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微型液壓挖掘機行走機構(gòu)設(shè)計
Design of walking mechanism of micro-hydraulic excavator
摘 要
人類歷史不斷前進人才不斷的伴隨著人類科學(xué)的進步與發(fā)展，工程機械在人類生活的各方各面都起到了很大的作用。與此同時，人們在遇到不同問題時，對所需要用的工程機械的大小、性能的有著各種各樣的要求，各種性能參數(shù)也決定其應(yīng)該工作的環(huán)境。工程機械在我國社會主義生產(chǎn)中占據(jù)了舉足輕重的位置，它在很大程度上減少了原始落后的生產(chǎn)工具給我們帶來的各種不便。同時，它在現(xiàn)今全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。本設(shè)計中挖掘機的行走裝置是在整個機械部分起到支撐的作用，它承受了機械的自重與挖掘機進行挖掘時所產(chǎn)生的反力。液壓挖掘機行走裝置使挖掘機平穩(wěn)的支撐在地面進行工作，這同時也是挖掘機在工作場地進行位置移位的重要裝置。行走裝置設(shè)計的嚴謹與否很大程度上影響挖掘機的機動性、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎能力、接地比壓以及挖掘機的穩(wěn)定性等。
[關(guān)鍵]履帶式；爬坡功能；行走機構(gòu)；張緊裝置；穩(wěn)定性
Abstract
Human history forward continuously along with the progress and development of human science, engineering machinery in parties every human life has played a big role. At the same time, when people encounter different problems, there are various requirements for the size and performance of the engineering machinery needed, and various performance parameters also determine the environment in which it should work. Engineering machinery plays an important role in China's socialist production. It greatly reduces the inconvenience brought to us by primitive and backward production tools. At the same time, it has played an important role in the rapid development of the global economy. In this design, the walking device of the excavator plays a supporting role in the entire mechanical part, and it bears the counterforce generated by the self-weight of the machinery and the excavator during excavation. The hydraulic excavator walking device enables the excavator to work smoothly on the ground, which is also an important device for the excavator to shift its position in the work site. The rigor of the design of the walking device is largely
Keywords caterpillar; Climbing function; walking institutions; tensioning devices; stability
38
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 本課題背景意義及目的 1
1.2 液壓挖掘機的基本類型和主要特點 1
1.3 液壓挖掘機的發(fā)展概況 2
1.3.1 國外液壓挖掘機目前水平 2
1.3.2 國內(nèi)液壓挖掘機發(fā)展概況及趨勢 2
1.4 本次設(shè)計內(nèi)容概況 3
2液壓挖掘機的履帶行走裝置構(gòu)造 4
2.1 綜述 4
2.2液壓挖掘機履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 4
3 履帶各部分的設(shè)計與選型 5
3.1 履帶的設(shè)計 5
3.2 驅(qū)動輪的設(shè)計 12
3.3 支重輪托鏈輪的設(shè)計 15
3.3.1 支重輪的設(shè)計 15
3.3.2 托鏈輪的設(shè)計 17
3.4 導(dǎo)向輪和張緊裝置的設(shè)計 18
3.4.1 導(dǎo)向輪的設(shè)計 18
3.4.2 張緊裝置的設(shè)計 20
3.5 “四輪一帶”安裝尺寸 22
4 液壓挖掘機行走能力的設(shè)計與計算 24
4.1 履帶式行走裝置牽引力計算 24
4.1.1 土壤的變形阻力 24
4.1.2 坡道阻力 24
4.1.3 轉(zhuǎn)彎阻力 25
4.1.4 履帶運行的內(nèi)阻力 26
4.2 爬坡能力校核 27
4.3 原地轉(zhuǎn)彎能力校核 28
4.4 接地比壓驗算 28
4.5 行走減速機和液壓馬達的選取 30
4.6 接地長度、軌距校核以及最小離地間隙的確定 32
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻 36
1緒論
1.1 本課題背景意義及目的
自從改革開放開始，我國的科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，各種行業(yè)都產(chǎn)生了翻天覆地的變化。與此同時，工程機械行業(yè)也同樣得到了相應(yīng)的發(fā)展。各行各業(yè)都在奮起拼搏、開拓創(chuàng)新。這使得工程機械種類不斷增加、性能不斷完善。
在國民經(jīng)濟建設(shè)的許多行業(yè)根據(jù)其性能不同各類挖掘機發(fā)揮著各自的作用，如道路維修、交通運輸、水利電氣工程、農(nóng)田改造、礦山挖掘以及現(xiàn)代化軍事工程等等行業(yè)的機械化施工中。據(jù)不完全統(tǒng)計，一般工程中約有1/3的土石方量、露天礦山中4/5的采挖量都是通過挖掘機完成的。
與國外相比，國內(nèi)挖掘機在使用與創(chuàng)新方面還是存在較大差距的。我們進行微型液壓挖掘機的創(chuàng)新設(shè)計是迫在眉急的，這將為國內(nèi)挖掘機行業(yè)的發(fā)展提供極大的幫助，并為我國挖掘機行業(yè)在國際挖掘機行業(yè)中取得共奪得話語權(quán)。挖掘機在各類施工作業(yè)中都發(fā)揮著重要作用，把此次微型液壓挖掘機行走機構(gòu)設(shè)計好，一方面可以增加我們的知識水平，同時也為我們在就業(yè)中提供莫大的機會。同時，此次設(shè)計也是我們檢驗平時學(xué)習(xí)是否踏實、知識體系是否全的機會，對于我們有著非常重要的意義。
1.2 液壓挖掘機的基本類型和主要特點
挖掘機的型號與結(jié)構(gòu)方式多種多樣，由于挖掘機的工作原理與過程、用途甚至構(gòu)造特點等都有所不同，我們可以根據(jù)這對其進行劃分。
按工作過程可分為周期作業(yè)和連續(xù)作業(yè)兩類,即本課題的單斗挖掘機以及多斗挖掘機。
按照用途劃分，單斗挖掘機都有建筑型、采礦型、和剝離型等。
按照動力裝置劃分，挖掘機有通過電驅(qū)動的、通過內(nèi)燃機驅(qū)動的甚至兩種一起的復(fù)合驅(qū)動等。
按照傳動方式劃分，挖掘機分為機械傳動式、液壓傳動式和混合傳動式這三種傳動方式。
同時液壓挖掘機也擁有下列各種不同的主要特點:
(1)通過使用液壓技術(shù)極大地完善了挖掘機的技術(shù)性能，不僅使挖掘機的挖掘力增大、同時也把挖掘機的牽引力變大，并使其傳動性能更穩(wěn)定，工作效益提高，結(jié)構(gòu)布局更加完善，節(jié)約更多的空間。
挖掘機在工作通過行走轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)以及工作裝置這三個部分來完成預(yù)期的工作。這其中動作最多且經(jīng)常運行的是回轉(zhuǎn)和工作裝置這兩種不斷循環(huán)重復(fù)的運動。機械挖掘機由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以完成以上這幾個動作對機械會產(chǎn)生很大的慣性力和沖擊載荷從而影響機械的壽命。但是采用液壓驅(qū)動挖掘機就不會因這些過程而影響壽命，這也極大程度的簡化了結(jié)構(gòu)。
(2)同時液壓系統(tǒng)的存在特有防止過載的能力，可以使液壓挖掘機使用起來更加安全，減少操作的困難程度。
(3) 采用液壓傳動可以使生產(chǎn)過程標準化，系統(tǒng)化和通用化,便于工廠進行生產(chǎn)并增加其年產(chǎn)量增加更多的收益降低生產(chǎn)所需的成本。
1.3 液壓挖掘機的發(fā)展狀況
1.3.1 國外液壓挖掘機發(fā)展水平
由于美國，德國，日本這些工業(yè)發(fā)達國家的液壓挖掘機發(fā)展歷史比較早，挖掘機產(chǎn)品種類比較多，挖掘機科技水平比較高。同時他們也是是液壓挖掘機的主要輸出國家，他們的產(chǎn)品在各個市場都占有很大的比重。
當前，大型化、微型化、多能化和專用化越來越成為國際上液壓挖掘機所發(fā)展與前進的方向。在國外各國關(guān)于挖掘機將更多的精力集中于新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料等高新科技方向，加快了挖掘機產(chǎn)業(yè)標準化，通用化的趨勢。
1.3.2 國內(nèi)液壓挖掘機發(fā)展水平以及趨勢
為了追趕國際挖掘機行業(yè)發(fā)展水平，我國己現(xiàn)已完成了挖掘機的生產(chǎn)系列化。同時我國也堅持自主研發(fā)開發(fā)出了許多新類型挖掘機，學(xué)習(xí)與引薦他國挖掘機積極研究帶有自己國家特色的新產(chǎn)品。
單斗液壓挖掘機在使用性能、技術(shù)指標甚至經(jīng)濟方面都占據(jù)一定的的優(yōu)勢，外國發(fā)達國家在此挖掘機的研究與實踐方面都投入了很大的精力。在現(xiàn)在的挖掘機發(fā)展前景中，人們更多的將單斗液壓挖掘機改善其動力與傳動等方面以此來達成高效益收成。同時液壓挖掘機在各種行業(yè)中都得到廣泛的應(yīng)用，成本在不斷地減少，標準化和模塊化的不斷提升也為液壓挖掘機的發(fā)展提供了很多方便。這些不同方面的進步也為挖掘機的生產(chǎn)提供了可靠依據(jù)。同時機電一體化的發(fā)展也為機械作業(yè)的提高、減少噪音、便于維修和適應(yīng)各種場合等方面帶來便利。同時，放眼，液壓挖掘機有以下的趨勢:
(1)大型化與微型化同頭并進。
??(2)節(jié)能技術(shù)的了積極普遍的采用。
??(3)挖掘機可靠性得到提高并延長其使用壽命。
??(4)工作裝置結(jié)構(gòu)不斷完善，工作適應(yīng)場地不斷擴大。
??(5)動力由內(nèi)燃向電力方向發(fā)展。
??(6)液壓系統(tǒng)不斷完善，液壓元件精度適應(yīng)范圍的到提高。
??(7)機電一體化程度及范圍不斷提高。
??(8)挖掘量以及工作效率不斷調(diào)高。
??(9)人機工程學(xué)在設(shè)計中占據(jù)了很高的比重。
1.4 本次設(shè)計內(nèi)容概況
1.4.1畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容
具體設(shè)計任務(wù)是對微型液壓挖掘機的行走裝置的設(shè)計、“四輪一帶”以及行走能力的校核，包括：
(1) 微型液壓挖掘機的行走機構(gòu)的總體設(shè)計。
(2) 行走裝置四輪一帶機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置。
(3) 挖掘機的行走機構(gòu)詳細接地比壓的分析和設(shè)計。
(4) 馬達的驗算和選取及馬達原理的認識和研究。
1.4.2畢業(yè)設(shè)計的要求
（1）了解微型液壓挖掘機行走機構(gòu)的工作原理、設(shè)計步驟與設(shè)計方法。
（2）對所設(shè)計的挖掘機行走機構(gòu)進行總體方案論證。
（3）挖掘機行走機構(gòu)中各部件的主要參數(shù)進行選擇與設(shè)計計算。
（4）編寫說明書1.5萬字以上，外文翻譯4000漢字以上。
（5）完成總裝圖及零件圖紙總共3張A0圖紙。
2 液壓挖掘機的履帶行走裝置構(gòu)造
2.1 綜述
挖掘機按其行走的方式不同分為各種不同類型的挖掘機，例如通過履帶行走、利用齒輪行走甚至兩種都運用的方式。液壓挖掘機在運轉(zhuǎn)過程中也應(yīng)滿足適當?shù)囊螅?
(1) 挖掘機底盤應(yīng)該足夠高方便跨越大型障礙物方便完成各種方位的操作。
(2) 履帶應(yīng)選擇大面積的履帶以及較輕的機身重量來讓挖掘機運行的更加平穩(wěn)。
(3)?工作人員應(yīng)該進行合理的機械操作以此來保護自己自身的人身安全。減少不必要的損失。
(4)?挖掘機應(yīng)考慮道路對機械自身的要求。
履帶式行走裝置是挖掘機應(yīng)用最為普遍的一種形式，其突出的優(yōu)點是:牽引力大，接地比壓小，越野性能及穩(wěn)定性好，爬坡能力強，且轉(zhuǎn)彎半徑小，機動靈活。
缺點:微型液壓挖掘機行動緩慢，使用消耗成本高，機器壽命短，易破壞路面只適合在工程允許范圍內(nèi)進行工作，轉(zhuǎn)換場地時需要其他的運輸工具。
2.2 液壓挖掘機履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造
履帶式行走裝置如圖所示。由“四輪一帶”(即引導(dǎo)輪、支重輪、托鏈輪、驅(qū)動輪、履帶)、張緊裝置，行走機構(gòu)、行走架和推 m土裝置(選用)組成。
行走架在履帶行走機構(gòu)中主要起到支撐整個挖掘機結(jié)構(gòu)的作用，他分別包括底架、履帶架以及橫梁。一般他們都是由采用16Mn材料的鋼板焊接設(shè)計而成得到。雖然一方面行走架連接了回轉(zhuǎn)機構(gòu)但是同時他也可以根據(jù)其特有的結(jié)構(gòu)組成劃分為組合式和整體式兩種不同的結(jié)構(gòu)。
組合式行走架是由如圖(圖2.2- 2)框架式的結(jié)構(gòu)組成的底架以及類似工字形狀的鋼或焊接的箱形梁組成的。兩側(cè)履帶架孔中，履帶架下部都有存在的敞開的“門”狀的平面，同時兩端為了便于安裝驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪和支重輪，型架的兩端呈現(xiàn)“又”。這樣可以使安裝的過程變得更加簡單。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是當我們因挖掘機平衡變差甚至有較高的接地比壓時我們不用特意去改變挖掘機的結(jié)構(gòu)整體，而只需要改換更寬的橫梁以及加長的履帶架來完成安裝長度以及寬度有所要求的履帶需求。同時它的缺點也很明顯因其履帶截面削弱太多導(dǎo)致其剛性交叉很容易產(chǎn)生生裂縫。
在挖掘機的移動過程中，驅(qū)動輪通過驅(qū)動力矩產(chǎn)生力，從而帶動履帶在支重輪下的移動同時因機器自重的原因履帶不會脫離機體從而旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向輪在束縛著履帶不讓其脫離并將履帶在鋪設(shè)在地面上。從而通過整個動作液壓挖掘機完成其使用履帶向前持續(xù)移動。
同理挖掘機轉(zhuǎn)向時，由于液壓聚供油行走馬達的存在，這樣安裝在兩個履帶上面的憂油路控制就可以很方便的實現(xiàn)液壓挖掘機的轉(zhuǎn)向甚至就地轉(zhuǎn)彎的動作，以此來達到適應(yīng)各種地形的轉(zhuǎn)向操作。
3 履帶各部分的設(shè)計計算與選型
3.1 履帶的設(shè)計
惡劣的工作條件對挖掘機要求非常高，不僅要求挖掘機的材料的性能要好，同時質(zhì)量減輕以成本。也要處理其運行過程中所產(chǎn)生的動量載荷，同時防止液壓挖掘機與地面的吸合力。最后為了節(jié)約資源我們應(yīng)減少行進過程中的阻力。次單斗液壓挖掘機適用范圍比較小，在道路建設(shè)以及小范圍小空間內(nèi)進行工作。橡膠履帶的選擇可以對施工過程進行很小的破壞，不易影響到周圍居民，行動速度快、平穩(wěn)性好、牽引力大以及對地面壓力小同時也有利于提高機器的壽命等優(yōu)點。因此本機履帶主要采用橡膠材質(zhì)，但如果是在惡劣的環(huán)境下工作推薦采用以鋼材料為主的履帶以適應(yīng)工作環(huán)境。
由上可知挖掘機的履帶按組成方式可以分為整體式和組合式兩種。整體式是指履帶各部件直接形成一個整體，履帶自身占據(jù)整個行走機構(gòu)的主要部分。履帶是通過一個一個履帶節(jié)組裝而成的，這樣整個挖掘機從研發(fā)到批量生產(chǎn)其周期就會變短，利于挖掘機的組裝與生產(chǎn)以及節(jié)約成本。然而其也有很大的缺點例如銷孔間隙較大、容易沾染泥沙、磨損比較大。整體式主要應(yīng)用在機械式挖掘機中以及高速車輛中。
現(xiàn)如今液壓挖掘機更多采用的是組合式履帶。如圖所示，它分別是由履帶板、鏈動節(jié)、履帶銷軸和銷套四個部分組和而成。左右鏈軌節(jié)9、10 與銷套5 通過緊配合連接，履帶銷軸4 插入銷套為了使其運轉(zhuǎn)靈活因此他們兩者之間存在固定，并且其兩端分別與另外兩個鏈軌節(jié)孔進行緊配合。鎖緊履帶銷 與鏈軌節(jié)孔的存在為履帶的安裝與拆卸提更了便利因為他們的配合比較輕松。采用組合式履帶節(jié)距小、轉(zhuǎn)動性好、移動速度快并且各結(jié)構(gòu)之間的硬度比較大。因此選擇組合式履帶。
3.1.1 履帶尺寸的計算
履帶寬度b的初步確定:
b=(0.9~ 1.1)x209* (3.1-1)
式中：
M---- 裝載機的整機質(zhì)量，由設(shè)計要求可知這里取M=6t.
因此： b=(0.9~1.1)x209x=
根據(jù)計算的需要，這里我們?nèi)÷膸挾葹閎=400mm
履帶支撐面長度可以通過以下公式計算的
Lo=* = (1.25~1.5) x = (3.1-2)
同理這里取=2500mm。
式中：
----履帶長度經(jīng)驗系數(shù)。
由前式所得的應(yīng)下面公式的要求:
(3.1-3)
式中：
----支撐面長度，;取2500mm
----履帶軌距， ;取1900mm。
----附著系數(shù)，;
----滾動阻力系數(shù)，;
----根據(jù)《工程機械底盤構(gòu)造與設(shè)計》可知;
(3.1-4)
因此由上式可知上述履帶的寬度以及支撐面的長度選擇合適，所以取:
，。
3.1.2 履帶板結(jié)構(gòu)的選擇
??挖掘機的覆帶板的型號各種各樣，但是為了完成上面所規(guī)定的的標準，所以此挖掘機采用輕質(zhì)量并高強度而且簡單方便操作成本低的軋制履帶板。履帶板的筋數(shù)各不相同分別有一個、雙個以及三個。單筋履帶由于其板筋比較高所以便于需要較大的牽引力的作業(yè)工況，推土機的履帶板筋主要是單筋。雙筋履帶與單筋相反板筋相比下較短但其方便與進行經(jīng)常轉(zhuǎn)向的作業(yè)，因其良好的剛度所以多應(yīng)用于挖掘裝載機以及大型礦用液壓挖掘機上。三筋履帶板與雙筋履帶板相同都為短筋如圖所示。但由于其板筋數(shù)目的增加致使履帶板的強度和剛度更高，支撐能力更強，挖掘機上所采用這種板筋。由圖可知筋履帶板分布有四個連接孔，中間兩個主要起到清除污泥的作用。當挖掘機進行移動的時候驅(qū)動輪的齒輪會因與履帶板的連接過程中會自動清除纏在履帶上的淤泥。兩履板中特有的連接部分可以有效的阻止礫石進入履帶板之間的部分。
?
3.1.3 履帶節(jié)距
??節(jié)距的減少可以有效地減少驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪所受到?jīng)_擊，同時履帶運轉(zhuǎn)的更平穩(wěn)可以提高履帶的使用壽命并節(jié)省作業(yè)時間，但并不是越小越好其也受到鏈軌結(jié)構(gòu)尺寸的限制。履帶節(jié)距及其使用范圍見下表。
履帶節(jié)距，隨自重的增大而線性增大，通常為:
=(17.5～23)*=(17.5～23）*=（154～202）mm
所以由上表可知此設(shè)計節(jié)距選取173mm.
3.1.3 履帶強度的計算
3.1.3.1履帶的計算工況
機器在斜坡上工作時，一邊的履帶其因土壤環(huán)境不同其所傳遞的最大驅(qū)動力也各不相同，因此:
(3.1-6)
因此：
式中:?
----附著系數(shù)，取
----斜坡施工時其分布在一側(cè)的分配系數(shù)。
3.1.3.2履帶總成結(jié)構(gòu)形式如圖3.1-3所示
其中節(jié)距為173mm的履帶總成聯(lián)系尺寸如下表,履帶板的總成聯(lián)系尺寸：
??由此設(shè)計對挖掘機的要求，本挖掘機采用組合式履帶。此挖掘機主要是通過履帶板、履帶銷、銷套以及螺栓等之間相互作用而組成。履帶在使用過程中不斷磨損但其他方面的損失可以忽律不計因此本設(shè)計主要對履帶銷的剪切強度進行計算:
（3.1-7）
式中: ----帶銷直徑;
因此：
覆帶銷和銷套的材質(zhì)因需要所以分別采用與采用,履帶板為便于設(shè)計，所以材料采用.
查表可得的剪切強度:
所以，<[],此種型號的強度設(shè)計滿足要求。
3.1.3.3 校核軌鏈節(jié)的抗拉強度
不同材質(zhì)的履帶其驗算方面是有所不同的。履帶板易在銷孔的最小處發(fā)生斷裂因此應(yīng)該驗算其拉伸應(yīng)力:
（3.1-8）
式中:
----履帶銷套半徑，;
----履帶銷半徑,;
----履帶板一端的各銷孔寬度之和，。
----需用拉伸應(yīng)力,
因此：
因此，此設(shè)計的履帶的拉伸應(yīng)力滿足要求。
3.2 驅(qū)動輪的設(shè)計
驅(qū)動輪在整個行走機構(gòu)主要提供動力來驅(qū)動挖掘機的行走，所以齒輪與履帶間的配合以及齒輪傳動 的平穩(wěn)性，同時采用這種設(shè)計可以有效地防止因磨損而導(dǎo)致之間的配合失敗。履帶的驅(qū)動輪處于整個履帶的后部這種設(shè)計可以減少消耗和維修所需要的成本。
設(shè)計驅(qū)動輪主要關(guān)注的是齒形，驅(qū)動輪尺寸和強度的校核。
3.2.1 驅(qū)動輪的齒形設(shè)計
驅(qū)動輪在整個行走裝置主要提供動力來驅(qū)動挖掘機的行走，所以齒輪與履帶間的配合以及齒輪傳動 的平穩(wěn)性，同時采用這種設(shè)計可以有效地防止因磨損而導(dǎo)致之間的配合失敗。
根據(jù)齒面的形狀其主要分為凸形，直線形以及凹形這三種?，F(xiàn)在的生產(chǎn)科技水平下我們主要采用的是后面兩種。
驅(qū)動輪通過液壓馬達以及變速箱傳遞牽引力驅(qū)動挖掘機行走。同時由于齒輪與履帶之間的的相互作用力導(dǎo)致兩者之間存有磨損減少了機械的使用壽命。所以為了減少損失我們通常選擇容易淬取的鋼材例如50,。 這種材料可以進行中頻淬火以及低溫回火以此讓硬度應(yīng)達至滿足我們設(shè)計所需要的強度。
照常情況下我們對驅(qū)動輪的齒形有以下要求:
??1)齒形應(yīng)方便與履帶進行嚙合，減少機械運行過程中所受到的沖擊力;
??2)齒面與履帶之間所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)該減小以節(jié)約成本;
??3)當履帶在操作頻繁時節(jié)距會不斷增大。此齒形應(yīng)保重履帶與驅(qū)動輪之間一直可以正常工作。
??選取如圖所示采用的是單圓弧一直線配合而成的齒形。
3.2.2 驅(qū)動輪主要參數(shù)的確定
驅(qū)動輪的節(jié)距可以由前面所求的履帶的節(jié)距確定，其值也應(yīng)該是=173mm。伴隨著履帶板數(shù)目的增加，這使得機械在運行過程中更加平穩(wěn)，接觸應(yīng)力變得更小，磨損量變得更小。但同時這也造成了一部分問題列如驅(qū)動輪直徑增大，整個底盤結(jié)構(gòu)變得不合理協(xié)調(diào)。為了便于處理履帶所沾染的泥土，我們通常取齒數(shù)為奇數(shù)。因此由表格可知本設(shè)計選取齒數(shù)Z=23。齒數(shù)奇數(shù)的選擇不僅可以起到去除泥土的作用同時也可以減少磨損，延長使用壽命。同時我們?nèi)∶x齒數(shù)。
由設(shè)計可知驅(qū)動輪節(jié)圓半徑：
（3.2-1）
驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑為：
履帶銷套直徑：
則驅(qū)動輪齒根直徑為：
驅(qū)動輪齒頂圓直徑：
齒谷半徑為：
谷齒距離為：
3.2.2.1 彎曲強度計算
由上可知其受最大彎曲應(yīng)力所帶來的限制，因此取，便于計算這里我們假設(shè)扭矩只存在一個齒傳遞。
經(jīng)推算驅(qū)動輪輪齒抗彎強度為：
（3.2-2）
式中：----齒高
式中：
----抗彎截面系數(shù)其中為驅(qū)動輪的寬度，取
----許用彎曲用力。
因此：
式中： ----許用彎曲用力
因此，驅(qū)動輪的彎曲強度滿足要求。
3.2.2.2 擠壓應(yīng)力計算
由前面推論可知驅(qū)動輪輪齒齒面擠壓強度:
（3.2-3）
式中： ----驅(qū)動輪輪齒寬度，;
----履帶銷外套直徑，;
----需要擠壓應(yīng)力，
因此：
因此，由上所求的擠壓強度符合設(shè)計要求。
3.3 支重輪托鏈輪的設(shè)計
3.3.1 支重輪的設(shè)計
類似于驅(qū)動輪的設(shè)計支重輪也主要是關(guān)于外形和強度方面的校核。
3.3.1.1 支重輪外形尺寸的選擇
支重輪主要起到支撐整個挖掘機的作用，在地面凹凸不平時其首當其沖經(jīng)常受到?jīng)_擊。因此支重輪磨損比較嚴重。支重輪處在履帶與機架之間經(jīng)常裸露在空氣中所以經(jīng)常接觸塵土以及泥。所以支重輪應(yīng)該密封，材質(zhì)剛度要高。支重輪為了達到剛度要求經(jīng)常采用用35Mn或者50Mn這兩種材料。由于其結(jié)構(gòu)簡單但是其軸承數(shù)量比較多，為了便于長時間使用需要使用浮動油來阻止塵埃進入。
過往由于缺少交流支重輪的種類型號比較多，但現(xiàn)在挖掘機規(guī)格統(tǒng)一后一般都采用如圖所示的結(jié)核形式。這種形式結(jié)構(gòu)比較簡單，便于打造，但機械運轉(zhuǎn)所需要的軸向力就會變小。支重輪的一端被焊接在在履帶架上。支重輪輪體由兩段連接而成同時其突起的邊緣也可以有效防止履帶脫落，防止其進行偏移。支重輪內(nèi)裝有軸套，其主要是錫青銅合金組成不僅耐磨而且可以承受很大的沖擊力。
在支重輪軸兩端裝分別裝有浮動油封。浮動油封結(jié)構(gòu)較簡單，密封功能比較好同時是由兩個相同的油封環(huán)組成，一個固定在軸座上另一端裝在槽里。機構(gòu)運轉(zhuǎn)是密封圈因擠壓使其很好的與機構(gòu)嚙合而起到嚙合的作用。潤滑油的存在不僅減少了軸套之間因為運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦力同時也可以防止塵埃進入支重輪的間隙內(nèi)。
根據(jù)《工程機械底盤構(gòu)造與設(shè)計》P213 表確定支重輪的所有相關(guān)尺寸如下表所示:
確定支重輪個數(shù)：
軸間距：
（3.3-1）
得：
履帶上最后的支重輪與驅(qū)動輪輪軸之間的距離：
（3.3-2）
得
由于考慮到履帶的支撐面寬度以及其他的因素，支重輪的個數(shù)應(yīng)為6個。
3.3.1.2 支重輪的強度計算
為了選取合適的接觸應(yīng)力以減少支重輪的損失，公式如下：
（3.3-3）
式中： ----支重輪輪緣寬度，
----支重半徑，
----支重輪個數(shù)，
因此兩者之間的應(yīng)力符合設(shè)計。
3.3.1.3 支重輪軸的校核
??挖掘機在翻越障礙物時其中一端的支重輪會承受整個機器的重量因此對其進行校核是非常關(guān)鍵的。這里軸的直徑取。
（3.3-4）
式中： ----支重輪軸最大彎矩
----抗彎截面系數(shù)。
式中：
----需要彎曲強度，支重輪軸采用 鋼，。
因此：
所以輪軸符合設(shè)計要求。
3.3.1 托鏈輪的設(shè)計
托鏈輪的主要作用是支撐履帶，在其運行過程中減少其受到的沖擊，并防止履帶發(fā)生偏移而影響運行。與上面的支重輪相像，但其所受到的載荷更小，且不易磨損，尺寸可以選擇較小的。
與支重輪相同其也是固定在履帶架上。輪內(nèi)因耐磨軸套可以有效的減少磨損，延長托鏈輪的使用壽命。另一方固定在輪體上，并裝有浮動油封。其結(jié)構(gòu)如圖所示。
根據(jù)設(shè)計所選擇托輪的尺寸如表所示:
3.4 導(dǎo)向輪和張緊裝置的設(shè)計
3.4.1 導(dǎo)向輪的設(shè)計
3.4.1.1 導(dǎo)向輪的參數(shù)設(shè)定
導(dǎo)向輪主要用于幫助履帶的旋轉(zhuǎn)防止履帶脫離和偏離機架。同時導(dǎo)向輪也扮演著支重輪的角色，減少支重輪所受到的沖擊力。
導(dǎo)向輪表面平整，中間擋肩環(huán)主要用來導(dǎo)向，最外圍類似于支重輪用來連接履帶及支撐作用，同時他們的輪面大多比較平整，中間有擋肩環(huán)作為導(dǎo)向用，兩側(cè)的環(huán)面則能支撐軌鏈起類似于支重輪溝的作用。
圖3.4-1 導(dǎo)向輪組件
由機器整體聯(lián)系可知，導(dǎo)向輪聯(lián)系尺寸如表所示
3.4.1.2 導(dǎo)向輪軸的強度計算
40或45鑄鋼為輪體的主要材料，為了達到設(shè)計要求表面淬火硬度要達到HRC45以上。輪軸材質(zhì)的選擇因其需要各不相同不同通常為40/40Cr鋼。由于導(dǎo)向輪不經(jīng)常轉(zhuǎn)動因此需要使用滑動軸承軸。
選擇機械倒擋時可以有效的計算導(dǎo)向輪的彎曲應(yīng)力的。整機所允許的附著驅(qū)動力為，為了便于計算將導(dǎo)向輪上的履帶看作平行，因此導(dǎo)向輪軸的計算載荷為：。
其中：
----需要彎曲強度，。
因此：
由上可得，輪軸的彎曲應(yīng)力整體符合設(shè)計要求
3.4.2 張緊裝置的設(shè)計
在履帶受到?jīng)_擊時，張緊裝置中的緩沖彈簧回縮以吸收振動來保證履帶與機架之間的配合并延長機械的使用壽命。液壓張緊裝置在液壓挖掘機中經(jīng)常使用到，如圖所示為液壓張緊裝置。彈簧在連接過程中留有適當?shù)拈g隙從而便于緩沖。履帶緊時其可能功能損失應(yīng)在其中注入潤滑用的油。
如上圖所示為液壓張緊裝置，第一個圖為液壓缸活塞直接頂彈簧的方式，此種結(jié)構(gòu)比較簡單但其在機械中占據(jù)的空間比較大外; 第二個圖所展示的是液壓缸活塞處于彈簧中間的類式，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是雖然減少了不必要的空間，但其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
3.4.2.1 緩沖彈簧的選擇
緩沖彈簧在安裝時應(yīng)該留有適當?shù)目臻g便于使履帶完成張緊。在機械的行動過程中緩沖彈簧的存在可以加緊履帶銷與驅(qū)動輪之間的嚙合防止履帶與驅(qū)動輪之間發(fā)生脫落便偏移的現(xiàn)象。同時緩沖彈簧有效的減少了履帶所受到的沖擊力，保護履帶不受夾進雜物而損壞機器，減少履帶的壽命。
彈簧的計算參數(shù)如下：
緩沖彈簧預(yù)緊力：
（3.4.2-1）
取
緩沖彈簧最終完成工作時的壓縮力：
考慮到履帶與驅(qū)動輪能夠不脫離，因此其工作行程為：
（3.4.2-2）
式中： ----驅(qū)動輪齒頂圓直徑，
----驅(qū)動輪齒頂圓直徑,
因此：
3.4.2.2 圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計
開始放在前端的滑動張緊裝置的系數(shù)查書可知,: 旋繞比 大概為4 ，為了便于計算這里取，彈簧為了達到強度設(shè)計要求應(yīng)選取熱軋鋼，牌號
其具體性能數(shù)據(jù)如下：
切變模量：
彈性模量：
建議硬度范圍：
建議溫度范圍：
所要的曲度系數(shù)：
（3.4.2-2）
為了便于安裝與設(shè)計先取緩沖彈簧的中徑D= 120mm,同時取彈簧絲直徑d=40。材質(zhì)為60CrMnA 的彈簧經(jīng)查找資料得其許用切應(yīng)力的數(shù)值為710MPa。
根據(jù)《機械設(shè)計》P386
（3.4.2-3）
式中： ----緩沖彈簧最終完成工作時的最大壓縮力；
----曲度系數(shù)
----旋轉(zhuǎn)比；
----許用切應(yīng)力
由上式可得根據(jù)上值可取彈簧鋼絲標準直徑，此時，，為標準值
根據(jù)《機械設(shè)計》P383 表16-5,彈簧的實際工作條件和類比同類產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)可取彈簧圈數(shù) 根據(jù)《機械設(shè)計》P383 表16-5,彈簧的實際工作條件和類比同類產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)可取彈簧圈數(shù)
根據(jù)《機械設(shè)計》普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列()表16-5及普通圓柱螺旋壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸計算公式表16-4得彈簧系數(shù):
彈簧工作圈數(shù)：
彈簧中徑：
彈簧內(nèi)徑：
彈簧外徑：
彈簧節(jié)距：
彈簧自由度：
取標準規(guī)格自由度
由于緩沖彈簧是兩端固定，故彈簧的許用長細比為：
彈簧實際長細比：
顯然彈簧的穩(wěn)定性滿足要求。
3.5 “四輪一帶”安裝尺寸
驅(qū)動輪放置于機械后面雖然增加了機械的運行時間但他可以產(chǎn)生較大的牽引力，并節(jié)約能源節(jié)約成本。選擇合適的接近角以及離去角可以有效的提高其在遇到障礙時的行走能力。
在導(dǎo)向輪與驅(qū)動輪的空間位置確定的情況下，減少接近角與離去角都會引起接地長度的增大。同時，支重輪履帶轉(zhuǎn)彎角的變化也會引起傳動效率的降低。為了便于計算當、都小于時履帶的接地長度可以取張緊輪、導(dǎo)向輪的之間的空間距離。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知實接近角與離去角一般取值都比較小，分別都分布在以及這兩個范圍。支重輪的存在可以加大履帶的接地面積，使運行更加平穩(wěn)，所以為了達成這一目的，第一個個支重輪應(yīng)該接近導(dǎo)向輪同時最后一個支重輪應(yīng)該接近驅(qū)動輪。為了保證機構(gòu)的平穩(wěn)運行，支重輪應(yīng)分布在合理的位置以防止影響其他機構(gòu)的運行。托鏈輪的主要作用是支撐履帶，在其運行過程中減少其受到的沖擊，并防止履帶發(fā)生偏移而影響運行。與上面的支重輪相像，但其所受到的載荷更小，且不易磨損，尺寸可以選擇較小的。最后，托鏈輪的存在也有利于履帶的轉(zhuǎn)動減少其能量消耗。各部件在機架上的排布如上圖所示通常：
取260
4液壓挖掘機行走能力的設(shè)計計算與校核
4.1 履帶式行走裝置牽引力計算
挖掘機在行走過程中所需要克服阻力比較多，其中比較多的是土壤變形、坡道以及轉(zhuǎn)彎所引起的阻力。
牽引平衡方程為:
（4.1-1）
式中：----為驅(qū)動輪的扭矩
----為驅(qū)動輪的半徑
----履帶的牽引力
----運行時各阻力之和
4.1.1 土壤的變形阻力
履帶在土壤中行走時由于其受到土壤所帶來的擠壓應(yīng)力阻止機械向前運動，其中土壤履帶所受到的壓力如下面公式所示的關(guān)系：
（4.1-2）
式中： ----為土壤的比壓
----受壓表面下陷的深度
----使受壓表面下陷的比壓，這個數(shù)值因土壤種類的改變而有所不同。
雖然土壤在變形過程中受到各種力，但是可采用簡化為：
（4.1-3）
----稱運行阻力，此值與道路種類息息相關(guān)，由下表可知
挖掘機主要工作場景是野路、深砂、沼地等，因此由上表可知其運行比阻力選
4.1.2 坡道阻力
坡道阻力是機械在上坡途中機械因自身重量對機械產(chǎn)生的重力向下從而阻止機械行動。根據(jù)本設(shè)計取坡角為同時取坡度阻力為
（4.1.2-3）
式中： ----挖掘機的自重
4.1.3 轉(zhuǎn)彎阻力
履帶式運行裝置在進行轉(zhuǎn)彎動作時為各種阻力困擾例如履帶與地面間的阻力等。但為了便于計算我們通常取第一個阻力進行研究，因為第一項阻力最大也是最重要的。
履帶板與地面之間的相互作用力主要因履帶板與地面的接觸面積有很大關(guān)系。在挖掘機運行和施工時主要是回轉(zhuǎn)機構(gòu)和工作機構(gòu)兩部分對挖掘機施重。所以為了便于計算履帶上的比壓可以看成履帶的全部與地面接觸。因此，履帶的轉(zhuǎn)彎運動可看作如圖所示的行走方式。2、3、4都發(fā)生動作3處為轉(zhuǎn)彎動作。
由上圖可知設(shè)履帶寬度為，長度為，則一條履帶繞中心點o轉(zhuǎn)動時的力矩可表示為：
（4.1.3-4）
式中： ----比壓（）
----履帶與地面的摩擦系數(shù)，通常取
根據(jù)上式可知履帶轉(zhuǎn)彎阻力矩為：
（4.1.3-5）
式中：
G-----挖掘機的重
L----履帶的接地長度，所以帶入數(shù)值可得挖掘機的原地轉(zhuǎn)彎時的牽引阻力為
（4.1.3-6）
因為一般雙履帶的尺寸為，同時履帶板又受到履帶板刮土?xí)r所產(chǎn)生的阻力因此：
（4.1.3-7）
式中：----轉(zhuǎn)彎時履帶板側(cè)面邊刮土的附加阻力系數(shù)。
最終求得整機原地轉(zhuǎn)彎的牽引阻力為：
（4.1.3-8）
4.1.4 輪帶運行的內(nèi)阻力
機械在運行的過程中不僅受到外界所帶來的阻力同時機械的內(nèi)部之間也產(chǎn)生相互之間的作用力不利于機械的運行，所以其內(nèi)部所產(chǎn)生的阻力公式為：
式中：
----履帶銷軸的摩擦阻力。
----支重輪的摩擦阻力
----導(dǎo)向輪的摩擦阻力
----驅(qū)動輪的摩擦阻力
根據(jù)所得的公式可以求得履帶的內(nèi)阻力：
（4.1.4-9）
挖掘機行走過程中主要受到坡度阻力以及轉(zhuǎn)彎阻力，他們在阻力中占據(jù)很大的比重。在本設(shè)計中液壓挖掘機比機械式的更不容易完成轉(zhuǎn)彎動作。
目前大多數(shù)履帶式液壓挖掘T與機重G取下列比例，即：
（4.1.4-10）
初步?。?
4.2 爬坡能力校核
履帶行走裝置最大的優(yōu)點便是爬坡能力強大可以翻越很多特殊場地。為了滿足要求本次設(shè)計取爬坡能力為
挖掘機爬坡時需要克服下列幾種阻力即:
挖掘機自重在斜坡方向的分力：
（4.2-1）
式中：
----挖掘機自重；
----坡度角；
運行阻力：
（4.2-2）
履帶的內(nèi)阻力：
（4.2-3）
由上式可知最大牽引力T應(yīng)該大于或等于這些阻力之和，所以：
（4.2-4）
（4.2-5）
則
求解得和
代入原式求解得到是正確的解，?是增根，檢驗附著力與牽引力之間的聯(lián)系，所以：
式中：
----地面附著系數(shù)
由上式可知其小于最大牽引力 ,因此挖掘機在爬的時候履帶容易原地不動，因此不能實現(xiàn)爬坡。
為了使挖掘機可以爬坡，假設(shè)讓克服運行阻力的牽引力與地面附著力相等并求解此時可以爬過的角度
所以：
解上式得：
（增根）
由上式可知此角度符合設(shè)計要求，即為挖掘機可以實現(xiàn)爬坡能力的最大角。
4.3 原地轉(zhuǎn)彎能力的校核
原地轉(zhuǎn)彎的行走阻力由下面的公式求得：8085 1176
（4.3-1）
式中： ----轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)，取。
由上述結(jié)果可知挖掘可以在尋常路面實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，因此符合設(shè)計要求。
4.4 接地比壓運算
履帶式挖掘機行走的功能與穩(wěn)定性很大程度上決定了其可以承載重量的多少。挖掘機在平穩(wěn)的地面運動時可以近似的取其重心為支撐面的中心，因此:
或 （4.4-1）
式中： P----履帶平均接地比壓；
M----挖掘機工作質(zhì)量；
g----重力加速度；
L----履帶接地長度；
b----履帶寬度；
因此：
挖掘機可不可以通過什么軟度的地面上行走主要取決于挖掘機與地面之間的相互作用力。由圖可知挖掘的重力主要作用在兩條履帶上，因此假設(shè)一條履帶上承受挖掘機的重力為P， 偏心距為e,則履帶兩端的最大最小比壓分別為
（4.4-2）
以下為推導(dǎo)過程：
由于 則：
由則：
則由（1）得到：
由（2）得到：
則得到：
偏心距的不同比壓分布也各不相同，偏心距取0,則比壓呈矩形；但是當偏心距為e/6比壓呈三角形，因此其比壓值為：
最小比壓：
最大比壓： (4.4-3）
由上可知這些比壓滿足設(shè)計要求
4.5 行走減速機液壓馬達的選取
由速度v以及驅(qū)動輪節(jié)圓直徑可以得出減速機的主要數(shù)據(jù)。
減速機輸出扭矩：
式中：
T----一側(cè)最大牽引力
---- 一側(cè)驅(qū)動輪機械效率
減速機輸出扭矩：
或
減速機傳動比：
1.由減速機的傳動比選取減速機規(guī)格；
2.減速機規(guī)格確定時其馬達容量就會確定；
3.減速機轉(zhuǎn)動比ig：
式中：
P----系統(tǒng)壓力
qm----馬達排量
----馬達機械效率；
----減速機機械效率。
由上面幾個數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出液壓馬達的各個參數(shù)：
式中：
Mm----馬達輸出扭矩
式中：
----馬達轉(zhuǎn)速。
式中：
----馬大排量。
4.6 接地長度、軌跡校核以及最小離地間隙的確定
由前述可知履帶接地長度可以用導(dǎo)向輪與驅(qū)動輪兩者之間的距離取代。挖掘機行動的平穩(wěn)性與行走功能好壞都受到接地長度與規(guī)矩的影響。因此為了保重整機的運行正常應(yīng)該選擇合理的接地長度。由于工作環(huán)境的差異并不是整個履帶都與地面進行接觸所以存在最大接地比壓，最大接地比壓為:
有上述可知較小的L/B反而會加大以及降低其行走功能。挖掘機運轉(zhuǎn)過程主要解決滾動以及轉(zhuǎn)彎阻力，同時轉(zhuǎn)彎阻力的公式為：
式中： ----履帶板對地面的摩擦系數(shù)。
因此可以知道，區(qū)別常值的L/B值會增大轉(zhuǎn)彎阻力，阻礙轉(zhuǎn)彎性能。因此為了保重整機的運行正常應(yīng)該選擇合理的L/B值。
原地轉(zhuǎn)彎能力的分析可以檢驗校核L/ B的比值。
式中：
----履帶板修正系數(shù),b為履帶板寬度;
G----整機機重;
T----行走最大牽引力；
S數(shù)值的不同也影響著機械的轉(zhuǎn)彎功能：當時,機械轉(zhuǎn)彎失去轉(zhuǎn)彎功能;?當時,機械轉(zhuǎn)彎恢復(fù)轉(zhuǎn)彎功能;但當時機械可以完成很好的轉(zhuǎn)彎動作。因此對于L/B的值的選擇具有嚴格的要求:
根據(jù)本設(shè)計前述數(shù)據(jù)得b=0.4m;B=1.9m;G=6000*9.8=58800;L=2.5m
因此L/B的值滿足此設(shè)計的要求。
離地間隙的數(shù)值不同也會對機械產(chǎn)生非常大的影響列如影響機械運行以及穩(wěn)定性等。
因此對于離地間隙也有要求：
式中：
h----最下離地間隙
G----為整機質(zhì)量
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