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小馬力輪式拖拉機總體及前驅(qū)動橋設(shè)計
摘 要：目前，我國拖拉機行業(yè)增長迅速，其中由以小馬力拖拉機給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的便利，因為其體型相較于大型拖拉機更加適合中小型農(nóng)田的耕種。目前國內(nèi)的小馬力拖拉機依靠進口為主，其中國內(nèi)能夠生產(chǎn)小馬力拖拉機的企業(yè)都是中外合資企業(yè)。因此，設(shè)計一款有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的小馬力拖拉機是十分重要的。拖拉機的前驅(qū)動橋是能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向與承重的重要部件，其能夠保證拖拉機的正常行駛與轉(zhuǎn)向功能，可以說是拖拉機的雙腳。而前驅(qū)動橋又因為結(jié)構(gòu)復雜，目前國內(nèi)設(shè)計出來的前驅(qū)動橋在重型任務(wù)下仍然可能出現(xiàn)前驅(qū)動橋斷裂或者是脫落的情況。本設(shè)計所研發(fā)的小馬力拖拉機前驅(qū)動橋通過大量的計算與重復的校核保證前驅(qū)動橋能夠完美實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)向角度40°，在拖拉機最大載荷情況下前驅(qū)動橋不會出現(xiàn)斷裂或者脫落。通過NX軟件模塊的CAE功能對設(shè)計構(gòu)件進行有限元仿真分析，保證設(shè)計合理性。以NX軟件運動仿真功能保證拖拉機前驅(qū)動橋機構(gòu)設(shè)計合理，轉(zhuǎn)向角度滿足實際需求。使用NX軟件對前驅(qū)動橋與拖拉機進行整體模型的安裝仿真，保證無零件干涉，保證了設(shè)計的合理性與科學性。
關(guān)鍵詞：小馬力；輪式拖拉機；前驅(qū)動橋；CAD；CAE
The Design of Small Horsepower’s Tractor
General and Front Axle
Abstract：China's tractor industry is growing rapidly at present, the small horsepower tractor bring great convenience to agricultural production, because its size compared to large tractors more suitable for small and medium-sized farmland farming. At present, the domestic small horsepower tractors rely on imports, which can produce small horsepower tractors enterprises are Sino-foreign joint ventures. Therefore, the design of a domestic independent intellectual property rights of small horsepower tractor is very important. The tractor's front axle is an important part of the steering and load-bearing, which ensures the normal travel and steering of the tractor, which can be said to be the feet of the tractor. The front axle because of the complex structure, the current design of the front axle in the heavy task may still appear before the bridge break or fall off the situation. The design of the small horsepower tractor front axle through a large number of calculations and repeated checks to ensure that the bridge can be the perfect to achieve the maximum steering angle of 40 °, in the case of the maximum load of the tractor before the bridge will not break or fall off. Through the CAE function of NX software module, the finite element simulation analysis of the design components is carried out to ensure the design rationality. The NX software motion simulation function ensures that the tractor front axle mechanism design is reasonable, steering angle to meet the actual needs. Using NX software on the front axle and tractor to the overall model of the installation simulation, to ensure that no part of the interference to ensure the design of the rationality and scientific.
Key words： Small horsepower; Wheeled tractor; Front axle; CAD;CAE
目錄
目錄 4
1 緒論 1
2 小馬力輪式拖拉機總體設(shè)計 2
2.1拖拉機總體構(gòu)成 2
2.2拖拉機基礎(chǔ)參數(shù) 2
2.3拖拉機設(shè)計性能 3
3 前驅(qū)動橋設(shè)計 5
3.1前驅(qū)動橋方案對比與選擇 5
3.2前驅(qū)動橋組成與作用 5
3.3橋殼設(shè)計 6
3.3.1橋殼結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計 6
3.3.2橋殼受力分析 7
3.3.3前驅(qū)動橋輪距調(diào)整機構(gòu)設(shè)計 9
3.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計 9
3.4.1轉(zhuǎn)向方式選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.4.2轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.4.3轉(zhuǎn)向節(jié)受力計算 10
3.5行走系統(tǒng)設(shè)計 12
3.5.1車輪主要參數(shù)選擇 12
3.5.2制動設(shè)計 12
3.5.3前輪軸設(shè)計 14
3.6前驅(qū)動橋總體裝配 14
4 主要零件應(yīng)力校核 16
5 總結(jié) 19
參考文獻 20
致 謝 21
聲 明 22
附錄 23
1 緒論
拖拉機的分類是根據(jù)其馬力進行定義的，其中小型輪式拖拉機的馬力都小于25馬力；中型拖拉機的馬力處于25 ～10馬力之間；大型拖拉機的馬力都大于25馬力。中拖市場一度處于冷淡水平，相較而言的小型拖拉機則異?；鸨??？梢钥闯鲂●R力的拖拉機處于市場主流地位。90馬力的拖拉機為中型拖拉機的主流。
目前國內(nèi)外的拖拉機大多采用的是彈性減振式前驅(qū)動橋，這種方式的前驅(qū)動橋可以將拖拉機的牽引能力發(fā)揮到最大，也可以減小拖拉機的振動幅度。
彈性前驅(qū)動橋主要型式有以下四種：
（1）獨立輪式減振軸。在拖拉機的車輪上裝上一個彈性懸架系統(tǒng)，使用減振液壓油缸以及平行四邊形機構(gòu)，按照平行四邊形機構(gòu)夾角為45°進行鉸接式安裝，這就是所謂的獨立輪式減振軸。這樣的安裝方式可以將拖拉機的前軸所頂在距離地面的最小的高度范圍之內(nèi)或者拖拉機的前軸處于彈性懸架最大振幅的中間位置。
（2）單缸式減振軸。我們可以通過一個電磁閥進行電子管理控制該種彈性懸架系統(tǒng)。
（3）側(cè)置千斤頂式彈性懸架前驅(qū)動橋。通過電子中心控制側(cè)置千斤頂來進行自動操控。在這個系統(tǒng)采用比例控制閥來控制拖拉機前軸與各種作業(yè)地面的接觸一直處在相適應(yīng)的位置。
（4）氣動式彈性懸架前驅(qū)動橋。 從載重汽車中借用過來的氣動式彈性懸架減振前驅(qū)動橋?qū)⑼侠瓩C的前軸掛在一個擺動框架上，通過一個堅固的銷軸將前軸固定在一個U形翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上。 在前驅(qū)動橋后部的兩個連接點隨底盤架擺動的同時，使用兩個空氣彈簧保證其在凸凹不平地面的應(yīng)力吸收，達到減振的功能。
因此我國目前小馬力拖拉機的競爭尤為激烈，本來國內(nèi)小馬力拖拉機就處于弱勢地位，現(xiàn)如今有了國外產(chǎn)品的加入使得市場變得更加激烈。根據(jù)國家發(fā)改委給出的補貼數(shù)據(jù)可見，國內(nèi)對自主生產(chǎn)的拖拉機給予一定的政策補貼，對國外進入國內(nèi)的拖拉機有一定的沖擊作用，但是民眾對拖拉機產(chǎn)品質(zhì)量的重視仍然難以改變。因此越來越多的農(nóng)民在選擇小型拖拉機時不再僅僅只以價格作為參考。因此，我們必須抓住這個市場機遇，努力研發(fā)屬于自己的小型拖拉機產(chǎn)品，結(jié)合現(xiàn)有政策優(yōu)勢，再加上本土企業(yè)與國內(nèi)農(nóng)民朋友的良好關(guān)系，打贏這場戰(zhàn)役。
本設(shè)計主要研發(fā)一款能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向和支撐功能的拖拉機前驅(qū)動橋，目前前驅(qū)動橋要解決的問題是前驅(qū)動橋參數(shù)設(shè)計和計算、前驅(qū)動橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計、制動系統(tǒng)的設(shè)計、前驅(qū)動橋軸的設(shè)計和校核等問題。
為了解決以上存在的問題，必須在前期設(shè)計時對不同的設(shè)計方案進行參考論證，通過選取合適的設(shè)計方案來保證原始方案的正確性。通過合理的計算對已選擇方案的設(shè)計參數(shù)進行校核，以嚴格的計算保證所選取參數(shù)的合理性。通過CAE軟件對部分零件進行詳細的受力分析，彌補通過公式計算的不足。
2 小馬力輪式拖拉機總體設(shè)計
2.1拖拉機總體構(gòu)成
小馬力輪式拖拉機由多種構(gòu)件組成，其中主要的包括發(fā)動機總成、離合器總成、排氣系統(tǒng)、前驅(qū)動橋總成、傳動箱、分動箱、制動器、控制機構(gòu)、懸掛系統(tǒng)總成、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。其中，本拖拉機采用的為13.24KW的柴油機，約為18馬力。發(fā)動機輸出的動力經(jīng)由傳動箱進行變速，本設(shè)計的拖拉機能夠?qū)崿F(xiàn)（3+1）×2檔位輸出，經(jīng)由傳動箱變速后的動力通過分動箱分別穿向前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋，實現(xiàn)動力傳輸。除此之外，傳動箱過來的動力還必須有動力輸出裝置，通過連接相關(guān)農(nóng)具能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能。除了機械系統(tǒng)外，拖拉機還有電氣系統(tǒng)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電、儲存、電啟動、照明等功能。
圖2-1小馬力輪式拖拉機組成
1-保護罩總成；2-發(fā)動機；3-變速箱；4-轉(zhuǎn)向助力裝置；
5-冷卻裝置；6-后懸掛；7-后驅(qū)動橋；8-分動箱；9-前驅(qū)動橋。
2.2拖拉機基礎(chǔ)參數(shù)
如表2-1為本設(shè)計拖拉機的具體參數(shù)，只有確定了相關(guān)參數(shù)，才能保證拖拉機設(shè)計的合理性與可靠性。其中驅(qū)動方式確定了拖拉機前驅(qū)動橋的基本結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)，此外前輪輪距與離地間隙也能夠影響到前驅(qū)動橋的設(shè)計。
表2-1小馬力輪式拖拉機參數(shù)
驅(qū)動方式
兩輪驅(qū)動
外形尺寸(mm)
2670×（1250-1710）×1930
軸距(mm)
1465
前輪輪距(mm)
1050-1250
后輪(mm)
1040-1500
結(jié)構(gòu)重量（kg）
980
前進擋(m/min)
1.93/2.94/4.61
6.36/8.92/13.59
21.33/29.41
后退檔(m/min)
2.54/12.27
發(fā)動機功率（KW）
13.24
2.3拖拉機設(shè)計性能
通過對基礎(chǔ)參數(shù)的選定，必須保證拖拉機在進行設(shè)計時保證其性能參數(shù)，拖拉機的性能參數(shù)包括自身條件和植保要求，并且保證生產(chǎn)經(jīng)濟性和人機交互關(guān)系。
A. 通過性
在農(nóng)田里進行工作時，拖拉機必須不能對農(nóng)作物產(chǎn)生傷害，這對拖拉機的行間通過性便有著較高的要求。根據(jù)對我國農(nóng)作物的調(diào)查，目前我國農(nóng)作物的行距通常為500、600、700等等。通過對行距的調(diào)查與區(qū)分，因此在設(shè)計相應(yīng)的前驅(qū)動橋時，必須要求前驅(qū)動橋具備行距調(diào)整功能。
前驅(qū)動橋在設(shè)計自身結(jié)構(gòu)時，除了能夠滿足自身的支撐力，合理的間距調(diào)節(jié)機構(gòu)便確定了適應(yīng)在不同行距下的耕種要求。
B. 轉(zhuǎn)向操作性
優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)向操縱性能夠保證有垃圾在行駛過程中能夠按照駕駛員的駕駛要求準確的行駛。轉(zhuǎn)向操作性主要通過轉(zhuǎn)向機動性、行駛直線性、來保證。后輪驅(qū)動拖拉機由于其本身設(shè)計的因素，其轉(zhuǎn)向驅(qū)動力來自前驅(qū)動橋的導向輪。因此在設(shè)計前驅(qū)動橋?qū)蜉喌臅r候必須確保前驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)向驅(qū)動力能夠滿足拖拉機在各種情況下的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計合理性則很大程度上決定了在極端情況下拖拉機的轉(zhuǎn)向性能。
C. 制動性
制動性保證的是拖拉機在各種條件下的制動效果，制動效果體現(xiàn)在行車時制動、坡度停車制動兩種情況。行車制動性的決定因素通過很多方面決定，其中輪胎外形與寬度、輪胎材質(zhì)、制動盤的大小等都會對行車制動性產(chǎn)生較大影響。停車制動性則大多數(shù)表現(xiàn)在拖拉機停車于一定角度的斜坡時，不會產(chǎn)生滑動現(xiàn)象。根據(jù)我國對拖拉機的要求，當拖拉機停止在20°的斜坡時不會產(chǎn)生滑移，當車輛鎖住時，駕駛員便可以安全離開。
D. 負載性
拖拉機的負載性表示當拖拉機在帶載與其動力相匹配的農(nóng)機時，拖拉機不會產(chǎn)生動力不足或者不能夠驅(qū)動相應(yīng)農(nóng)具的情況。較大的負載性能夠提高拖拉機的作業(yè)性能，提高生產(chǎn)率。負載性通過拖拉機的牽引性和動力軸輸出性體現(xiàn)。牽引性指的是拖拉機在牽引大耙、101雙向犁、秸稈收割機等機具時能夠進行工作，并且滿足例如山地或者水田、旱田等不同土地條件。
E. 行進速度
我國各地突然環(huán)境相差較大，并且隨著土壤環(huán)境不同所種植的農(nóng)作物也有較大區(qū)別，因此在設(shè)計拖拉機時必須確保拖拉機的行進速度能夠滿足絕大部分土地工作時的行走速度。根據(jù)目前國家現(xiàn)有規(guī)定，拖拉機在爬行時的工作速度為0.5～2km/h，可以對農(nóng)田進行旋耕與開溝。在緩慢行駛時的拖拉機工作速度為2～5km/h，用作收貨作物。牽引時的速度為5～15km/h，在這個工作速度下能夠完成犁地、播種、噴灑農(nóng)藥等多種田間作業(yè)。行進速度的合理性不但要設(shè)計合理的檔位，而且輪胎外徑的選擇也是重要的參數(shù)。
3 前驅(qū)動橋設(shè)計
3.1前驅(qū)動橋方案對比與選擇
前驅(qū)動橋的種類多種多樣，但是前驅(qū)動橋按照制動方式可以分為鼓式與盤式制動兩種，按照載重大小可以分為微拖、小拖、中拖、重拖四種，其中我們設(shè)計的為小型鼓式前驅(qū)動橋。本前驅(qū)動橋由轉(zhuǎn)向節(jié)、制動器總成、輪轂組合、節(jié)臂、橫拉桿總成、主銷、前軸等零件組成。本前驅(qū)動橋可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動、行走、支撐等多種功能。
本前驅(qū)動橋采用彈性前驅(qū)動橋設(shè)計，彈性前驅(qū)動橋能夠有效的減少機體的震動，在地面高低不平時能夠緩和來自地面引起的沖擊。因為本小馬力拖拉機在前進速度時有較高速度，所以必須采用螺旋彈簧機構(gòu)。
當拖拉機在田間進行作業(yè)時，彈性前驅(qū)動橋由于其自身特點，能夠緩和地面不平所導致的對機體的沖擊作用，但卻也會產(chǎn)生機體的俯仰振動從而使得作業(yè)質(zhì)量降低，因此必須配備鎖定機構(gòu)，使得彈性保護單元在田間耕作時不起作用。
3.2前驅(qū)動橋組成與作用
在拖拉機工作過程中，前驅(qū)動橋除了受到拖拉機自身前部重力之外還有承受因為地面高低所產(chǎn)生的變化載荷，如果前驅(qū)動橋損壞則會產(chǎn)生嚴重的事故，因此前驅(qū)動橋在設(shè)計時必須保證其足夠的結(jié)構(gòu)強度，并且前輪定位參數(shù)必須精準。
拖拉機前驅(qū)動橋通常采用空心薄壁的結(jié)構(gòu)方式，其材料為鑄鋼或者型鋼。前驅(qū)動橋截面形狀多種多樣，其中以圓形、鐘形、梯形為主。在早期的設(shè)計中，最主要的截面形狀為圓形，因為其結(jié)構(gòu)簡單可靠，但是在實際工作時難以在前軸臂位置實現(xiàn)安裝，當拖拉機長時間工作時會導致后傾角發(fā)生變化。通過長時間的技術(shù)積累，目前拖拉機前驅(qū)動橋多為梯形。此外，目前拖拉機的搖擺軸與前軸的連接方式多為焊接，但是焊接會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導致焊接處斷裂。因此，為了保證前驅(qū)動橋正常工作，在設(shè)計時前軸應(yīng)該比搖擺軸厚，便可以避免上述問題。如圖3-1為前驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)組成，其能夠保證前驅(qū)動橋有足夠的支撐強度與設(shè)計強度，能夠?qū)崿F(xiàn)在田間進行工作時進行前輪間距調(diào)整，保證前車輪轉(zhuǎn)向角度為10°～15°。
圖3-1 前驅(qū)動橋組成
1-前輪轂；2-轉(zhuǎn)向支撐軸；3-前軸臂4-橋殼；
5-減速箱支座；6-轉(zhuǎn)向拉桿7-轉(zhuǎn)向節(jié)；8-車輪軸
3.3橋殼設(shè)計
3.3.1橋殼結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計
目前前驅(qū)動橋橋殼的主要作用為承受拖拉機前部的重力，在對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須保證其結(jié)構(gòu)合理，安全可靠。前驅(qū)動橋采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，主要材料為鑄鐵鋼。前驅(qū)動橋殼的主要外形有圓形、矩形、鐘形等等。本設(shè)計的前驅(qū)動橋橋殼采用U形梁作為支撐，通過一定的焊接工藝，保證焊縫處不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。
因此，橋殼的設(shè)計以U形空心薄壁鋼管作為支撐件，如圖3-2為前驅(qū)動橋橋殼的建模，前驅(qū)動橋支撐梁是保證強橋能夠安全工作的基本零件之一。橋殼的建模過程主要是建立草圖、進行拉伸、打孔、打孔、倒角等過程。前梁的建模必須保證內(nèi)壁厚度均勻，以及安裝時的垂直度。
圖3-2橋殼三維模型
3.3.2橋殼受力分析
前驅(qū)動橋在實際工作過程中的受力載荷十分復雜，主要有機體自重、縱向力、側(cè)向力、地面高低引起的沖擊載荷等等，通過模型簡化，可以得出拖拉機前驅(qū)動橋?qū)嶋H承受著大小和方向不斷變化的變載荷。因此，能夠合理的計算拖拉機的變載荷成了設(shè)計前驅(qū)動橋的重中之重，可是實際情況下不可能及時的將所有變載荷進行計算，所以在進行強度校核時只能以靜態(tài)計算的方法進行，雖然靜態(tài)計算方法簡單，但是經(jīng)過實驗，其計算結(jié)果已經(jīng)接近準確數(shù)據(jù)。如圖3-2為前驅(qū)動橋的受力簡圖，計算載荷因為具體工況不同而不同。主要分為以下三種：
（1）拖拉機高速行駛在高低不平的路面上，此時，前驅(qū)動橋的垂直動載荷達到極值，因為速度較快，側(cè)向力與縱向力微小到忽略不計，因此實際上作用在兩側(cè)輪子上的
圖3-3前驅(qū)動橋受力簡圖
垂直反作用力為和，通過公式（3-1）進行計算
(3-1)
式中 靜止時前驅(qū)動橋的垂直載荷（N）;
—動載荷系數(shù)，一般取2～2.5;
(2)拖拉機在路上行走時突然發(fā)生側(cè)滑，此時設(shè)側(cè)向力達到最大值，因為發(fā)生側(cè)滑，可以設(shè)縱向力為0，因為在發(fā)生側(cè)滑時與隨著側(cè)滑方向不同而不同，假設(shè)發(fā)生左側(cè)側(cè)滑，計算公式為公式（3-2）
(3-2)
式中 -前輪側(cè)向附著系數(shù)，通常為1.0;
-搖擺軸中心線高度（mm）;
-前輪輪距（mm）。
將上述數(shù)值帶入公式：
（3）在工作中，最容易受到撞擊的為前輪，在前輪撞擊阻礙物時，前輪上的縱向力達到極值，假設(shè)縱向力作用于輪軸中心，此時側(cè)向力為0，兩個前輪共同分擔縱向力，計算公式為（3-3）
(3-3)
式中 —驅(qū)動輪附著系數(shù)，通常為0.65；
—驅(qū)動輪附著重量（N）。
將數(shù)值帶入公式：
通過上述公式計算可以得出，在各種情況下小馬力輪式拖拉機前驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)所承受的最大載荷力為4573（N）。不過這種計算方式主要用來計算主要零件的強度，部分零件必須進行疲勞強度校核。
前驅(qū)動橋采用鐘形界面，該斷面的彎曲截面系數(shù)為：
(3-4)
式中: —工字形斷面中部尺寸，；
—垂直彎曲截面系數(shù)，；
—水平彎曲截面系數(shù)，；
設(shè)計中取a=20mm,代入式子3.4中得：
在設(shè)計中為了預(yù)選在板簧座處的彎曲截面系數(shù)，可采用經(jīng)驗公式計算：
(3-5)
式中：—作用在前梁上的質(zhì)量，;
—車輪中線至板簧座中心線的距離，；
將數(shù)代入式子（3-5）中得：
根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)的特性前梁的高度與工字梁端面的高度是相等的，約為72mm。主銷的長度為前梁的0.3-0.4倍，即D主銷=720.45=32mm，工字梁上的主銷釘?shù)拈L度與直徑的關(guān)系為6倍關(guān)系，所以主銷釘?shù)拈L度為192mm。 主銷釘?shù)幕瑒虞S套與轉(zhuǎn)向節(jié)的孔成比例關(guān)系，主銷釘直徑的1.25-1.5倍便是襯套的長度，所以襯套長為48mm。他的材料為Cr。
3.3.3前驅(qū)動橋輪距調(diào)整機構(gòu)設(shè)計
由于所種植農(nóng)作物的株距差異，前驅(qū)動橋輪距調(diào)整機構(gòu)的作用是為了保證在不同環(huán)境下進行前輪的輪距調(diào)整。前軸臂能夠在橋殼內(nèi)部進行橫向伸縮，并且通過螺栓等方式進行鎖死。如圖3-4為前驅(qū)動橋的輪距調(diào)整裝置的二維圖，通過螺栓固定對應(yīng)的調(diào)整孔進行間距調(diào)整。
圖3-4輪距調(diào)整裝置
3.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計
3.4.1轉(zhuǎn)向方式選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計
拖拉機轉(zhuǎn)向功能的實現(xiàn)是通過添加相應(yīng)的力矩來抵消驅(qū)動方向轉(zhuǎn)向的摩擦阻力，只要添加轉(zhuǎn)向驅(qū)動力這樣子才能抵消拖拉機在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的阻力。使得拖拉機轉(zhuǎn)向的方式主要有以下幾種：（1）使車輪轉(zhuǎn)向；（2）使機架轉(zhuǎn)向；（3）改變兩個前輪
圖3-5 偏轉(zhuǎn)前輪轉(zhuǎn)向原理圖
驅(qū)動力。因為本拖拉機采用牽引式機具，通過后輪驅(qū)動，所以轉(zhuǎn)向力矩的來源為地面對導向輪的側(cè)向力。通過圖3-4可以看出若拖拉機的轉(zhuǎn)彎半徑為R，則計算公式為
(3-6)
式中 L—拖拉機軸距；
M—轉(zhuǎn)向節(jié)立軸中心線與地面交點距離；
—內(nèi)測前輪轉(zhuǎn)角。
根據(jù)實際工況與表2-1數(shù)值，拖拉機最小轉(zhuǎn)彎半徑為2550mm，軸距為1465mm，內(nèi)測前輪最大偏轉(zhuǎn)角度為45°，將數(shù)值帶入公式（3-6）得：
3.4.2轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計
轉(zhuǎn)向節(jié)的作用是保證前驅(qū)動橋在行駛時承受沖擊載荷，為了避免轉(zhuǎn)向節(jié)在工作時斷裂，必須保證產(chǎn)生應(yīng)力集中點的角度較大，材料選用45鋼。其部分表面需采用淬火，來與軸承獲得較好的裝配。
3.4.3轉(zhuǎn)向節(jié)受力計算
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計主要是保證一下幾個方面：（1）保證拖拉機在行駛時的直線度，在方向盤歸中時不會產(chǎn)生拖拉機跑偏或者是向側(cè)向滑動。（2）安全可靠，零件使用壽命長。（3）操縱輕巧，主要體現(xiàn)為方向盤的操作輕巧省力。根據(jù)《農(nóng)業(yè)拖拉機操縱裝置最大操縱力》的內(nèi)容規(guī)定，在拖拉機轉(zhuǎn)向時，駕駛員能夠操縱方向盤的最大操縱力約為60N，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在液壓轉(zhuǎn)向失效時最大允許操縱力為600N。因此，機械操縱系統(tǒng)中必須加入液壓操縱裝置。加入液壓轉(zhuǎn)向裝置后，液壓系統(tǒng)的最大工作壓力可達10Mpa，能夠保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活操作和結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)公式（3-7）可以算出拖拉機在轉(zhuǎn)向時所受的總的轉(zhuǎn)向阻力矩：
(3-7)
式中 —前、后輪的轉(zhuǎn)向阻力矩；
—作用點到點的間距。
將數(shù)值帶入式3.7進行計算，可得：
根據(jù)上式可得出在拖拉機負載最大并且進行轉(zhuǎn)向時，總的轉(zhuǎn)向阻力約為1506N，因此設(shè)計轉(zhuǎn)向節(jié)時，必須保證能夠達到最大轉(zhuǎn)向力，并且油缸液壓系統(tǒng)能夠達到所需力。
轉(zhuǎn)向套筒的作用是給前梁起到最基礎(chǔ)的支撐作用，保證前梁底部與地面的離地間隙，此外，轉(zhuǎn)向套筒也是保證車輪能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的重要部件。轉(zhuǎn)向套筒的建模主要包括建立草圖、進行拉伸、建立凸臺、打孔、倒角等一系列過程。轉(zhuǎn)向套筒必須保證內(nèi)壁的圓柱度和潤滑，在長時間工作時也必須保證內(nèi)部的封閉性，不能因為進水后導致內(nèi)部零件被雜質(zhì)填滿，在長時間工作時會導致零件磨損加速。轉(zhuǎn)向套筒與前梁在裝配時要保證一定的角度，這樣才能夠達到設(shè)計要求。圖3-6為轉(zhuǎn)向套筒的三維模型。
圖3-6 轉(zhuǎn)向套筒三維模型
3.5行走系統(tǒng)設(shè)計
3.5.1車輪主要參數(shù)選擇
通過選擇合理的主銷后傾角能夠保證拖拉機在高速行駛時的直線方向的穩(wěn)定性。后傾角的選值一般為3°以內(nèi)。因為設(shè)計的輪胎為子午線輪胎，所以其拖距很大，在選擇后傾角時需要根據(jù)情況進行加大，所以選擇角度為2.5°。
通過改變主銷的內(nèi)傾角可以減少拖拉機在轉(zhuǎn)向時對方向盤提供的轉(zhuǎn)向力，從而使得轉(zhuǎn)向器所受到的壓力降低,并且轉(zhuǎn)向輪到轉(zhuǎn)向盤的沖擊也會隨之減少。主銷內(nèi)傾角的選擇通過經(jīng)驗值便可以確定，通常=5°-8°，因為拖拉機為小型拖拉機，所以其主銷偏移距為30-40mm。因為拖拉機并不需要很強的轉(zhuǎn)向回正的回正作用，所以選取角度時便可以采用較小角度，因此后傾角選擇為5°。
外傾角的選擇范圍也有固定值用作參考，平常=0.5°-1.5°。外傾角的主要作用是改變輪胎與接地點的內(nèi)縮值，通過采取合適的值便能夠改善在制動時候的穩(wěn)定性，通過參考文獻[3]，可以確定外傾角的大小為1°。
3.5.2制動設(shè)計
制動系統(tǒng)是前驅(qū)動橋的重要組成部分，其主要功能為使拖拉機在行駛中減慢速度或者停止，保證拖拉機在一定情況下維持靜止狀態(tài)。制動系統(tǒng)的主要組成部分為制動器和制動操縱系統(tǒng)，目前制動系統(tǒng)多采用蹄式或者盤式制動器兩種方式。在設(shè)計制動系統(tǒng)時主要要滿足以下要求：（1）制動效果明顯，根據(jù)《拖拉機基本技術(shù)條件》，
表3-1 拖拉機不同條件下制動距離
空載
滿載
行駛速度≤20km/h
≤5.4m
≤6.4m
行駛速度≥20km/h
≤8.4m
≤9.8m
手冊中有規(guī)定如表3.1所示。本設(shè)計采用的為鼓式制動系統(tǒng)，假設(shè)剎車鼓上的制動力矩為,則根據(jù)推算可得在制動鼓上的摩擦力為。摩擦片的材料：摩擦片（酚醛石棉）與制動盤（HT250）μ=0.4制動盤的摩擦平均作用半徑：r2=200mm。制動器的設(shè)計必須對拖拉機在工作時候的兩種情況進行充分的考慮，首先必須確保拖拉機在一定的坡度停止時所需的制動力；另外一種情況是在不同條件下的土壤附著力所保證的制動力矩，對這兩種力矩進行計算并且選擇較大的力矩作為計算扭矩。
（1）保證拖拉機在一定角度坡道上停止時所需的力矩，計算公式為（3-8）
(3-8)
式中: —拖拉機旱地使用重量 =5960 Kg
—拖拉機上坡極限角 =20°
Z—制動器個數(shù) Z=2
i—驅(qū)動輪到制動器的傳動比 i=1
—驅(qū)動輪到制動器的傳動效率 =0.98
—動力半徑 1755/2×0.94＝0.82485
將數(shù)據(jù)帶入可得：
≈858 Kg.m
（2）土壤附著條件確定的每個制動器制動力矩，如公式（3-9）
(3-9)
式中: —單個驅(qū)動輪的載荷
式中：L—軸距(mm)；a、h—拖拉機質(zhì)心的縱向坐標和高度坐標(mm)
φ—附著系數(shù)φ=0.7
因 ＞，故取MTK=858 Kg.m為制動器的計算扭矩。
拖拉機的制動方式有很多，但是目前應(yīng)用比較多的摩擦片干式制動合氣頂油式兩種。制動鉗選用ZL30裝載機鉗盤式制動器。壓縮的空氣必須經(jīng)過油水分離裝置進行油水分離，并且保證壓強處于空0.72Mpa，加力泵的增壓比為1：18，則：制動系統(tǒng)制動油液的壓強為：
0.72×18=13MPa
剎車鉗的油缸活塞直徑為75mm，每個剎車鉗有4個油缸活塞，則每個剎車鉗的制動油液作用在摩擦片上的總壓力為：
整車具有2個剎車鉗，每個剎車鉗作用在后橋上的制動力矩為：
因此，滿足設(shè)計要求。由于1918kgm>858kg.m，所以能滿足坡道停車要求。輪胎靜力半徑為：0.82485m，則整車制動阻力為：
輪胎（丁苯橡膠）與地面（水泥）的摩擦系數(shù)為：0.7，則整機在制動時地面提供給整機的最大摩擦阻力為：
整車在制動時，輪胎不會打滑。制動距離應(yīng)以地面提供的阻力為準：最高車速為30Km/h=8.33m/s制動距離：
制動時間：
制動減速度：
考慮到氣頂油的響應(yīng)時間，制動距離應(yīng)在8m以內(nèi)，所以制動距離及減速度滿足安全要求，可以保證制動系統(tǒng)設(shè)計滿足實際工作需求。
3.5.3前輪軸設(shè)計
前輪軸在設(shè)計時要考慮在不同情況下的受力狀態(tài)，前輪軸最惡劣情況便是在高速行駛時前輪觸碰障礙物導致前輪彈起時所收到的力。軸的設(shè)計公式為（3-10）。
(3-10)
式中： —扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，Mpa；
T—軸所受的扭矩，N.mm；
—軸的抗扭截面系數(shù)，；
n—軸的轉(zhuǎn)速,r/min；
d-軸的直徑，mm。
根據(jù)查找文獻[5]可以知道軸的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力為30，軸上傳遞功率為3kw。將上述值帶入計算可得：
將所得數(shù)值取整，車輪軸設(shè)計直徑為60mm。
3.6前驅(qū)動橋總體裝配
前驅(qū)動橋的總體裝配有著較高的裝配要求，前梁必須保證相互之間的垂直度與平行度，并且前梁內(nèi)壁與轉(zhuǎn)向套筒直線安裝時必須采取密封處理。密封的前梁能夠保證在拖拉機進水時不會導致機體內(nèi)部零件產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，也能夠防止雜質(zhì)進入加速整個部件的磨損。通過采用軸承與相應(yīng)的密封墊片能夠保證上述密封要求。制動系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠安裝良好，在拖拉機進行轉(zhuǎn)向時，制動系統(tǒng)的液壓油管道不能對轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，保證轉(zhuǎn)向不受干擾。如圖3-7為前驅(qū)動橋安裝的二維
圖。
圖3-7 前驅(qū)動橋總裝二維圖
4 主要零件應(yīng)力校核
隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)得到質(zhì)的了飛躍，從原始的曲面造型到如今的參數(shù)化技術(shù),CAD技術(shù)的成熟運用大幅度的改變了汽車、船舶、飛機等高進度制造業(yè)的發(fā)展。
隨著技術(shù)發(fā)展的成熟，CAD/CAM軟件也日新月異，例如Pro/ENGINEER、NX、SD等等，他們功能上各有不同，但是操作起來實則大同小異。而NX因為在中國應(yīng)用早，用戶多、功能強大、易學等特點，在我國用戶市場中占有廣泛的地位。
前驅(qū)動橋因為受力狀況較為復雜，普通的簡化計算雖說可以一定程度上確定相關(guān)數(shù)據(jù)，但是難以十分準確的進行計算，因為其不能對十分準備的對部分應(yīng)力集中點進行精確計算。使用有限元分析軟件便能夠進行詳細計算，而且能夠準確給出受力變形后的具體形態(tài)，這是一般的計算方法難以企及的。
本設(shè)計采用NX軟件中的有限元分析模塊對拖拉機前車輪軸進行分析，首先建立前車輪軸的三維數(shù)字化模型如圖4-1所示。該拖拉機的具體參數(shù)如下：當拖拉機滿載時前驅(qū)動橋
圖4-1 NX軟件中的前車輪軸模型
所受載荷為1120kg，車輪距前驅(qū)動橋中心線距離為380mm，前驅(qū)動橋外殼自重為38.2KG，兩處連接界面面積為1800,因此可得橫截面載荷為3.89Mpa。根據(jù)文獻[9]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，當拖拉機滿載荷時前驅(qū)動橋外殼的最大形變量不超過1.5mm/m，承受1.5倍滿載荷時，前驅(qū)動橋外殼不能出現(xiàn)斷裂和塑性變形。根據(jù)計算可得垂直方向最大載荷為。
進入NX軟件的高級仿真功能后，首先對前驅(qū)動橋進行指派材料，該前驅(qū)動橋?qū)嶋H生產(chǎn)時采用QT400-15，泊松比，其彈性模量E=0.15Mpa，材料密度為7109.接著進行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時我們需要運用到的命令是：拆分面（將一個面分為兩個或者多個面這是在由于面太大影響到我們劃分的網(wǎng)格質(zhì)量時用到的），合并邊（在指定的端點將兩條多邊形變合并為一條多邊形邊，一遍情況下我們直接用這個命令消除零件中所有能夠消除的點），合并面（沿著共有多邊形邊，將兩個多邊形面合并為一個多邊形面），塌陷邊（通過將模型上非常小的邊折疊到一點，移除這些邊），刪除面（刪除多邊形面，一邊情況下導入的模型發(fā)生面變形等情況我們需要刪除這些面），邊界形成的面（通過多邊形邊界創(chuàng)建新的多邊形面，用刪除面刪除的面運用這個命令來創(chuàng)建新的多邊形面來重新形成一個體）。
我們先劃分3D四面體網(wǎng)格（在實體上創(chuàng)建一個包含4節(jié)點或者10節(jié)點的四面體單元的網(wǎng)格），在本文的分析過程中我們選擇創(chuàng)建的是4節(jié)點的3D四面體網(wǎng)格。然后根據(jù)零件的大小來自己判斷網(wǎng)格的大小。必須選擇嘗試自由網(wǎng)格劃分（自由網(wǎng)格劃分的存在是為了解決一下小得斜角或者圓角的網(wǎng)格劃分，如果不嘗試自由網(wǎng)格劃分很大程度上零件的網(wǎng)格劃分不出）將基于表面曲率的大小變化以及單元體積增長速率設(shè)置為0（這些網(wǎng)格的設(shè)置對于網(wǎng)格的質(zhì)量有著非常大的影響，一般來說設(shè)置為0的目的就是為了我們能夠看出哪些網(wǎng)格有問題，然后在有問題的網(wǎng)格上進行修改，重新劃分）。如圖4-2所示，再劃分網(wǎng)格的時候零件上面的圓柱可能會因為網(wǎng)格的大小等等原因發(fā)生變形，單元大小為10mm，單元數(shù)為7762，節(jié)點數(shù)為14109，節(jié)點數(shù)在發(fā)生變形的時候我們只需要在圓柱上面用拆分面這個命令來將圓柱免分為多個小面使得圓柱不會變形。
圖4-2 前車輪軸模型網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分完畢之后進行約束。車輪軸因兩側(cè)受相應(yīng)載荷，為此通過制定一端面為受力點，另外一端面進行固定，通過此方法來計算和分析實際工作過程中的應(yīng)力變形。根據(jù)實際情況進行添加約束，所選約束類型為固定約束，約束添加于前驅(qū)動橋端面與連
圖4-3添加約束
接器相連接的端面上。通過添加約束我們可以確保模擬實際工作中的準確狀態(tài)。最后在前車輪軸的徑向端面添加載荷，因為所受載荷由兩側(cè)的前車輪軸分別承受，因此添加載荷為超越最大載荷1.5倍的1588N。將以上數(shù)據(jù)定義完成之后通過NX軟件進行
圖4-3 添加載荷
求解，求解結(jié)果如圖4-4所示，當添加載荷為滿載載荷1.5倍時，前車輪軸的最大變形為2.3mm，滿足文獻[9]上所需要求。
圖4-4 計算結(jié)果
表3.2為NX軟件中導出的具體計算結(jié)果，由于NX軟件特殊算法與顯示模塊，會在受力云圖形變部分以較大形變量顯示，不過數(shù)據(jù)顯示在受力時最大位移為0.23mm。
表3.2 計算結(jié)果
位移（mm）
應(yīng)力(mN/mm^2(kPa))
X
Y
Z
幅值
Von Mises
最小
主應(yīng)力
最大
主應(yīng)力
最大
剪切
最大
2.382
1.253
3.112
0.23
1.692
3.723
1.630
8.588
最小
0.005
0.003
0.006
0
3.455
1.762
0.002
1.973
5 總結(jié)
本設(shè)計從拖拉機的總體進行著手，分析了拖拉機總體的各個特征與結(jié)構(gòu)。重點介紹了拖拉機前驅(qū)動橋的各項參數(shù)選擇與具體設(shè)計過程，保證前驅(qū)動橋各個零件的設(shè)計合理性與可靠性。通過大量計算與CAE技術(shù)驗算了設(shè)計的合理性與科學性。目前農(nóng)機的發(fā)展方向主要分為小型化和大型化兩個方向，大型化的農(nóng)機在我國已經(jīng)逐漸趨于成熟，技術(shù)日趨完善，市場也較為飽和。小型化農(nóng)機的發(fā)展仍然處于初步階段，其發(fā)展前景廣闊，技術(shù)研究也還在起步階段，很適合進行研究和發(fā)展。相比于那些大型機械設(shè)備而言，小馬力輪式拖拉機不但體積較小、質(zhì)量較輕，并且價格便宜，更加適合現(xiàn)代農(nóng)村，尤其是大棚耕作的普及，使得這款小馬力輪式拖拉機更加貼合了現(xiàn)代新型農(nóng)業(yè)的需求。同時，在小馬力輪式拖拉機這一大類的同種產(chǎn)品中，它的發(fā)展也逐步趨向于多功能化，但是不論它的附加功能有多么的豐富，其根本的耕作功能仍然做為其最主要的功能。本款小馬力輪式拖拉機的前驅(qū)動橋能夠勝任拖拉機在所有情況下的工作，不但結(jié)構(gòu)合理可靠，而且功能全面，在實際生產(chǎn)加工時還能減少生產(chǎn)成本與加工難度。
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