动力差速式转向机构设计毕业设计(编辑修改稿)

动力差速式转向机构设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

而分为独立式转向机构和差速式转向机构。 目前国内主要采用单功率转向机构，而国外多采用双功率转向机构。 单功率流转向机构 单功率流转向机构一般构造方法是在变速机构后串联某种转向机构，是构成履带车辆转向传动的最为简单的方法。 单功率流转向机构是最简单的转向机构，其中最常用的有转向离合器、单差速器、双差速器转向机构等。 转向离合器都是多片式摩擦离合器，靠摩擦表面的摩擦力传递力传递转矩，当分离某一侧的转向离合器时，就可以减少或切断该侧驱动轮所传递的转矩使车辆转 向。 转向半径的大小由驱动轮所传递转矩的减少量即离合器分离的程度所决定。 转向离合器由于结构简单、制造方便，在早期的中小型履带式拖拉机、推土机上得到了广泛运用。 但由于其操纵性差、生产效率低、能耗较大 ,随着履带车辆功率的不断增大，转向离合器的应用将会受到一定的限制。 当要小半径转向时，还需借助制动器单边制动，如图 所示。 图 11 转向离合器转向机构 单差速器转向机构可使车辆几何中心位置的速度在转向过程中仍保持原直线行驶速度，但当一侧完全制动时，转向半径过小，而另一侧履带速度过高、转向角速度过大，因此所需 转向功率很大，会超出一般发动机的功率限制，驾驶员若持续转向，稍有不慎就会使发动机熄火，因而只能靠滑磨，用较大的半径转向，或极不稳定地以小半径继续转向。 因此这种差速器转向机构现在几乎不再使用。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 3 双差速器转向机构可使履带车辆在转向时慢速侧履带降低的速度等于快速侧履带增加的速度，因此车辆转向时的平均速度与直线行驶的速度相同。 但由于双差速器不能完全制动一侧履带，车辆不能原地转向，且转向半径的变化范围没有使用转向离合器的大，转向平顺性较差，转向时快速侧履带加速，因此发动机的附加载荷比采用转向离合器的大。 双差速器是由齿 轮组成的转向机构，与转向离合器相比零件数目少、耐磨性好、寿命较长。 行星转向机构由一组行星轮系和制动器组成。 操作行星机构上的制动器可以改变两侧驱动轮驱动力矩大小使车辆转向。 该类转向机构相对于转向离合器转向机构能传递较大的转向力矩，能够实现单自由度运动的固定轴齿轮机构所不能实现的二自由度的速度分解与合成，行星机构的行星架、太阳轮、齿圈三元件之间具有差速关系；转向机构多点传递动力，并且机构内部径向力相互平衡。 但由于其结构复杂，仅在大功率的工业拖拉机、推土机及其它重型车辆上应用。 单功率转向的缺点是明显，车辆仅有 几个固定的转向半径，按非规定的转向半径转向时，要靠摩擦元件的滑磨来实现，难以得到稳定准确的转向半径；其次是在转向过程中摩擦元件的剧烈滑磨会带来发热和磨损，使传动效率降低，特别是在较大功率的转向工作状态下，会存在较大的功率损失，以致常需降速转向；另外，剧烈的摩擦也使机构容易损坏，导致工作可靠性差，寿命降低。 双功率流转向机构 在发动机启动后，将发动机功率分成变速和转向两路并列传递，就是双功率流转向机构。 双功率流转向机构将用于直驶推进的变速机构与造成左、右侧履带速度差的转向机构在传动系中并列，转向机 构在车辆直驶时不造成两侧履带的速度差，在转向时，变速流提供各档不同的直线行驶造成的两侧履带的速度差汇流，实现车辆的转向。 机械式双功率流转向机构 在单功率流转向机构的基础上最早出现的是直驶和转向两功率流均由机械装置来实现机械式双功率流转向机构。 此种转向机构主要由两个变速箱（一个主变速箱、一个分动箱）、行星齿轮机构、离合器和行星机构制动器组成，在转向性能上较单功率流转向机构有很大提高，但是它的转向半径仍然是有极限的。 挡位越低，得到的转向半径越小；挡位越高，得到的转向半径越大。 仍然不能适应车辆在所有不同曲率 的道路上用圆滑轨迹转向行驶的需要，也不能排除部分按合摩擦元件进行滑摩擦转向及由滑摩擦所带来的一系列问题。 机械液压式双功率流转向机构 机械式转向机构的转向性能容易受到驾驶员的驾驶技术、体力条件和离合器、制哈尔滨远东理工学院学士学位论文 4 动器磨损的影响，并且容易给驾驶员带来疲劳。 随着机电液压及人机工程技术的发展，机械式转向机构必将会在大功率拖拉机、推土机等工程车辆上遭到淘汰。 在机械系统上附加液压泵 液压马达驱动的机械 液压转向系统将逐渐得到应用。 机械液压式双功率流转向机构 ，有发动机、变量泵、控制泵、定量马达、多档变速箱以及后桥转向差 动机构组成。 它将由发动机穿来的机械功率流在多档变速箱的输入轴上分流，一路流经由液压泵 液压马达组成的转向调速系统；另一路流经多档变速箱，最后在行星排上合流，然后经行星排中的某一部件（如行星架）传到车辆的终传动轴上。 由于液压泵和液压马达可以无级控制，因此使用这类转向机构既可获得车辆两侧的速度差来实现无级控制，有克服了机械式转向机构的很多缺点。 若液压马达不工作，只有来自中央传动的功率流，车辆作直线行驶；若只有来自液压马达的功率流，车辆可实现转向半径为零的原地转向；若同时输入两路功率流，由于液压马达可实现无级控制 ，因此车辆两侧履带驱动轮转速差可以有无穷尽多个，可得到无穷多个转向半径，既可实现无级转向，驾驶员只要操纵转向盘转动液压装置，就可使车辆稳定地沿一定的圆弧行使。 这种转向机构不但具有结构性好、没有摩擦元件、寿命长、效率高、工作可靠、布置简便、维修和调整方便及降低能耗等特点外，而且在工作性能上它不是通过部分或全部切断一侧履带的动力来制动一侧驱动轮来实现转向的，而是两侧履带始终传递动力，这样可很好地实现动力转向，基本上消除了履带的打滑现象，适用与进行偏载推土和切除树根作业；在坡地转向时不会出现逆转向现象，提高了车 辆的安全性；由于转向时不切断动力，因此车辆的平均车速不降低；履带不停驶，对土壤破坏少，在松软土壤上的通过性能好；转向半径的大小可任意控制，提高了履带车辆的机动性，转向平稳；转向时车辆能发挥与直线行驶同样高的作业性能；容易实现一根操纵杆来控制进退和转向。 履带车辆的转向机构发展趋势 纯液压无级转向机构 要实现履带车辆转向半径可控且连续无级变化的转向性能，采用容积式液压泵和液压马达等无级变速元件是较现实可行的方法。 纯液压转向机构通过泵的正反两向无级变量调节，实现发动机动力经双功率流传动转向路 到汇流行星排间的无级变化的传动比，最终实现车辆向左右两侧的转向半径可连续无级变化。 直驶时，通过液压泵和液压马达的闭锁 (变量泵的排量为零 )来实现转向零轴的闭锁，从而保持稳定的直驶。 在变速机构挂空档转向的情况下，发动机所发出的功率全部由转向路的液压元件传递，可实现车辆原地转向。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 5 目前的液压工业水平还难以得到功率足够大且性能优良的液压元件，并且液压系统的效率低，这是纯液压无级转向技术发展的最大障碍。 复合转向机构 为克服纯液压转向机构的上述缺陷，目前出现了多种采用功率较小的液压元件的液压复合转向 方案。 双泵双马达方案 此方案是解决液压元件功率不足最直接、最简单的方案，其性能与纯液压转向相同，但两套液压元件并联使该机构体积重量较大，效率仍较低。 机械液压复合方案 该方案在采用双流液压转向的同时，保留一套机械转向机构。 利用功率不大的液压元件实现大半径转向的连续无级变化；利用机械转向机构实现有级的小半径转向。 这种转向机构不能实现整个半径范围的无级变化。 双半径液压转向方案 该方案采用有两种输出速比的液压马达，在较好路面上转向时采用较高的输出转速，当地面情况不好时则换用低速输出以克服较大的 转向阻力。 液压液力复合转向方案 该方案是以有限功率的液压元件进行无级转向，助力偶合器在转向液压马达力矩不足时及时提供助力矩。 该方案虽减少了液压元件但效率会更低。 总之，采用液压元件的无级变速特性来实现履带车辆的无级转向是较佳的选择，解决液压元件功率不足和效率低则是该方向研究的重点。 机械液压连续无级转向机构 机械液压连续无级转向机构是在简单液压机械分流传动原理的基础上，采用不同的机械机构参数组合，并与液压元件配合的一种最新型的转向机构。 它能保证在连续无级输出转速的前提下应用较小的液压元件 大幅度提高车辆的输出总功率，并且其传动效率远远超过纯液压转向机构的传动效率。 它代表着履带车辆转向机构的发展方向。 研究开发性能优良的机械 液压连续无级转向机构、优化匹配该类转向机构的结构参数是目前车辆工程领域的重点课题。 下面我们介绍的就是上述的一种机械液压式双功率流转向机构，如图 所示。 它是由美国卡特公司开发的一种新型差速式转向机构。 图中 A 为变速器伞齿轮轴 （ 输入动力 ） ,B 为转向马达。 此种转向机构由三个行星排（ Ⅰ ， Ⅱ ， Ⅲ ）与变速箱动力输出连接的锥齿轮副及转向液压马达动力输出轴连接的圆锥齿轮副组成，其中与变 速箱动力输出轴连接的大锥齿轮与行星排 Ⅱ 的行星架连接为一体，而与转向液压马达动力哈尔滨远东理工学院学士学位论文 6 输出端连接的大锥齿轮与行星排 Ⅰ 的齿轮的齿圈连接为一体，行星排 B 齿圈与行星排Ⅰ 的行星架及左端输出连接为一体顺向转向；行星排 Ⅲ 的行星架与右端输出轴连接为一体逆向转动，行星排 Ⅲ 的齿圈固定在转动机构的壳体上，且三个行星排的太阳轮安装在共用轴上。 行星排Ⅰ 行星排Ⅱ 行星排Ⅲ 图 12 动力差速式转向机构 卡特公司 D8N 推土机的动力 差速式转向机构克服了离合器式转向机构的上述缺点 , 使推土机的转向灵活性 、 可 控性得到明显改善 , 大大提高了转向效率和行走机构的使用寿命。 动力差速式转向机构的主要构成 本设计采用国外的行星转向机构，它是由美国卡特公司开发的一种新型差速式转向机构。 此种转向机构由三个行星排与变速箱动力输出连接的锥齿轮副及转向液压马达动力输出轴连接的圆锥齿轮副组成，其中与变速箱动力输出轴连接的大锥齿轮与行星排 Ⅱ 的行星架连接为一体，而与转向液压马达动力输出端连接的大锥齿轮与行星排Ⅰ 的齿轮的齿圈连接为一体，行星排 B 齿圈与行星排 Ⅰ 的行星架及左端输出连接为一体顺向转向；行星排 Ⅲ 的行星架与右端输出轴连接为 一体逆向转动，行星排 Ⅲ 的齿圈固定在转动机构的壳体上，且三个行星排的太阳轮安装在共用轴上。 若液压马达不工作，只有来自变速箱的功率流，车辆作直线行驶；若只有来自液压马达的功率流，车辆可实现转向半径为零的原地转向；若同时输入两路功率流，由于液压马达可实现无级控制，因此车辆两侧履带驱动论转速差可以有无穷多个，可得到无穷多个转向半径，既可实现无级转向，驾驶员只要操纵转向盘转动液压装置，就可使车辆稳定地沿一定的圆弧行使。 设计动力差速式转向机构时应当保证：（ 1）当马达速度等于零时，左右输出的速哈尔滨远东理工学院学士学位论文 7 度相等，以保证履带式推土机 具有良好的直线行驶性能。 （ 2）当变速箱的速度等于零时，转向液压马达使左右输出的速度相等但方向相反，此时履带式推土机围绕其中心实现原地转向，即 2/BR。 （ 3）由于液压马达可以无级变速和双向旋转，实现了左右输出速度差的无级精确控制，使履带式推土机的转向半径可无级调整，且转向平稳，改善了转向性能，实现了无功率损失。 由于我国的液压水平有限，液压元件质量还比较差，光纯液压驱动转向机械开发利用还特别少。 该机构利用多自由度的行星差速器把发动机输出的功率分为液压的和机械的两股 ―功率流 ‖，利用液压功率流的可控性，使这两股功率流在重新汇合时可无级调节总的输出转速。 在这种系统中，人们力图把纯机械传动的高效率和液压传动的无级调速能力结合起来发挥各自的优点。 即提高了液压传动装置效率，又优化了机械的转向性能。 本文主要工作 本文首先对动力差速式转向机构的工作原理进行分析，了解该转向机构的工作过程。 其次对动力差速式转向机构的动力学分析，主要包括对转速、转矩、功率的理论分析，充分了解了差速式转向机构运动学的性能，使得对该机构的设计有了一定的运动学基础。 最后通过履带理论转向阻力矩分析及锥齿轮、行 星排、轴等具体零件的设计计算及校核，最终完成对整个机构的设计。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 8 第 2 章 动力差速式转向机构运动学分析 美国卡特彼勒公司近年来推出的大中型液压推土机，采用了许多新的设计制造技术，其中差速转向技术就是改进之一。 该机构有较大的优越性，在履带式机械特别是大型机械上将日益受到重视。 本文以卡特彼勒 D8N 型履带推土机为例，对差速转向机构的组成 ,原理和运动学分析做一介绍。 差速式转向机构的组成与工作原理 D8N 型履带式推土机的差速式转向机构由 3 个行星排、变速箱输入的锥齿轮副 转向液压马达输入的锥齿轮副 17 以 及左、右端输出轴 14(与终端传动连接驱动履带转动 )等组成，如图 所示。 16行星排Ⅲ行星排Ⅱ8行星架7行星齿轮A变速箱输入1左端输出轴3行星齿轮18太阳轮太阳轮154齿圈17锥齿轮副B转向液压马达输入行星排Ⅰ5大锥齿轮10轴 11齿圈12行星齿轮 13行星架14右端输出轴9锥齿轮副6齿圈2行星架 图 21 差速式转向机构示意图 差速式转向机构有两路功率输入，一路来自变速箱 (包括速度和方向 )，另一路来自转向液压马达 (含左转和右转 )。 差速式转向机构用液压马达的功率输入来增加一侧履带的速度，同时减小另一侧履带的速度，结果导致两侧履带产生速度差，使推土机转向。 液压马达的旋转方向决定了推土机转向的方向，液压马达的旋转速度决定了推土机转向的急或缓。 通过差速式转向机构传 递的功率可以分成 3 种工作情况，从变速箱来的行驶功率传递、来自转向液压马达的转向功率传递及前两种功率传递的复合。 具体传动情况如下： 当变速箱输入动力，而转向液压马达无输入动力时，动力经锥齿轮副 9 行星哈尔滨远东理工学院学士学位论文 9 架 8 行星轮 7 分两个方向：其一，动力经齿圈 6(低速大转矩 ) 行星架 2 左端输出轴 1；另一路经太阳轮 16(高速小转矩 ) 轴 10 太阳轮 15 行星轮 12 行星架13(低速大转矩 )  右端输出轴 14。 左、右两端输出轴的动力和转速相等、旋转方向也相同，机械直线行驶。 当两侧驱动轮的负荷不相同时，动力经行星轮 7 仍进入两个方向 (齿圈 6 和太阳轮16)，通过行星排 I 将转矩从一侧转换至另一侧，左、右端输出轴转矩不相等，但旋转方向与转速 保持相等。 当转向液压马达输入动力，而变速箱在空挡时，动力由转向液压马达  齿轮副 17(增加转矩 ) 齿圈 4 行星轮 3 分为两路：一路由行星架 2(低速大转矩 )至左端输出轴；另一路经太阳轮 18(高速小转矩，其旋转方向与齿圈相反 ) 轴 10 太阳轮 15行星轮 12 行星架 13(低速大转矩 ) 右端输出轴 14。 此时左、右端输出轴转矩和转速相等，但旋转方向相反，机械绕其自身中心回转 (原地转向 )。 如果两侧地面阻力不同，则两侧驱动轮的负荷不同，通过行星排 I 可将动力转矩从一侧转换至需要动力较多的另一侧。 由于两端输出轴动力的差异，机械将不严格绕其自身中心回转。 动力由变速箱和转向液压马达同时输入时，则动力传递情况是上述两种情况的综合。 视变速箱和转向液压马达两者功率输入的大小 确定推土机转弯半径的大小和转向速度的快慢。 差速式转向机构的运动学分析 转速分析 设 n18, n4, n2为 Ⅰ 行星排太阳轮、齿圈和行星架的转速； n16, n6, n8为 Ⅱ 行星排太阳轮、齿圈和行星架的转速； n15, n11, n13为 Ⅲ 行星排太阳轮、齿圈和行星架的转速； a 1, a 2, a 3为 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 行星排参数，其值等于齿圈齿数和太阳 轮齿数之比； nA 为由变速箱输入的大锥齿轮转速； nB为由转向液压马达输入的大锥齿轮转速； n1为左端输出轴转速； n14 为右端输出轴转速。 根据行星传动的运动特性方程，建立运动特性方程组如下   01 214118  nanan （ ）   01 826216  nanan （ ）   01 13311315  nanan （ ） 式中： 1 8 1 6 1 5 8 4 1 2 6, , ,ABn n n n n n n n n n     ， 1314 nn  哈尔滨远东理工学院学士学位论文 10 解此联立方程组并整理得  21121 11 aa nanan BA 。