【正文】 簡(jiǎn)圖 48 本章小結(jié) 49結(jié)論 50致謝 51參考文獻(xiàn) 52第1章 緒 論選題背景目前國(guó)內(nèi)履帶車輛轉(zhuǎn)向裝置大部分還是采用轉(zhuǎn)向離合式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，屬單功率轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但僅有幾個(gè)固定的轉(zhuǎn)向半徑，按非規(guī)定的轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向時(shí)，要靠摩擦元件的滑摩來(lái)實(shí)現(xiàn)，難以得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向半徑；其次是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中摩擦元件的劇烈滑磨會(huì)帶來(lái)發(fā)熱和磨損，使傳動(dòng)效率降低，特別是在較大功率的轉(zhuǎn)向工作狀態(tài)下，會(huì)存在較大的功率損失，以致常需降速轉(zhuǎn)向；另外，劇烈的摩擦也使機(jī)構(gòu)容易損壞，導(dǎo)致工作可靠性差，壽命降低，所以有很多的轉(zhuǎn)向不便之處。目的及意義 一種新型的機(jī)械液壓式雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，它是由有發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、控制泵、定量馬達(dá)、多檔變速箱以及后橋轉(zhuǎn)向差動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。它將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率流在多檔變速箱的輸入軸上分流，一路流經(jīng)由液壓泵、液壓馬達(dá)組成的轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)；另一路流經(jīng)多檔變速箱，最后在行星排上合流，然后經(jīng)行星排中的某一部件傳到車輛的終傳動(dòng)軸上。要實(shí)現(xiàn)履帶式拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向半徑可控且連續(xù)無(wú)級(jí)變化的轉(zhuǎn)向性能,采用容積式液壓泵和液壓馬達(dá)無(wú)級(jí)變速元件是較現(xiàn)實(shí)可行的方法。直行時(shí),通過(guò)液壓泵和液壓馬達(dá)的閉鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸的閉鎖,從而保持穩(wěn)定的直行。這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不但具有結(jié)構(gòu)性好、沒有摩擦元件、壽命長(zhǎng)、效率高、工作可靠、布置簡(jiǎn)便、維修調(diào)整次數(shù)少及降低能耗等特點(diǎn)外，而且在工作性能上它不是通過(guò)部分或全部切斷一側(cè)履帶的動(dòng)力來(lái)制動(dòng)一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，而是兩側(cè)履帶始終傳遞動(dòng)力，這樣可很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向，基本上消除了履帶的打滑現(xiàn)象，充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量。因此對(duì)性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究一直是車輛工程領(lǐng)域的重要課題。目前國(guó)內(nèi)主要采用單功率轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而國(guó)外多采用雙功率轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。單功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其中最常用的有轉(zhuǎn)向離合器、單差速器、雙差速器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)向半徑的大小由驅(qū)動(dòng)輪所傳遞轉(zhuǎn)矩的減少量即離合器分離的程度所決定。但由于其操縱性差、生產(chǎn)效率低、能耗較大,隨著履帶車輛功率的不斷增大，轉(zhuǎn)向離合器的應(yīng)用將會(huì)受到一定的限制。圖 11 轉(zhuǎn)向離合器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)單差速器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可使車輛幾何中心位置的速度在轉(zhuǎn)向過(guò)程中仍保持原直線行駛速度，但當(dāng)一側(cè)完全制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向半徑過(guò)小，而另一側(cè)履帶速度過(guò)高、轉(zhuǎn)向角速度過(guò)大，因此所需轉(zhuǎn)向功率很大，會(huì)超出一般發(fā)動(dòng)機(jī)的功率限制，駕駛員若持續(xù)轉(zhuǎn)向，稍有不慎就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，因而只能靠滑磨，用較大的半徑轉(zhuǎn)向，或極不穩(wěn)定地以小半徑繼續(xù)轉(zhuǎn)向。雙差速器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可使履帶車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)慢速側(cè)履帶降低的速度等于快速側(cè)履帶增加的速度，因此車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的平均速度與直線行駛的速度相同。雙差速器是由齒輪組成的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，與轉(zhuǎn)向離合器相比零件數(shù)目少、耐磨性好、壽命較長(zhǎng)。操作行星機(jī)構(gòu)上的制動(dòng)器可以改變兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩大小使車輛轉(zhuǎn)向。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅在大功率的工業(yè)拖拉機(jī)、推土機(jī)及其它重型車輛上應(yīng)用。 雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率分成變速和轉(zhuǎn)向兩路并列傳遞，就是雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。機(jī)械式雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在單功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上最早出現(xiàn)的是直駛和轉(zhuǎn)向兩功率流均由機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。擋位越低，得到的轉(zhuǎn)向半徑越??；擋位越高，得到的轉(zhuǎn)向半徑越大。機(jī)械液壓式雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能容易受到駕駛員的駕駛技術(shù)、體力條件和離合器、制動(dòng)器磨損的影響，并且容易給駕駛員帶來(lái)疲勞。在機(jī)械系統(tǒng)上附加液壓泵液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將逐漸得到應(yīng)用。它將由發(fā)動(dòng)機(jī)穿來(lái)的機(jī)械功率流在多檔變速箱的輸入軸上分流，一路流經(jīng)由液壓泵液壓馬達(dá)組成的轉(zhuǎn)向調(diào)速系統(tǒng)；另一路流經(jīng)多檔變速箱，最后在行星排上合流，然后經(jīng)行星排中的某一部件（如行星架）傳到車輛的終傳動(dòng)軸上。若液壓馬達(dá)不工作，只有來(lái)自中央傳動(dòng)的功率流，車輛作直線行駛；若只有來(lái)自液壓馬達(dá)的功率流，車輛可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向半徑為零的原地轉(zhuǎn)向；若同時(shí)輸入兩路功率流，由于液壓馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)控制，因此車輛兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差可以有無(wú)窮盡多個(gè)，可得到無(wú)窮多個(gè)轉(zhuǎn)向半徑，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向，駕駛員只要操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)液壓裝置，就可使車輛穩(wěn)定地沿一定的圓弧行使。 履帶車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì) 純液壓無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)履帶車輛轉(zhuǎn)向半徑可控且連續(xù)無(wú)級(jí)變化的轉(zhuǎn)向性能，采用容積式液壓泵和液壓馬達(dá)等無(wú)級(jí)變速元件是較現(xiàn)實(shí)可行的方法。直駛時(shí)，通過(guò)液壓泵和液壓馬達(dá)的閉鎖(變量泵的排量為零)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向零軸的閉鎖，從而保持穩(wěn)定的直駛。 目前的液壓工業(yè)水平還難以得到功率足夠大且性能優(yōu)良的液壓元件，并且液壓系統(tǒng)的效率低，這是純液壓無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的最大障礙。 雙泵雙馬達(dá)方案此方案是解決液壓元件功率不足最直接、最簡(jiǎn)單的方案，其性能與純液壓轉(zhuǎn)向相同，但兩套液壓元件并聯(lián)使該機(jī)構(gòu)體積重量較大，效率仍較低。利用功率不大的液壓元件實(shí)現(xiàn)大半徑轉(zhuǎn)向的連續(xù)無(wú)級(jí)變化；利用機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有級(jí)的小半徑轉(zhuǎn)向。雙半徑液壓轉(zhuǎn)向方案該方案采用有兩種輸出速比的液壓馬達(dá)，在較好路面上轉(zhuǎn)向時(shí)采用較高的輸出轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)孛媲闆r不好時(shí)則換用低速輸出以克服較大的轉(zhuǎn)向阻力。該方案雖減少了液壓元件但效率會(huì)更低。 機(jī)械液壓連續(xù)無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械液壓連續(xù)無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是在簡(jiǎn)單液壓機(jī)械分流傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，采用不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)參數(shù)組合，并與液壓元件配合的一種最新型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。它代表著履帶車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向。下面我們介紹的就是上述的一種機(jī)械液壓式雙功率流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。圖中A為變速器傘齒輪軸（輸入動(dòng)力）,B為轉(zhuǎn)向馬達(dá)。圖 12 動(dòng)力差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)卡特公司D8N推土機(jī)的動(dòng)力差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)克服了離合器式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的上述缺點(diǎn), 使推土機(jī)的轉(zhuǎn)向靈活性、可控性得到明顯改善, 大大提高了轉(zhuǎn)向效率和行走機(jī)構(gòu)的使用壽命。此種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由三個(gè)行星排與變速箱動(dòng)力輸出連接的錐齒輪副及轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)動(dòng)力輸出軸連接的圓錐齒輪副組成，其中與變速箱動(dòng)力輸出軸連接的大錐齒輪與行星排Ⅱ的行星架連接為一體，而與轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)動(dòng)力輸出端連接的大錐齒輪與行星排Ⅰ的齒輪的齒圈連接為一體，行星排B齒圈與行星排Ⅰ的行星架及左端輸出連接為一體順向轉(zhuǎn)向；行星排Ⅲ的行星架與右端輸出軸連接為一體逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，行星排Ⅲ的齒圈固定在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體上，且三個(gè)行星排的太陽(yáng)輪安裝在共用軸上。設(shè)計(jì)動(dòng)力差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)當(dāng)保證：（1）當(dāng)馬達(dá)速度等于零時(shí)，左右輸出的速度相等，以保證履帶式推土機(jī)具有良好的直線行駛性能。（3）由于液壓馬達(dá)可以無(wú)級(jí)變速和雙向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了左右輸出速度差的無(wú)級(jí)精確控制，使履帶式推土機(jī)的轉(zhuǎn)向半徑可無(wú)級(jí)調(diào)整，且轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，改善了轉(zhuǎn)向性能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功率損失。該機(jī)構(gòu)利用多自由度的行星差速器把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率分為液壓的和機(jī)械的兩股“功率流”，利用液壓功率流的可控性，使這兩股功率流在重新匯合時(shí)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)總的輸出轉(zhuǎn)速。即提高了液壓傳動(dòng)裝置效率，又優(yōu)化了機(jī)械的轉(zhuǎn)向性能。其次對(duì)動(dòng)力差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，主要包括對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率的理論分析，充分了解了差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的性能，使得對(duì)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有了一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)。第2章 動(dòng)力差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析美國(guó)卡特彼勒公司近年來(lái)推出的大中型液壓推土機(jī)，采用了許多新的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，其中差速轉(zhuǎn)向技術(shù)就是改進(jìn)之一。本文以卡特彼勒D8N型履帶推土機(jī)為例，對(duì)差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成,原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析做一介紹。圖 21 差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有兩路功率輸入，一路來(lái)自變速箱(包括速度和方向)，另一路來(lái)自轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)(含左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn))。液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向決定了推土機(jī)轉(zhuǎn)向的方向，液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度決定了推土機(jī)轉(zhuǎn)向的急或緩。具體傳動(dòng)情況如下： 當(dāng)變速箱輸入動(dòng)力，而轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)無(wú)輸入動(dòng)力時(shí)，動(dòng)力經(jīng)錐齒輪副9行星架8行星輪7分兩個(gè)方向：其一，動(dòng)力經(jīng)齒圈6(低速大轉(zhuǎn)矩)行星架2左端輸出軸1；另一路經(jīng)太陽(yáng)輪16(高速小轉(zhuǎn)矩)軸10太陽(yáng)輪15行星輪12行星架13(低速大轉(zhuǎn)矩) 右端輸出軸14。 當(dāng)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)荷不相同時(shí)，動(dòng)力經(jīng)行星輪7仍進(jìn)入兩個(gè)方向(齒圈6和太陽(yáng)輪16)，通過(guò)行星排I將轉(zhuǎn)矩從一側(cè)轉(zhuǎn)換至另一側(cè)，左、右端輸出軸轉(zhuǎn)矩不相等，但旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速保持相等。此時(shí)左、右端輸出軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速相等，但旋轉(zhuǎn)方向相反，機(jī)械繞其自身中心回轉(zhuǎn)(原地轉(zhuǎn)向)。由于兩端輸出軸動(dòng)力的差異，機(jī)械將不嚴(yán)格繞其自身中心回轉(zhuǎn)。視變速箱和轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)兩者功率輸入的大小確定推土機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑的大小和轉(zhuǎn)向速度的快慢。根據(jù)行星傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性方程，建立運(yùn)動(dòng)特性方程組如下 （） （） （）式中： ， 解此聯(lián)立方程組并整理得 （） （） （） （）當(dāng)變速箱輸入動(dòng)力至差速式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)無(wú)輸入動(dòng)力時(shí), nB=0，此時(shí)若取1=3，代入公式()、公式()，則有n1=n14，可見只要將Ⅰ和Ⅲ行星排參數(shù)設(shè)計(jì)相等，則可保證僅有變速箱輸入動(dòng)力時(shí)，機(jī)械直線行駛。此時(shí)從轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)輸入的大錐齒輪至左、右端輸出軸的速比為 （）當(dāng)變速箱及轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)同時(shí)向差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輸入動(dòng)力時(shí)，此時(shí)nA0, nB，根據(jù)前面對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ行星排參數(shù)的限定，1=3=21，將其代入公式()、公式()，則有 （）若設(shè)轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)輸入的大錐齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)的n8為正，則有n1n14，機(jī)械向右轉(zhuǎn)向；反之，大錐齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)的n8為負(fù)，則有n1n14，機(jī)械向左轉(zhuǎn)向。另外通過(guò)控制轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，可以控制兩側(cè)履帶的速度差，即決定推土機(jī)轉(zhuǎn)向的急或緩，從而使機(jī)械適應(yīng)不同轉(zhuǎn)向半徑的需要。式中M16，M6，M8——行星排Ⅱ中行星輪分別對(duì)太陽(yáng)輪、齒圈、行星架作用的理論內(nèi)轉(zhuǎn)矩。由機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)構(gòu)件得靜力平衡方程 （） （） （） （） （）式中 MA——變速箱輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩； MB——轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩； 1, 2——錐齒輪副9，17的傳動(dòng)比；M1 , M14——左、右輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩。 這里著眼于討論兩輸入轉(zhuǎn)矩MA , MB對(duì)于左、右兩輸入端轉(zhuǎn)矩的分配情況，附帶給出行星排Ⅲ齒圈與殼體固定連接處的轉(zhuǎn)矩。若左、右兩側(cè)地面條件相同。此時(shí)M1=M14，機(jī)構(gòu)左、右兩端的輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值相等，方向相同。 由公式（），（）得 （） 因1=21，故此時(shí)行星排Ⅲ齒圈固定連接處承受的轉(zhuǎn)矩111MA由公式()、()、()、()知，此時(shí)機(jī)構(gòu)將變速箱輸入軸提供的轉(zhuǎn)矩扣除行星排Ⅲ齒圈連接處的轉(zhuǎn)矩部分而平均分配給左、右輸出軸，以實(shí)現(xiàn)最終傳動(dòng)，故該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有輪胎式機(jī)械中采用普通行星齒輪式差速器平均分配轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。勢(shì)必影響到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩的改變，使得M1M14，左、右輸出轉(zhuǎn)矩不等。經(jīng)行星排I將轉(zhuǎn)矩從一端轉(zhuǎn)換到另一端，某一端減少的轉(zhuǎn)矩由另一端等量增加。由于這一特點(diǎn)，當(dāng)一側(cè)地面附著條件差時(shí)，可使地面附著條件好的一側(cè)獲得較大轉(zhuǎn)矩，提高了機(jī)械的通過(guò)性能。與此同時(shí)，因則故此時(shí)轉(zhuǎn)向液壓馬達(dá)由動(dòng)力源轉(zhuǎn)化為負(fù)載。左、右兩側(cè)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值相等，方向相反，機(jī)械繞自身中心原地轉(zhuǎn)向。由公式()得 （）此時(shí)行星排Ⅲ齒圈連接處的力矩等于由液壓馬達(dá)提供給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)輸人端的全部轉(zhuǎn)矩。M1與M14數(shù)值不等。動(dòng)力經(jīng)行星排Ⅰ從某一端傳遞到需要?jiǎng)恿^大的另一端。由公式()、()得若則反之，則。與此同時(shí)、由于行星排Ⅱ參與轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)大錐齒輪向變速箱輸出軸傳遞，此時(shí)變速箱由動(dòng)力源轉(zhuǎn)化為負(fù)載。 由公式()+()得因2,所以M1+M141MA。 根據(jù)變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向的不同。由公式()、()知，通過(guò)改變變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向，可實(shí)現(xiàn)行駛裝置以不同的速度前進(jìn)和倒車?？刂埔簤厚R達(dá)轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向。 功率分析 左側(cè)：，將（）、（）代入 ，得： （）右側(cè)：將 (25)、(218)代入 ，得 ： （）其中，M8n8為變速器輸出功率，M4n4為轉(zhuǎn)向馬達(dá)輸出功率，其余兩項(xiàng)為耦合項(xiàng)。 原地轉(zhuǎn)向時(shí)，將M8=0,M