轮式装载机整车布置设计设计

轮式装载机整车布置设计设计

ZL15轮式装载机整车布置设计

摘要

随着基建的迅猛发展，装载机已成了工程建设中重要的组成部分。本次设计主要针对ZL15轮式装载机的基本参数进行整车布置设计，要求既满足了基本的性能特点，又有具有其优点。通过查阅相关资料期刊，在了解了装载机基本结构后，进行总体结构的选择，包括传动形式，变矩器，变速箱，离合器，驱动桥，转向系统系统，制动系统。然后通过实测和参考同类车型，确定一些基本参数，如轴距，轮距，最小离地间隙等。最后根据已知参数进行总体布置设计和对整体性能的校核验算。

设计过程先用CAD画总体装配图，并用solidworks三维软件进行虚拟装配，画出了整机三维立体图。最后利用Matlab软件对总体性能分析，从而得出所设计的总体设计性能参数曲线，并进行优化设计，从而达到最终目的。

关键词：Zl15轮式装载机，整车布置,性能分析，Solidworks。

ZL15 WHEEL LOADER LAYOUT DESIGN

Abstract

With the rapid development of infrastructure, loader has become an important part in engineering construction.The mission of this time is design of overall layout of ZL15 wheel loader.And,it meets the basic performance characteristics,also,has its avantages.This design first refer to the books and journals that about the loader design.To have a comprehensive understanding of loader.Second,on the choice of the general structure, including transmission form, torque converter, gearbox, clutch, axles, steeringSystems, braking system.

Through the measured and reference similar models, establish some basic parameters, such as the wheelbase, between, the minimum ground clearance is achieved, etc.According to the parameters that have known to design the general layout.On the overall performance of checking checking.

In design process,first use the CAD to draw the overall picture,then,use Solidwords software for the 3d virtual assembly,final,finish the 3d https://www.360docs.net/doc/9a18750911.html,st,use the Matlab to analysis the performance of loader,and final to achieve purpose.

KEY WORDS: Wheel Loader ,Performance annlysis,Solidworks.

目录

第1章概述 (1)

1.1 课题研究的背景及意义 (1)

1.2 轮式装载机发展概况 (1)

1.3 轮式装载机未来发展趋势 (1)

1.4 课题研究的主要内容及意义 (2)

1.4.1 课题研究的主要内容 (2)

1.4.2 课题研究的意义 (2)

第2章装载机总成结构的选择 (3)

2.1 传动形式的选择 (3)

2.2 变矩器类型的选择 (3)

2.3 变速箱类型的选择 (4)

2.4 换挡摩擦元件类型的选择 (4)

2.5 驱动桥的选择 (4)

2.6 转向系统的设计选择 (6)

2.7 制动系统的设计选择 (6)

2.8 轮胎的选择 (7)

第3章装载机主要参数及其确定 (8)

3.1 原始数据 (8)

3.2 最小离地间隙 (9)

3.3 轴距 (9)

3.4 轮距 (9)

3.5 装载机轴荷分配 (9)

第4章轮式装载机的整体布置 (10)

4.1 总布置草图的基准选择 (10)

4.2 发动机和传动系的布置 (10)

4.3 铰接点和传动轴的布置 (11)

4.4 摆动桥的布置 (11)

4.5 工作装置的布置 (12)

4.6 驾驶室的布置 (12)

4.7 操纵系、油箱及平衡重的布置 (13)

4.8 装载机整体布置图 (13)

第5章轮式装载机整体性能的校核验算 (15)

5.1 轴荷分配验算 (15)

5.2 轮胎验算 (16)

5.3 装载机的稳定校核 (17)

5.4 装载机动力性分析 (18)

5.4.1 驱动力-行驶阻力平衡图 (18)

5.4.2 动力特性图 (21)

5.5 轮式装载机转向操纵系统的分析 (23)

5.6 轮式装载机制动系统的校核 (23)

5.7 轮式装载机最小转向半径分析 (26)

第6章装载机整机三维建模 (28)

6.1 Solidworks介绍 (28)

6.2 Solidworks建模的步骤 (28)

6.3 ZL15轮式装载机三维装配图 (30)

总结 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录 (34)

第1章概述

1.1 课题研究的背景及意义

近年来，随着科技的发展，装载机的应用越来越广泛。装载机主要用于铁路、公路、建筑工地、矿山工地、水利电场、港口等部门[1]。

装载机的设计过程主要有：任务的确定，调查与研究，然后制定设计任务方案，进行总体布置，确定整体参数，进行各个部件的强度计算，工艺设计，试验并且修改等一系列阶段。

1.2轮式装载机发展概况

装载机诞生于20世纪20年代，此后不断发展创新。它的传动系从机械式传动到液力机械传动、全液压传动和电传动，目前广泛采用液力机械传动。20世纪40年代开始出现全轮驱动的装载机，20世纪60年代中开始出现铰接式转向装载机，如今这些结构被广泛采用。随着技术的不断发展，到20世纪80年代，装载机进入了机-电-液一体化的阶段。到21世纪装载机在整机性能、作业的能力、安全性、可靠性以及操作性，舒适性等各个方面都有很大的改善和提升[2]。

从20世纪60年代初中国从开始试生产单斗装载机到如今已形成了烟台工程机械厂、厦门工程机械厂、三一工程机械厂、徐州工程机械厂等上百个厂家。装载机的年产量已达到13000多台，其中轮胎式装载机占98％。装载机的规格型号已有120多个，斗容从0.3t到15t，其中大型机占45.7％，小型机占18.8％，超小型机仅占1％[3]。

经过40多年的发展和创新，我国装载机性能有了很大的发展。

1.3轮式装载机未来发展趋势

未来，国内外装载机的发展概况可归结如下几个方面。

1）装载机的大型化与小型化。

2）新材料、新技术的采用。

3）机电液一体化、数控化。

4）装载机的轮胎化。

5) 装载机多功能化,智能化。

1.4 课题研究的主要内容及意义

1.4.1 课题研究的主要内容

本次研究主要是针对ZL15轮式装载机整车布置设计。根据该装载机的一些整车参数，确定整车的布置方案，并阐述装载机的使用范围与功能优势。选型设计发动机，变速器，离合器，主减速器，前后桥，确定前驱或后驱，选择大梁，车架制动系统，设计转向系统和悬架系统。

根据自己的选择(或厂家提供)的主要总成, 进行该装载机的布置设计。在自己的布置设计方案(或厂家提供的)基础上,进行装载机的动力性分析等。对自己设计的布置方案(或厂家提供的),进行转向操纵系统的分析并改进。对该系统进行制动系统与悬架系统校核设计。进行通过性、最小转向半径分析等。

1.4.2 课题研究的意义

本课题研究的目的是研发新型装载机机的需要，通过对整体布置设计后的总体性能参数分析，得出优化设计参数，从而更适用于市场需求。

利用Solidworks进行轮式装载机的总体布置建模，且利用Matlab软件对总体性能分析，从而得出所设计的总体设计性能参数曲线，并进行优化设计，从而达到最终目的。

第2章装载机总成结构的选择

2.1传动形式的选择

采用液力机械传动，用此传动形式相对其他传动形式具有以下优点：

1）使车辆具有自动适应性；

2）提高车辆的使用寿命；

3）提高车辆的通过性；

4）提高车辆的舒适性；

5）简化了车辆的操纵。

图2-1为装载机的传动示意图。

图2-1 装载机的传动系统示意图

1-发动机；2-变矩器；3-变矩器回油泵；4-工作油泵；5-转向油泵；6-脚制动；

7-手制动；8-驱动桥；9-轮边行星减速器

2.2 变矩器类型的选择

液力变矩器的正确选择与否，影响到装载机的牵引性，生产效率。考虑到装载机工作时牵引力和车速变化大，工作环境比较恶劣，需要的变档系数K较大，参考同类车型，选用双涡轮单级液力变矩器。由于本次设计的装载机为小型机械，与发动机的匹配方式，

采用全功率匹配，以满足对插入力（牵引力）的要求。

2.3 变速箱类型的选择

选择动力变档行星变速箱（如图2-2），此类型变速箱结构紧凑，刚度大，齿轮寿命长，传动效率高，同时采用制动器而不是摩擦离合器换挡，避免使用旋转油缸和旋转密封，工作可靠。

图2-2 双级行星轮边减速

2.4 换挡摩擦元件类型的选择

选用湿式片式制动器，因为其具有优点:如不易磨损和烧坏，寿命长，所传递的力矩可以通过改变摩擦片数量来改变摩擦元件实习，结构通用性好，制造工艺性好。

2.5 驱动桥的选择

为了充分利用装载机的附着重量，最大发挥其牵引力，采用全桥驱动，由于减速比较大，采用双级减速体积大，不易布置，故采用单级主减速器和轮边减速器组合。这种结构便于布置，又可以获得较大的传动比。

前桥结构形式如图2-3,后桥结构形式如图2-4。

图2-3 前桥总成

1-主传动器；2-管塞；3-透气管；4-半轴；5-制动器总成；6-油封；7-挡油环；8-卡环；9-轴承；10-制动鼓；11-轮壳；12-轮胎；13-轮辋；14-行星轮架；15-内齿轮；16-垫片；17-行星轮轴；18-钢球；19-滚针；

20-行星齿轮；21-太阳轮； 22-挡圈；23-盖；24-轴承

图2-4 后桥总成

1-主传动器；2-内半轴；3-后桥壳体；4-万向节；5-外半轴；6-轮边减速器

2.6 转向系统的设计选择

轮式装载机转向方式有：整体式和铰接式。

铰接式转向（铰接式车架）。

1）后轮转向（图2-5a），此种转向对驾驶员要求高。

2）全轮转向（图2-5b），转向半径小，机动性好，但是结构复杂。

3）前轮转向（图2-5c），布置困难，不适用。

4）铰接转向（图2-5d），装载机的车架不是单一整体，由前后车架构成，中间用铰轴铰接起来。此种转向类型，转向半径较小，机动性好。

综上，本次设计采用铰接式转向系统。

图2-5 装载机转向方式

（a）后轮转向；（b）全轮转向；（c）前轮转向；（d）铰接转向

2.7 制动系统的设计选择

完整的制动系统包括：行车制动系统，停车制动，紧急制动。

行车制动系统：选用钳盘式制动器，装在轮边减速装置上（如图2-6）。钳盘式制动器磨损均匀，制动稳定性好，能自动补偿间隙，拆装维修更换方便。

停车制动系统：采用蹄式结构，装在变速箱外的传动轴。

紧急制动系统：与驻车制动组合成二合一。

图2-6 钳盘式制动器在驱动桥上的布置

1-圆盘；2-轴壳；3-夹钳总成；4-轮毂

2.8 轮胎的选择

装载机工作环境较恶劣，采用低压宽面轮胎可以增大接地面积，减少行驶阻力。

参考同类车型，选用轮胎规格16/70-20，轮胎负荷4500公斤，充气后外直径1075mm，断面宽400mm。

第3章装载机主要参数及其确定3.1 原始数据如下（表3-1）：

表3-1 原始数据

3.2 最小离地间隙

小离地间隙是装载机通过性的标志，参考同类车型，取最小离地间隙290m。

3.3 轴距

轴距的改变会影响到几方面的性能，轴距增加，最小转弯半径会增加；纵向稳定性提高。

参考同类车型，初步确定轴距为2200mm。

3.4 轮距

整车的性能跟轮距有很大关系。轮距增加，横向稳定性提高，最小转弯半径增加，其大小受到铲斗宽度和交通运输的限制。轮距应小些。

参考同类车型，初步拟定轮距1400mm。

3.5 装载机轴荷分配

为了保证装载机在作业中的稳定性，牵引性，通过性，以及操纵稳定性，轮式装载机空满载的桥荷分配为：

空载时：

前桥占装载机自重的50%。

后桥占装载机自重的50%。

满载时：

前桥负荷70%～82%。

后桥负荷28%～30%。

第4章轮式装载机的整体布置

总体布置是否合理，直接影响到整车的性能，使用经济性，是这次设计的主要任务。铰接式装载机总体的一般布置如图4-1。

图4-1 装载机总体的一般布置

1-铲斗；2-播臂；3-动臂；4-转斗油缸；5-前车架；6-前桥；7-动臂油缸； 8-驾驶室；9-变速箱；10-变矩器；

11-后车；12-后桥；13-发动机；14-水箱；15-配重

4.1总布置草图的基准选择

首先确定轴距，轮距和轮胎尺寸画在布置草图上，参考同类车型，确定基准：

1)用通过后桥中心线的水平面作为上下位置基准面；

2)用通过后桥中心线的垂直平面作为前后位置基准面；

3)用通过装载机纵向对称面作为左右位置基准面。

4.2 发动机与传动系的布置

发动机置于装载机后部中央，并根据桥荷分配来确定相对后桥的位置，并参考同类车型确定发动机相对车架的高度。

选择发动机，变矩器和变速箱为整体的方案，采用此布置，结构紧凑，传动轴少，

便于布置，从而减少了工艺流程，可靠性增加。

发动机，变矩器和变速箱布置简图见图4-2。

图4-2 发动机，变矩器和变速箱布置简图

1-变速箱；2-变矩器；3-发动机组

4.3 铰接点和传动轴的布置

铰接车架的铰销处置在后桥轴线的中间，这样，车辆行驶的前后轮轨迹相同，减少了运动阻力，转向半径最小，轮胎的磨损较少，寿命长。但是本次设计的由于车型较小，为了更合理分配轴荷，将铰接点布置在中点偏前点。

转向油缸布置在交接点的俩侧，油缸体和活塞杆分别接在前后车架上，采用俩个转向油缸，并对称布置。

前后车架绕铰接点左右转角取35°～40°，用挡块限制最大转角。

前后传动轴布置在装载机纵向对称面内，并尽可能使其处于水平位置。

4.4 摆动桥的布置

考虑到装载机的行驶速度较低，为了保证其作业时的稳定性，不装弹性悬架。将装载机的后桥作为摆动桥，用销轴铰接固定在副车架上，并且用限位块来限制它上下摆动±10）。结构形式如图4-3。

的角度（?

图4-3 后摆动桥简图

1-车架；2-轴销；3-副车架；4-挡铁

4.5 工作装置的布置

工作装置布置在整机的前端，结合工作装置的设计，布置时确定动臂和车架的铰接位置（如图4-4）。铰点位置尽量向后布置，同时也要考虑驾驶员出入的方便，以及在最大转角时，驾驶室不会出现干涉相碰。动臂油缸下端与车架铰接（图4-4a），结构简单，且容易布置。油缸中部与车架铰接的方式（图4-4b），布置困难，所以不采用。

图4-4 工作装置布置简图

4.6驾驶室的布置

驾驶室的布置应使操纵机构简单，操纵者方便省力，并且保证视野，和安全性，舒适性。

目前，铰接式装载机驾驶室主要有几种布置方案：

a）驾驶室固定在前车架后端（图4-5a）；

b）驾驶室悬臂固定在后车架的前端（图4-5b）；

c）驾驶室布置在后车架的前部（图4-5c）。

考虑到各种布置的优缺点，选定第二种布置方案，驾驶室布置在后车架前部，用此方案驾驶员作业时受冲击较小，不易疲劳，视野较好。

图4-5 铰接式装载机驾驶室布置方案

4.7 操纵系、油箱及平衡重的布置

操纵系统包括变速杆、停车制动和工作装置液压系统操纵杆及踏板等，它们的布置原则应是保证驾驶员操纵方便。

铰接式装载机的燃油箱和工作油箱布置在后车架的两侧，配重置于装载机的最后端，以利平衡铲斗中的载荷。

4.8 装载机整体布置图

经过前面第3章所述，根据已知的长宽高等参数，从而确定总体的基本参数，取轴距L=2200mm，轮距B=1400mm，最小离地间隙h=290mm。参考同类车型和本章所述的基本布置原则，本次ZL15轮式装载机整体布置图设计如图4-6。

图4-6 ZL15轮式装载机整体布置图