ZL08液压装载机转向系统的设计【完整版】

ZL08液压装载机转向系统的设计摘 要此次毕业设计主要对ZL08轮式装载机的转向系统进行设计。在类比同类型装载机转向系统设计的基础上，提出了一种新型的液压转向系统。设计中首先对铰接式转向进行了运动学和动力学分析，明确了转向过程中的阻力。然后根据整机特点和转向系统的结构原理进行液压元件的选取。整体设计完成后，对系统的压力损失和温升进行了验算和校核。该设计具有优点是转向流量稳定，不随发动机转速变化而变化；在直线行驶时，转向泵卸载，能量损失小，效率较高；体积小，便于安装等。关键词：装载机，液压转向，铰接式转向， 压力损失THE DESIGN OF THE PRINCIPAL OF THE ZL08 WHEEL LOADER STEERING SYSTEMABSTRACTThis is the design.of the principal of the ZL08 wheel loader steering system In analogy with the same type of loader steering system ，a new type of hydraulic steering system has been come up. The design first analysis the kinematics and dynamics of articulated steering，cleared the resistance in process. Then based on the characteristics of the machine and the structure of the steering system, then select the components. The all design is completed, checked and verification the system pressure loss and temperature rise. The system has the advantage of stable turning flow, not change with changes in engine speed; when it goes along, the pump unload, it has high efficiency; and it is easy to install and soon.KEY WORDS: loader，hydraulic steering，articulated steering，the pressure loss6前言1第1章 ZL08装载机概述21.1 ZL08装载机的结构和功能21.2 ZL08的主要技术参数31.3 ZL08转向系统的特点和使用要求41.4 装载机简史及国内外发展情况41.4.1装载机简史41.4.2 国外装载机目前水平及发展动向51.4.3 国内装载机目前发展水平及状况6第2章 转向系统的确定82.1 典型的转向系统82.1.1 机械转向系82.1.2 液压动力转向系92.1.3 电动式动力转向系112.2 转向系统的确定112.2.1 ZL08装载机转向系统的设计要求112.2.2 液压转向系统方案设计12第3章 转向系统的分析163.1 铰接式转向系统163.1.1 铰接式转向系统163.1.2 铰接式转向的工作原理173.2 铰接转向运动学183.3 转向动力学193.3.1 转向运动193.3.2 转向过程的阻力193.3.3原地转向阻力矩203.4 小结21第4章 液压元件设计及选用224.1 转向动力缸224.1.1 液压缸的基本参数224.1.2 液压缸工作能力的计算224.1.3液压缸的运动计算234.1.4强度及稳定性校核234.2 液压泵的选用264.2.1 泵的类型选择264.2.2 确定泵的压力和流量26第5章 辅助装置的选择285.1 油箱285.1.1 油箱的设计285.1.2油箱容量的计算295.1.3 液压油箱的外形尺寸295.2 油管305.2.1 管路设计的要求305.2.2 油管类型的选择305.2.3 管道的计算315.3 液压阀335.3.1液压阀选用原则335.3.2 恒流阀335.4 滤油器35第6章 验算液压系统的性能366.1 压力损失的验算366.2 系统温升的验算36结论38参考文献39致 谢41前言装载机是一种用途十分广泛的工程机械。20世纪60年代以前的装载机，其功率和结构迁都一般均不大。近年来，无论在结构、传动、材料和轮胎等方面均有了改进和提高。装载机不仅可以进行铲、挖、装、运、卸及平整作业，而且可以更换工作环境，作为起重机或叉车等机械使用。在工程施工和矿山开采等部门中作用日益重要。作为世界装载机生产的主要制造基地，中国装载机行业的发展现状可以说能够较为全面的反映全球装载机行业的走势。作为中国工程机械行业最具代表性的产品之一，装载机受到人们的广泛关注。国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大，促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由1980年的20家增至现在的100余家，初步形成了规格为0.8-18t约28个型号的系列产品，并已成为工程机械主力机种，因此对装载机行业进行研究有着十分重要的意义。装载机转向系是用来控制行驶方向的。按转向能源分类，可分为机械转向系合动力转向系两大类。机械转向系是一种传统形式，也是以人力作为转向能源，通过机械传动机构实现转向的。中型以上的工程机械，使用这种类型的转向系是十分费力的。为了提高转向操纵的灵活性和轻便型，必须采用动力转向系。目前，国内外用得最多的是液压助力式的转向系。系统中与转向器相连的是液压转向系统，利用液压缸伸缩来偏转车轮或铰接车架，以达到转向的目的。这种系统大大降低了劳动强度，结构简单、工作平稳，而且液压元件标准化程度高，便于维修并降低维修成本。 液压转向系是以液体作为工作介质来传递力和运动的，工作压力远远高于机械传动和气压传动，工作灵敏度高，液压传动能使动力更直接、迅速地传递到所需要的位置。液压系统压力高，结构紧凑，重量轻，尺寸小，可吸收外来的冲击，又起减震作用，对冲击载荷具有良好的适应性。因此，在工程机械中获得广泛的应用。 第1章 ZL08装载机概述1.1 ZL08装载机的结构和功能装载机是一种有较高作业效率的铲运机械，作业范围广，功能多，主要用于对松散的堆积物进行铲、装、运、挖等作业，还可以用来推土、整理、刮平场地以及进行牵引作业等，通过换装不同的工作机具后，还可以进行挖土、起重以及装载物料等作业。因此，装载机被广泛用于城建、矿山。铁路、公路、水电、油田、国防以及机场建设等工程施工中，对加速工程进度，保证工程质量，改善劳动条件，提高工作效率以及降低施工成本等都具有极为重要的作用。图1-1 ZL08装载机实体图ZL08轮式装载机主要由柴油机系统、动系统、防滚翻及落物保护装置、驾驶室、空调系统、转向系统、液压系统、工作装置、制动系统、电气仪表系统、车架、覆盖件、操纵系统等13个部分与系统组成。结构特点：1.按照大型装载机的设置进行加工制造，采用铰接式车架，全液压操作，具有转弯半径小，机动灵活，便于狭窄场地工作。2.工作装置采用z型反转六连机构实现铲斗自动放平。 3.在前后车架中心有一个摆动机构，使车架围绕中心上下摆动，因此有良好的通过性，适应在崎岖不平的路面行驶和作业。4适用于砂石厂，砖厂，水泥厂，耐火厂，冶矿厂，煤矿厂等散松料的装卸，一机可代替12-15个劳动力工作，是一款经济实用的小型装载机。1.2 ZL08的主要技术参数ZL08装载机的主要技术参数如下表所示表1-1 ZL08装载机的技术参数项目参数单位整机质量3500kg额定载荷800kg斗 容0.4m最大卸载高度2350mm最小卸载高度960mm轴 距1830mm轮 距1300mm最小转弯半径3600mm最高速度21km/h发动机型号490tf额定功率29kw外型尺寸451815502550mm1.3 ZL08转向系统的特点和使用要求ZL08轮式装载机按照大型装载机等设置进行加工制造，采用铰接式车架，全液压操作，具有转弯半径小，机动灵活。装载机的车架并不是单一的整体，而是由前后两个车架组成，中间用垂直销轴连接起来，故称铰接转向。铰接转向是通过两转向油缸推动前后车架绕销轴转过一定角度而实现的，因此也叫做“折腰”转向。铰接式装载机的车架因由前后车架组成，所以，一般轴距较大，尽管如此，由于车身曲折角度较大，所以仍可获得较小的转向半径。完整转向系统用于改变车辆的行驶方向和车辆保持稳定的直线行驶。转向系统的好坏直接影响车辆行驶的安全性和操纵性，因此对转向系统有如下要求：1.来自路面不平度所引起的震动应尽可能被衰减而不致传到方向盘上。然而这种衰减又不可达到驾驶员丧失路感的程度。2.转向时，左右转向轮轴线的延长线和后轴的延长线应相交于一点。3.转向系应有合适的刚度，使车辆对微小的转向修正也有快捷的反应。4.当放松转向盘时，车轮应能自动回到直行位置，并能稳定在这个位置上。1.4 装载机简史及国内外发展情况1.4.1装载机简史我国现代轮式装载机起始于20世纪60年代中期的Z435型。该机为整体车架，后桥转向。经过几年的努力在吸收当时世界最先进的轮式装载机技术的基础上，开发成功了功率为162kw的铰接式装载机，定型为Z450（后来的ZL50），并于1971年12月18日正式通过专家鉴定。就这样诞生了我国第一台铰接式轮式装载机，从而开创了我国装载机行业的形成和发展的历史。ZL50型装载机具有液力机械传动，动力换挡，双桥驱动，液压操纵，铰接式动力转向等现代式装载机的基本结构，为当时世界先进水平，冶基本上代表了我国第一代轮式装载机的基本结构。该机在总体性能方面具有动力性好，崛起力大，机动灵活，操纵方便，作业效率高等一系列优点。1978年，天工所根据机械部的要求，制定出柳工Z450为基础的我国轮式装载机系列标准。制定标准时，保留用Z代表装载机，而L取代4代表轮式。这是我国装载机发展史上的重大转折点，该标准制定出来后按当时行业进行分工，柳工，厦工制造ZL40以上的大型轮式装载机，成工，宜工制造ZL30以下的中小型轮式装载机。逐步形成了柳工，厦工，成工和宜工的当时装载机四大骨干企业。到70年代末八十年代初，我国装载机制造企业已经增加到20多家，初步形成了我国装载机行业。到目前为止，我国轮式装载机已发展到第三代，但是基本的结构仍然是由ZL50演变而来的。第二代变化不大，第三代变化稍大一些，2001年我国装载机销售已突破3万台，居世界装载机市场前列。因此，目前我国已成了世界上的装载机产销大国。1.4.2 国外装载机目前水平及发展动向轮式装载机以围绕提高效率，降低成本为核心，继续向大型化，微型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。微电子技术的突破性进展为轮式装载机的自动控制，状态监控及状态监测及视线范围内遥控技术的发展创造了条件。柴油发动机自动控制喷油系统，变速箱自动控制换挡，性能参数和状态监测均取得了重大进展，在视线内遥控作业已进入实用阶段，从而改善了性能，提高可靠性，增加生产能力，降低油耗，取得了更大的经济效益。卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动系统，其自动动力换挡变速箱自动选择档位传动比，使换挡能在变速箱最佳效率点进行，该公司最近推出的STIC（转向变速集成）系统，将转向和换挡功能集成于一操纵手柄上，使操纵更加省力方便，换挡更加平稳，可大幅提高生产率，卡特彼勒轮式装载机转向液压系统用负载传感式溢流阀，使液压泵在负载压力下溢流，降低系统压力，提高了液压原件寿命。工作装置液压系统采用举开限位装置和下放自动定位装置，避免了机械限位时液压缸行程终了产生高压和冲击；液压的蓄能器能吸收冲击载荷，并对整机的纵向摇摆起阻尼作用；液压缸导向套处有三重密封，防止泄漏和防尘。新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求，对仪表位置排列，操纵手柄和踏板，司机座椅，能见度，防噪和隔振，温度调节等均符合人机工程学，使司机在舒适，轻松，安全环境下操做，提高工作效率。德雷塞（Dresser）公司090年代处推出4000型轮式装载机，都容10-30立方米、机重151.8t，采用模块结构的传动系统，大功率敏感按钮控制的液压系统，Z型单摇臂工作装置，优化的整体结构和温式盘式制动器。具有自动调节和自动密封性能。日本小松公司WA系列中小功率（小于125kw）为代表的轮式装载机采用新型集中式结构的驱动桥。它将主传动制动器和行星轮式传动都集中在桥的中部，桥壳断面变化连续平缓，内应力分布合理，从根本上防止因传感结构桥壳在轮边支撑轴段应力集中断裂。轮端采用浮动密封结构，安装简便，有自动补偿功能，密封性好。该结构设计合理，基本零件少，工艺性好，可靠性高。国外装载机发展的总体趋势：以人为本的设计思想得到充分体现，普遍采用了操纵力极小的电液比例控制技术，集中润滑技术等。在大吨位的装载机上还装了电视监控系统。司机室设计更加人性化，轿车化，空调及音响设备一应俱全。悬浮式座椅上下前后随意调节，以满足操作者不同体态的要求。让人感到操作这些设备是一种享受。1.4.3 国内装载机目前发展水平及状况中国作为世界装载机生产的主要制造基地，装载机行业的发展异常迅速。2006年中国装载机行业总销量为129793台，比2005年的112527台增加了15.3%，净增了17266台，其净增量超过中国装载机行业八五以前任何一年的总销量，又是红红火火的一年。2007年1-11月，装载机主要26家企业累计销售143794台，同比增加34397台，增幅为31.4%。然而，装载机是典型的微利产品，金融危机对该行业的冲击在各类工程机械中可谓最大，对于行业面貌来讲，就是小企业的纷纷出局。当热凡事都有两面性，对于行业来讲，现在也是技术升级的最好契机。由于良莠不齐的小型企业淘汰，使得大型企业的市场份额相应扩大，在一定程度上提高了产品质量水平，也对行业总体技术水平的提高起到了积极影响。中国装载机工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来，特别是行业进入门槛极地，价格恶性竞争导致企业盈利能力下降，营销理念缺失，市场难以扩展，产品质量可靠性差，此外，产品及组织结构老化制约行业的进一步发展和品质的提高。因此，中国装载机企业必须抓住新的发展形势，在产品研发上体现差异战略和成本领先战略，继续加强行业以企业国家级技术和高校及科研院为主体的科研开发体系建设。打造价值链营销，加强品牌建设，提升品牌价值，只有这样才能在新形势下立于不败之地。第2章 转向系统的确定2.1 典型的转向系统转向系结构形式多种多样，但所有的转向系都有三部分组成：转向传动机构，转向器和转向操纵机构。1.转向传动机构的功用是将转向器输出轴的运动传递给转向臂，转向臂偏转车轮而改变车辆的行驶方向。2.转向器的功用是将方向盘的回转运动转换为转向传动机构的往复运动。3.转向操纵机构的功用是产生转动转向器所必需的操纵力。转向系按使用的能源不同可分为机械转向系和动力转向系。2.1.1 机械转向系机械转向系由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动的机构，是转向系统的核心部件。图2-1 机械转向系示意图1-转向盘 2-转向轴 3-转向万向节 4-转向传动轴 5-转向器 6-转向摇臂 7-转向拉直杆 8-转向节臂 9-左转向节 10、12-梯形臂 13-右转向节机械转向系的工作原理：车辆转向时，驾驶员通过转向盘、安全转向柱带动转向器中的齿条横向移动，转向齿条通过左右转向横拉杆、转向节臂，使转向节连同车轮偏转一定的角度，实现机车的转向。转向结束后，转向盘回位，带动转向轮恢复直线行驶位置。2.1.2 液压动力转向系液压动力转向是利用发动机输出的动力为能源驱动油泵，油泵产生高压油液通过加力器控制车轮转向，以使转向操纵省力。图2-2 液压动力转向系转向原理图(a) 车辆直线行驶时 (b) 右转弯行驶时 (c) 左转弯行驶时 1-油箱 2-溢流阀 3-齿轮油泵 4-进油道量孔 5-单向阀 6-安全阀 7-滑阀 8-阀作用柱塞 9-阀体 10-回位弹簧 11-转向螺杆 12-转向螺母 13-纵拉杆 14-转向垂臂 15-动力缸工作原理：阀体9的内圆面上有三道环槽，环槽A是进油环槽，与发动机带动的齿轮油泵3相通；环槽D、E是回油环槽，与油箱1相通；在环槽A、D间有油道与动力缸15中活塞左侧L腔相通；在环槽A、E间有油道与动力缸15中活塞右侧R腔相通。滑阀7上有两道环槽；B是动力缸R腔进、排油环槽；C是动力缸L腔进、排油环槽。动力转向系统内各处充满油液，当滑阀7在阀体9中移动时，可使动力缸活塞杆在L、R两腔油压差推动下来回运动，以起转向助力的作用。车辆直线行驶时，滑阀7靠装在阀体内的回位弹簧10和反作用柱塞8保持在中间位置。由油泵输送来的油液通过量孔4自进油孔进入阀体9的环槽A，然后分成两路：一路流过环槽B和D，另一路流过环槽C和E。两路油流最后汇合经回油孔道流回油箱。这样油泵的负载很小，只需克服管路阻力。油压都处于低压状态，因此这种形式称为常流式液力动力转向，即车辆不转向时，操纵阀保持油路相通。在车辆向右转弯（b）时，驾驶员需使方向盘连同右旋螺纹的转向螺杆11顺时针旋转。由于转向轮受路面阻力最初转向垂臂和转向螺母保持不动。驾驶员一经顺时针转动方向盘，与转向轴成一体的滑阀和左旋螺杆便克服回位弹簧和反作用柱塞一侧的压力而向右移动。这时环槽A与C，B与D分别连通，而环槽C与E，A与B则分别隔绝。因而动力缸中活塞左侧L腔与进油道相通，形成高油压区，而活塞右侧R腔与回油道相通，形成低油压区。在油压差推动下，活塞向右移动，转向螺母12向左运动，而纵拉杆则与活塞同向移动，并带动转向轮偏转。由于油压很高，因此车辆转向主要靠活塞推力，从而大大减小驾驶员作用在方向盘上的转向力。在方向盘和螺杆做顺时针方向连续转动中，上述的液压加力作用一直存在。当方向盘转过一定角度而保持不动时，转向螺杆不转动，螺杆加于螺母的向左作用力消失，螺母也不能再继续相对于螺杆向左移，但在油压差作用下，螺母仍将带动螺杆和滑阀一起继续左移，直到滑阀回复到图（a）所示的中间位置。这时动力转向系统停止工作，转向轮便不再继续偏转。在车辆向左转时，（c）图所示，滑阀右移，改变油路，动力缸加力方向相反。液压式动力转向装置重量轻、结构紧凑，利于改善转向操作感，但液体流量的增加会加重泵的负荷。为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比起机械转向系时所需的转向力矩小得多。2.1.3 电动式动力转向系电动式动力转向系是一种新型式的转向装置。它是利用蓄电池能量转动电机产生推力。由于不直接使用发动机的动力，所以大大降低了发动机的功率损失，且不需要液压管路，便于安装。电动式动力转向系集液压式和机械式的优点于一体，结构紧凑，安装自由度大，无需油压管路系统。适用于小型轻载机械。电动式动力转向系由电控单元、电源、电机、转向齿轮机构和转向传感器等组成，具有节能、不直接消耗发动机功率的优点。由电机驱动转向油泵，并采用计算机控制的方式，所以转向助力泵不必经常工作。2.2 转向系统的确定2.2.1 ZL08装载机转向系统的设计要求液压转向系统应能稳定地保持车辆直线行驶，并根据要求灵活地改变行驶方向。液压转向系统的设计要求是：工作稳定可靠-液压转向系统必须稳定可靠，因为转向操纵是否可靠，对车辆行驶的安全性影响极大。设计时必须考虑零件承受路面对其作用的交变冲击载荷，以保证机构和零件有足够的强度和寿命。除了保证发动机在怠速时已能正常转向外，还应考虑在发动机或油路发生故障时，有应急转向的措施。对液压转向系统的稳定性问题，在考虑方案时就应尽量避免系统的振动问题。操纵轻便灵活-对工程机械来说，操纵轻便灵活，不仅时间请驾驶人员的疲劳所必需的，而且是提高生产效率的一个重要因素。使用经济耐久-液压转向系统的组合和元件的选择，对能量利用、系统成本以及机构的寿命影响很大。2.2.2 液压转向系统方案设计装载机转向系是用来控制行驶方向的。中型以上的工程机械采用液压动力转向，可以提高转向操纵的灵活性和轻便性。该系统是利用液压缸伸缩来偏转铰接车架，以达到转向目的。这种系统大大降低了劳动强度，结构简单、工作平稳、而且液压元件标准化程度高，便于维修。根据液压转向系统的使用要求和整机的设计特点，选用液压动力转向的设计思路。现拟定如下几种设计方案，进行比较。 方案一：图2-3液压转向系统原理图（1）1-转向缸 2-转向阀 3-转向器 4-溢流阀 5-转向泵 此系统的特点是：结构简单、成本低、调试方便，但转向泵的流量随发动机转速的变化而变化，因此转向稳定性较差，液压系统无良好的卸荷元件，系统功率损耗较大。 方案二：图2-4液压转向系统原理图（2）1-转向缸 2-转向阀 3-转向器 4-蓄能器 5-转向溢流阀 6-转向泵此系统的特点是：直线行走时，液压泵向蓄能器提供油，使蓄能器储存压力能，要连续转向时，有蓄能器和液压泵同时向转向缸供油，使转向速度较高，从而提高转向的灵敏性。当发动机转速低时，液压泵供油量相应减少，但蓄能器可以适当补油，保证了一定的转向速度。但因蓄能器体积较大，结构不够紧凑，安装上较为困难。 方案三：图2-5 液压转向系统原理图（3）1-转向缸 2-转向阀 3-转向器 4-恒流阀 5-转向泵此系统是一种稳定性好，结构紧凑，尺寸小，而且效率相对较高的液压转向系统。比较上述三种液压转向系统设计方案，选定方案三为本设计的转向方案，对其工作原理进行分析。1.当方向盘不动时，转向泵5输出的液压油经恒流阀4及转向阀2流回油箱。由于转向阀处于中位，转向缸1的前后腔压力相等，因此，前后车架保持在一定的相对位置上。2.当转动方向盘时，随着方向盘的转动，转向阀2的阀芯产生一定的位移，液压油经恒流阀，转向阀后进入液压缸一侧，使车架转向。随着车架的相对偏转，与车架相连的随动杆便带动摇臂向前或向后回转，在摇臂的推动下，伞形齿轮，齿条和螺母也随着向上、向下摆动，从而转向阀的滑阀回到中间位置。转向缸停止进油，转向即停止。此时，前后车架保持在一定的角度位置上，完成了转向过程。3.不断转动方向盘，车架的转向角也不断变化，方向盘的转角越大，转向缸的行程越大，车架的转向角也就越大。4.转向过程中的工作压力取决于道路的状况。 14第3章 转向系统的分析3.1 铰接式转向系统3.1.1 铰接式转向系统ZL08轮式装载机采用铰接式车架装载机的车架并不是单一的整体，而是由前后两个车架组成，中间用垂直销轴连接起来，故称铰接转向。铰接转向是通过两转向油缸推动前后车架绕销轴转过一定角度而实现的，因此也叫做“折腰”转向。铰接式装载机的车架因由前后车架组成，所以，一般轴距较大，尽管如此，由于车身曲折角度较大，所以仍可获得较小的转向半径。如以相同斗容的装载机进行比较，铰接式装载机的转向半径为后轮转向式装载机的70，这样大大的减小了装载机调车行驶的路程和时间。因转向半径小，机动性能好，装载机可在非常狭窄的场地作业。一般将销轴布置在轴距的中点，这时前后轮转向半径相同，避让障碍容易，且前后轮轨迹相同，前轮为后轮压实地面，减小在松软地面上的滚动阻力。工作装置与前车架铰接在一起，它可以随前车架一起摆动，作业中易于对准作业方向，作业机动灵活。因轴距较长，行车时纵向颠簸小，可以减少驾驶员的疲劳。但缺点是转向时的稳定性较低。3.1.2 铰接式转向的工作原理图3-1 铰接式转向系统图1-转向控制阀 2-转向油缸 3-随动杆 4-转向油泵 5-安全阀 6-转向油缸 7-转向机1 直线行驶方向盘在中间位置，转向控制阀1中的滑阀保持在中间位置，来自转向油泵4的油液经转向控制阀空流回油箱，转向油缸6处于锁闭状态，保持前车架成一直线，装载机直线行驶。2 转向行驶顺时针转动方向盘，转向机中的滑阀带动螺杆移动消除间隙，来自转向油泵4的压力油经过转向控制阀分成两路，分别进入右转向油缸的后腔和左转向油缸的前腔，使右转向油缸两销轴距离缩短，左转向油缸两销轴距离伸长，使装载机右转向。此时，两油缸的另一腔的油液通过油管和转向控制阀流回油箱。前车架相对后车架转动后使随动杆3后移，则带动转向机中的齿扇转动，并推螺母上升，又使转向阀恢复中间位置。方向盘继续转动，重复上述过程，转角不断加大，如方向盘停止转动，转向控制阀也停止移动，转向油缸处于锁闭状态，则保持一定的转向角。反时针转动方向盘，与上述过程相反，则使装载机向左转向。3.2 铰接转向运动学图3-2 计算铰接式装载机转向半径示意图3-2为铰接式轮式装载机在水平地面上稳定转向的简图。它与偏转车轮转向有根本区别，在转向时是通过前后车架绕铰销相对转过一定角度，是前后桥也相对转过同一角度，而前轮相对于前车架，后轮相对于后车架没有发生偏转，每一桥上两侧车轮转动平面始终是保持平行的。过前后轴线作垂直地面的平面，此两平面的交线即为转向轴线，则装载机各轮绕此轴线作无侧滑地滚动。所以此种转向不需要转向梯形，也避免偏转驱动车轮等复杂结构，只用简单的“折腰”办法就可达到转向之目的。由图3-2可知前外侧车轮转向半径为：R前外=B/2+AO (3-1)AO=AC/sina (3-2)AC=(1-k)L+kLcosa (3-3)R前外=B/2+L/sina(1-k+kcosa) (3-4) 由图可知后外侧车轮转向半径：R后外=B/2+DO (3-5)DO=ED/sina (3-6)3.3 转向动力学3.3.1 转向运动铰接式装载机的转向运动，是由地面的附着情况和滚动阻力所决定的。在转向油缸力的作用下，前后车架的夹角发生改变，此时前后车架均向阻力较小的方向运动。铰接式装载机在平坦的地面上，它的转向运动可以认为由以下两种运动合成：每一车架围绕着自身桥的垂直对称轴的转动；依靠一车架对另一车架拉紧，而使辆车架靠近的移动。这时它们的运动阻力最小。3.3.2 转向过程的阻力车架铰接点位于轴距中点的装载机，当沿着直线或一定的曲率半径行驶时，后轮沿着前轮所压实的车辙运动，这时的滚动阻力较小，转向阻力矩也较小。当转动方向盘通过液压传动改变前后车架夹角时，装载机进入转向和脱离转向区段（图3-3），它在每个瞬时是围绕不同的瞬时回转中心转动，这时轮子在地面上的轨迹再也不是直线或同心圆，而是每个轮子都有自己的轨迹。此时后轮滚动阻力系数增大，例如它在松软土壤上转向行驶时与后轮行驶在被前轮压实土壤上的情况相比较，后轮的滚动阻力增加约为一倍，这时转向力在克服压实和堆积土壤的附加损失，因此转向阻力增大。图3-3 转向过程中车轮轨迹3.3.3原地转向阻力矩铰接式装载机的转向阻力矩M与转向角a的函数关系可用图3-4示出的曲线来定性说明。装载机原地转向时产生的全部阻力，由转向油缸发出的转向力来克服。当接两个驱动桥时，使前后驱动桥间构成封闭的运动链，它是由最终传动、半轴、差速器、主传动、万向节传动和分动箱组成。在转向过程中，一车架对另一车架拉紧，产生两驱动桥靠近的移动，在消除封闭运动链内的间隙后，产生该传动链的扭紧、轮胎和土壤的变形，最后超过附着力而使轮胎相对土壤的滑动。当车架围绕自身上某一点转动时，两车架上的轮子由于差速器的作用有可能向不同方向旋转，然而轮子的旋转是在土壤的切反作用力的作用下产生的，而此切反作用力随着封闭传动的扭转角的增加而增大，该力引起土壤的剪切和轮胎的切向变形。图3-4 铰接式装载机原地转向多年的熟荒地 已耕地 1-接一驱动桥 2-接两驱动桥3.4 小结对铰接式装载机转向过程的研究可得以下两点结论：1. 铰接式装载机转向的运动学、动力学与偏转车轮转向有着根本区别。2. 当装载机在任何路面条件下原地转向时，转向角增大，转向阻力矩也增大。最后指出，现在尚没有较完善的计算铰接式装载机转向阻力矩的方法，前面所讲的只作为对转向阻力矩的定性分析，所以在具体设计中还应参考同类型机种的转向油缸尺寸及系统压力，进行比较设计。20 第4章 液压元件设计及选用4.1 转向动力缸液压缸是液压挖掘机中的执行元件，它的功能就是把液体压力能转化为往复运动的机械能或者摆动的机械能。在ZL08轮式装载机转向系统中使用的是双作用单杆活塞缸，其结构上基本可以分为缸筒和活塞杆组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。在设计时参考同类型机种的转向油缸尺寸及系统压力，进行比较设计。4.1.1 液压缸的基本参数参见表4-1，选用XG-63双作用液压缸表4-1 XG系列双作用液压缸的型号和技术参数产品型号公称压力/MPa缸径/mm杆径/mm行程/mm推力/KNXG-6310632220531.2XG-E7012.5703228348.14.1.2 液压缸工作能力的计算根据负荷和工作装置油缸铰点布置，以及液压系统的分析计算确定油缸所需的推力和支力。 计算公式： 油缸大腔面积： S1=pD/4 (cm)油缸小腔面积： S2= p(D-d)/4 (cm) 额定大腔推力： P=Sp (N)额定小腔推力: P=Sp (N)最大大腔支承力: P=S p (N)最大小腔支承力: P=S p1 (N)计算结果为：S1=31.17 cm S2=27.37 cm P=31.17 KN P=27.37KN P=37.4 KN P=32.84 KN 4.1.3液压缸的运动计算1 活塞运动速度V=Q/S1 (m/s) V=Q/S2 (m/s)2 全程时间t=h/ V (S) t=h/ V (S)计算结果为： V=0.02m/s V=0.023m/s t=102.5s t=89.13s4.1.4强度及稳定性校核缸筒壁厚的校核(1)当时，按薄壁孔强度校核。 （4-1）(2)当，按第二强度理论校核。 （4-2）式中：缸筒试验压力（缸的额定压力时，；缸的额定压力时，）； 缸筒材料的许用拉应力； 缸筒内径； 缸筒壁厚；活塞杆强度校核：活塞杆的强度一般情况下时足够的，主要是校核其稳定性。活塞杆的稳定性校核：活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受得力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆的材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆的稳定性可按下式校核。 （4-3）式中：安全系数，一般取2-4。本文取3 当活塞杆的细长比时，有 （4-4） 当活塞杆的细长比时，且取20-120，则 （4-5） 式中：安装长度；活塞杆横截面最小回转半径，；柔性系数，本设计中取85；支撑方式或安装方式决定的末端系数，本设计中取1；活塞杆材料的弹性模量；其材料45钢，2.1106 kgf/cm活塞杆横截面惯性矩；活塞杆横截面积；材料强度决定的实验数值；本文取；系数，本设计取1/5000；壁厚校核：其壁厚为5mm, 缸筒内径为63mm。材料为无缝钢管，其为105Mpa。由于/D=5/631/10所以按式（4-1）进行校核。缸的额定压力P=10Mpa,所以=15，带入数据得其最小壁厚为：所以转向动力缸壁厚满足要求。活塞杆稳定性校核：由活塞杆的形状以及尺寸，可算得 于是 其细长比 而 因此用式（4-5）进行校核：将其数值带入（4-3）中得：其最大支撑力符合要求，所以活塞杆符合稳定性要求。到此，对液压缸进行了全面的校核，都符合强度以及稳定性的要求，可以使用。4.2 液压泵的选用4.2.1 泵的类型选择ZL08液压转向系统中，液压泵为整个液压转向系统提供能量，它将电动机的机械能转化为液体的压力能，驱动液压缸移动，使车辆转向。根据本次设计的具体特点，参见【2】表3-6，比较齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵的技术性能、特点及应用范围，选用叶片泵。在液压系统中，叶片泵得到了广泛的应用。叶片泵输出流量均匀、脉动小、噪声小，但结构较复杂，吸油特性不太好、对油液中的污染也比较敏感。4.2.2 确定泵的压力和流量1.泵的工作压力 泵的工作压力应根据液压缸的最高压力来确定，即 （4-6）式中 执行元件的最高工作压力，本设计取10； 进油路和回油路的总压力损失（），对于节流调速和较简单的油路可取（0.2-0.5）；对于进油路设有调速阀和较复杂的系统，可取（0.5-1.5）。本处取2。代入数据： =10+2=12 根据产品样本查出，选用额定压力为12的液压泵。2.泵的输出流量泵的流量应满足执行元件的最高速度要求，所以泵的输出流量应根据系统所需要的最大流量和泄漏量来确定，即K （4-7）式中 系统的系统的泄露系数，一般取1.1-1.3（管路长取大值，管路短取小值）。本设计取1.2. 执行元件实际需要的最大流量（L/min）。代入数据： K=1.23=3.6L/min 查【3】表2-103 ZYB系列转向叶片泵的型号和技术参数，根据以上算得的压力和流量选用ZYB-3.2叶片泵。该泵的基本参数为：最高工作压力压力Pn=14,排量q0=3.2ml/r,转速范围600-4000r/min,控制流量3.8L/min。40第5章 辅助装置的选择5.1 油箱 5.1.1 油箱的设计油箱在液压系统中除了储油外，还启着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有许多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。 图5-1 油箱简图 1液位计 2吸油管 3空气过滤器 4回油管 5侧板 6人孔盖 7放油塞 8地脚 9隔板 10底板 11吸油过滤器 12盖板液压泵通过2将油箱中的油液吸到泵中；3保证大气中的尘埃，杂质不进入油箱，并且有通气孔与大气连接，从而保证液压泵能正常吸油；液压系统中的油液通过4流回油箱；10可阻挡沉淀杂质进入吸油管；11阻挡气泡进入吸油管；12用于固定液压泵等装置，并防止外界环境中的赃物进入油箱。油箱设计的要求：1.油箱应具有足够的容量，液压系统工作时，油面应保持一定的高度以防液压泵吸空。但为了防止系统中油液全部流回油箱时溢出油箱，油面不能太高，一般不应超过油箱高度的80%。2.吸油管与回油管之间的距离应尽量远，以增加油液的循环距离，并使它有充分的时间沉淀，排出气泡，同时也有利于油液的冷却。3.吸油管必须插在油液中，并在它的底端安装过滤器，以使液压泵吸入情节的油液。吸油管与回油管端部应制成45度，距箱底应大于两倍管径，距箱壁应大于三倍管距。4.为使漏到盖板上的油液不至于流到地面上，油箱侧壁应高于盖板（10-15）mm。5.为了排净存油和清洗油箱，油箱底板应有适当斜度；放油阀也应安装在箱底的最低处。6.油箱底应设底脚，底脚高度一般为（150-200）mm，以利通风散热和排出箱内油液。7.为了防止油液被污染，注油孔上要加装滤网；通气孔上必须装空气过滤器。 8.油箱内壁应涂耐油防锈涂料，以免生锈。5.1.2油箱容量的计算确定油箱容量的方法有两种：一种时估算法，另一种是近似计算法。估算法一般应用于不要求准确计算的液压系统的油箱容量，本设计采用估算法来计算油箱所需的油量。油箱所需要的容量： （5-1）式中 油箱的有效容积； 系数；对于高压系统一般取612； 液压泵的额定流量（L/min）。取3.8 L/min。代入数据： =（6-12）3.8=22.8-45.6L5.1.3 液压油箱的外形尺寸 液压油箱的有效容积确定后，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸比（长、宽、高）为1：1：1-1：2：3。确定油箱容积为27L，则油箱的外形尺寸确定为315，315，315。5.2 油管5.2.1 管路设计的要求1.管子有足够的强度和韧性，以保证在规定的压力和温度下传递适当的流体而不至于破裂，同时要求管子要能耐腐蚀，以防油液污染变质。2.管子尺寸的选取要适当。在一定的流速下若管子的内径偏小，则流速较高，压力降和摩擦损失较大，效率低。管子内径大，流速低，压力降小，效率高，但材料和成本等方面会造成浪费，因此对管子内径的选择得进行必要的计算。3.对于吸油管，阻力要小，尽量通畅，密封要好，防止液压泵吸空或产生空穴现象。4.回油管的尺寸必须大些，防止排油背压大。液压元件本身的泄油管一般与回油管分开，单独通回油箱，以免产生背压和虹吸。 5.管子尽量短，弯曲角尽量小，接头很配件尽量小。6.为减小压力损失和泄漏，高压油管和超高压油管应靠近工作机构；管道各处应避免断面的局部扩大和缩小，避免急剧弯曲。 7.管道的最高处应设有放气装置，用以放掉系统中的空气。 8.与法兰和联结处的管子必须是直的，以保证联结牢固可靠。此直线段的长度一般可取管子直径的2-3倍。5.2.2 油管类型的选择对各种不同类型的管道进行比较。1.紫铜管性质柔软，装配时便于弯曲，前度较低，能承受的工作压力不超过（6-10）Mpa，价格较贵，抵抗振动能力差，所以尽量不用或用于流量不大的中、低压液压系统中。2.黄铜管性质柔软，装配时弯曲不如紫铜管方便，可承受较高的压力。因黄铜管直径小，适用于流量不大的中、低压液压系统中。由于铜是贵重材料，又抗震性差，一般尽量不用。3.铜管能承受高压，耐油，抗腐蚀和刚性都较好，价格便宜，但不易弯曲，多用于高压、大功率、装配空间不受限制的情况下；中高压系统用无缝钢管；低压系统用焊接钢管。4.橡胶软管用于两个相对运动部件间的联结，能够吸收液压冲击和震动。但弹性变形较大，容易引起运动部件动作滞后和爬行，因此对于精密的液压系统应采用硬管联结。5.尼龙管加热后可以随意弯曲成形，冷却后又能固定成形，并能观察管内油流的情况，目前大都在低压管道中使用。6.塑料管价格便宜，装配方便，但承压能力低，只适用于回油路和卸油管等低压管路系统。但因容易老化变质，应用较少。分析各种管路的优缺点，针对本次设计选用无缝钢管。5.2.3 管道的计算对管道的计算主要是计算管子的内径和管子的壁厚，以保证能满足液压系统的流速和压力的要求。1.计算管子内径 管子内径的计算公式为： （5-2）式中 管子的内径（mm）； 管内流过的最大流量（）； 允许流速（）。 推荐允许流速可按表5-1选取。表5-1 常用管路的允许流速名称流速液压泵吸油管1-2压油管中、低压2-4高压5-6回油管1.5-2.5阀内通道和缩口6安全阀口或溢流阀口30值得注意的是，在选管子内径是，应当满足压油管、吸油管和回油管的适当要求。3. 计算管子壁厚 管子壁厚的计算公式为： （5-3）式中 管内工作压力； 油管内径； 油管材料许用应力。无缝钢管=105MPa注意：油管的内外径都是标准规格，因此计算出的内径和壁厚应查阅有关手册，按标准选取。4.吸油管尺寸的计算吸油管内径的计算： 吸油管内流过的最大流量取为0.002； 允许流速，参照表5-1可选用1.8.代入数据得： 通过查表，其标准值可选28mm。吸油管壁厚的计算： 吸油管的工作压力，取10Mpa； 管子的内径，取30mm； 吸油管的需用压力，对于钢管来说=105MPa；代入数据得： = =1.33mm通过查【1】表6-2，可选其标准值1.5mm。综合计算所得的吸油管的内径和壁厚，通过查表可选用公称通径为28mm，钢管外径为31mm的钢管。5.回油管尺寸的计算回油管内径的计算： 回油管内流过的最大流量取为0.002； 允许流速，参照表5-1可选用2.5.代入数据得： 通过查表，其标准值可选20mm。吸油管壁厚的计算： 回油管的工作压力，取10Mpa； 回油管的内径，取20mm； 吸油管的需用压力, 105MPa。代入数据得：=0.95 mm通过查表，可选其标准值1mm。综合计算所得的回油管的内径和壁厚，通过查表可选用公称通径为20mm，钢管外径为22mm的钢管。5.3 液压阀5.3.1液压阀选用原则 液压传动系统中选择合适的液压阀，是使系统的设计合理、性能优良，安装、维修方便，并保证该系统正常工作的重要条件。除按照系统功能需要选择液压控制阀的类型以外，还要考虑各个阀的额定压力、通过流量、安装形式、动作方式、性能特点等。5.3.2 恒流阀转向系中恒流阀是一种结构特殊、用途专一的专用阀，它在转向系中主要有以下功能：1.使液压泵通往转向阀的流量基本稳定在一定数值上，不使供给转向系统的流量随发动机转速高低而发生太大的变化，以达到良好的转向稳定性。2.在恒流阀内设有先导安全锥阀，使整个转向系统压力在一定范围内，以达到使转向系统具有足够克服阻力的能力，又能保证转向系统的工作安全可靠。图5-2 恒流阀的结构图1、2、12-螺栓 3、15-O形圈 4-主阀弹簧 5-导阀座 6-锥阀 7-导阀弹簧 8-弹簧座 9-调压丝杠 10-锁紧螺母 11-阀盖 13-阀体 14-节流孔板 16-管接头 17-恒流阀芯工作原理如下：液压泵输出油经管接头16进入阀体13，通过节流孔板14向转向阀输出。油液经过节流孔板14的小孔后，在A腔及B腔产生压力差，A腔的压力通过恒流阀芯17上的作用在该阀芯右端，B腔的压力通过螺栓1上的阻尼孔作用在阀芯17的左端。由于A腔的压力高于B腔压力，因此阀芯17向左移动，直到向左的液压推力与弹簧力平衡。当液压泵输出油过多时，A腔与B腔的压力差逐渐增大，因而将阀芯17更向左移，位移增大，直至A腔与C腔连通。这时，有一部分油液通过滑阀17与C腔之间的缝隙进入C腔，然后回到油箱。这样，通过节流孔板14的流量便减少了.液压泵供油量越大，则恒流阀17的开口越大，分流到C腔的油液也就越多，从而使进入转向阀的流量稳定在一定的数值上。反之，当液压泵输出油量小到一定数值时，则恒流阀芯17右移，将分流油液切断，使液压泵的油全部输往转向阀。当转向负载增加到某一数值时，B腔压力升高，并通过阻尼孔传递到D腔，推开锥阀6，D腔的油液通过锥阀回油。因B、D两腔间有阻尼孔，所以形成了压力差，使恒流阀芯17的两端压力差更大，液压泵的输出油液通过C腔溢流，保护了转向系统。5.4 滤油器滤油器在液压系统中，滤除外部混入或者系统运转中内部产生的液压油中的固体杂质，使液压油保持清洁，延长液压元件的使用寿命，保证系统的稳定性。滤油器的过滤精度用过滤掉的杂质颗粒大小表示，一般可分粗滤油器、普通滤油器、精滤油器及特精滤油器四种。参见【1】表6-47选用纸质滤油器，网孔30-72m，过滤精度5-30m，用于要求过滤质量高的液压系统中，过滤效果好，精度高，但易堵塞，无法清洗，需常换纸心。参阅【1】表6-56，选用的纸质滤油器为ZU-A1010S，其技术参数为：通径10m，流量10L/min,压力1.6MPa,原始压力损失0.07MPa,最大允许压力损失0.35 MPa，过