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1、目 录1 引言11.1目的、意义11.2 履带式行走底盘设计的国内外发展状况21.2.1 国外的研究与发展21.2.2 国内的研究与发展41.3主要设计内容与关键技术42 技术任务书(JR)52.1 总体设计依据52.1.1 设计要求52.2 产品的用途52.3 产品的主要技术指标与主要技术参数52.3.1 主要技术指标52.4 考虑到的若干方案的比较62.5 设计的关键问题及其解决方法73 设计计算说明书(SS)73.1 结构方案分析与确定73.1.1 履带式与轮式底盘的比较73.1.2 结构方案的确定83.2 履带式行走底盘总体的设计83.2.1 结构组成及其工作原理83.2.2 主要技术
2、参数93.3 履带车辆性能计算103.3.1牵引性能计算103.3.2 转向最大驱动力矩的分析与计算133.3.3 传动装置的设计与计算193.4 张紧装置的设计与计算233.4.1 张紧装置结构及其工作原理233.4.2 弹簧类别的设计与计算233.5 液压系统的设计253.5.1 液压系统及其动力计算263.5.2 主要液压元件选型294 使用说明书(SM)324.1 产品适用范围及特点334.2 型号说明335 试验研究大纲（SG）336 总结40参 考 文 献42致 谢44N4021300型农用拖拉机履带底盘的设计1 引言1.1目的、意义履带式拖拉机的结构特点和性能决定了它在农田机耕作
3、业中具有明显优势。首先，履带式拖拉机的接地比压相对较低,从51.8kW到118.4 kW的各型拖拉机的接地比压为3050kPa,而同级别的轮式拖拉机接地比压要大的多。以96.2 kW拖拉机为例: 东方红1302 履带机接地比压(装推土铲)为47.7kPa;东方红1304 轮式机的接地比压约为104 kPa, 相当于履带拖拉机的二倍多。(1)整地作业。无论是粮作区还是棉作区的播前整地和耙地作业,农民普遍选择使用履带式拖拉机。原因是履带式拖拉机的接地压力小,不会对翻耕过的土壤造成多次反复的碾压。而轮式拖拉机在整地和耙地作业时轮胎在翻耕过的土壤上反复碾压造成对土壤的多次压实,不利于播种后种子生长发育
4、。还有轮式拖拉机犁地作业时,一只后轮始终行走在犁沟中,轮胎对已耕地的反复碾压形成坚实的犁底层,不利于作物生长,影响产量。因此,据我们在南北疆的农户调查中,农民在整地、耙地作业时都愿意使用履带式拖拉机。在当地履带式拖拉机完成的作业量可达到总作业量的6070。(2)播种作业。北疆的一些地域轮式拖拉机播种作业时后轮碾压的深沟造成种籽播种深度和覆土不一致,给播种质量带来极不利的影响,而且给后续的浇水作业也带来困难。因此,普遍选择履带式拖拉机播种。(3)几乎所有近山区种植粮油作物的农户毫无例外的选择履带式拖拉机。由于近山区的大部分耕地坡度较大,而轮式拖拉机在坡地作业时稳定性差、不安全、作业质量也差。农户
5、普遍选择履带式拖拉机进行犁地、耕地、耙地作业。棉花及其他经济作物种植区域的农户耙地作业仍然普遍选择履带式拖拉机。主要原因仍然是轮式拖拉机碾压土壤严重。因此，综合考虑本设计围绕履带式行走底盘的相关资料对其进行相应的设计及创新。本设计主要以参考农业机械为主，并且相应的履带为橡胶履带结合现有的底盘进行的设计。适用与我国北方旱地，特别是平原地区。在坡度不大的山区也可使用。1.2 履带式行走底盘设计的国内外发展状况1.2.1 国外的研究与发展1986 年W. C. Evans 和D. S. Gove 公布了在硬地面和已耕地上,1种橡胶履带与1 种四轮驱动拖拉机牵引性能的实验结果。在相同的底盘结构情况下，
6、橡胶履带牵引效率与动态牵引比高,在已耕地和硬地面上其最大牵引效率是85%90%,四轮驱动拖拉机是70%85%。1988年D.Culshaw试验对比了摩擦驱动橡胶履带车辆和子午线轮胎驱动拖拉机,橡胶履带的拉力比轮式多25 %。同时对比了装橡胶履带的小型自卸车和类似重量的传统拖拉机,试验表明履带自卸车是轮式拖拉机拉力的2倍并且在软土上车辙小得多。在支撑良好的情况下,橡胶履带与钢履带性能相似。1990 年J . H. Esch ,L. L. Bashford ,K. Von Bar2gen ,R. E. Ekstrom 在Nebraska 大学1986年与1987年实验结果基础上,评价和对比了橡胶履
7、带拖拉机与四轮驱动拖拉机在4 种地面(未耕、已耙过、已犁过燕麦茬地和玉米茬地)的牵引性能(动力牵引比、牵引系数与打滑率的关系)。对比的橡胶履带拖拉机质量为13 970 kg,履带宽635 mm ,10 个前进挡。四轮驱动拖拉机质量与之近似,为13 010 kg ,12 个前进挡。两者均为动力换挡,实验时的最高限速均为10. 5 km/ h。1993 年日本学者T. Muro , R. Fukagawa , S.Kawahara 在质量为4t的橡胶履带拖拉机上,为找到最合适的抓地爪形状,以获得最大的有效驱动力与破断力,分析了各种斜坡柏油路面的牵引与破断性能。结果表明橡胶抓地爪最合适的形状是高5
8、cm的等边梯形。斜角增加,有效的牵引与破断效果降低。同时在驱动状态斜角越大,法向(normal)接触压强趋向于朝着橡胶履带后部增加,对破断力的影响则相反。1993 年M. J . Dwyer ,J . A. Okello ,A. J . Scarlett等介绍了西尔索伊研究所(Silsoe Research Institute)在橡胶履带上所作的工作,建立预测橡胶履带性能的两种数学模型。一种假设履带是无限刚性,一种假设是无限柔性。用两种模型预测的性能和从一专用实验车辆的试验履带装置上得到的田间数据相比,实测数据在两种模型预测值之间。试验车数据显示,接地长是影响牵引性能的最重要的因素,在接地长上
9、的压力分布也是重要的。但履带的张紧在一定的范围与所试验的田间条件下是不重要的。图7是橡胶履带车辆和四轮驱动拖拉机的牵引效率,在不同滑转率下的计算值与试验结果对比,结果显示橡胶履带最高效率比轮式高10%20%。1994 年加拿大Alberta 农业机械研究中心(Al2berta FarmMachinery Research Centre) Reed Turner 研究了在四轮驱动Case2IH 9250 拖拉机上装4 个Gilbert和Riplo“GripTrac”橡胶履带驱动装置。1996 年K. Watanabe 、M. Kitano 、K. Takano 、H.Kato 对橡胶履带用于高速
10、越野车辆进行了研究。橡胶履带装置的滚动阻力比轮胎大得多,文中描述了不同运行条件下,如初始张紧、履带速度、橡胶履带的温度对滚动阻力的影响。1995 年卡特彼勒公司正式向世人揭示了它10年前推出的Challenger 65 橡胶履带拖拉机,是在其4项结构研究成果基础上诞生的:(1)橡胶履带得益于无轮辋轮胎项目的研究。(2)独特的行走系参考CAT SA 型提高速度的研究与L 系列高置驱动轮、平衡台车项目的研究。(3)全动力换挡传动系、现代驾驶室与操纵借鉴于铰接四轮驱动拖拉机的研制项目。(4)液压差速转向机构来源于CAT 推土机的液压差速转向机构。卡特彼勒的研究证明橡胶履带拖拉机在未耕土壤与已耕土壤上
11、的牵引性能都比四轮驱动拖拉机有明显的提高(见图13) 。1997 年美国迪尔公司也发表了它对这一问题的研究,对比了橡胶履带拖拉机与四轮驱动拖拉机在不同地面的牵引性能与对地面的压强等。数据表明(见图14) ,两者的差距比图13 显示的要小一些。1998 年J . A. Okello 、M. Watany、D. A. Crolla 建立了预测橡胶履带在农业软地面上的牵引性能与支重轮下接地压力的模型,此模型考虑到各支重轮对土壤连续作用的影响。实验用土壤剪切与下沉实验得到的土壤强度参数,成功地模仿了单条橡胶履带装置在各支重轮连续作用下弹塑性土壤变形的效果。在一系列土壤条件下,理论计算与实验结果比较吻合
12、。1999 年日本学者Shigeo Awazu、Yoshiaki Kimura 、Shunichi Shibasaki 、Kunihiko Uchida 发表了对5条履带转向车辆的研究。研究对象是用于雪地和泥泞地的车辆,用4 个独立的橡胶履带装置代替四轮驱动的4 个轮胎,接地面积比轮胎增加15 倍。其在类似滑雪场的深雪地与压实的雪地以及在泥泞地面上,操作自如。和雪地车与工程机械等普通履带车辆不同,它在硬路面上能象汽车一样转向。为了提高附着能力与自洁能力,橡胶履带的接地齿通常为与行驶方向垂直或倾斜的直线齿。1999年Desrial 和Nobutaka Ito 研究并确定了圆形接地齿橡胶履带的原理
13、。圆形接地齿与铰接式转向并用被证明能减少转向阻力和提高牵引性能。论文讨论了在铰接式车辆上,考虑附着性能及下陷量,确定带圆形接地齿的橡胶履带参数的方法。此外，履带拖拉机国际上的竞争对手是卡特匹勒公司的橡胶履带拖拉机系列产品。一拖公司的产品无论是技术水平、还是生产能力与其相比都不具备竞争能力，只有价格有吸引力，但从性能价格比分析，一拖产品还是处于劣势。因此，公司的新一代大功率橡胶履带拖拉机将尽快投放市场，借以巩固传统市场，发挥竞争优势。1.2.2 国内的研究与发展20多年来,国内部分院校、研究院所和企业对橡胶履带车辆做了一定的研究,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
14、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。下面主要介绍在橡胶履带拖拉机方面的研究: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。1994 年中国一拖集团有限公司在牵引力等级为3 t 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。与此同时，相关的底盘也有了一定的发展。此后,一拖公司还对采
15、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,橡胶履带的伸长试验以及通常性的作业查定。国内市场上的履带拖拉机及变形产品，目前仍然是一拖的产品为主导。这类产品的销售由于受国家宏观经济政策的影响，处于波动状态。无论是作为工程机械变型、农田作业牵引或驱动动力，还是作为农业机械行走底盘，其功能并非轮式拖拉机可以完全替代的。但受国家政策和大功率轮式拖拉机发展的影响，长远看会在市场竞争中处于被动局面。总之，与履带相对应的底盘作为相关机械的行走机构，其发展方向始终围绕着安全可靠性、操作舒适性、环保节能等方面发展。在
16、这方面国内外一直在不断的努力改进中。目前，还没有较大发展，但是采用电喷发动机、自动变速箱的自动换档系统，采用多传感技术实时显示车辆的运行状况，同时，汽车领域使用的技术、自动巡航技术等也将移植到工程机械领域。1.3主要设计内容与关键技术（1）设计任务a. 履带底盘结构分析及其确定；b. 产品的用途估计；c主要技术参数、性能参数的确定；d履带车辆相关性能的计算和确定；e. 张紧装置的设计与计算；f. 液压系统的设计与计算。（2）关键技术首先，本设计采用现在相关工业机械上的一些底盘设计与实物作为参考，综合考虑底盘结构，使其可以在不同的地域都可较好的支撑机体使其可以正常的工作。本设计对驱动轮、支重轮、导向轮的特殊
