動方案簡圖行走系統(tǒng)傳動方案為：發(fā)動機—帶傳動—變速箱—驅(qū)動輪。發(fā)動機至變速箱采用皮帶傳動，帶傳動的結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、經(jīng)濟耐用。變速箱選用機械齒輪變速箱，選用了履帶底盤專用變速箱，傳動平穩(wěn)準確，可靠性高。1.5.2傳動系統(tǒng)參數(shù)的確定（一）速度的確定傳動比主要與各檔位行駛速度有關(guān)，所以應(yīng)根據(jù)設(shè)計目標以及底盤自身轉(zhuǎn)移的實際需求，先確定底盤的工作檔位以及各檔位的理論速度，再根據(jù)傳動方案來計算傳動比。本設(shè)計的車輛底盤主要作用是搭載檸條平茬等其他農(nóng)業(yè)機械進行淺山丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)活動。所以，其理論速度的設(shè)計可參考其它同類型產(chǎn)品，確定車輛底盤理論設(shè)計的轉(zhuǎn)移行駛速度為6~8km/h，工作時行駛速度為2~4km/h，后退行駛速度為4~6km/h。（二）帶傳動的設(shè)計帶傳動將柴油發(fā)動機動力傳遞給變速箱的輸入軸。本設(shè)計所選發(fā)動機額定功率為80kw，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》進行設(shè)計，帶傳動參數(shù)如表2-6所示。表2-6帶傳動的主要參數(shù)名稱參數(shù)V帶類型SPB型V帶主動帶輪直徑（mm）180從動帶輪直徑（mm）270傳動比1.5基準長度1800中心距536單根帶功率13.83V帶根數(shù)7變速箱的選型本設(shè)計所選發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速為3200r/min，根據(jù)理論設(shè)計目標中的車速以及實際工況需求，降低操縱的復雜程度，變速箱確定為兩個前進擋加一個倒退擋。確定帶傳動的傳動比大小為1.5，皮帶輸出軸的轉(zhuǎn)速為（2-15）1、履帶底盤工作時行駛速度為，則驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為：（2-16）Ⅰ擋設(shè)計的傳動比為：（2-17）2、履帶底盤后退時行駛速度為，則驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為：（2-18）變速箱的傳動比為：