橡胶履带牵引车辆高速行走机构设计.docx
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橡胶履带牵引车辆高速行走机构设计
橡胶履带牵引车辆高速行走机构设计
前言
拖拉机是用于牵引和驱动各种配套机具，完成农业田间作业、各种土石方工程作业、运输作业和固定作业等的动力机械
经过100多年的演变，拖拉机已成为一种世界的动力机械，并已由原始的牲畜动力替代者发展成为现代的多种用途机械装备：
许多新结构、新科技的采用，大大扩展了现代拖拉机得到功用和效率。
拖拉机产品的发展历程已经表明，它在国民经济发展中有着重要的作用。
并已在农业、林业、工程建设、交通运输中广泛使用。
用拖拉机及其配套机具装备农业是进行农业技术改造的重要手段，也是实现农业现代化的重要保证。
拖拉机作为自走式动力机械，可以带动各种农机具完成田间耕作和固定作业，也可以带挂车完成道路与田间运输作业。
它已经成为广大农村发展农业生产、农村商品流通和提高劳动生产率必不可少的生产工具。
以工程作业为主的履带式拖拉机，可配带推土铲、松土器、铲运机、平地机等作业机具完成国民经济各种建设项目中的土石方施工作业，它们也有农业变型产品，在恶劣、繁重的田间作业条件下更能发挥其独特的作用。
以农业用为主的履带拖拉机，除可完成各种农田作业外，亦可发展工程用变型，如带推土铲、铲运机等作业机具，完成以土方作业为主的工程作业，在农田水利建设和土方为主的工程建设中发挥重要作用。
轮式和手扶拖拉机的工程变型也在发展中，并在农业工程、水利施工、机场港口作业、道路建设等方面发挥作用。
总之，世界各国都把拖拉机作为农业机械化和工程建设的重要装备，拖拉机的年产量和拥有量早已成为一个国家农业机械化水平和工程建设水平的重要标志之一。
本次设计有十名同学参与，由张文春老师和曹青梅老师指导，并参阅了大量的文献，资料。
在此一并谢过。
鉴于本人水平有限，书中难免有疏漏谬误之处，望读者批评，指正。
目录
中文摘要.......................................................................3
英文摘要......................................................................4
第一章橡胶履带行走系的总体设计
§1.1橡胶履带行走系类型的选择5
§1.2平衡台车行走系的总体设计6
第二章橡胶履带
§2.1橡胶履带的设计计算8
第三章驱动轮
§3.1驱动轮的选择10
§3.2驱动轮的设计计算11
第四章支重轮
§4.1支重轮的选择12
§4.2支重轮的设计计算13
第五章托轮
§5.1托轮的选择14
第六章张紧轮和缓冲装置
§6.1张紧轮和缓冲装置的选择15
§6.2张紧轮和缓冲装置的设计计算16
第7章结论…………………………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………………………18
附录………………………………………………………………………19
致 谢………………………………………………………………………20
外文资料翻译……………………………………………………………………………21
摘要
拖拉机行业发展至今，新产品层出不穷，然而要想设计一类成功的机型也不是运用新技术越多越好，而要考虑自身的生产能力，同类机型的参数，市场的饱和程度等等多方面的因素。
而如何在众多的技术中合理的选择搭配，形成一款符合市场需求的机型不是十分容易的事情。
经过我们小组的调查，讨论最终认为设计履带拖拉机最为合适。
而我有幸成为本次设计任务的关键部位—履带拖拉机的行走机构。
我的首要任务是确定行走机构的各个组成部分的主要参数（包括集合参数和性能参数等）其次，要协调各零部件的外行尺寸，运动空间及相关的联系尺寸，参数等，确保在满足各项性能的前提下达到优化配置。
因此，我本次设计过程中所确定的基本的设计方法就是协调配合
履带拖拉机行走机构（即履带拖拉机行走系）由履带行走装置和悬架组成。
履带行走装置包括履带、驱动轮、支重轮、托轮、张紧轮和张紧装置组成。
悬架包括连接拖拉机机架和支重轮的全部构件。
履带行走装置的设计要求主要是保证拖拉机附着性能，降低接地压力，减小滚动阻力，提高零件寿命。
悬架设计要求主要是保证拖拉机的行驶平顺性和稳定性。
关键词：
拖拉机，行走机构，设计，橡胶履带。
Therubbercrawlingtractionvehicleshighspeedwalktheorganizationdesign
Abstract
Thetractorprofessiondevelopmentuntilnow,thenewproductemergesoneafteranotherincessantly,howevermustwanttodesignakindofsuccessfultypeutilizesthenewtechnologymorethebetter,butmustconsiderownproductivity,similartypeparameter,marketsaturateddegreeandsoonvariousfactor.Howbutthereasonablechoicematchesinthemultitudinoustechnology,formssectiontoconformtothemarketdemandtypeisnottheextremelyeasymatter.
Afterourgroup'sinvestigation,thediscussionfinallythoughtthedesigncaterpillartractorismostappropriate.ButIbecomethisdesigndutytheessentialspot—caterpillartractortowalkfortunatelytheorganization.Mymostimportanttaskisthedeterminationwalkstheorganizationeachconstituentmainparameter（includinglumpedparametersandperformanceparameterandsoon）next,mustcoordinatevarioussparepartstheunprofessionalsize,themovementspaceandthecorrelationrelationsize,theparameterandsoon,guaranteesissatisfyingeachperformancethepremisetoissuetotheoptimizeddisposition.Therefore,inmythisdesignprocessdeterminedthebasicdesignmethodisthesychromesh.
Thecaterpillartractorwalkstheorganization（namelycaterpillartractortowalkis）walkstheinstallmentbythecaterpillarbandandthesuspensionforkiscomposed.Thecaterpillarbandwalkstheinstallmentincludingthecaterpillarband,thedrivinggear,aheavywheel,holdsthewheel,thestretchingpulleyandthestretchingdevicegroup:
Suspensionforkincludingconnectiontractorrackandheavywheelcompletecomponent.
Thecaterpillarbandwalkstheinstallmentdesignrequestmainlyisguaranteedthetractoradherestostickcoheretheperformance,reducestheearthpressure,reducestherollingresistance,enhancesthecomponentslife.Thesuspensionforkdesignrequestmainlyisguaranteesthetractorthesmoothrunningandthestability.
Keyword:
Thetractor,Walkstheorganization,Thedesign，Rubbercaterpillarband.
第一章橡胶履带行走系的总体设计
§1.1橡胶履带行走系类型的选择
履带拖拉机行走系可按台车架的不同型式（即支重轮之间彼此之间不同的接地方式）分为二大类：
整体台车行走系和非整体台车
（1）整体台车行走系每侧的支重轮、托轮、张紧轮及缓冲装置都安装在一个整体台车架上。
每侧的各支重轮轮轴心线的相对位置固定不变，各支重轮之间的距离较小，因而在平坦松软地面上的接地压力比较均匀，附着性能较好，适用于牵引和推土作业。
整体台车架结构坚固，便于安装各种作业机具，是美国、日本和欧洲等国佛年工业用活农业用履带拖拉机行走系的主要型式。
中国，俄国等国家重要在工业履带拖拉机及从事开荒和粘重土壤作业的大型农业用履带拖拉机上采用。
这种行走系由于长度方向尺寸较短，重心较低，所以稳定性好，也可用于小型履带拖拉机。
但整体台车行走系质量较大，约占整个拖拉机质量的40%-50%，因此成本较高，同时行驶平顺性较差，限制了工作速度的提高。
即采用弹性悬架，其最高速度通常也不超过12Km/h。
整体台车行走系行驶性较差的原因，一方面是台车架上部件多，质量大，在悬架缓冲系统中属于非弹簧支承重量，恶化了系统的缓冲频率特性；另一方面是整体台车行走系每侧的支重轮相对位置相对固定，使履带对地方的包络效应加大了机体的振动。
（2）非整体台车（平衡台车或独立台车）行走系每侧的支重轮安装在两个或两个以上的平衡台车或独立台车上，特点是各支重轮的相对位置不固定。
托轮、张紧轮和张紧缓冲装置固定在机架上，它们处在悬架弹簧之上，从而减少了非弹簧支承部分的重量；同时各支重轮可以上、下相对移动，对地面的仿形作用较好，故行驶平顺性较好。
1）平衡台车行走系每侧有2~3个平衡台车，各台车又两个或两个以上支重轮彼此用平衡膀或平衡杠杆联接。
其支重轮直径一般较大，在硬地面滚动阻力小，同时平衡台车对不平地面的适应性较好，并且非弹簧支承重量小，适合提高作业速度。
加上重量小，适合提高作业速度。
加上重量轻，成本低，拆装方便，使中国、前苏联、朝鲜和东欧等国农业及林业履带拖拉机行走系的主要形式。
由于在泥雪中自洁性能较好这种行走系也用于加拿大、英国等国家生产的沼泽地、雪地和滩涂地区工作的拖拉机。
2）独立台车行走系每个支重轮独立通过弹性元件与机体相连，平顺性更好，但结构较复杂。
已应用于前苏联110kW的高速农业拖拉机和180kW以上的工业用拖拉机上。
3）混合式行走系从70年代开始，在前苏联、美国、日本等国生产的220~735kW大型工业用履带拖拉机上出现了混合式行走系。
其结构和整体台车行走系相似，但支重轮不是直接固定在台车架相连。
他兼用整体台车和非整体台车两类行走系的优点，但其结构复杂，在农业拖拉机上尚未采用。
根据整体台车行走系和非整体台车行走系的不同特点，满足农业作业对行走机构的要求。
整体台车行走系的结构对于不平稳的地面行驶不稳定，晃动较大。
速度较慢。
不满足设计要求的高速行走机构。
所以选择非正体台车行走系，而只有平衡台车行走系满足设计要求。
因为这种类型的拖拉机行走系重量轻，成本低，拆装维修方便。
适用于各种农业的需求。
而独立台车行走系和混合式行走系结构复杂，不适合农业作业生产。
故选择非正体台车行走系的平衡台车行走系这种行走系为这次设计的课题。
能满足设计要求和农业作业。
§1.2平衡台车行走系的总体设计
平衡台车行走系形势多样没，彼此的结构差异较大。
下面简述总体设计时的一些主要共同特点。
（1）悬架型式的选择平衡台车行走系得悬架分为刚性、半刚性和弹性三种，为发挥平衡台车缓冲性能好的优点，常用弹性悬架，这样拖拉机的工作速度可提高到10~12km/h以上。
中国、前苏联、东欧和朝鲜等国的农业、林业拖拉机多采用这种型式。
在工作速度不高，悬架承载较大时，可采用半刚性悬架。
与弹性悬架相比，拖拉机行驶速度降低40%左右。
刚性悬架仅用于行驶速度很低的少数起重机，挖掘机等工程机械上。
在英国和前苏联的个别工业用拖拉机上，也采用了刚性悬架，但同时在支重轮轮毂处安装了橡胶减振器，增强了缓冲效果，使其速度达到15km/h左右。
有的机械在左、右侧前台车之间用横置平衡元件（平衡梁或平衡扭杆）连接，即用三点支承（每侧两个台车）或五点支承（每侧三个台车）以进一步改善对不平地面的适应性。
根据三个不同悬架的特别，结合设计要求要使其高速行走，则刚性悬架不能满足要求，故排除此种悬架。
而半刚性悬架不适合用于农业作业，故这种悬架也不能满足设计要求。
所以综合以上三种不同的悬架类型，结合设计要求高速行走机构，满足农业作业对行走机构的设计要求。
故选择弹性悬架这种常用的悬架作为这次设计的主要悬架。
（2）驱动轮驱动轮可布置在拖拉机前部或后部。
拖拉机行驶速度在15~20km/h以下时，驱动轮后置，行走系功率损耗较小；速度高于此范围时，松边履带跳动较大，功率损耗增加，这是驱动轮前置较好。
这里驱动轮选择最常用的后置，可以较好的满足行走系的设计要求。
（3）履带这里根据设计题目给的是橡胶履带，这种新型的履带在很大程序上弥补了刚履带机械的缺陷，使其兼有轮，履机械的双重优点。
这种履带优点有
①噪音底整体橡胶履带代替了履带板履带销刚结构，且行走系统各轮与履带运动由刚件改为刚件对橡胶或者是橡胶件对橡胶件的运动，所以使橡胶履带车辆的噪音大大降低。
②震动小由于橡胶的吸震性能好，所以橡胶履带车辆比刚履带车辆普遍震动要小，从而可延长机器的寿命，减轻驾驶员的疲劳。
③油耗底刚履带转动时，履带销与孔产生摩擦消耗功，而橡胶履带没有该项损失。
④速度快行走机构相同的橡胶履带在设计时可以比刚履带速度提高15%左右。
⑤接地比压小一般为14~30KP，而轮式拖拉机的接地比压一般为110~140KP。
⑥牵引力大试验证明，装备橡胶履带车辆的牵引力是装备橡胶轮胎同类车辆牵引力的2倍。
⑦维护方便，维修费用底。
缺点：
1易脱轮由于橡胶履带的刚性远不如刚履带因此当张紧里不足时，或行走在凹凸不平的路面，或爬越台阶和斜面行走转向时，易产生脱轮现象。
一旦脱轮，会损坏橡胶履带。
2装配，维修性差。
3耐热，耐油性差。
4易打滑由于橡胶履带的履齿花纹，不如刚履带履齿入地切入性好，所以在一些有泥水的工况下，使用橡胶履带比使用刚履带易打滑。
5成本高。
（4）支重轮对于农业和沼泽地拖拉机，为保证接地压力均匀，希望支重轮直径DZ<2t，支重轮间距lz<2t（t为履带节距），但结构上难以达到，有的就采用支重轮交错排列来改善接地压力分布，对于运输型拖拉机，往往DZ≥2t，3t＜lz＜6t.
（5）履带前倾角α1=15°~25°,α2=15°~25°.此时履带的接地长度L=l+t=1622.
当拖拉机前,后方安装较重的作业机具时,为防止拖拉机前倾和后倾;或当拖拉机在潮湿松软的地面工作时,为增加接地面积,降低接地比压,有时将张紧轮或驱动轮接地.此时,L按延长到该轮中心下面计算.
第2章橡胶履带
履带的设计要求是附着力大，滚动阻力和转向阻力小，耐磨性好,寿命长，质量小。
目前，对一般用途履带的只要设计要求是提高寿命。
履带按材料可分为金属履带，橡胶履带和橡胶金属履带。
本章节主要介绍橡胶履带。
§2.1橡胶履带的设计计算
橡胶履带是用橡胶摸压成的整条连续履带，其心部用尼龙帘布和多条钢丝绳加强，外侧有橡胶履刺，内侧有驱动齿或导向筋是刚制件，且镶嵌硫化在橡胶带里。
橡胶履带可在道路上行驶，且噪音小，速度可提高15%，同时对土壤的接地压力均匀。
现在已经广泛用语常规拖拉机。
橡胶履带整体设计首先要确定选用型式，是采用摩擦式还是选用芯铁式。
结合设计要求。
选择芯铁式作为这次设计的方案。
因为这种方式的橡胶履带比摩擦式橡胶履带不易打滑，机身较小，价格也较便宜。
制品宽度A一般为：
100mm≤A≤700mm
芯铁个数B为便于分段模具制造硫化，常选用偶数。
齿距C一般为60mm≤C≤170mm，间距过小，不易制造，间距过大，橡胶履带行走中拍打振动大.
根据履带节距标准选择t=170mm
根据安装的机器的用途，重量，使用条件及行走系统的不同可选择种类繁多的芯铁，但常用的是P，R，W结构，具体尺寸如下：
芯铁类型abcdαβ主要应用
P2348782919°22°用于重量小于2T的
建筑机械和农业机械R4464642915°14°用于重量大于1T的
农业机械
用于重量大于2T的建
W40608132~3711°13°筑机械和农业机
a:
芯铁长，由橡胶履带带宽A决定，ab:
芯铁宽，由橡胶履带节距B决定，bc:
芯铁高，由橡胶履带导向齿高d决定。
d:
芯铁导向齿高，一要确保不脱轮，又不能与转轮干涉。
根据设计要求使用重量=7000公斤故选择W式芯铁。
芯铁制成后，要经过严格的样板模具检验，凡放不进检验模具的芯铁不得使用。
芯铁主要技术要求是：
硬度：
HRC28~40（中部要比驱动轮硬度略高）；
热处理：
淬火，回火；
材料：
45#~55#钢。
第三章驱动轮
驱动轮的设计要求主要是减小轮齿的磨损，保证在履带节距允许伸长范围内啮合平稳。
§3.1驱动轮的选择
驱动轮形式不同分为轮齿式驱动和轮孔式驱动两种。
轮齿式驱动即带齿，形同常规链传动的驱动轮，而相应橡胶履带在每块芯铁之间对应有孔。
以拔动橡胶履带之用。
此种结构驱动效果较好，能传递较大扭矩，发挥较大牵引力，不易脱轮，掉链，不易打滑。
但由于有齿有孔，易堵塞缠绕杂物。
轮孔式驱动即驱动轮是个带孔的滚筒，无齿。
而橡胶履带内侧相应有齿，驱动时靠滚筒上的孔去拨动橡胶履带上的齿，实现传动。
此种橡胶履带是一天无孔带，因此，对地面比压更均匀，不易堵塞和缠绕杂物。
但一旦驱动轮滚筒外圆周与橡胶履带之间粘有泥土时，易脱轮打滑，掉链。
所以此种结构一般用于牵引力较小的机械上。
根据设计要求主要是在农业作业，路况复杂，容易接触杂物。
所以选择轮孔式驱动轮相对较好。
①驱动轮齿数一般建议按下表选择。
从耐磨角度考虑，希望选择齿数较多的驱动轮。
根据设计要求初步选择齿数为12。
②材质：
一般采用45#，45Mn，50Mn刚材料铸造，常用ZG45-55热处理硬度HRC40~50，齿面硬度要略低于橡胶履带的硬度，以使驱动轮磨损大于芯铁磨损，容易更换驱动轮。
有些小型拖拉机的驱动轮也用球墨铸铁的。
这里取用ZG45这种材料。
③布置：
可采用前置式，后置式和高置式三种，一般与传动系统布置有关。
绝大多数为后置，张紧轮在前，这样可使紧边履带距离短，减少履带芯铁处的磨损，提高行走系统效率，以便于驾驶员照看后面农具。
而收割机驱动轮在前，驾驶员也在前，便于观察前方作业，当速度高于20KM/H时。
这里就是采用驱动轮后置这种。
④齿形：
驱动轮齿形有凹齿，直线齿和凸齿三种。
前两种应用较多。
齿形设计的基本要求是保证履带能顺利进入和退出咬合不发生干涉，且尽量降低接触应力，保证在履带节距允许变长的范围内，均能啮合平稳。
凹齿齿形，它与链传动三圆弧一直线的链轮齿形相似，凹齿齿形减小了接触应力，齿顶曲线便于履带的退出啮合，当齿顶较尖，强度较差。
直线性齿形，齿性简单，易加工，易焊补修理，齿顶较厚。
凸形齿轮，齿面为凸圆弧，齿较厚，耐磨损，寿命较长。
综合三种不同的齿形以及设计要求，选择直线齿形比较满足农业作业的要求。
§3.2驱动轮的设计计算
根据上面选择的直线齿形，齿数为12。
进行初步的设计计算。
直线齿的齿形是根据拉力按几何级数分布及履带在齿面上不滑移的假设条件下推导得出的。
驱动轮节圆半径Dq（mm）为：
已经知道t=170mm,z=12。
故可算出Dq=693.2mm,圆整取Dq=693mm.
齿形:
在
和齿顶处分别是半径为r，和r1和r2的圆弧。
r1和r2圆弧间为一直线。
r=0.5dt+.02mmr1=1.3dt+0.2mm
=55
=
侧隙中心角为
：
=
对加工铰链
＝0.02～0.03；对非加工铰链，
＝0.06～0.09。
齿行沿a-a对称，两边齿面
2射线之间的齿谷用r3圆弧相连。
通常r3＝（1.1～1.3）r。
设计时r和r3圆弧组成的这段齿形常用同一半的圆弧来近似代替。
齿谷角
齿顶圆De=（0.33~0.34）tZ。
故De=734.6~762.3mm。
这里取De=750mm.齿根圆Di=654mm
第四章支重轮
支重轮的设计要求主要时提高个磨损零件的寿命，防止履带横向滑脱，保证密封可靠和润滑良好。
§4.1支重轮的选择
支重轮直径一般在140mm以上。
这里根据履带的节距t=170mm,取支重轮直径为350mm.
支重轮轮缘宽窄一方面影响支重轮在跑道上的接触应力（面压）同时也影响脱轮性，轮缘越宽越不容易脱轮，所以橡胶履带支重轮一般较钢履带用支重轮轮缘都宽，既可有效防止脱轮，又可减缓支重轮磨损。
支重轮的材料一般为铸钢件（ZG45）,轮缘表面淬火HRC53~60，淬层深>4mm.目前也有用耐磨尼龙作整体支重轮，也有在钢轮缘上镶套橡胶或者尼龙轮缘，即可减少噪音和磨损，又可缓冲冲击，有利于提高车速。
面压设计控制在11kg/
值左右。
§4.2支重轮的设计计算
转轮的配置（安装支重轮的距离）不易过大，否则易脱轮，前后以200mm左右较合适。
a=n/2
tt……………………….履带节距
b=（m+0.5）
tn,m为整数（因为R/T接地长度根据机器性能需要是固定尺寸，所以n,m根据R/T接地长度选取整数后a,b再作微调）
t=170mm又因为2a+2b=1622
所以综合上面的可得出a=225.6mmb=585.4mm
圆整后a=226mmb=585mm.
支重轮轴的校核一般只用校核在垂直载荷Yz作用下的弯曲强度。
对于平衡台车，其计算工况是拖拉机越过水平衡量且载荷集中在每侧一个支重轮上，此时：
Yz=
=35000N
对于不转动的简支梁式支重轮轴，其弯曲应力
为：
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