毕业设计（论文）履带式联收机机械式原地转向底盘研究

履带式联收机机械式原地转向底盘研究 I 摘 要 在上世纪 60 年代日本一家农业机械制造公司(ISEKI)工程师提出设想委托橡胶企业 (BRIDGESTONE)开发了第一条替代金属履带的橡胶履带，并应用在水稻收割机械上。橡胶履 带具有速度高、抗振动、牵引力大、噪音低、机重轻、不损坏路面、耐磨损、使片寿命长 等特点，在橡胶履带面世后就得到了迅速的开发和推广，目前已大量应用于多种行业机械 上。 优良的履带式拖拉机，不仅要有良好的通过性能，而且还要有良好机动性能。转向是 否灵活、转向半径的大小会直接影响到车辆的使用效率、燃油经济性和驾驶员的劳动强度， 所以转向灵活性和可控性是履带车辆的重要技术指标之一。而传统的履带式车辆的转向机 构通常采用的是转向离合器，其转向精度低、操作过程复杂，可控性差。但现在大多数农 业拖拉机仍采用这种方式转向，最典型的为履带式拖拉机。因此，为履带式拖拉机设计出 操作简便、转向平滑的转向机构为人们所期待。 为了改善履带式拖拉机的转向性能，针对我国现有的履带式拖拉机在转向时对土壤的破 坏力大和消耗功率大等问题，本文系统、全面地对履带式拖拉机转向机构进行理论分析， 在消化、吸收、归纳、总结前人成果的基础上，提出一种转向机构的设计方案。 关键词: 橡胶履带；原地转向；履带式联合收割机；Solidworks 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 II Abstract 60s in the last century, a Japanese manufacturer of agricultural machinery (ISEKI) put forward the idea of Engineers commissioned a rubber companies (BRIDGESTONE) the development of the first alternative metal rubber crawler tracks, and machinery used in the rice harvest. Rubber track with high speed, anti-vibration, great traction, low noise, light weight machine, without damaging the road surface, wear-resistant, so that long-lived features such as film, in the rubber track has been released after the rapid development and promotion, is now a large number of machinery used in a variety of industries. Excellent track-type combines, not only through a good performance, but also has good mobility. Shift Is flexible, the size of the radius of turn will directly affect the efficiency in the use of vehicles, fuel economy and drivers labor intensity, So turn to the flexibility and controllability is a tracked vehicle, one of the important technical indicators. Traditional steering tracked vehicles are usually used in turn to the clutch, the shift of low precision, the complexity of operation, controllability worse. But now the majority of agricultural tractors are still used in this way turn to the most typical combine harvester crawler. Therefore, in order to track-type design combines simple, smooth steering turned to look forward to people. In order to improve the crawler steering combines performance, for our existing track-type combine harvester at the time of the shift The destructive power of the soil and the big issues such as power consumption, this paper systematically and comprehensively tracked combine to turn to institutions Theoretical analysis, in the digestion and absorption, draw conclusions, summing up the basis of previous results, a steering mechanism design to Case - a mechanical dual-power transfer to the body. Key words: Place shifting；Rubber Track； tractor combine； Solidworks 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 III 目录 摘 要 .I ABSTRACT.II 1 前言 .- 1 - 1.1 橡胶履带 .- 1 - 1.1.1 车辆橡胶履带的分类 .- 2 - 1.1.2 橡胶履带的结构 .- 3 - 1.1.3 橡胶履带发 展现状 .- 3 - 2 履带式车辆发展概况及转向机构的研究 .- 4 - 2.1 履带车辆发展概况 .- 4 - 2.1.1 国内对橡胶履带式拖拉机的研究 .- 4 - 2.1.2 国外橡胶履带拖拉机的发展 .- 5 - 2.2 橡胶履带拖拉机的优点 .- 6 - 2.2.1 良好的技术经济性 .- 6 - 2.2.2 更大的机动性和可靠性 .- 7 - 2.2.3 具有良好的操纵舒适性 .- 7 - 2.2.4 其他的性能 .- 7 - 2.3 履带车辆转向机构 .- 7 - 2.3.1 独立式转向机构 .- 9 - 2.3.2 差速式转向机构 .- 9 - 2.4 本课题研究的目的及意义 .- 11 - 2.5 小结 .- 12 - 3 拖拉机变速箱设计 .- 13 - 3.1 变速箱的设计原理 .- 14 - 3.2 确定装置的转动比 .- 15 - 3.2.1 总传动比的确定 .- 15 - 3.2.2 行星轮传动比估算 .- 15 - 3.2.3 分配传动比 .- 16 - 3.3 传动装置的运动和动力参数 .- 16 - 3.3.1 各轴的转速 .- 16 - 3.3.2 各轴输出功率 .- 17 - 3.3.3 各轴的转矩 .- 17 - 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 IV 3.3.4 变速箱的主要参数 .- 19 - 3.4 齿轮主要参数设计 .- 19 - 3.4.1. 初步设计选择齿轮的材料及精度确定 .- 19 - 3.4.2.按齿面接触疲劳强 度设计 .- 19 - 3.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度 .- 21 - 3.4.4 齿轮传动的中心矩 .- 23 - 3.4.5.齿轮的圆周速度 .- 23 - 3.4.6.齿轮的 参数 .- 23 - 3.5 轴的设计 .- 25 - 3.5.1 各轴的转速 .- 25 - 3.5.2 轴径的估算 .- 25 - 3.5.3 轴的各 项参数 .- 27 - 3.5.4 轴的确定 .- 28 - 3.5.5 轴的校核 .- 30 - 3.5.6 键的校核 .- 32 - 4.结 论 .33 参考文献 .34 致 谢 .36 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 1 - 1 前言 近年来，橡胶履带拖拉机异军突起，成为拖拉机行业发展的新动向，被国内称为新一 代拖拉机。国外继卡特公司 80 年代、90 年代率先推出 Challenge 日橡胶履带拖拉机系列 之后，法国、英国、意大利、前苏联和日本等国家也纷纷推出不同类型的橡胶履带拖拉机， 尤其一向以生产大功率轮式拖拉机闻名的美国迪尔公司，也推出了橡胶履带拖拉机系列。 可以认为橡胶履带拖拉机的产生，结束了多年来的轮式拖拉机将取代履带拖拉机的舆论， 推动了拖拉机技术的发展。 英国理查德洛弗尔埃奇沃思发明了履带车辆并同时获得专利以来。履带车辆由于 其优越的性能深受机械行业工作人员的青睐。履带式车辆便于通过承载能力较低的地面， 且牵引力较大，因而在军用、农用及施工工程领域得到了广泛的应用。 现代拖拉机向着大功率的方向发展，大功率带来的是更高的车重。水稻联合收获机， 工作在含水量较高，比较松软的土地上，用轮式行走装置会因下陷而无法工作。由于履带 式接地面积增大、对土壤的压强降低、解决了陷车问题，所以采用履带式拖拉机更有优越 性。 对于履带式车辆，不仅要有良好的通过性能，而且还要有良好的机动性能。转向是否 灵活、转向半径的大小直接影响到车辆的使用效率、燃油经济性和驾驶员的劳动强度，所 以转向的灵活性和可控性是履带车辆的重要技术指标之一，其性能的优劣影响着履带车辆 的转向机动性、生产效率和经济性，是履带式联合收割机更要具备此性能。现今国内中小 型履带型联收机多数采用单边制动实现转向，因该侧履带没有滚动，原地旋转(绕一侧履带 转动) 时，造成侧向推奎土堆，阻力激增，当转一个 90 度弯需分两次，其中要增加一次倒 车，向后转弯再前进，履带接地长度大，在地头转弯时转向阻力矩与轮式比大大增加，尤 其在土质粘重的水田大大增加转向操作的时间和劳动强度，降低了工作效率。并且随着履 带车辆功率、车重的逐步增大，行驶速度的不断提高及人机工程技术的发展，人们对其转 向性能的要求也越来越高。因此，能够在履带式联合收割机上实现操作简便、转向平滑的 转向机构为人们所期待。 根据国内外的市场需求，在产品的发展上，目前国内对中速或高速大型橡胶履带拖拉 机以及中小型橡胶履带拖拉机均需要开发。此外，它们用于建筑施工的工程机械变型，沙 漠、雪地、两栖用越野车辆变型，通用的收获机底盘变型等也需要相应地开发设计。 本课题旨在研究一种能绕联收机重心原地转向的机构，这时两侧履带可以均有滚动， 在滚动中转向，侧向推土量少而且散开，从而转向阻力可显著减少，可实现一步操作 90 度 转向，以提高生产效率、简化操作步骤、减轻劳动强度。 1.1 橡胶履带 橡胶履带是一种橡胶与金属及纤维材料的复合制品，主要用于农业机械、工程机械和 运输车辆的行走部分，最初是为了解决农用联合收割机金属履带易被稻草麦杆和泥土堵塞， 橡胶轮胎易在水田中打滑以及金属履带会对沥青和混凝土路面造成破坏而由日本普利司通 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 2 - 公司于 1968 年率先开发成功的。橡胶履带除了解决了以上问题，还具有质量小、牵引性好、 转向灵活和在复杂地形上通过能力强等优点现已广泛应用于行走式农业机械和石油勘探、 森林防火车辆等许多领域。 1.1.1 车辆橡胶履带的分类 目前然橡胶履带的种类较多，但无统一的分类方法。 按驱动结构形式可分为如下几种: （1）轮齿式:驱动轮有齿插入带孔内,驱动带向后运动。细分又有单行孔和双行孔。 （2）轮孔式:带上有金属传动齿，与带轮上的孔相对应，带齿插入轮孔，啮合传动。 （3）胶齿驱动式:用橡胶凸起齿替代金属传动件，无噪声，振动小。 （4）摩擦驱动式:履带内表而与驱动轮而接触，摩擦传动。 （5）外套随动式:带分二段套装在普通履带外侧，用于深雪及临时性恶劣环境。 （6）可与金属履带互换式:可根据工作地形条件需要与金属履带替换使用。 按其外型结构可分 （1）分块橡胶履带：即在原金属履带的铰链或接地面处挂胶或嵌镶橡胶，分块连接整 履带。20 世纪初期已用于军用车辆，40 年代开始用于拖拉机，如当时的 Caterpillar,Case, Bristol ,Rushton 等拖拉机均装过这种履带。但由于生产不便，优点 不多，目前拖拉机上极少采用。 (2)充气橡胶履带:即类似轮胎的充气橡胶履带。1927 年苏联学者 HC维特琴金首先 制成了试验用环式充气履带。同期，美国与意大利也有人发明了环式充气履带。意大利人 邦玛蒂尼(Bonmartini) 1949 年开始将充气履带用于机器的行走装置飞机起落架上。 1961 年，邦玛蒂尼在第一届通过性国际会议上，表演了装有充气履带的 13. 2 KW、1 313 kg 重的 Lombardini 拖拉机，速度提高了一倍。同期，苏联对装充气履带的小型拖拉机也 做了对比试验。由于充气橡胶履带存在一些技术上的难点，所以至今未见在商品拖拉机上 出现。 ( 3)整体橡胶履带（如图 1-1 所示）:即用钢妊加强并有金属导向块橡胶包裹的整条履 带。1923 年雪铁沦克哥瑞斯公司推出了履齿上包橡胶的履带(挂胶履带)，用于半履带军用 车辆。20 世纪 50 年代开始用在英国两种 5.1KW 与 29.8KW 的拖拉机上。目前整体橡胶履带 目前已用于收获机械、工程机械拖拉机、湿地车辆、雪地车辆、沙漠车辆、运输车辆、军 用车辆等各种越野车辆上. 、 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 3 - 图 1-1 用 Solidworks 画整体式橡胶履带 1.1.2 橡胶履带的结构 橡胶履带是是由橡胶和预埋钢管、钢板经硫化而成的橡胶制品。通过金属连接件拼装 在钢履带上，可直接在路面上行驶，具有安装简单，易拆卸等特点。 图 12 履带内部结构图 图 13 履带整体外形图 一般橡胶履带的带体结构含有如下部分:铁齿(iron core),驱动履带:钢丝(steelcore )， 承受牵引力；花纹(lug)，接地部分；轮侧面(wheel side )，支承支重轮部分橡胶履带。 1.1.3 橡胶履带发展现状 橡胶履带的发展历史是橡胶制品不断配合和满足各种机械发展的历史。经儿十年的发 展，日本是橡胶履带的主要生产国家，以 BRIDGESTONE(BS)、FUKUYAMA(FRC)为代表的橡胶 履带制造厂，在产品品质、规格品种、市场知名度及份额上都占有排头的地位。BS 除在日 本外，在中国、波兰、西班牙均有厂生产橡胶履带。FRC 与中国杭州橡胶(集团)公司永固 橡胶厂建立技术合作关系，永固厂现已发展成大型橡胶履带生产基地，向全世界供应橡胶 履带。目前除日本外，多数橡胶履带制造厂均在发展中国家，如韩国 DONGIL, TAERYUK 斯 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 4 - 里兰卡 SOLIDEAL，中国的金利隆、同力、华橡等。目前中国已逐步发展成橡胶履带的生产 大国，但由于产品品质及知名度的关系，还多属于低端产品，在国际上廉价销售。 有关橡胶履带产品的知识产权限定一般较多涉及橡胶履带的关键零件铁齿及橡胶履带 的带体结构和形状。专利的拥有人多数为日本的 BS, FRC。永固橡胶厂及我国其他工厂也 拥有少数的授权专利。在国际市场有关涉及橡胶履带的专利权益争议也时有出现。 目前我国在橡胶履带使用方面步履缓慢，工程机械仍多采用金属履带。国内工程机械 主机厂装配橡胶履带的产品也多数销售到海外市场。在世界上发达国家使用橡胶履带做为 行走部件较为普遍，使用橡胶履带多的国家和地区依次是日本、欧洲、北美。 2 履带式车辆发展概况及转向机构的研究 2.1 履带车辆发展概况 1770 年，英国理查德洛弗尔埃奇沃思发明了履带车辆并同时获得专利(Bekker， 1962)。当时履带车辆被描述为“便携式轨道” ，这种便携式轨道是由多块木头制造而成， 沿着与其相配的车架移动，类似于在车轮前面铺了无限长的轨道一样，这就是全履带车辆 的最初构想。 1901 年第一辆半履带蒸汽机车问世，随后客车和履带车辆发生了革命性的变化，一战 前期农用拖拉机开始生产并得到广泛使用。 一战后期，战场上出现了第一辆坦克，它在战场上的所向披靡推动了履带车辆与它所 处环境之间的研究。在战争中广泛使用的纵横乡村的履带车辆技术被转化为民用，主要在 农业领域。 随着二战的爆发，新型纵横乡间的履带车辆再次得到了发展，虽然很有限但非常重要， 促进了履带车辆朝着大马力、钢板履带的方向发展。 现代履带车辆的设计充分考虑了土壤环境和车辆实用性。它们有更好的性能，现代履 带拖拉机能以很高的速度在乡村奔驰，并且能根据地形与气候状况进行合理作业，这些使 得履带车辆在许多情况下有巨大的优势、 ，由于对地面的压力小可以保护自然环境。. 随着对履带车辆的要求越来越高，金属履带己不能满足履带车辆高速运转要求，因此， 人们将研究精力集中到橡胶履带车辆的上来，特别是 20 世纪 80 年代以来，美国卡特彼勒 和迪尔公司，英国的马歇尔公司，日本的洋马、小松公司和久保田公司都研制出了自己独 特的橡胶履带产品。 2.1.1 国内对橡胶履带式拖拉机的研究 从事这橡胶研究的主体，主要是某些大学研究所和有关企业。研究的主要内容有:(1) 试验对比橡胶履带拖拉机与四轮驱动拖拉机的牵引性能、打滑率、生产率等。用车辆地面 系统理论，探讨橡胶履带拖拉机牵引性能的经验公式与数学模型。( 2)对比橡胶履带拖拉 机与四轮驱动拖拉机对土壤的压实及对作物的影响。( 3)试验对比橡胶履带与金属履带的 振动与噪声，探讨建立橡胶履带行走系振动的物理与数学模型。( 4)橡胶履带结构形式与 参数的研究。和行走装置提高寿命与降低成本的研究等。 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 5 - 如:天津工程机械研究所对橡胶履带两栖车辆的研究，中国农业机械化研究院及南京农 业机械化研究所对水稻收割机橡胶履带的研究，吉林大学对差速转向系统的研究，江苏大 学对橡胶履带啮合的研究，青岛建筑工程学院对橡胶履带接地齿接地压力的试验研究，中 国一拖集团有限公司对橡胶履带拖拉机的研究和杭州永固橡胶厂对橡胶履带的研究等。中 国一拖集团有限公司对橡胶履带在拖拉机、推土机、自行电站上的应用进行了研究。重点 是金属履带与橡胶履带在动力与使用性能的比较。 20 世纪 70 年代，浙江湖州联合收割机厂等已批量生产橡胶履带水稻收割机;20 世纪 80 年代天津工程机械研究所研制了橡胶履带水陆两栖车辆;20 世纪 90 年代橡胶履带在各种 车辆上的运用逐步增多。 目前在我国橡胶履带已用于 1147.8 kW 的水稻收割机、小型液压挖掘机、小型盐田 机械、全地形运输车等各种越野车辆、大中型自行电站和大中型履带拖拉机上。 1994 年中国一拖集团有限公司在牵引力等级为 3t 级的履带拖拉机上，对采用金属履 带或橡胶履带进行了比较试验，试验在硬黄土地面上进行。试验还测定了橡胶履带在工作 时的表面温度变化情况。带推土铲的橡胶履带拖拉机在夏季推土，胶履带表面温度逐步上 升，4h 后温度趋于稳定，在 47.551.25 度之间。分别表明采用橡胶履带的环境噪声和耳 旁噪声明显小于金属履带。水泥地面效果更明显。 中国一拖公司于同年制成了第一台“东方红 802 R”橡胶履带拖拉机，此后，一拖公 司还对采用橡胶履带的拖拉机、推土机进行了使用试验。主要是橡胶履带的耐磨性试验， 橡胶履带的脱轨试验，橡胶履带的寿命试验，不同结构橡胶履带的可靠性试验，橡胶履带 的仲长试验以及通常性的作业查定。近年来又研制成功了东方红一 13028 橡胶履带拖拉机， 它采用机械液压双功率流传动差速转向系统，方向盘操纵，可实现真正意义上的原地转向。 但是，仍然没解决转向期间功率增大问题。 2.1.2 国外橡胶履带拖拉机的发展 美国卡特彼勒(Caterpillar)公司 1986 年推出世界上第一台高速橡胶履带拖拉机 “Challenger 65”型。最高行驶速度达 3040 km/ h。 20 世纪 90 年代初，日本小松(Komatsu)公司已在 2 种 29.4 kW 、3.98t 与 51.5 kW 、6. 92 t 的推土机上进行安装橡胶履带的试验。最高行驶速度仅为 8. 1 km/h。 90 年代中期，小松公司又推出了 MK 系列农用橡胶履带拖拉机， 同期，日本久保田(Kubota)公司生产半履带式拖拉机，他们称其为 Power Crawler 系 列，最高行驶速度为 18. 4 km/ h。该机型的特点是转向灵活，低湿地直线行驶性及对凹 凸地面的适应性好。 90 年代后半叶，美国凯斯(Case)公司推出了 Case IH STX 系列橡胶履带拖拉机 STX375,STX440 型，采用 4 个独立的三角型驱动橡胶履带代替轮胎，驱动轮有齿与履带上 凸块啮合。拖拉机铰接式转向。 1998 年德国克拉斯(Class)公司生产的橡胶履带拖拉机，不过是卡特彼勒挑战者拖拉 机以克拉斯商标面向欧洲销售的产品，颜色由卡特黄变为克拉斯绿。 随卡特彼勒推出 Challenger 65 之后，英国马歇尔(Track Marshall)公司推出了 TM 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 6 - 200 型橡胶履带拖拉机。功率为 157 kW，重 12. 5 t。人造橡胶履带宽 510 mm。前惰轮为 充气轮胎,后置钢制笼式驱动轮驱动,与每条履带内侧中部一排凸块啮合。每边 4 对支重轮 支在带空气弹簧悬挂的平衡台车上,无托轮。两个独立的静液压传动系分别驱动每侧履带, 实现速度转向。就某种意义而言,履带拖拉机与轮式拖拉机孰优孰劣的争论,一直是它们各 自技术进步的动力之一。 美国迪尔(Deere)公司在和卡特彼勒公司争论履带拖拉机与四轮驱动拖拉机孰优孰劣 10 余年之后，1997 年，也推出了自己的高速橡胶履带拖拉机。10. 7t 左右。最高行驶速 度为 31. 8 km/ h。 目前乌克兰哈尔科夫拖拉机公司(XT3)生产的橡胶履带拖拉机，型号为 153。使用质 量 8 260kg。前进速度 4. 3 15. 6 km/h，后退速度 5. 8 8. 1km/h。 俄罗斯伏尔加格勒拖拉机公司曾在 -175C 拖拉机上研制过橡胶履带拖拉机，目前 生产的橡胶履带拖拉机是其 BT-100 系列中选装的橡胶履带变型，质量 7. 5 t，采用平衡 台车。 俄罗斯乌拉列兹工厂生产小型橡胶履带拖拉机，它们是小型两轮驱动轮式拖拉机的变 型，最高速度为 15 km/ h。无支重轮，无托轮。在每侧前后轮胎上装一搭接整条橡胶履带， 结构简单。履带宽 270 mm，节距 93. 5 mm, 84 节。 2.2 橡胶履带拖拉机的优点 橡胶履带拖拉机作为新一代拖拉机，与传统的轮式、金属履带拖拉机相比具有如下突 出的特点。 2.2.1 良好的技术经济性 （1）橡胶履带拖拉机与轮式拖拉机相比具有较低滑转率，在疏松的土壤上仍有很高的 牵引功率。根据迪尔公司的资料介绍，8100T 系列橡胶履带拖拉机的滑转率为 2%5%，而 8000 四轮驱动拖拉机的滑转率为 8%12%。据卡特彼勒公司的资料介绍，Challenger 65D 橡胶履带拖拉机的牵引功率与同功率的四轮驱动拖拉机相比，在未耕地上可提高 15%，在 已耕地上可提高 35%以上。由于橡胶履带拖拉机滑转率降低和牵引功率提高，机组工作效 率可显著提高。 (2)橡胶履带拖拉机与金属履带拖拉机相比，可以提高作业速度 15%20%，相应地也 就提高了机组的生产率。 (3)橡胶履带拖拉机比轮式拖拉机、金属履带拖拉机更容易管理，使用费用更低。橡 胶履带不需充气，也无金属履带铰接副的磨损，减少了行走系统易损件的品种、数量，降 低了保养、维修费用。 （4）橡胶履带拖拉机比金属履带拖拉机和轮式拖拉机综合利用率高。橡胶履带拖拉机 可以方便地穿越公路和在公路上行驶而不破坏路面.能及时进行田间转移，且在短途道路运 输时不需借助运输工具，拓宽了使用范围。橡胶履带拖拉机接地面积较大，其理论接地压 力远小于轮式拖拉机。卡特彼勒公司资料介绍，Challenger 35 橡胶履带拖拉机的接地面 积是同功率等级后轮并胎的四轮驱动拖拉机的 1. 724 倍。因而橡胶履带拖拉机即使在低湿 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 7 - 地条件下，仍具有较好的通过性，在农忙季节雨后情况下.可比轮式拖拉机提前下田，提高 了利用率。 2.2.2 更大的机动性和可靠性 橡胶履带拖拉机可以方便地进行转移，由于使用了差速转向系统，能够满足各种转弯 需要，如原地转向(转向圆半径 R=1/2 B 为拖拉机轨距),零转向(转向圆半径 R=0，此时两 条履带一进一退，转向相反)。橡胶履带拖拉机采用的差速转向系统不同于轮式拖拉机的差 速器，它依靠拖拉机两侧履带的速度差来实现转向.既差速又差力。该转向方式可以减小转 向阻力和对土壤的破坏，提高传动效率和橡胶履带的寿命。目前有液压差速转向机构、也 有机液混合差速转向机构. 2.2.3 具有良好的操纵舒适性 具有较大接地面积的橡胶履带拖拉机，既可提高对路面不平的适应性，又可缓冲路面 的冲击，同时挂胶支重轮、导向轮、驱动轮等吸收了地面的冲击，减少了拖拉机的振动， 所以橡胶履带行走系噪声低，缓冲性能好，使驾驶员乘坐更舒适。 2.2.4 其他的性能 在橡胶履带拖拉机上，除因采用橡胶履带而带来的上述突出优点外，还有许多因采用 其它高新技术装备而带来的其它卓越性能，如整机电子监视智能中心，使橡胶履带拖拉机 比通常金属履带拖拉机、轮式拖拉机性能更优越，可靠性更好，操纵更方便、省力。 2.3 履带车辆转向机构 履带行走装置是通过一条卷绕的环形履带支承在地面上，主要由履带、驱动轮、支重 轮、导向轮、浮动轮和托轮等组成，见装配图 2-1 及简图 2-2。履带与地面接触，驱动轮 不与场面接触。驱动轮在变速箱驱动扭矩的作用下，通过驱动轮上的轮齿和履带铁齿之间 的啮合，连续不断地把履带从后方卷起。接地那部分履带给地面一个向后的作用力，而地 面相应地给履带一个向前的反作用力，这个反作用是推动机器向前行驶的驱动力。当驱动 力足以克服行走阻力时，支重轮就在履带上表面向前滚动，从而使收割机向前行驶。 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 8 - 图 2-1 用 solidworks 画的整体装配图 图 22 行走装置简图 1. 驱动轮；2.支重轮；3.履带；4.托轮；5.浮动轮；6.导向轮 支重轮在履带上滚动，将整台收割机的质量传给地面，承载着整台机器的质量。收割 机经常在水田作业，支重轮长期带有泥水，工作条件恶劣，若泥水进入支重轮的轴承，轴 承很快就被损坏，从进而损坏支重轮。因此，支重轮的密封性能非常重要。要提高支重轮 的密封性能，主要从两个方面考虑：一是尽量减少活动密封面，降低泥水进入轴承的机会； 二是提高密封件的可靠性和使用寿命。采用悬臂固定方式是减少支重轮活动密封面的一个 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 9 - 办法，它可以使支重轮的密封面仅有一个，见图 2-3 及 2-4。密封方式主要有油封和机械 密封两种。采用油封密封结构简单，成本低，但从效果看，其使用寿命较短，基本上用一 个收获季节就损坏，需要更换；而采用机械密封方式结构虽然相对复杂，成本也高，但一 般可以用一到二年。 图 2-3 用 solidworks 画支重轮 1. 支重轮；2.轴承；3.支重轮轴；4.机械密封组件；5.挡圈；6.密封圈 图 2-4 支重轮简图 履带车辆的转向机构可根据车辆在转向过程中两侧履带的运动有无联系而分为独立式 转向机构和差速式转向机构，也可根据在转向过程中功率流的传递方式分为单功率流转向 机构和双功率流转向机构。独立式转向机构仅是履带的一侧受到转向的影响，而差速式转 向机构其一侧受转向影响的变化数值等于另外一侧变化数值，但方向不同。 2.3.1 独立式转向机构 独立式转向机构的转向是靠制动内侧履带来达到，为此转向内侧的输入传动路线首先 被转向离合器切断，再制动该侧的制动器。此时转向外侧部分不受任何影响而保持原状(独 立式输入)。独立式转向机构的车辆按非规定的转向半径转向时，要靠对内侧履带不同程度 的制动即靠摩擦元件的滑磨来实现，难以得到准确的转向半径;其次是在转向过程中摩擦元 件的剧烈摩擦会带来发热和磨损，使传动效率降低，导致工作可靠性差，寿命降低。 表 1-1 转向机构的类型 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 10 - 转向机构的形式 单功率流转向机构 双功率流转向机构 转向离合器 正独立式双流转向机构 二级行星转向机构 零独立式双流转向机构独立式转向机构 三级行星转向机构 正差速式双流转向机构 单差速器 零差速式双流转向机构差速式转向机构 双差速器 负差速式双流转向机构 当车辆直线行驶时，使用转向离合器一制动器转向机构的车辆具有能保证完全稳定通 过行驶路线的优点。但是在丘陵地行驶时，只有通过修正方向才能保证行驶稳定性。当车 辆分离转向离合器或者让它打滑时，在斜坡上的车辆在倾斜力的推动下使转向内侧履带下 滑，而与转向离合器结合的一侧被发动机和传动的阻力所制止，这样就达不到转向精度的 要求，因为转向离合器分离的那一侧的转速变大。因此要得到所要求的转向半径就变得勉 强了，这要取决于驾驶员熟练而精确的操作。 由于独立式转向机构结构比较简单，使得它至今仍作为结构设计的一种方案，也是构 成履带车辆转向传动的最为简单的方法。这种转向机构在早期的中小型履带式车辆上得到 了广泛运用。但由于其操纵性差、生产效率低、能耗较大，随着履带车辆功率的不断增大， 转向离合器的应用会受到一定的限制。 2.3.2 差速式转向机构 差速式转向机构可分为单流差速式转向机构和双流差速式转向机构。 1.单流差速式转向机构属于老式转向机构，这种转向机构的结构简单，但它在行驶力 学方面的缺点，使它不能作为履带车辆的转向机构。其中最常用的有转向离合器、单差速 器、双差速器和行星转向机构等。转向离合器都是多片式摩擦离合器，靠摩擦表面的摩擦 力传递转矩，当分离某一侧的转向离合器时，就可以减少或切断该侧驱动轮所传递的转矩 使车辆转向。转向半径的大小由驱动轮所传转矩的减少量即离合器分离的程度所决定。转 向离合器由于结构简单、制造方便，在早期的中小型履带式拖拉机、推土机上得到了广泛 应用。但由于其操纵性差、生产效率低、能耗较大，随着履带车辆功率的不断增大，转向 离合器的应用将会受到一定的限制。 单差速器转向机构可使车辆几何中心位置的速度在转向过程中仍保持原直线行驶车速， 但当一侧完全制动时，转向半径过小，而另一侧履带速度过高、转向角速度过大，因此所 需转向功率很大，驾驶员若持续转向，稍有不慎就会使发动机熄火，因而只能靠滑磨，用 较大半径转向，或极不平稳地以小半径断续转向。因此这种单差速器转向机构现在几乎不 再采用。 双差速器转向机构可使履带车辆在转向时慢速侧履带降低的速度等于快速侧履带增加 的速度，因此车辆转向时的平均速度与直线行驶的速度相同。但由于双差速器不能完全制 动一侧履带，车辆不能原地转向，且转向半径的变化范围没有使用转向离合器的大，转向 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 11 - 平顺性较差。转向时快速侧履带加速，因此发动机的附加载荷比采用转向离合器的大。双 差速器是由齿轮组成的转向机构，与转向离合器相比零件数目少、耐磨性好、寿命较长。 行星转向机构由一组行星轮系和制动器组成。操作行星机构上的制动器可以改变两侧 驱动轮驱动力矩大小使车辆转向。 单功率转向的缺点是明显的，车辆仅有几个固定的转向半径，按非规定的转向半径转 向时，要靠摩擦元件的滑摩来实现，难以得到稳定的转向半径;其次是在转向过程中摩擦元 件的剧烈滑膜会带来发热和磨损，使传动效率降低；另外，剧烈的摩擦也使机构容易破坏， 导致工作可靠性差，寿命降低。 2.双流转向装置最早出现在法国(1939-1940 年的 Somua 和 B2，现在都采用液压转向机)、 德国(1942-1943 年的豹式主战坦克和 1942 年的虎型坦克)和美国(M46 )。所谓双流转向机 构是将发动机功率分成两路，一路为变速分路，控制两侧履带的直线行驶速度，另一路为 转向分路，专门控制转向运动，这两路功率在两侧汇流行星排中汇合后再经两侧的传动， 最后传到驱动轮。装有双流转向机构的车辆，在转向机构中没有给出差速的命令时，是能 保证直线行驶稳定性的，通过转向机构也能得到一侧履带与另一侧履带自动的转速补偿。 双流转向机构的主要特征; (1).规定转向半径的数目，是变速分路的档数与转向分路中固定传动比的数目乘积。 在一个或同时在两个分路中具有无级传动，就成为无级双流转向机构。 (2).转向特性取决于变速机构的档次。因此在高速档行驶时，只能以大半径转向。 (3).如果在转向分路中，没有单独的差速机构，或者如果转向轴可以通过稳定离合器， 或辅助制动器固定住时，则直线行驶是稳定的。 (4).如传到汇流排的转向分路转速符号不同但数值相同时，则为差速式双流转向机构。 (5).总功率是由变速机构的直线行驶功率和经转向机构来的转向功率组成。 在单功率流转向机构的基础上最早出现的是直驶和转向两功率流均由机械装置来实现 的机械式双功率流转向机构。机械式双功率流转向机构在转向性能上较单功率流转向机构 有很大提高，但仍然不能满足车辆在所有不同曲率的道路上用圆滑轨迹转向行驶的需要。 随着现代机电液压及人机工程技术的发展，在机械系统上附加液压泵一液压马达驱动的机 械一液压转向系统将逐渐得到应用。 机械液压式双流差速式转向机构是利用液压机械无级传动原理，将液压传动与齿轮传 动恰当组合的一种新型封闭双流传动机构。这种转向机构在国外军用装甲车辆、拖拉机、 推土机及其他工程机械上已开始使用，国内对液压机械差速转向机构的研究和应用主要是 针对军用履带车辆;在民用方面，张明柱等对适用于农业拖拉机工况的液压机械无级变速器 进行开发研究。 机械液压式双流差速式转向机构是由发动机、变量泵、控制阀、定量马达、多档变速 箱以及后桥转向差动机构组成。它将由发动机传来的机械功率流在多档变速箱的输入轴上 分流，一路功率流经由液压泵一液压马达组成的转向调速系统;另一路功率流经多档变速箱， 最后在行星排上合流，然后经行星排中的某一部件(如行星架)传到车辆的终传动轴上。由 于液压泵和液压马达可以无级控制，因此使用这类转向机构可获得车辆两侧的速度差实现 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 12 - 无级控制。若液压马达不工作，只有来自中央传动的功率流，车辆作直线行驶;若只有来自 液压马达的功率流，车辆可实现转向半径为零的原地转向;若同时输入两路功率流，由于液 压马达可实现无级控制，因此车辆两侧履带驱动轮转速差可以有无穷多个，可得到无穷多 个转向半径，即可实现无级转向，驾驶员只要操纵转向盘转动液压装置，就可使车辆稳定 地沿一定的圆弧行驶。 这种转向机构不但具有结构性好、没有摩擦元件、寿命长、效率高、工作可靠等特点 外，而且在工作性能上它不是通过部分或全部切断一侧履带的动力来制动一侧驱动轮实现 转向的，而是两侧履带始终传递动力，这样可很好地实现动力转向，基本上消除了履带的 打滑现象，适用于进行偏载推土和切除树根作业;在坡地转向时不会出现“逆转向”现象， 提高了车辆的安全性;由于转向时不切断动力，因此车辆的平均车速不降低;履带不停驶， 对土壤破坏少，在松软土壤上的通过性好;转向半径的大小可任意控制，提高了履带车辆的 机动性,复合转向机构为克服纯液压转向机构的上述缺陷，目前出现了多种采用功率较小的 液压元件的液压复合转向方案。双泵双马达方案，机械液压复合方案，双半径液压转向方 案液压液力复合转向方案。 复合转向机构为克服纯液压转向机构的上述缺陷，目前出现了多种采用功率较小的液 压元件的液压复合转向方案。双泵双马达方案，机械液压复合方案，双半径液压转向方案 液压液力复合转向方案。 机械液压连续无级转向机构是在简单液压机械分流传动原理的基础上，采用不同的机 械机构参数组合，并与液压元件配合的一种最新型的转向机构。它能保证在连续无级输出 转速的前提下应用较小的液压元件大幅度提高车辆的输出总功率，并且其传动效率远远超 过纯液压转向机构的传动效率。 2.4 本课题研究的目的及意义 近年来，随着联合收割机的广泛应用，人们在使用它的同时一直在改进车体的性能。 联合收割机在作业时，驾驶员不但要控制整车的正常行驶，更重要的是还要注意收获质量， 为了使驾驶员有更多的时间来检控收获质量，所以减轻驾驶员在行驶过程中控制整车行进、 转同的劳动强度就有着十分重要的意义。 由于履带车辆的转向原理与轮式车辆本质不同，使履带车辆很难在任何速度下按驾驶 员的意愿使车辆按一定半径转向。履带车辆的履带接地面积大，转向时不能靠履带的轴向 弯曲来实现，只能靠改变左、右两侧驱动轮的驱动力的大小和方向，即切断或减少一侧履 带的驱动力矩，造成两侧履带的驱动力差形成转向力矩，使两侧履带产生速度差，从而改 变履带车辆的行驶方向来实现转向。履带车辆的转向原理决定直线行驶和转向均各需要一 套传动装置来实现，在实现这样的功能的前提下，较为理想的履带车辆的转向机构应具有 以下特点:力求有最小的转向半径，以提高履带拖拉机的机动性;能使转向时发动机的附加 载荷较小，以免发动机熄火;操纵简单省力、有良好的直线行驶稳定性;无论前进或倒车， 两侧履带输出之间可具有不同大小的正负速度差，以满足在不同曲线道路或地形上可以向 左或向右转向的需要。 现有履带车辆的转向机构多采用机械液压式转向机构，此种机构有其本身的优点，但 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 13 - 它也存在不可避免的缺点: 1.功率消耗大。由于液压泵和马达要一直工作，所以功率消耗大，这就导致资源浪费， 与我们要建造节约型社会的理念相违背。 2.功率损失较大。由于车辆在小负荷下工作时，发动机的功率都储备在无级变速器上， 这部分储备功率都通过液压无级变速器内部的液压油卸荷和发热而耗散。 3.转向作用力较高。液压动力转向系统在低温下启动发动机之后，由于低温下油的粘 性较大，所以转向作用力较高。 4.液压式转向系统因有液压缸、油泵、转阀及液压管道等部件，使系统结构复杂、零 件数目多、占用空间大、布置不方便，而且不便于维修。 随着农业履带车辆功率的增大和车速的提高，对其转向机动性的要求也越来越高，对 新型转向机构的研究也更加迫切。要实现机构简单、操纵灵活省力、控制可靠及维修方便， 并能很好地实现无极变速，力求其有更好的动态特性和努力减少转向系统的能量损失尤为 重要。为此，研究设计具有较好的动力性，又有较高的传动效率的新式机械式双功率流转 向机构对于转向机构的发展有着重要的意义。设计和制造能够实现下列功能的传动机构具 有现实意义，主要体现在: (1).转向特性要好，能实现履带式机械的原地转向，使转弯半径减小，转向灵活，操 纵控制简单。 (2).对土壤的滑切影响显著减小，转向阻力减小，减少能量损失。 (3).转向时对土壤状况适应性增强，土壤破坏减小。(双侧驱动) (4).既要满足转向灵活性等要求又可实现一定程度的降速增扭作用。 履带式联合拖拉机的转向机构是其重要的总成之一，其性能的优良直接影响着车辆的 转向机动性和生产效率。因此对性能优良的转向机构的研究一直是车辆工程领域的重要研 究课题。 2.5 小结 本章对履带式车辆转向机构的研究现状和发展概况进行了综述，主要研究了现有的履 带式车辆传动系统的结构和履带式拖拉机的作业特点，分析了机械式双功率流转向机构和 机械液压式双功率流转向机构的优缺点，最终确定了一种新型的履带式拖拉机传动系统和 转向系统形式，提出了本文的主要研究内容。 3 拖拉机变速箱设计 经过深入分析和总结美国 Caterpilliar 公司在大功率推土机上采用的新型差速式转向 机构、日本小松公司推土机的差速转向系及一拖公司生产的东方红 13028 型履带拖拉机的 差速转向机构的优缺点，本文设计一种新型机械式转向机构传动方案，不仅能够完成原地 转向，而且与机械液压式转向机构相比具有结构紧凑、操纵简单、价格低廉，加工容易、 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 14 - 安装和维修方便、节省能源等优点。 本文所设计的装置采用电机作为动力来源，当主轴保持一定转速时，通过两个转向输 入轴输入转速时，可以在输出轴得到不同转速，以实现履带式拖拉机达到不同的转向半径， 特殊时可实现原地转向。 履带车辆要实现非滑切转向的主要问题是动力从发动机传来，采用适当的传动机构， 使动力传到两驱动轮，在履带车辆转向时，变速流提供各档不同的直线行驶速度，与转向 机构形成的两侧履带的速度差汇流，实现车辆的转向。 表 3-1 履带拖拉机的参数 车辆参数 数值 车重 G 14 700N 重心高度 gh1.3m 驱动轮半径 r 0.344m 履带接地长度 L 1.76m 履带重心偏移距离 gc0 履带宽度 B 0.346m 履带中心距 1.3m 发动机额定功率 0P46KW 发动机额定转数 n 3000r/min 拖拉机动力由发动机经 1：1 的皮带轮传给变速箱。动力在变速箱内经过一系列的减小 转速增大扭矩的变化最后由输出轴输出，为驱动轮提供动力考虑到使用环境的恶劣性，在 设计中有必要将安全系数适当提高。 3.1 变速箱的设计原理 拖拉机动力输出齿轮箱的工作原理，就是将齿轮箱的输入轴与拖拉机变速箱后动力输 出轴相连，经一系列齿轮变速并换向，动力由输出轴输出。变速箱内使用行星轮可以实现 无级变速。履带拖拉机的原地转向是在保持传动比不变的情况下用增加一个齿轮的外啮合， 这样就保持的两轮的转速不变而方向相反而实现的。如图 3-1 拖拉机变速箱的结构简图所 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 15 - 示齿轮 1,2 实现轴 1 到轴 2 的减速,齿轮 3（4）,5（6）实现轴 2 到轴 3 的减速,齿轮 3，4，5，6，7,8,9,10,11,12,配合实现履带拖拉机的原地转向。太阳轮 13，15，17 和齿 圈 19 组成一行星轮，太阳轮 14，16，18 和齿圈 20 组成另一行星轮，两行星轮参数一样， 两行星轮分别和齿轮 21，22 固定，由马达或电机通过轴 10 和轴 5 同步为两齿圈提供动力 实现履带拖拉机的无级变速。动力从行星轮出来经齿轮 25 和 27（齿轮 26 和 28）再次减速 传给驱动轴 4（轴 9） 。齿轮 21 和 23 啮合，22 和 24 啮合将轴 5 的动力分别传给两行星轮。 29，30 为一对蜗轮蜗杆利用蜗轮蜗杆传动中的自锁性保证机械传动的正常进行。 图 3-1 变速箱的结构简图 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 16 - 图 3-2 用 Solidworks 画实体变速箱的内部结构图 3.2 确定装置的转动比 本设计遵循联合收割机作业要求，正常行走速度为 0.51.5m/s，最大速度为 3m/s 转 向速度为 0.51.0m/s。 3.2.1 总传动比的确定 驱动轮前进的速度为最终的速度 34.0/601dnnvms 所以 3.6.5/in4nr 总转动比 3018.6.5i 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 17 - 3.2.2 行星轮传动比估算 1323911HHzi 行星轮输出轴于太阳轮输入轴传动比： 13193()Hz 所以当齿圈没有速度即电机转速为时传动比最小为 13193Hz 3.2.3 分配传动比 轴 1： ；轴 2： ；行星轮： ；轴 3: 2.8i351.6i4ai2571.6i 3.3 传动装置的运动和动力参数 3.3.1 各轴的转速 轴 1 转速： 1230/minmnri 轴 2 转速： 12306.7/in.8nri 轴 3 转速： 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 18 - 25316.7041.6/minnri 齿圈转速： 5104.672./inanr 轴 4 转速： 27560.412.76/minanri 3.3.2 各轴输出功率 轴 1 输出功率： 10146.91.4dpkW 轴 2 输出功率： 21.53.k 轴 3 输出功率： 52359.07.6pkW 齿圈输出功率： 57.682.9a k 轴 4 输出功率： 272579.05.4apkW 3.3.3 各轴的转矩 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 19 - 发动机转矩： 469501.3/0ddmpTNmn 轴 1 转矩： 114.95013.79/0pTn 轴 2 转矩： 2239.95025.36/167pTNmn 轴 3 转矩： 5537.6900.85/14pTn 齿圈转矩： 29.8950106./4aapTNmn 轴 4 转矩： 2727 8.4095016.38/27pTn 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 20 - 3.3.4 变速箱的主要参数 表 3-2 变速箱的主要参数 参数 轴 1 轴 2 轴 11 齿圈 轴 4 转速 （r/min） 3000 1666.67 1041.67 260.42 162.76 功率（kW） 41.4 39.33 18.68 14.95 14.20 转矩(N/m) 131.79 225.36 180.175 548.055 833.19 传动比 1.8 1.6 4.0 1.6 效率 0.90 0.95 0.8 0.95 3.4 齿轮主要参数设计 3.4.1. 初步设计选择齿轮的材料及精度确定 齿轮用于拖拉机变速箱小齿轮选用 40Cr，调质， ；大齿轮选用 45 号钢，1260HBS 调质， 。齿轮是拖拉机用齿轮，精度选 7 级，要求表面粗糙度20HBS1.63.aRm 3.4.2.按齿面接触疲劳强度设计 齿轮为钢齿轮质，其摸数由下式确定： 1312()76.4dHKTudm 确定有关参数如下： （1）齿数 z 和齿宽系数 d 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 21 - 取小齿轮齿数 ，120z36 实际出动比： 21361.80zi 齿数比： 12.8ui 选取齿宽系数： 0.4db （2）转矩 1T 小齿轮的转矩： 66 511 40.99.509.51.380PT Nmn （3）载荷系数 查表载荷系数 K 取 1.2 （4）许用接触应力 ：HlimHNZS 查表得： 22lim1lim70/;560/HH 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 22 - 假设本拖拉机能工作 10 年，每年工作 120 天，每天工作 12h 则应力循环次数 9160301(201).520hNnrt912.4Ni 查得寿命系数 取 1.05，最小安全系数 取 1.25NZHS2lim1170568/.2HNZm2lim224/1.5HNS 由上式得 muKTdHd 81.348.190).(372.4.76)1(43.7632521 模数 m: mzdm69.1208.31 取 m=2 3.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度 21FSFYzbmKT 确定有关参数如下： （1） 分度圆直径 d 履带式联收机机械式原地转向底盘研究 - 23 - 1204dmz2367 （2） 齿宽 b 10.416db 取 ；15bm215 （3） 齿形系数 和齿根修正系数FYsY 查得 ； : ；12.8F2.461.5s21.65s （4）许用弯曲应力 2lim/FNYS ；2lim1590/F2lim2410/F 查得寿命系数 ;.0NY.S 所以得 lim11590. 45.8/2FNYNmSlim22. 3.7/15FN 代入上式得