机械装备底盘构造与原理

第1章　绪论 1.1　工程机械概述 1.1.1　工程机械的概念 本书介绍的机械装备是指工程机械。根据中国工程机械工业协会2011年发布的《工程机械定义及类组划分》(GXB/TY 0001—2011)协会标准，工程机械(construction machinery)的定义为：凡土石方工程，流动起重装卸工程，人货升降输送工程，市政、环卫及各种建设工程，综合机械化施工以及同上述工程相关的生产过程机械化所应用的机械设备，称为工程机械。 军用工程机械是军队用于遂行工程保障任务的工程机械，是军队遂行作战工程保障、非战争军事行动和国防工程施工机械的统称。 工程机械属于非公路运行车辆，其具有广泛的应用范围，在城市建设、交通运输、农田水利、能源开发、近海开发、机场码头和国防建设中，均起着十分重要的作用。工程机械设计制造水平的高低和产品质量的优劣，直接体现和影响着国民经济建设和军队现代化建设的质量和水平。 1.1.2　工程机械的分类 根据《工程机械定义及类组划分》，工程机械划分为20类，每类下面包含若干组，每组又包含多个型号，如表 1-1 所示。 1.1.3　工程机械的基本组成 工程机械按行走方式分为自行式工程机械和拖式工程机械两大类。自行式工程机械虽然种类很多，结构形式各异，但基本上都由动力装置(发动机)、底盘和工作装置三部分组成。 1. 动力装置 动力装置的作用是提供动力，通常采用柴油机，其输出的动力经底盘传动系统传给行驶系统使机械行驶，同时传递给工作装置使机械进行作业。 2. 底盘 底盘的作用是接受动力装置输出的动力，使机械行驶或同时进行作业。底盘是整个机械的基础，动力装置、工作装置、操纵系统及驾驶室等总成部件均安装在它上面。 3. 工作装置 工作装置的作用是完成各种工程作业任务，是机械作业的执行机构。不同类型的工程机械有不同的工作装置，例如，推土机的推土铲刀、推架等组成的推土装置，装载机的装载铲斗、动臂等组成的装载装置，挖掘机的铲斗、斗杆、动臂等组成的挖掘装置等。现代工程机械的工作装置多采用液压系统进行操纵。 1.2　工程机械底盘概述 1.2.1　工程机械底盘的分类 工程机械底盘的结构直接影响工程机械整机的性能。根据行走方式的不同，工程机械底盘可分为轮胎式底盘和履带式底盘两种。履带式底盘具有牵引力大、通过性能好、转弯半径小等优点，但是重量相对较重，机动性能较差；轮胎式底盘行驶速度快、机动性能好，但工作时易打滑、转弯半径较大。由轮胎式底盘组成的机械称为轮式机械，由履带式底盘组成的机械称为履带式机械。 1.2.2　工程机械底盘的组成 轮胎式底盘和履带式底盘均由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统四大部分组成。 1. 传动系统 传动系统的功用是将动力装置输出的动力传递给驱动轮或工作装置，并将动力适时改变力矩或方向，使其适应各种工况下机械行驶或作业的需要。轮式机械的传动系统主要由离合器或液力变矩器、变速器、万向传动装置、主传动装置、差速器及轮边减速器等组成。履带式机械的传动系统主要由主离合器或液力变矩器、变速器、中央传动装置、转向离合器及侧传动装置等组成。 2. 行驶系统 行驶系统的功用是将动力装置输出的扭矩转换为驱动机械行驶的牵引力，并支撑机械的重量和承受各种力。轮式机械的行驶系统主要由车架、车桥、车轮及悬挂装置等组成。履带式机械的行驶系统主要由车架、行走装置和悬架等组成。 3. 转向系统 转向系统的功用是使机械保持直线行驶以及灵活准确地改变其行驶方向。轮式机械的转向系统主要由方向盘、转向器及转向传动机构等组成。履带式机械的转向系统主要由转向离合器和转向制动器等组成。 4. 制动系统 制动系统的功用是使机械减速或停车，并使机械长时间可靠停车而不滑溜。轮式机械的制动系统主要由制动器和制动传动机构等组成。履带式机械没有专门的制动系统，而是依靠转向制动装置进行制动。 第2章　传动系统 2.1　传动系统概述 2.1.1　传动系统的功用 传动系统是工程机械发动机与驱动轮(或驱动链轮)之间传递动力的所有传动部件的总称，用于将发动机产生的动力传递给驱动轮(或驱动链轮)或工作装置，使工程机械在不同使用条件下正常行驶或作业，并具有良好的动力性和经济性。 发动机的特点是扭矩小、转速快和扭矩、转速变化范围小，而工程机械作业的特点是速度低、牵引力大。因此，不能让发动机直接驱动车轮(或履带)，必须经传动系统使发动机的扭矩增大、转速降低后，再驱动工程机械的驱动轮(或驱动链轮)，工程机械方能起步、行驶和作业。传动系统的具体功用包括以下几方面。 (1) 减速增扭。 只有当作用在驱动轮上的牵引力足以克服外界对工程机械的阻力时，工程机械方能起步、行驶和作业。因此，需要在传动系统中设置减速装置(如主传动装置、轮边减速器等)，以降低驱动轮的转速，增大驱动轮的扭矩，这样工程机械才能正常行驶和作业。 (2) 变速变扭。 工程机械的使用条件，如负载大小、道路坡道及路面状况等，都在很大范围内变化，这就要求工程机械的牵引力和速度应有足够的变化范围。但是，发动机在整个转速范围内扭矩的变化不大，而功率和燃油消耗率的变化很大，因此保证发动机功率较大而燃油消耗率较低的转速范围(有利转速范围)较小。为了使发动机能保持在有利转速范围内工作，工程机械牵引力和速度又能在足够大的范围内变化，应当使传动系统的传动比有足够大的变化范围，这一功能由传动系统中的变速器实现。 工程机械以较高速度行驶时，可选用变速器中传动比较小的挡位(高速挡)，当重载作业，在路况较差的道路上行驶或爬越较大的坡度时，则可选用变速器中传动比较大的挡位(低速挡)。 (3) 接合或中断动力传递。 发动机只能在无负荷情况下起动，而且起动后的转速必须保持在*低稳定转速以上，否则可能熄火。因此，在工程机械起步之前，必须将发动机与驱动轮之间的动力切断，以便起动发动机。此外，在变换传动系统传动比(换挡)以及对工程机械进行制动之前，均有必要暂时中断动力传递。为此，在发动机与变速器之间应装设一个能将主动部分和从动部分分离和接合的机构，这就是离合器。 另外，工程机械在长时间停车、发动机不熄火而短暂停车以及依靠自身惯性进行长距离滑行时，传动系统应能长时间保持在中断传动状态，因此变速器应设有空挡。 (4) 实现机械倒驶。 工程机械在作业、进入停车场和车库或在窄路上掉头时，常需要倒退行驶。然而，发动机是不能反向旋转的，因此传动系统必须保证在发动机旋转方向不变的情况下，能使驱动轮反向旋转，一般结构措施是在变速器内加设倒退挡。 (5) 差速作用。 当工程机械转弯行驶时，左、右驱动轮在同一时间内滚过的距离不同，若两侧驱动轮仅用一根刚性轴驱动，则二者转速相同，因此转弯时必然产生驱动车轮相对于地面滑动的现象，这将造成转向困难、动力消耗增加、传动系统内某些零件和轮胎加速磨损。因此，驱动桥内应装有差速器，使左、右两驱动轮能以不同的转速旋转。动力由主传动装置先传到差速器，再由差速器分配给左、右两半轴，*后经轮边减速器(或直接)传到两侧的驱动轮。 (6) 连接不在同一轴线或工作中有相对运动的两轴，且传递动力。 发动机、离合器和变速器均固定在车架上，而驱动桥和驱动轮是通过悬挂装置与车架连接的，因此在工程机械行驶过程中，变速器与驱动轮之间的相互位置会产生一定的变化。在此情况下，二者之间不能用简单的整体传动轴连接，而应采用由万向节和传动轴组成的万向传动装置连接。 2.1.2　传动系统的类型及组成 根据传动装置结构与工作原理的不同，工程机械的传动系统可分为机械传动、液力机械传动、液压机械传动、液压传动和电力传动五种类型。 1. 机械传动 机械传动是指传动系统中采用刚性零部件来传递动力的方式。轮式机械传动系统主要由主离合器、变速器、万向传动装置、主传动装置、差速器、半轴和轮边减速器等总成组成，其中主传动装置、差速器、半轴和轮边减速器装在同一壳体内，形成一个整体，称为轮式驱动桥。履带式机械传动系统主要由主离合器、变速器、中央传动装置、转向制动装置和侧传动装置等总成组成，其中中央传动装置、转向制动装置和侧传动装置装在同一壳体内，形成一个整体，称为履带式驱动桥。 机械传动的优点是结构简单、工作可靠、价格低廉、重量轻、传动效率高，可以利用传动系统运动零件的惯性进行作业。 机械传动的缺点主要包括： (1) 在工作阻力急剧变化的工况下，发动机容易过载熄火。 (2) 作业时发动机的功率利用率低，降低了生产率。 (3) 换挡频繁，操作强度大，停车换挡影响机械的通过性能。 (4) 发动机和传动系统中各零件的使用寿命易受外力影响而降低。 (5) 变速器的挡位数较多，使变速器结构较为复杂。 上述缺点在阻力变矩剧烈以及经常改变行驶方向的工况下表现得特别明显，因此机械传动系统适用于作业阻力比较稳定的连续作业机械。 2. 液力机械传动 液力机械传动是指传动系统中串联或并联液力变矩器(或液力偶合器)替代主离合器，使发动机输出的动力通过液力变矩器(或液力偶合器)及机械传动部件传到驱动轮的方式。其变速器多采用动力换挡的形式，并与液力变矩器共用一个液压控制系统。轮式液力机械传动系统主要由液力变矩器、变速器、万向传动装置和驱动桥等总成组成，履带式液力机械传动系统主要由液力变矩器、变速器和驱动桥等总成组成。 液力机械传动的主要优点包括： (1) 能自动适应外界阻力的变化，在一定范围内自动无级地变速变扭，因此减少了变速器的挡数和换挡次数，也减少了变速时的功率损耗，从而提高了装备的平均行驶速度和作业效率。 (2) 结构紧凑、重量轻，油液具有一定衰减振动、缓和冲击的能力，使整个系统工作平稳，提高了机械的使用寿命。 (3) 操作轻便、灵活，减轻了操作人员的劳动强度，有利于提高工程装备的作业效率和作业质量。 液力机械传动的主要缺点是传动效率较低，在行驶阻力变化小而连续作业时，效率低增加了燃油消耗量，同时由于液压元件加工精度要求高、制造成本高及液压油泄漏等，维修工作的难度较大。 液力机械传动的优点较为突出，目前在工程机械上已得到了广泛应用，其使用范围正在日益扩大。 3. 液压机械传动 液压机械传动是指传动系统中用液压系统替代主离合器，使发动机输出的动力通过液压泵、液压马达及机械传动部件传到驱动轮的方式。轮式液压机械传动系统和履带式液压机械传动系统均主要由液压泵、液压马达、变速器、万向传动装置和驱动桥等总成组成。 液压机械传动的主要优点包括： (1) 液压泵和马达为可分式结构，因此各部件便于布置，为机械的设计带来极大方便。 (2) 马达直接驱动变速器，省去了离合器和液力变矩器等中间部件，而且马达可反转，省去了变速器的倒挡设置，从而使得结构更加简单。 (3) 操纵简便、灵敏、准确。 (4) 传递效率较液力机械传动有较大提高。 液压机械传动的主要缺点是液压系统中液压元件加工制造的工艺要求较高，价格昂贵，而且控制元件结构较复杂，维修过程需要专用工具，因此对维修人员的专业素质要求较高，使得维修成本高昂。 4. 液压传动 液压传动是指传动系统中没有中间传力的机械部件，而是通过液压马达直接驱动机械行驶的方式。液压传动系统主要由液压泵、液压马达、*终传动装置等组成。