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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)
指導(dǎo)老師：郭秀云 李長(zhǎng)歡
設(shè)計(jì)題目：ZL15裝載機(jī)總體及變速箱設(shè)計(jì)（3軸及齒輪） 設(shè)計(jì)人：楊東勝
設(shè)計(jì)項(xiàng)目
計(jì)算與說(shuō)明
結(jié)果
牽引計(jì)算
柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性
柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸出特性
Ⅰ檔總傳動(dòng)比iI的確定
確定最高檔位的傳動(dòng)比
計(jì)算最少檔位數(shù)
確定中間傳動(dòng)比
運(yùn)輸工況牽引特性曲線(xiàn)
求各檔的最高車(chē)速
爬坡能力分析
第3章 牽引計(jì)算
為了檢測(cè)總體設(shè)計(jì)所確定裝載機(jī)的牽引性能，并審核其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，我們需要做牽引計(jì)算。
3.1 柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線(xiàn)
研究變矩器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合工作的目的在與檢查此變矩器結(jié)構(gòu)形式及有效直徑的選擇是否合適；如何配合才能使整機(jī)獲得良好的性能。
在作柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸入輸出特性曲線(xiàn)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)變矩器有所了解。
變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作的性能與二者之間的連接方式有關(guān)，此種連接方式從原則可以分為單流式和雙流差速液力機(jī)械式兩種。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)輪的功率全部通過(guò)液力變矩器時(shí)，稱(chēng)為單流式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)傳給驅(qū)動(dòng)輪的功率分別有機(jī)械和液力兩條并聯(lián)的路線(xiàn)傳遞時(shí)，稱(chēng)之為雙流差速液力機(jī)械式，按傳動(dòng)系的形式來(lái)分類(lèi)，則可稱(chēng)其為液力—機(jī)械的并聯(lián)復(fù)合傳動(dòng)。
本機(jī)選用雙流差速液力機(jī)械傳動(dòng)，即液力—機(jī)械的并聯(lián)復(fù)合傳動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)分出的部分功率來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械的輔助裝置和輸出軸，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速持續(xù)性轉(zhuǎn)換到泵輪軸上，需以發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率扣除輔助裝置和工作油泵消耗的那部分。
同一類(lèi)型幾何相似的液力變矩器在尺寸不同的情況下有相同的λB和λr變化規(guī)律，它們能夠最本質(zhì)的反應(yīng)某系列的變矩器性能，一般稱(chēng)它為液力變矩器的原始特性，由它可以派生出兩個(gè)表示變矩器性能的重要無(wú)因此特性，即變矩器系數(shù)k=f4(ITB)和效率η=f4(Itb)。所謂無(wú)因次特性系數(shù)表示再循環(huán)圓內(nèi)具有完全相似的穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的若干變矩器共同特性的函數(shù)曲線(xiàn)。
常用的方法是給出該種液力變矩器的“無(wú)因次”特性。
λB=f4（ITB） λr=f2(λr)
k=f3(ITB) η=f4(ITB)
前兩式是原始的，后兩式是派生的。實(shí)際上只應(yīng)用了λB，k，η這三條曲線(xiàn)。第一條曲線(xiàn)表示變矩器的透穿性，第二條曲線(xiàn)表示變矩器的變矩性，第三條曲線(xiàn)表示的是液力變矩器的經(jīng)濟(jì)性。有了無(wú)因次特性后，就可以獲得同類(lèi)型的任何尺寸的相似液力變矩器的外特性。
3.1.1柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性
聯(lián)合工作的輸出特性曲線(xiàn)包括：
Me=f(ne)
MB=f(nB)
C=λ×γ×D5
在某一傳動(dòng)比下，λ，D，γ為常數(shù)，則MB=C×nB2
輸入特性曲線(xiàn)指動(dòng)力輸入軸（泵輪軸）的扭矩與它的速度n之間的關(guān)系。MB=λBγnB2D5。根據(jù)已選定柴油機(jī)和變矩器的特性曲線(xiàn)作出變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作的輸出特性曲線(xiàn)。
根據(jù)裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，一般用發(fā)動(dòng)機(jī)扣除20～40%的功率與變矩器相匹配較為合適。因此根據(jù)本機(jī)具體作業(yè)情況扣除發(fā)動(dòng)機(jī)功率的30%。參考圖八：495A-23柴油機(jī)的外特性曲線(xiàn)，即：
其數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-1，作發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩及凈功率的特性曲線(xiàn)，
如圖3-1
表3-1發(fā)動(dòng)機(jī)凈扭矩及凈功率數(shù)據(jù)
N(rpm)
Me(N.m)
Mej(N.m)
Ne(馬力)
Nej(馬力)
1100
176
123.2
28
19.6
1200
183
128.1
32
22.4
1300
189
132.3
34.5
24.15
1400
193
135.1
38
26.6
1500
196
137.2
41
28.7
1600
198
138.6
44
30.8
1700
199
139.3
47
32.9
1800
198
138.6
49
34.3
1900
196
137.2
52
36.4
2000
193
135.1
54
37.8
2100
188
131.6
55
38.5
2200
181
126.7
56
39.2
3.1.2液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作輸出特性曲線(xiàn)
根據(jù)圖八-液力變矩器外特性曲線(xiàn)，找出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，見(jiàn)表3-2.
表3-2變矩器外特性曲線(xiàn)數(shù)據(jù)
i
η
k
λ×10-6
γ
0.1
0.285
2.8
2.36
8720N/m3
0.2
0.5
2.5
2.38
0.3
0.64
2.2
2.39
0.4
0.75
1.84
2.40
0.5
0.79
1.6
2.41
0.6
0.82
1.43
2.33
0.7
0.83
1.21
2.23
0.8
0.75
0.95
1.97
0.9
0.65
0.72
1.5
1.0
0.47
0.45
0.73
計(jì)算M1=λBγnB2D5 的具體值，見(jiàn)表3-3：
通過(guò)表3-3作變矩器與柴油機(jī)聯(lián)合工作的輸入特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3-2：
表3-3聯(lián)合工作輸入特性曲線(xiàn)的計(jì)算值
轉(zhuǎn)速
參數(shù)
1600
1700
1800
2000
2200
2400
I
×10-6
0.1
2.36
0.28
6.88
7.77
8.71
10.76
13.02
15.49
0.2
2.38
0.5
6.94
7.84
8.79
10.85
13.13
15.62
0.3
2.39
0.64
6.97
7.87
8.82
10.89
13.18
15.69
0.4
2.40
0.75
7.0
7.90
8.86
10.94
13.23
15.75
0.5
2.41
0.79
7.03
7.94
8.90
10.98
13.29
15.82
0.6
2.33
0.82
6.80
7.67
8.60
10.62
12.85
15.29
0.7
2.23
0.83
6.51
7.34
8.23
10.17
12.30
14.64
0.8
1.97
0.75
5.75
6.49
7.27
8.98
10.87
12.93
0.9
1.5
0.65
4.38
4.94
5.54
6.84
8.27
9.85
1.00
0.73
0.47
2.13
2.40
2.70
3.33
4.03
4.79
3.1.2 柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸出特性
發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同工作的輸出特性，完全反應(yīng)了復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置的動(dòng)力性和燃料的經(jīng)濟(jì)性，因此它成為評(píng)價(jià)液力傳動(dòng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)；同時(shí)，對(duì)配備液力傳動(dòng)的機(jī)械來(lái)說(shuō)，又是進(jìn)行機(jī)器牽引性能計(jì)算的原始依據(jù)。
由圖3-2，柴油機(jī)與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性曲線(xiàn)上負(fù)荷拋物線(xiàn)來(lái)與換算到泵輪軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線(xiàn)的交點(diǎn)，找到一對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器共同工作點(diǎn)的參數(shù)坐標(biāo)值（，），在根據(jù)參考書(shū)[Ⅴ]上冊(cè)P130公式，，，推算出，，的值。
將以上計(jì)算結(jié)果列入下表（表3-4）：
表3-4聯(lián)合工作輸出特性曲線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算值
項(xiàng)
i 目
k
η
M1
n
M2
n2
N2
0.1
2.8
0.28
12.75
2185
35.7
218.5
10.9
0.2
2.5
0.5
12.8
2175
32
435
19.4
0.3
2.2
0.64
12.82
2170
28.2
889.7
35.0
0.4
1.84
0.75
12.85
2165
23.6
1125.8
37.1
0.5
1.6
0.79
12.9
2160
20.6
1382.4
39.8
0.6
1.43
0.82
12.7
2195
18.2
1646.3
41.8
0.7
1.21
0.83
12.3
2205
14.9
1764
36.7
0.8
0.95
0.75
11.2
2230
10.6
2007
29.7
0.9
0.72
0.65
8.7
2265
6.3
2151.8
18.9
1.00
0.45
0.47
4.5
2340
2
2340
6.5
由表3-4所得數(shù)據(jù)作曲線(xiàn)n2—η, n2—M2, n2—N2,即得部分功率匹配的聯(lián)合工作曲線(xiàn)，如圖3-3所示：
對(duì)輸出特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可得到聯(lián)合工作特性與最佳工況的偏離情況：
1.起步工況：希望起步時(shí)，聯(lián)合工況所能發(fā)出的扭矩MEMAX,即it0時(shí)MT0=39.84公斤牛，從圖上可以得出MT0=MT0=39.84公斤牛，即起步性能好。
2.變矩器的最高效率點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)傳給變矩器的最大功率點(diǎn)接近，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率好。
3.最高效率點(diǎn)左邊曲線(xiàn)到右邊曲線(xiàn)變化緩慢，因此希望變矩器工作在最高效率的左邊。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作輸出的功率曲線(xiàn)也是左邊比右邊變化緩慢。因此，聯(lián)合工作輸出曲線(xiàn)基本上理想，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都較好。
3.2 確定檔位及各檔傳動(dòng)比
3.2.1Ⅰ檔總傳動(dòng)比iI的確定
由于變矩器有一定的可透性，變矩器的最大效率工況不一定能和柴油機(jī)傳給變矩器的最大工況完全一致，因此變矩器最大效率時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速nTη和變矩器最大效率時(shí)的轉(zhuǎn)速nTN可能有一些不同，確定Ⅰ檔總傳動(dòng)比iI時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性曲線(xiàn)得，變矩器最大輸出功率NTN=31.98H，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為。
由參考書(shū)[Ⅳ]P158:
=0.377rkneH/
=0.377rknTN/ (3-2-1)
式中： —驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑；
=r0-Δb (見(jiàn)[Ⅳ] P111)
r0—輪胎的自由半徑：r0=1.090/2=0.545m
Δ—系數(shù)， 對(duì)鏟土運(yùn)輸機(jī)械用的低壓輪胎，在松軟土壤上 Δ=0.08～0.10，在密實(shí)土壤中Δ=0.12～0.15 。據(jù)本機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，取Δ=0.135
b—輪胎斷面寬度；取b=0.290m
∴ =r0-Δb=
—變矩器最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)（rpm）
—Ⅰ擋轉(zhuǎn)速；根據(jù)[Ⅱ]P78推薦值，裝載機(jī)Ⅰ檔速度取3～5km/h,超過(guò)以上速度，駕駛員來(lái)不及操作，反而延長(zhǎng)鏟斗的裝滿(mǎn)時(shí)間，增加駕駛員的疲勞，降低生產(chǎn)率。由此，取VTI=5km/h
由式（3-2-1），得iI=
3.2.2確定最高檔位的傳動(dòng)比（運(yùn)輸工況）
裝載機(jī)的最高檔位一般用來(lái)轉(zhuǎn)移場(chǎng)地時(shí)使用，為提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高其最高車(chē)速以節(jié)約時(shí)間，同時(shí)，裝載機(jī)的車(chē)架為非剛性懸掛，車(chē)速不能太高，最高車(chē)速受到一定的限制。
根據(jù)現(xiàn)在裝載機(jī)的一般要求，并參考同類(lèi)進(jìn)行，初選最高車(chē)速為30Km/h。
由選定的最高車(chē)速VTmax，根據(jù)下式可求出最高行駛速度時(shí)所消耗的功率NT′：
NT′=PKmin×VTmax/(3.6×ηm)
式中：PKmin— 在VTmax時(shí)的牽引力:
PKmin=Gf+kFvT2/3.62
G— 整機(jī)重量，G=4500Kg=45.0KN
f— 平均切線(xiàn)滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.02;
K— 流線(xiàn)型系數(shù)(),一般取0.0006～0.0007。本機(jī)取K=0.00065。
VT— 行駛速度，取VT =28Km/h
F— 機(jī)械迎風(fēng)面積：F=B×H,B為輪距，H為車(chē)高，參考同類(lèi)機(jī)型選B=2.6m,H=1.4m；
F=B×H=。
ηm— 液力變矩器機(jī)械傳動(dòng)的總效率，ηm= 0.6～0.75。這里選0.7
∴NT′=Gf+kF/3.62×VTmax/(3.6×ηm)
=
=11.63Kw
由圖3-3，過(guò)η=75%的A點(diǎn)作NTA=18.8千瓦相應(yīng)轉(zhuǎn)速為1920rpm，NT′
q1
∴能保證變矩器在高效區(qū)工作。
Ⅲ檔主要用于快速轉(zhuǎn)移場(chǎng)地，為提高其速度，q2為3，則中間檔傳動(dòng)比為：
q1=2
iⅡ=iⅠ/ q1=50.4/2=25.2
iⅢ=12.6
3.3 運(yùn)輸工況牽引特性曲線(xiàn)
牽引特性反應(yīng)的是作業(yè)機(jī)械在一定的工質(zhì)條件下，在水平路段上以各檔穩(wěn)定速度工作時(shí)的牽引性能與經(jīng)濟(jì)性能，它通過(guò)用牽引功率Nkp,實(shí)際行駛速度v,整機(jī)的耗油率gkp隨牽引力Pkp變化的曲線(xiàn)表示,也即用各檔的(Nkp,v,gkp)=f(Pkp)的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)表示。
從牽引曲線(xiàn)上，可以看出變速箱布置的合理性，即能否在整個(gè)牽引力的適用范圍內(nèi)，依靠換擋使作業(yè)機(jī)械始終工作在較高的牽引功率下工作，即使各檔的功率曲線(xiàn)的連接沒(méi)有“深谷”。
從牽引特性曲線(xiàn)上，還可以看出各檔的最大牽引力功率是在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下出現(xiàn)的，對(duì)輪胎式作業(yè)機(jī)械，隨著牽引力的增大，滑轉(zhuǎn)損失增大，所以最大牽引功率Ⅰ檔反而低于Ⅱ檔的。
合理的牽引特性曲線(xiàn)，必須具備以下條件：
1.為了不使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，Ⅰ檔所能發(fā)揮的最大牽引力（即滑轉(zhuǎn)率δ=100%時(shí)的牽引力），應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)的相應(yīng)牽引力。
2.Ⅰ檔的最大牽引力功率點(diǎn)，應(yīng)在輪胎打滑界限值附近或在該界限值以下，因?yàn)槿绻畲鬆恳β庶c(diǎn)打滑界限以上，在實(shí)際工作中就得不到應(yīng)用，也就是無(wú)現(xiàn)實(shí)意義。
3.各個(gè)檔的最大牽引力點(diǎn)，應(yīng)處在其較低檔特性曲線(xiàn)的下方，并保證各檔特性曲線(xiàn)的使用區(qū)域相互銜接，否則發(fā)動(dòng)機(jī)容易熄火，車(chē)輛行駛性能變壞。
4.利用牽引特性曲線(xiàn)，還可以方便地找出作業(yè)機(jī)械任何一個(gè)牽引力工作時(shí)的牽引效率ηkp。
鏟土運(yùn)輸機(jī)械在運(yùn)輸工況時(shí)，一般不計(jì)滑轉(zhuǎn)損失，而令v=vT。根據(jù)柴油機(jī)調(diào)速性能或柴油機(jī)—液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性以及公式
Pk=Mtiηm/rk
式中： Pk —切線(xiàn)牽引力，v=0.337rknT/I,
V —實(shí)際行駛速度
即可作出各檔的曲線(xiàn)。
作牽引特性曲線(xiàn)
由上面的公式，將計(jì)算結(jié)果列表，（見(jiàn)表3-5）：
式中: ηm— 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率，取ηm=0.91，參考[Ⅳ]P143
I — 各檔的傳動(dòng)比
rk — 驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑，rk=0.57
由上面的公式，將結(jié)果列表3-5： 即可作出各檔的Pk=f(v)曲線(xiàn)。
作圖步驟如下：
（1）從圖二上找出渦輪的某一轉(zhuǎn)速n及對(duì)應(yīng)的MT1，NT1
（2）利用公式Pk=Mtηm/rk=76.5×0.91/0.569Mt
v=0.337rknT/iⅠ=0.377×0.57/76.5nT
Nk=PkV/(270×0.7)
計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Pk，V，Nk。
（3）將（Pk，V），（Nk，V）所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)描于坐標(biāo)系中
（4）同理取轉(zhuǎn)速nti及對(duì)應(yīng)的Mti,Nti,重復(fù)上述一系列的點(diǎn)。
（5）將各點(diǎn)光滑連接，得Ⅰ檔運(yùn)輸工況牽引特性曲線(xiàn)。
（6）按同樣的方法可作出Ⅱ，Ⅲ檔的牽引特性曲線(xiàn)。
表3-5運(yùn)輸工況的牽引特性曲線(xiàn)數(shù)據(jù)
n
Ⅰ檔
Ⅱ檔
Ⅲ檔
V
Pk
V
Pk
V
Pk
0
38.6
0
3457
0
1729
0
864
884
23.6
3.35
2114
6.69
1057
13.39
528.5
1075
20.6
4.07
1845
8.14
923
16.29
461
1547
14.9
5.86
1335
11.7
667
23.4
334
1806
10.6
6.84
949
13.68
475
27.36
237
2043
6.3
7.74
564
15.4
282
30.9
141
2340
2
8.86
179
17.73
89.6
35.5
45
3.4 求出各檔最高車(chē)速并分析牽引特性
3.4.1求各檔的最高車(chē)速
1.作水平阻力線(xiàn)
裝載機(jī)在水平路面上等速行駛時(shí)，無(wú)作業(yè)阻力，而只考慮滾動(dòng)阻力和風(fēng)阻力，即Pk=∑P=Pf+PW=Gf+kFv/3.62
式中：G--整機(jī)重量，G=4500Kg
f---滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.02
K---流線(xiàn)型系數(shù)，本機(jī)取K=0.00065
F---機(jī)械迎風(fēng)面積，F(xiàn)=3.74m2
則Pk=4.50×0.04+（0.00065×3.74×v/3.62×9.8）×103
在牽引特性曲線(xiàn)上作出∑P=f(v)曲線(xiàn)的交點(diǎn)a,b,c,與這些相應(yīng)點(diǎn)的v值即為該機(jī)械在各檔行駛的最高理論速度，將Pk=f(v)曲線(xiàn)計(jì)算值列表如下：
V
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
0.48
1.9
4.3
7.6
11.9
17.2
23.5
30.6
180
180
180.5
181
184
188
192
197
203
210
由圖三得三個(gè)檔位的最高速度分別為：
VⅠ=8.8km/h VⅡ=16.4km/h VⅢ=28.6km/h
2.分析該車(chē)牽引特性曲線(xiàn)
1）Ⅰ檔為工作檔，工作時(shí)牽引力需要克服滾動(dòng)阻力和插入阻力，由圖3-4知Pkmax=3611,而Pf+PT=180+31800/10=3360,牽引力能滿(mǎn)足工作要求。
2）Ⅱ檔為運(yùn)輸工檔，運(yùn)輸時(shí)最大阻力
∑P=180+0.0194×15.12=186.2kg
由圖3-4得此時(shí)的PK=1750kg，滿(mǎn)足工作要求，且變矩器在高效區(qū)范圍內(nèi)工作，經(jīng)濟(jì)性較好。
3）Ⅲ 檔主要用于轉(zhuǎn)移運(yùn)輸，路面條件較好，速度高些，節(jié)省時(shí)間，可提高生產(chǎn)率。
3.4.2爬坡能力分析
主要檢查作業(yè)機(jī)械上坡時(shí)，能否爬過(guò)限定的最大坡度。
由牽引平衡方程：Pk- PW w=Gfcosα+ Gsinα
由圖3-4得：（Pk- PW）max=3300kg
兩式聯(lián)立，得α=44°
滿(mǎn)足不小于20°的要求，實(shí)際上，爬坡能力還受整機(jī)穩(wěn)定性的限制。
iI=50.4
F=3.74m2
NT=11.63
Kw
iM=13.1
M,=2.796
M=3
q1=2
iⅡ=25.2
iⅢ=12.6
VⅠ=
8.8km/h
VⅡ=
16.4km/h
VⅢ=
28.6km/h
α=44°
39