ZL50装载机传动系统机电毕业设计

摘要

ZL50装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，随着我国经济建设速度的加快，各项建筑施工（比如公路建设，房屋建设等）也要求工程机械制造厂进行产品更新换代，使其动力、性能、效率等不断改进。本文通过对装载机传动系统的设计来提高装载机的作业速度、效率、机动性。从而满足发展建设的需要。

本次设计内容为ZL50装载机液力变矩器、变速器、分动器的选型及万向传动轴和驱动桥设计。根据提供的相应参数对液力变矩器、变速器、分动器进行选型。在传动轴的设计中，主要考虑传动轴的临界转速，计算传动轴的花键轴和轴管的尺寸，并校核其扭转强度和临界转速，确定出合适的安全系数。驱动桥的设计大致上分为主减速器，差速器的设计。其中主传动锥齿轮采用螺旋锥齿轮。差速器齿轮选用直齿圆锥齿轮，最终传动采用单行星排减速形式。

关键词：ZL50装载机；传动系统；设计；校核

设计包括：半轴齿轮零件CAD图，差速器装配图，传动轴装配图，驱动桥，主动齿轮轴CAD图。1249726337

Abstract

The design content ZL50 loader torque converter, transmission, actuator selection and propeller shaft and drive axle design. The corresponding parameters based on the supplied torque converter, transmission, sub-actuators for selection. Shaft commonly used scalable cross shaft propeller shaft. In the design of the drive shaft, the main consideration shaft critical speed calculation shaft and shaft tube size, and check its strength and critical speed, determining an appropriate safety factor, optimize shaft and shaft the angle between. Differential design broadly divided into the main drive axle reducer design. The main drive bevel gear spiral bevel gears. The gear a few basic parameters, such as number of teeth, modulus, driven gear pitch circle diameter, etc. to determine the future, with plenty of equations to calculate the geometric parameters of all the gear, and then carry out the stress analysis and strength check gear . Differential gear selects straight bevel gear, using full floating axle, final drive planetary gear reducer with a single form.

Keywords: ZL50 Loader；Transmission；Design；Verification

目录

摘要.................................................................................................... I Abstract .............................................................................................. I I 1 绪论 (1)

1.1国内外装载机研究现状 (1)

1.2 国内装载机发展趋势 (5)

1.3 本课题研究的目的及意义 (5)

2 ZL50装载机传动系统总体方案及各部件型式选择 (7)

2.1 传动系统总体方案确定 (7)

2.2 液力变矩器的选型 (8)

2.3 变速器的选型 (10)

2.4 分动器的选型 (10)

2.5 万向传动轴型式的选择 (11)

2.6 驱动桥的型式选择 (12)

2.7本章小结 (13)

3 万向传动轴设计 (14)

3.1多十字轴万向节的传动分析 (14)

3.2万向节的设计与计算 (15)

3.3传动轴的设计......................................................... 错误！未定义书签。

3.4 中间支承的结构选择............................................ 错误！未定义书签。

3.5本章小结................................................................. 错误！未定义书签。

4驱动桥的设计................................................. 错误！未定义书签。

4.1 主减速器设计...................................................... 错误！未定义书签。

4.2 差速器设计............................................................ 错误！未定义书签。

4.3 轮边减速器设计.................................................... 错误！未定义书签。

4.4本章小结................................................................. 错误！未定义书签。参考文献............................................................ 错误！未定义书签。致谢.................................................................. 错误！未定义书签。附录.................................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。在公路施工中主要用于路基工程的填挖，沥青和水泥混凝土料场的集料、装料等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为土石方施工中的主要机械。

传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发出的动力传给驱动车轮。装载机有四种传动方式：机械式、全液压式、液力机械式和电传动式（电动轮）。

传动系总任务是传递发动机的动力，使之适应于装载机行驶的需要。在一般的机械式传动中，有了变速器还不能完全解决发动机特性与装载机行驶要求间的矛盾和结构布置上的问题。首先是因为绝大多数的发动机在装载机上是纵向安置的，通过主减速器将其转矩传给左、右驱动轮以改变转矩的传递方向，同时还得有驱动桥的差速器来解决左、右驱动车轮间的转矩分配问题和差速要求。其次是因为变速器的主要任务仅在于通过选择适当的档位数及各档传动比，以使内燃机的转矩—转速特性能适应装载机在各种行驶阻力下对动力性与经济性的要求，而驱动桥主减速器的功用则在于当变速器处于最低档位时，使汽车有足够的牵引力和良好的燃料经济性。

1.1国内外装载机研究现状

1.1.1国内装载机发展现状

我国装载机行业起步于50年代末。1958年，上海港口机械厂首先测绘并试制了67KW（90hp）、斗容量为1m3的装载机。这是我国自己制造的第一台装载机。该机采用单桥驱动、滑动齿轮变速。1964年，天津工程机械研

究所和厦门工程机械厂测绘并试制了功率为100.57KW（135hp）斗容量为1.7m3 的Z435型装载机。1962年国外出现铰接式装载机后,天津工程机械化研究所与天津交通局于1965年联合设计了Z425型铰接式装载机。柳州工程机械厂和天津工程机械研究所合作，在参考国外样机的基础上，于1970年设计试制了功率为163.9KW(220hp)、斗容量为3m3的ZL50型装载机。该机采用双涡轮变矩器、动力换挡行星变速箱的液力机械传动方式，Z形连杆机构的工作装置及铰接转抽，并自行设计了“三合一”的机构，以解决液力机械化传动式装载机的拖启动、熄火转向及排气制动问题。ZL50型装载机经过几年的实践考核，证明性能良好、结构先进，为后来我国ZL系列装载机的发展奠定了基础。在ZL50的基础上，后又设计发展了ZL100、ZL40、ZL30、ZL20装载机系列产品，并在这个系列的基础上发展了DZL50和DZL40型供地下矿坑和隧道施工用的地下装载机变型产品。通过近40年的发展，我国装载机从无到有，产品种类及产量均有较大幅度的提高，已经形成独立的系列产品和行业门类。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0.8-10t约19个型号的系列产品，并已成为工程机械主力机种。主要生产厂家为：厦工、柳工、龙工、徐工、常林、临工、山工、成工、宜工、郑工、武林、朝工、山河智能等，这些厂家有长时间的装载机生产经验、较强的实力、较高的市场占有率和较好的售后服务，在用户心目中一直树立着良好的形象，并保持其已有的地位和优势。其“八五”、“九五”技改的较大投入已逐渐发挥效力和作用，使企业焕发出生机和活力。“十五”期间，轮式装载机行业出现了井喷式的发展，2001-2004年装载机销量增长率平均为46.98%，大大超过前25年的均值17.86%；2006年中国装载机26家主要企业共销售119895台，同比增长13.3%，占据世界装载机的大半壁江山。中国市场大幅增长，已发展为世界上最大的市场。国内各生产厂家所在地更加认识到装载机这一产品的巨大市场和效益，纷纷将其列为支柱产业加以扶持并在政策上给予优惠，像福建龙岩、山东蒙岭等一批新成员的加盟，发展

势头迅猛，竞争更加激烈。国际一流公司小松、利渤海尔、沃尔沃、卡特彼勒等在国内成立合资或独资公司后，更加剧了国内装载机市场的竞争。

我国小型装载机制造业当前正处于发展时期，有一定的盈利空间，小装载机技术水平低、结构简单、零配件充足齐全，进入门槛低。因此目前仍有大批企业进入小载机装行业，在这种情况下，尽管市场“突飞猛进”，但产能增长更快，因此今后的市场竞争必然残酷而激烈，低水平的价格战也在所难免。另外，我国小型装载机还有很多需要改进的地方，如：传动系统技术水平太低，司机劳动强度大，能耗高、作业效率低，与国家提倡的节能降耗、安全环保等不一致；在传动方面应该向双变(变矩器＋变速箱)或全液压方向发展；当前广泛采用的单缸柴油机功率偏小，噪声、振动、能耗都偏大；从发展的角度看，在成本增加不大的情况下，应尽量采用双缸或4缸柴油机；同时在液压转向系统方面最好采用优先全液压转向系统，变速操纵应由机械换挡变为液压动力换挡等。我想这些都是今后小装载机技术发展的方向。目前已经有一些常规装载机大厂开始生产小装，如厦工集团所属的“厦工新宇”、徐工集团所属“徐特”、柳工所属的“江苏柳工”等。我认为大厂进入行业并不会对他们产生威胁，但会有助于行业的发展。

我国国民经济建设的持续高涨，城市化、城镇化进程的不断加速，劳动力的需求越来越紧缺，劳动力成本也越来越高，装载机作为一种既机动灵活，又价廉物美的机器设备，将取代高成本、低效率的手工劳动，特别是西部大开发，这类产品将有广阔的潜在市场。所以，小型装载机将具有良好的开发前景。

1.1.2 国外轮式装载机的发展概况

国外轮式装载机最早出现在第二次工业革命时期，其发展到今天，无论是技术、设计、制造还是销售、服务等都已经非常成熟。国外轮式装载机著名的生产厂家有卡特彼勒、山猫、凯斯、约翰·迪尔、利勃海尔、特雷克斯、

沃尔沃、小松、JCB 、现代、日立等。2000年在中国市场真正搞活以前，轮式装载机全球需求量约为74500台。其中，中国(32%)是最大的地区市场，其后依次是欧洲(30%)、北美洲(20%)和日本(12%)。到2005年，市场环境急剧变化: 全球需求量几乎增长一倍，达14.2万台，中国市场大幅增长为世界上最大的市场。欧洲和北美洲彼此的市场规模非常相近，但其市场构成却存在根本差别: 在欧洲低于59.7kW(80hp)的小型机械更受偏爱(但仅限于某些国家，尤其是德国)。这类产品占该地区需求量的40%，与之相比在北美洲只占12%。英国工程机械咨询有限公司估计约有20家国际(即非中国的)轮式装载机制造商年产量超过500台，合计年产约为6万台。2005年卡特彼勒、小松、沃尔沃、CNH和迪尔的总产量占该年总产量的75%，而10年前5大制造商只占54%，目前这5大制造商在国际市场中所占份额的总和仍在增加。因此，国际市场掌握在少数制造商的手里。国外轮式装载机一方面往大型化发展，如：卡特彼勒公司90年代初推出Cat966F轮式装载机，时隔1年又推出Cat980F轮式装载机，它增加了斗容和功率，改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更大的Cat994轮式装载机，根据物料体积质量不同而选配18-30m3的铲斗、机重170t；德雷塞（Dresser）公司90年代初推出4000型轮式装载机，斗容10-30m3、机重151.8t。目前，全世界约有400台（功率大于750kw）大型轮式装载机应用在露天矿山和建筑工程，与大型自卸汽车配套使用。另一方面，小型轮式装载机以机动灵活、效率高、多功能和价格低廉赢得市场，发展甚快。如：日本古河公司生产的FL30-1型轮式装载机斗容0.34m3、机重2.3t；小松公司的WA30-l型斗容0.34m3、柴油机功率20kw；丰田织机公司的斗容0.17m3、机重1t等。这些微型装载机适用于建筑工地和地下矿山挖沟、平地、堆料等。国外小型装载机及小型多功能装载机，包括挖掘装载机在内，市场份额已相当大，美国的山猫牌小型多功能装载机车销量在5万台左右，还有美国的凯斯、约翰·迪尔、卡特彼勒、英国的JCB等公司的挖掘装载机及小型多功能装载机年销量都在万台以上。

1.2 国内装载机发展趋势

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自动控制、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、变速箱自动控制换档、性能参数和状态监测均取得重大进展，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，缩短停机时间，增加生产能力，降低燃油消耗，取得了更大的经济效益。体积小、功率大、轻巧灵活、燃油经济性更好，增大驾驶室尺寸和玻璃窗面积，提高室内的气压以防尘，提高隔绝噪声能力，改善控制系统和操纵杆的位置，提高操作环境的舒适性，降低操作者的劳动强度，以及美化外观造型也是它的发展方向。

1.3 本课题研究的目的及意义

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为土石方施工中的主要机械。

传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发出的动力传给驱动车轮。装载机有四种传动方式：机械式、全液压式、液力机械式和电传动式（电动轮）。

随着装载机工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势，对装载机节能、舒适与轻量化的要求越来越高。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，增添未能估算在内的符加动载荷，还可能导致传动系不能正常运转和早期破坏，万向传动轴是传动系的重要组成部件之一。传动轴选用与设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用、设计不当

会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加负荷，可能导致传动系不能正常运转，因此该总成设计是设计中重要的环节之一。

ZL50驱动桥位于传动系的末端，其基本功用是增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，将转矩合理的分配给左、右驱动车轮，使其具有行驶运动学所要求的差速功能。对驱动桥设计来使装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等方面的优化。使其有足够的牵引力和良好的燃料经济性。从而满足我们发展建设的需要。

2 ZL50装载机传动系统总体方案及各部件型式选择

2.1 传动系统总体方案确定

2.1.1传动系统总体方案选择

装载机有四种传动方式：机械式、全液压式、液力机械式和电传动式（电动轮）。目前已定型的国产装载机一般采用液力机械传动型式的，如ZL30、ZL40、ZL50、ZL90、QJ-5型装载机均系这种传动方式。典型的轮胎式装载机液力机械传动系统的传动路线如图2.1：

发动机——液力变矩器——变速箱（包括分动箱）——传动轴——主减速器——轮边减速器——轮辋——轮胎。下面进行发动机与液力变矩器的选型及其特性的确定。

图2.1 装载机传动系统的传动路线

2.1.2已知参数

（1）发动机参数：

已知发动机的型号为潍柴WD10G220E23增压柴油机，具体参数如下 表2.1：

表2.1 WD10G220E23具体参数

（2）行驶速度：最高车速 40km/h

最低行驶速度 11.5km/h

（3）整车参数：额定载重量 5t

最大驱动力 301KN

（4）轮胎滚动半径： =q r 0.625（m ）

2.2 液力变矩器的选型

单级单相和单级多相泵轮与涡轮对称布置的向心涡轮液力变矩器结构简单、效率高、工艺性好，变矩性能和穿透性能基本满足工程机械的需求，故向心涡轮液力变矩器是工程机械的首选对象。单级向心涡轮变矩器的失速边距系数较小，一般K0=2.5～3.0。液力变矩器的参数是透过性、变矩系数和它的效率，这三者是相互关联的，在一系列的现有液力变矩器中，选择性能、结构满足给定条件的液力变矩器，作为模型。通过对装载机特性的分析：变矩器必须具有零速工况变矩比大，效率较高，高效范围宽等特性，因此选用单级单相三元件液力变矩器YB355-2变矩器（有效圆直径D =355 mm,变矩系数0K =2.82,最高效率max η=84.5%）作为模型。其原始特性曲线如图2.2

图2.2 YB355-2原始特性曲线

变矩器有效直径D 按下式确定：

52

max 1g D H ez

n M ηλρ= （m ） 式(2.1)

式中：ez M —发动机传给变矩器的最大有效力矩466.7（N.m ）；

max 1ηλ—所选变矩器最高效率时泵轮力矩系数，取

max 1ηλ=22.5710-?22/min r m ?

ρ——工作液体的密度，取ρ=9003/m kg

n H —发动机的额定转速，取n H =2000r/min ；

341.0200105.22109007.466g D 52

7-52max 1=???==H ez

n M ηλρm 则YB355-2满足与发动机的匹配。

2.3 变速器的选型

随着国际市场的逐渐扩大，装载机越来越多的销往外国，装载机往往配置知名厂家的变速箱，且操作更方便。目前较多的装载机配置定轴式动力换挡变速器。动力换挡变速器按动力换挡的变速级数可分为单级式和多级式。由于单级式输出五个正转速度和一个反转速度，而多级组合式有正反各四档转速，已知变速器为前四后三，且与单级传动变速器相比，组合传动式变速器可以用较少换档离合器和齿轮副获得较多的速度档数，可以获得较大的传动比和调速范围，则选择多级组合式传动方案。它的换挡方式有全部动力换挡和混合换挡两种，全部动力换挡，换挡时不必预先切断动力，可以直接操纵离合器换挡，换挡简便。故选择全部动力换挡。又已知装载机的额定载重量为5t ，发动机的功率为P=162KW.则选择市场上变速器的型号为ZF4WG200定轴式液压换挡变速器。它配套的发动机功率在200KW 左右，常用于五吨及六吨的装载机。

前进各档位的传动比

1i =2.7， 2i =2.118， 3i =1.287， 4i =0.745，

倒退档位的传动比

1i =3.5， 2i =2.059， 3i =1.211， 4i =1.211。

2.4 分动器的选型

分动器的功用是将变速器输出的动力分配到各驱动桥，并且进一步增大扭矩。分动器也是一个齿轮传动系统，他单独固定在车架上。其输入轴与变速器的输出轴用万向传动装置相连，分动器的输出轴有若干根，分别经万向传动装置与各驱动桥相连。

分动器类型及其特点：从结构和功能来看，分动器可分为两大类。一般

齿轮式分动器和带轴间差速器的分动器。一般齿轮式分动器分配给前、后桥的转矩比例不定(随此两桥所受附着力的比例而变)。这样虽然会增加附着条件较好驱动桥的驱动力，但可能使该桥因超载而损坏。因此，目前采用这类分动器的汽车越来越少。则选取带轴间差速器的分动器。

由于装载机是全轮驱动,分动器需要两个输出轴，则选取型号尤尼克27-66型分动器基本参数如表2.2：

表2.2 27-66型分动器基本参数

2.5 万向传动轴型式的选择

万向节传动轴是传动系的重要组成部件之一。传动轴选用与设计布置的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用与布置不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加动负荷，可能导致传动系不能正常运转和早期损坏。

装载机的万向节传动，主要应用于非同心轴间和工作中相对位置不断改变的两轴之间的动力传递。安装在变速器输出轴与前后驱动桥之间。变速器的动力输出轴和驱动桥的动力输入轴不在一个平面内。装载机在转向时会使变速箱与驱动桥之间的相对位置和它们的输出、输出入轴之间的夹角不断发生变化。这时常采用一根或多根传动轴、两个或多个十字轴万向节的传动。图2.4为用于装载机变速箱与驱动桥之间的不同万向传动方案。

（a）单轴双万向节式

（b）两轴三万向节式

图2.4万向传动方案

如图a为常用的单轴双万向节传动，如图b为连接距离较长且不宜于采用单轴双万向节传动的连接。由于参考车型轴距为 3.30米，故选取如图b 的传动方案。

2.6 驱动桥的型式选择

驱动桥的结构型式按工作特性分，可以归并为两大类，即非断开式驱动桥和断开式驱动桥。当驱动车轮采用非独立悬架时，应该选用非断开式驱动桥；当驱动车轮采用独立悬架时，则应该选用断开式驱动桥。因此，前者又称为非独立悬架驱动桥；后者称为独立悬架驱动桥。独立悬架驱动桥结构较复杂，但可以大大提高车辆在不平路面上的行驶平顺性。

普通非断开式驱动桥，由于结构简单、造价低廉、工作可靠，广泛用在各种工程机械、多数的越野汽车。他们的具体结构、特别是桥壳结构虽然各不相同，但是有一个共同特点，即桥壳是一根支承在左右驱动车轮上的刚性空心梁，齿轮及半轴等传动部件安装在其中。

驱动桥的轮廓尺寸主要取决于主减速器的型式。在装载机轮胎尺寸和驱动桥下的最小离地间隙已经确定的情况下，也就限定了主减速器从动齿轮直径的尺寸。在给定速比的条件下，如果单级主减速器不能满足离地间隙要求，可该用双级结构。在双级主减速器中，通常把两级减速器齿轮放在一个主减

速器壳体内，也可以将第二级减速齿轮作为轮边减速器。对于轮边减速器：轮式装载机的轮边减速器一般为行星式，以减小其尺寸，获得大的传动比，且将其安装在轮毂内。

2.7本章小结

本章完成了对液力变矩器、变速器、分动器结构型式的选择并根据相关参数在市场中选出相应的型号。此外对万向传动轴的传动方案和驱动桥的结构型式做出了选择。

3 万向传动轴设计

3.1多十字轴万向节的传动分析

三万向节的夹角如图3.1。

图3.1 三万向节的夹角

多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差)(rad ??的计算公式与单万向节相似，可写成 )(2s i n 412θ?α?+=?e

式中，e α为多万向节传动的当量夹角；θ为主动叉的初相位角；1?为主动轴转角。

假如多万向节传动的各轴轴线均在同一平面，且各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为零或π/2，则当量夹角e α为

±±±=232221ααααe

式中的正负号确定：当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉平面与此平面重合定义为正，与此平面垂直定义为负。

为使多万向节传动输出轴与输入轴等速，应使e α=0。

万向节传动输出轴与输入轴的转角差会引起动力总成支承和悬架弹性

元件的振动，还能引起与输出轴相连齿轮的冲击和噪声及驾驶室内的谐振噪声。因此在设计多万向节传动时，总是希望其当量夹角e α尽可能小。一般设计时，应使空载和满载工况下的e α不大于?3。另外，对多万向节传动输出

轴的角加速度幅值212ωαe 应加以限制。对于乘用车，212ωαe 2/350s rad ≤；对

于商用车，212ωαe 2/600s rad ≤。

3.2万向节的设计与计算

3.2.1十字轴的设计

根据该设计车型载质量m=5t ，按表3.1初选十字轴长H=90mm ，轴颈直颈221=d mm,轴颈长度h=21mm ，滚针直径30=d mm ，滚针长度L=18mm ，滚针数n=26，滚针轴承帽外径D=35mm 。

十字轴万向节的损坏形式主要是十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，十字轴轴颈的滚针轴承帽工作表面出现压痕和剥落。一般情况下，当磨损或压痕超过0.15mm 时便应报废。十字轴主要失效形式是轴颈根部断裂，所以设计时应保证该处有足够的抗弯强度。

设作用于十字轴轴颈中点的力为F 如图3.2：

α

cos 2r T F = 式 (3.1) 式中：T —万向传动轴计算转矩；

r —合力F 作用线到十字轴中心之间的距离；

α—主、从动叉轴的最大夹角 万向传动轴计算转矩T=989860Nmm ，

5.3422=-=h H r mm ，α取?15。

将数据代入公式3.1得：

N r T F 1.1475915cos 5.234989860cos 2=?==α

表3.1推荐选用十字轴尺寸（mm ）

图3.2 十字轴主要尺寸及受力情况

H-十字轴总长；h-轴颈长度；1d -轴颈直径；2d -油孔直径；0d -滚针直