20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计.docx
- 文档编号:9658545
- 上传时间:2023-02-05
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:258.29KB
20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计.docx
《20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计
20马力轮式拖拉机的半轴与制动器设计
摘要
随着我国农业经济的发展,国内市场对拖拉机的需求不断增长,结合我国实情出发,特别是对中小型马力拖拉机的需求量更大。
本次设计是在吸收成熟产品优点的基础上优化设计处出半轴与制动器,拖拉机的制动装置分行车制动装置和驻车制动装置。
行车制动装置使行驶中的拖拉机强制减速或停车,并使拖拉机在下短坡时保持适当的稳定速度;驻车制动装置使拖拉机能够在斜坡上停车并长时间保持稳定状态,它也有助于拖拉机在坡路上起步。
制动器有盘式和鼓式之分。
制动器的布置方式分半轴制动和轮边制动。
制动器的驱动方式有液压驱动和机械驱动。
此设计结合现有的中小型拖机,采用行车制动和驻车制动为一体,操纵机构为机械制动,制动器布置在轮边的鼓式制动器。
半轴采用半浮式。
关键词:
行车制动,驻车制动,制动力矩,制动蹄,制动鼓,摩擦衬片
20horsepowerwheeledtractorrearaxlesandbrakedesign
ABSTRACT
Alongwithourcountryagriculturaleconomydevelopment,thedomesticmarketunceasinglygrowstothetractordemand,unifiesourcountryagriculturetruthtoembark,isspeciallybiggertothemiddleandsmallscaletractordemandquantity。
Thisdesignisoptimizesintheabsorptionmatureproductmeritfoundationdesignsaxleshasthedrivingarrestinggearandinthevehiclearrestinggearwiththebraketractorarrestinggear.Thedrivingarrestinggearcausesinthetravelthetractortodecelerateortostop;Appliesthebrakeinthevehicletoenablethetractortostopandthelongtimeinthepitchmaintainsthesteadystate.Thebrakehasthedrumtypeandthedisctypedivision.Thebrakearrangementwayhasaxlesappliesthebrakewithnearbyturntoapplythebrake,thebrakedrivetypehasthehydraulicpressureactuationandthemachineryactuates.Thisdesignunionexistingmiddleandsmallscaletractorbrakeinstallsthestructureandthetype,andtheconsultcorrelationdatacarriesontheoptimizeddesign,usesthedrivingtoapplythebrakewithtoapplythebrakeinthevehicleisabody,Thecontrolmechanismmachineryappliesthebraketheway.Thebrakearrangementthedrumtypebrakewhichappliesthebrakenearbythewheel.axlesusesthesemisubmersibletype.
Keyword:
Thedrivingappliesthebrake,appliesthebrakeinthevehicle,brakedrum,brakeshoe
符号说明
L轴距,mm
e轮距,mm
ms总质量,Kg
h离地间隙,mm
hs质心高度,mm
Mr制动力矩,Nm
rdq轮胎滚动半径,mm
地面附着系数,
D制动鼓直径,mm
β摩擦衬片包角,
A摩擦衬片的摩擦面积
F制动蹄的张开力,N
b摩擦衬片的宽度
BF制动器因数
V拖拉机行驶速度
g重力加速度
第一章前言…………………………………………………………………1
第二章概述…………………………………………………………3
§2.1制动系的功用和组成…………………………………………3
§2.2制动器的工作情况.………………………………………………3
§2.3制动器的设计要求………………………………………………4
§2.4制动力矩的确定………………………………………………6
§2.4.1制动器的结构…………………………………………………6
§2.4.2拖拉机的结构参数…………………………………………7
§2.4.3制动器的结构参数……………………………………….8
§2.4.4制动器的力矩计算………………………………………10
第三章制动蹄片上的制动力和踏板力的计算……………………………13
§3.1制动蹄摩擦面的压力分布规律及径向变形规律………………13
§3.2制动力的计算……………………………………………………15
§3.3制动器因数与制动蹄因数…………………………………………19
§3.3.1制动器因数…………………………………………………19
§3.3.2制动蹄因数…………………………………………………19
§3.4踏板力的计算……………………………………………25
第四章半轴的计算和弹簧结构的计算……………………………………28
§4.1半轴的计算……………………………………………………28
§4.2弹簧结构的主要几何参数………………………………………30
第五章结论…………………………………………………………………32
参考文献………………………………………………………………………33
致谢………………………………………………………………………34
第一章前言
近年来,随着拖拉机走入农田的不断深入,国际市场对该档产品的需也不断增站,中小马力拖拉机社会销量和保有量很大,传动系布置多种多样。
我国作为一个发展中的农业大国,实现农业现代化是当务之急,而农业机械化是农业现代化的重要内容和基本标志,拖拉机则是农业机械化的龙头产品。
拖拉机的拥有量和年产销量,是评价一个国家农业机械化水平的重要标志。
在经济发达国家,其农业生产已经高度集中,因而,其农业生产的机械化程度也非常高,他们主要使用大型的农业生产机械。
而在中国现有的生产模式下,广大农民需要的还是中小型拖拉机,并且要求拖拉机价格便宜,实用,能满足大多数人的消费能力。
因而本设计选用20马力的拖拉机,属于小型拖拉机。
拖拉机因其工作环境在农村,相对工作环境比较恶劣,农村道路相对复杂,速度不高。
拖拉机制动系是用于强制使运动着的拖拉机减速或停止,使拖拉机下坡时保持稳定,以及使已停驶的拖拉机驻车不动的机构,要保证拖拉机的良性发展,必须采用低成本低价为的战略,采用传统技术,以低投入实现高效益的扩张,本设计采用机械制动器,由于要降低成本采用人力制动系统,行车制动和驻车制动做成一体,均为机械式。
我国拖拉机工业虽有较大发展,但大中型拖拉机的产品技术水平、质量、规模、企业结构与发达国家相比,从整体上分析并没有明显缩短差距,随着我国加入WTO会使拖拉机行业面临一个逐渐变化的市场环境,近几年,国外大型拖拉机不断进入我国市场,已使我国拖拉机行业逐渐适应了变化的市场环境。
由于国产中、小功率拖拉机的关税早在几年前已降为5%左右,所以加入WTO对拖拉机产品的直接冲击不大,但对农业的直接冲击会造成对拖拉机行业的间接冲击,迫使拖拉机行业加快产品结构调整,加快产品结构调整步伐,尽快形成拖拉机行业的竞争优势 。
目前,发达国家的拖拉机工业已进入现代化发展新阶段,产品更新速度加快,产品系列日趋完善,大部分产品实现了机电一体化和智能化,生产制造水平和检测水平进一步提高,计算机数控技术,新材料、新工艺得到广泛应用,零部件的标准化和通用化程度进一步提高。
我国的拖拉机设计及制造水平近年来也在不断提高,但仍需进行艰苦卓绝的努力,逐步向国际先进水平靠拢,形成具有中国特色的拖拉产品结构体系。
第二章概述
§2.1制动系的功用与组成
制动系的功用是:
①使拖拉机在行驶中减速或迅速停车;②帮助急剧减速;③使拖拉机能在斜坡上保持停车状态。
根据上述功用,制动系有行车制动和停车制动之分。
前者主要保证第一项,兼有第二项功用;后者主要保证第三项功用。
此外,为了使拖拉机在行车制动系发生故障时仍能实现紧急制动,有的大型拖拉机还设有独立于其它制动系的第二制动系,亦称紧急制动系。
它也可在人力控制下兼作停车制动系。
任何制动系均由制动器和制动操纵系统两部分组成。
轮式拖拉机普篇采用蹄式和盘式制动器,也有采用带式的。
而制动操纵系统有机械式、液压式和气压式之分,其中以机械式应用较多。
简单的制动系只有一套制动装置,既作为行车制动系,又作为停车制动系。
为此,制动操纵系统应能保证左、右两边的制动器同时制动,单边制动,以及在制动状态下使制动器锁定。
当采用机械式操纵系统时,行车制动系可兼作停车制动系,只需在操纵系统中增加一套锁定机构就可满足停车制动的要求。
当采用液压式或气压式操纵系统时,由于液体或压缩空气总有泄漏,无法使制动器长期保持停车状态,因此需要专门设置一套机械操纵的停车制动系,或在行车制动器上加装一套独立的机械式操纵系统,以满足长期停车制动的需求。
制动器大都布置在最终传动主动轴上。
与直接布置在驱动轴上相比,这种布置形式可以减小制动器所受转矩。
和布置在转速更高的中央传动主动轴上,可使制动器所受力矩进一步减小,但是这样布置的制动器不能用来帮助转向。
由于拖拉机速度较低,所以前轮上一般不安装制动器。
§2.2制动器的工作情况
轮式拖拉机制动器最经常的工作就是在行驶中减速乃只停车,为使制动器能在最短的距离中将拖拉机制动住,要求地面对车轮有较大的制动力。
制动过程中,制动器的摩擦表面相互紧贴并相互滑磨再变为热量。
随着踏板往下运动,踏板力增大,制动力矩和制动力也增大。
但当制动力增大到等于车轮的附着力以后,不论踏板力如何增大,也只能将制动器抱死而不能使制动力再有所增加。
制动力的最大值受限于附着力。
在应路上行驶时,附着力就是车轮与地面的摩擦力。
由于在使用中往往采用将制动器抱死,观察轮胎在地面上托印的办法来判断制动器工作是否正常,有些人就误以为将制动器抱死可以产生最大的制动力。
实际上,当制动器抱死时,轮胎在地面上滑移,地面的附着系数将由静摩擦系数变为动摩擦系数,数值有所减小,制动力将比不滑移时减小5%~25%,并会造成轮胎严重磨损,这显然是不利的,因此为了获得最大制动力,不应将制动器抱死,制动器的合理最少力矩应该使制动力略小于开始滑移的极限附着力,以便使动能消耗在制动器中而不是消耗在轮胎表面上。
§2.3制动系的设计要求
设计制动系时,应考虑下列主要要求:
①应有足够的制动力矩保证必要的制动效能。
行车制动系的制动效能可用制动减速度或制动距离来表示。
NJ80-85《拖拉机基本技术要求》规定了轮式拖拉机的制动距离应符合下列规定:
制动器冷态
S1≤0.1v0+v02/90
制动器热态
S2≤1.25S1
式中S1S2-----分别为冷态、热态制动距离(m);
v0-----制动出速度(km/h).
GB7258-87《机动车运行安全技术条件》规定了轮式拖拉机带挂车在平坦、硬实、干燥和清洁的水泥或沥青路面(附着系数为0.7)上的制动距离和制动稳定减速度:
拖拉机在20km/h下,挂车空载检验时分别为≤5.4m和≥5.4m/h;
拖拉机在20km/h下,挂车满载检验时分别为≤6.4m和≥4.0km/h;
停车制动系应能使拖拉机制动后,在驾驶员不操作的情况下沿上坡及下坡方向可靠保持在规定的干硬坡道上。
NJ80-85《拖拉机基本技术条件》规定:
农业拖拉机停车的坡度为20°,集材拖拉机停车的坡度为25°.该标准比国外标准要求偏高。
国外标准均以坡度表示,大部分规定为18%~25%。
②行车制动器在连续频繁工作条件下应有较稳定的制动效能。
由于下长坡时连续制动或短时间多次重复制动后,都有可能导致制动器温度过高,摩擦系数降低,从而使制动效能衰减,这种现象称为热衰退。
制动器发生热衰退后,经过充分冷却,由于温度下降和摩擦材料表面得到磨合,其制动效能可能重新增高,这种现象称为热恢复。
要求制动效能的稳定性好,也就是要求不易衰退,且能较好恢复。
国外一般规定在同样控制力下热态制动试验的平均减速度应不低于冷态制动试验的60%,或制动力矩不小于冷态制动试验的60%~65%。
为此,应考虑一下三项具体要求:
制动鼓或盘具有良好的吸、散热能力;摩擦材料具有良好的抗热衰退性和恢复性;制动器的结构型式对摩擦系数变化的敏感度较低。
③制动式拖拉机方向稳定性较好。
为此,左、右两侧车轮的制动力及其增长速度率应力求相等;采用四轮制动时,前、后制动器的制动力矩还应有比较合适的比例关系。
GB7258-87规定了轮式拖拉机挂车以20km/h的速度行驶在水平的水泥或沥青路面(附着系数为0.7)上的紧急制动跑偏量应不大于80mm.
④操纵轻便。
NJ/Z5-85《农业拖拉机操纵装置最大操纵力》规定,对于行车制动和停车制动器,允许的最大制动脚踏板操纵力为600N,允许的最大制动器操纵杆操纵力为400N。
设计时可根据所需的制动力矩和制动器类型分别规定合适的控制力,通常以200N~400N的踏板力较适应人体体力。
为使踏板控制力在上述范围内,应调整制动操纵系统的传动比。
如该传动比取得过大,踏板行程将增大,不仅布置困难,而且延长了机构反映时间。
因此,最大踏板行程应限制在250m以内,最大操纵杆行程应限制在400m以内。
设计时应留有余地,一般可在60~100mm内选取。
当控制力和行程不能同时满足时,原则上应提高制动器本身的制动力矩,或在制动系中安装助力器,或改用动力制动。
但也不应使控制力过小,过小的控制力将使驾驶员失去踏板感而难以控制制动强度。
⑤制动平顺,制动力应随控制力的增长速度而平稳地增大;放松踏板或操纵杆时,制动作用应迅速消除,无自刹现象。
⑥工作可靠。
制动系的零部件应有足够的强度和耐疲劳性能,要求防水防尘性好,摩擦表面不易被玷污,以免降低制动效能。
这点对需要在水田作业的拖拉机尤为重要。
⑦维修调整方便。
必要时应才用可靠的自动调整表面间隙的机构。
§2.4制动力矩的确定
§2.4.1制动器的结构
一、制动器的敏感度
为了评定不同型式和参数的制动器工作特性,常用一个无因次指标,称为制动器的制动因数。
制动因数通常定义为在制动鼓或制动盘的作用半径上的摩擦力总和与输入制动蹄或压盘的驱动力之比。
设制动器的制动力矩为Mr,则在制动鼓或制动盘作用半径R上的摩擦力为Mr/R,从而制动器的制动因数
(2—1)
式中,F为输入的驱动力。
当施加于两制动蹄或压盘,或制动带两端的驱动力不相等时,常取其平均值为输入的驱动力,即
F=(F1+F2)/2.
制动因数越大,表示用一定的驱动力时该制动器可产生的制动力矩越大。
在下面各节所导出的计算公式中,可以看出其大小取决于摩擦副的摩擦系数、制动器的型式、几何尺寸和单位压力分布规律等。
对于给定的制动器,制动因数仅为摩擦系数μ的函数,即
Kr=f(μ)
制动因数对摩擦系数变化的敏感度εr可通过一阶导数来确定,即εr=dKr/dμ
敏感度εr值越大,表明制动因数或制动力矩对摩擦系数的变化越敏感,即在使用中摩擦系数因温度升高而发生变化时,制动力矩的变化越大,制动器的抗热衰退性差,工作不稳定。
从操纵省力的角度出发,希望选用制动因数较大的制动器。
但制动因数过大,不仅影响制动平顺性,还会引起过高的敏感度,使制动器的抗热衰退性变差,工作不稳定。
设计时应根据车辆的使用质量ms、性能和布置的方便性等决定装置具有合适特征值的制动器类型。
§2.4.2拖拉机的结构参数
一、拖拉机的轴距
缩小轮距可以避免梨耕时出现的偏牵引现象,并可减小转向半径,大会降低横向稳定性。
为了适应耕作时的各种行距要求,轮距B应能调节。
小型轮式拖拉机调节范围约为1000mm~1400mm,中型则为1100~2000mm.前轮轮胎宽度一般小于后轮,为了使梨耕时前轮也贴近犁沟壁,前轮轮距通常略小于后轮轮距。
所以可取1400mm.
二、轴距
缩小轮式拖拉机轴距可减轻重量、缩小转向半径,但会降低纵向稳定性,并使行驶平顺性变差,轴距可根据由下式确定
P=20马力=20x735=14700N=14.7KN
所以L=1.421~1.617m.取L=1500m.
三、离地间隙
离地间隙有农艺离地间隙Hn和最小离地间隙Hmin之分。
农艺离地间隙Hn是指后桥半轴壳下部或前轴下沿的离地高度。
为了对玉米,高粱进行三遍中耕,Hn不应小于600mm,对棉花中耕不小于800mm.最小离地间隙Hmin一般出现在后桥壳体中段,但四轮驱动拖拉机也可能出现在前桥中段,减小离地间隙可提高稳定性,但会降低通过性,Hmin的一般值为:
旱田轮式为300~400mm,水田轮式为350~450mm;手扶式为200~250mm;农业用履带式为250~300mm;工业用履带式为300~400mm;集体拖拉机为500以上。
四、质心位置高度
质心位置是指质心的高度坐标、纵向坐标和横向坐标。
质心纵向坐标a是质心至后驱动轮的水平距离,一般用静态质量分配系数λ0来描述。
λ0为轮式拖拉机水平停放时两个后驱动轮上的垂直载荷与拖拉机使用质量之比,它表示质心偏前或偏后的程度,于是得
a=L(1-λ0)
对于两轮驱动拖拉机,为了获得较大的附着力,λ0的取值约为0.60~0.65;对于水田用两轮驱动拖拉机,为保证前轮的操纵性,λ0应稍小,多为0.55~0.60;前、后轮尺寸不同的四轮驱动拖拉机,λ0为0.48~0.58;由于前轮也驱动,所以可减小后轮负荷,一减轻土壤压实并改善操纵性;对于前、后轮尺寸相同的四轮驱动拖拉机,为使工作时四个轮子载荷相近,λ0约为0.35~0.45.
履带拖拉机质心的纵向位置,静止时应稍在接地面中点之前。
对于前方配置推土铲等装置的工业拖拉机,则质心应稍后于接地点中心。
其目的都是为了使工作时接地压力均匀。
质心的横向坐标e是质心至拖拉机纵向对称平面的距离,对于没有特殊需要的拖拉机,其主要部件布置基本对称,e的数值很小,不必特别加以注意。
质心的高度坐标h是质心至硬地面的距离,在满足离地间隙的情况下,应尽量降低。
a=L(1-λ0)λ0=0.60~0.65取0.65
所以a=1.5X0.35=0.525m
B=L-a=1.50-0.525=0.975m
e=B/2=1400/2=700mm
h=275~320取h=300mmh为离地间隙
hs为质心高度取hs=540mm
§2.4.3制动器的结构参数
一、制动鼓直径D或半径
当输入力P一定时,制动鼓的直径越大,且制动器的散热性能越好。
但直径D的尺寸受到轮辋内径的限制,而且D的增大也使制动鼓的质量增加,使非悬架质量增加,不利于拖拉机的行驶平顺性。
制动鼓与轮辋之间应有一定的间隙,此间隙一般不应小于20mm-30mm,以利于散热通风,也可避免由于轮辋过热而损坏轮胎。
由此间隙要求及轮辋的尺寸即可求得制动鼓直径D的尺寸。
查表得D=320mm
制动鼓内径尺寸应符合QC/T309-1999《制动鼓工作直径及制动蹄片宽度尺寸系列》的规定。
二、动蹄摩擦衬片的包角β及宽度b
摩擦衬片的包角β通常在β=90°~120°范围内选取,试验表明。
摩擦衬片包角β=90°~100°时磨损最小,制动鼓的温度也最低,而制动效能则最高。
再减小β虽有利于散热,但由于单位压力过高将加速磨损。
包角β也不宜大于120°,因为过大不仅不利于散热,且易使制动作用不平顺甚至可能发生自锁。
综上所述可选取β=120°。
三、衬片宽度b
衬片宽度b较大可以降低单位压力、减小磨损,但b的尺寸过大则不宜保证与制动鼓全面接触。
通常是根据在紧急制动时使单位压力不超过2.5MPa的条件来选择衬片宽度b的。
设计时应尽量按摩擦片的产品规格选择b值,并按QC/T309—1999选取。
另外,根据国外统计资料可知,单个鼓式车轮制动器总的衬片面积随总质量的增大而增大。
而单个摩擦衬片的摩擦面积A又取决于制动鼓半径R、衬片宽度b及包角β,即
A=Rbβ
式中,β以弧度(rad)为单位,当A、R、β确定后,由上式也可初选衬片宽度b的尺寸。
所以A=Rbβ
=160x50x
=167.5cm2
四、衬片起始角β0
摩擦衬片起始角β0如图2—1所示。
通常是将摩擦衬片布置在制动蹄外缘的中央,并令β0=90°-
。
有时为了适应单位压力的分布情况,将衬片相对于最大压力点对称布置,以改善制动效能和磨损的均匀性。
所以β0=90°-
=90°-
=30°.
五、力P的作用线至制动器中心的距离a
在满足制动轮缸或凸轮能布置在制动鼓内的条件下,应使距离a尽可能地大,以提高其制动效能。
初步设计时可暂取a=0.8R左右。
所以a=0.8R=0.8x160=128mm.
六、动蹄支销中心的坐标位置k与c
如图2—1所示,制动蹄支销中心的坐标尺寸k应尽可能的小,以使尺寸c尽可能的大,初步设计可暂取c=0.8R左右。
所以c=0.8R=0.8x160=128mm,k可有经验值取28mm.
§2.4.4制动力矩的计算
一、行车制动器制动力矩的确定
行车制动器的工况包括行驶中制动和单边制动帮助急剧转向。
由于轮式拖拉机的转向阻力矩较小,单边制动所需的制动力矩不大,因此只需考虑行驶中制动的工况。
为了使制动器能将拖拉机迅速制动,以提高行驶安全性,希望制动器有足够的制动力矩,这样被制动的车轮上才能长生较大的地面制动力。
但当制动力增大到该车轮与地面的附着力后,制动器将抱死,车轮停止转动而发生严重滑移现象,并在路面上产生托印。
此时拖拉机所具有的动能都转化为轮胎和路面间摩擦产生的热能这将导致胎面局部剧烈发热,使橡胶强度降低,造成轮胎严重磨损。
同时附着系数的值也下降,使制动力比最佳滑移率时的最大制动力减小5%~25%,这显然是不利的。
此时,实际制动距离将大于可能达到的最小制动距离,而且还会由于侧向附着系数的显著降低使制动期间拖拉机的方向稳定性变坏。
因此,为了获得良好的制动效果并减小轮胎磨损,应使制动器不致完全抱死,让车轮处于略有滑移而尚未开始严重滑移的最佳制动状态,也就是说在一定的踏板力下,制动器制动力矩的大小应使制动力略小于附着力值。
因此,拖拉机的动能将只要消耗在制动器摩擦表面的相对滑磨上,并转变为热能。
可见,制动力矩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 20 马力 轮式拖拉机 制动器 设计