《工程機械設計基礎》第一篇課程總結.doc

現代施工機械與技術階段復習總結宋晨（太原科技大學 山西省 太原市 030024）摘要： 對現代施工施工與技術前五章的學習，為更好的了解和學習典型工程機械的工作裝置及控制技術，對前五章所學的知識進行總結，通過課本，自己的經驗以及各種參考文獻，寫出自己對前五章所學內容的了解。在學習過程中了，除了在課本上學習以外，經常在果殼網汽車學院參與討論。本文主要從發(fā)動機和底盤兩個方面介紹了自己所學的內容。通過寫此總結使自己對前五章的內容有更加深刻的了解。關鍵詞：工程機械；總結；發(fā)動機；底盤1 工程機械用發(fā)動機目前，工程機械實用的動力裝置主要有電動機和內燃機兩種，內燃機又分為柴油機和汽油機兩種。1.1內燃機概述內燃機分類方法較多，按工作循環(huán)分，可分為二沖程和四沖程兩種，不過二沖程已經幾乎完全被淘汰，四沖程發(fā)動機做工過程分為吸氣、壓縮、做功、排氣。按排列方式分可以分為直列型，V型，W型等。按進氣方式分，可以分為自然吸氣和渦輪增壓1。內燃機中的基本術語有工作循環(huán)、缸數、剛徑、上下止點、活塞行程、氣缸和發(fā)動機工作容積，壓縮比等。內燃機主要性能參數有有效功率，有效轉矩兩個指標，換算關系為：Pe為有效功率，單位為KW；Me為有效轉矩，單位為N.m；ne為轉速，單位為轉/分鐘；常用的功率有千瓦和馬力，其中1KW=1.36馬力，而1馬力的功率是一秒鐘把75千克的物體勻速提升1米做的功。1.2內燃機工作原理及主要部件這四幅圖很好的解釋了發(fā)動機的工作原理和過程，該發(fā)動機為DOHC，DOHC的全稱是Double Overhead Camshaft，即雙頂置凸輪軸。發(fā)動機的主要零件有兩大機構和七大系統(tǒng)，分別為曲柄連桿結構、配器機構、燃油供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)排放系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間相互配合工作，構成了一臺發(fā)動機。1.3發(fā)動機各標號解釋雖然課本上沒有這一節(jié)內容，但是自己出于對汽車的了解及喜歡，加上百度，總結了些自己所知道的其中包括T、FSI、CVT、CVVT、SOHC、ABS、DSG、LSD、SOHC、DOHC等。發(fā)動機后面帶T，為渦輪增壓發(fā)動機，英文為Turbo，采用該發(fā)動機功率大約可以提高百分之四十，常見的有1.4T，1.8T等。 圖1 吸氣過程 圖2 壓縮過程 圖3 做功過程 圖4 排氣過程FSI是Fuel Stratified Injection的英文縮寫，意指燃油分層噴射。燃油分層噴射技術是電噴發(fā)動機利用電子芯片經過計算分析精確控制噴射量進入氣缸燃燒，以提高發(fā)動機混和燃油比例，進而提高發(fā)動機效率的一種技術。 與傳統(tǒng)技術把燃油噴入進氣歧管的發(fā)動機相比，FSI發(fā)動機的主要優(yōu)勢有：動態(tài)響應好、功率和扭矩可以同時提升、燃油消耗降低。CVVT與CVT雖然一字之差但是代表的意思完全不同，CVVT是英文Continue Variable Valve Timing的縮寫，翻譯成中文就是連續(xù)可變氣門正時機構，目的都是給不同的發(fā)動機工作狀況下匹配最佳的氣門重疊角，簡而言之就是在發(fā)動機高速轉動時提前打開進氣門，推遲關閉排氣門，使進氣更充分，排氣更完全，提高燃油燃燒率，使發(fā)動機保持動力強勁。左圖為奧迪尾部標識,其中4.5代表發(fā)動機排量，T代表渦輪增壓，FSI為燃油分層噴射，目前尾部標識有TFSI多屬于高端車型。 圖5 奧迪標識 DOHC的全稱是Double Overhead Camshaft，即雙頂置凸輪軸，SOHC為單頂置凸輪軸，DOHC加大了進氣量，提升馬力和燃燒效率。追求高速有明顯優(yōu)勢。CVT為無級變速。DSG為直接換檔變速器（Direct Shift Gearbox）也稱為S-Tronic變速器或者雙離合變速器。ABS為防抱死系統(tǒng)。LSD為限滑差速器。2 工程機械傳動系統(tǒng)2.1傳動系統(tǒng)概述動力裝置和驅動輪之間的所有傳動部件稱為傳動系統(tǒng)。其主要作用有1.降速增力2.實現變速3. 實現倒退4.切斷動力5.實現左右驅動輪不同速度（差速器）。目前常用的傳動系統(tǒng)有機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動、電傳動。機械傳動由離合器、變速箱、萬向節(jié)、驅動橋組成，其優(yōu)點是效率高，結構簡單，工作可靠，但缺點是容易過載，換擋時候需切斷動力。液力機械傳動的核心裝置是液力變矩器或者液力耦合器。液壓傳動是通過液體的壓力能傳遞能量。而電傳動則由發(fā)動機帶動直流發(fā)電機，再把電能分別輸送到各個輪胎上的電動機上帶動輪胎轉動，目前電動傳動主要用于大型礦用車上。2.2主離合器主離合器裝在發(fā)電機和變速箱之間，用來切斷或傳遞發(fā)動機傳給傳動系統(tǒng)的力。根據離合器自然狀態(tài)下的接合與分離狀態(tài)，又可以分為經常接合式和非經常結合式。其主要組成為主動部分、從動部分、壓緊機構、分離機構。需要傳力時，通過壓緊機構把主動部分和從動部分靠摩擦力壓緊，使之成為一個整體，從而傳遞力，故傳遞力的大小與摩擦力的大小有關，在需要傳遞比較大的力的時候常采用雙片式離合器。膜片式彈簧離合器是用一個薄彈簧鋼板制成有錐度的膜片彈簧，該離合器具有結構簡單，受力均勻，壽命長，質量輕等優(yōu)點，故在工程機械上也開始廣泛使用。2.3液力耦合器和液力變矩器 液力變矩器和液力耦合器在結構上區(qū)別是液力變矩器比耦合器多一個導輪，功用上是變矩器既可以改變轉速，又可以改變轉矩，而耦合器只能改變轉速。 車輛起步時，泵輪隨發(fā)動機輸出軸轉動，渦輪與導輪靜止。如上圖，工作液由泵輪帶動,沿左圖中1的方向流向渦輪。渦輪靜止，液體沿著渦輪葉片方向2流向導輪。導輪也靜止，液體再沿著、導輪葉片方向3流向泵輪。根據液流受力平衡條件，Mw= Mb + Md，也就是渦輪轉矩等于泵輪和導輪轉矩之和。液力變矩器就增大了發(fā)動機的轉矩輸出。渦輪轉速達到一定程度時，牽連速圖6 液力變矩器工作原理度u增大，右圖中V的方向左偏，與導輪葉片方向平行，導輪轉矩Md變?yōu)?。此時Mw=Mb，即輸出、輸入轉矩相等。渦輪轉速進一步上升，V的方向進一步左偏，導致導輪的轉矩就變?yōu)榱素撝?。渦輪力矩變?yōu)镸w=Mb-Md。輸出轉矩就小于了輸入轉矩2。為了提高效率，便有了鎖止離合器，將導輪和渦輪鏈接在一起，液力變矩器就不工作了，此時相當于機械傳動效率就高了。2.4變速箱 變速箱的主要作用為改變傳動比，實線倒檔和空擋。 變速箱按操作方式不同，分為機械式換擋和動力式換擋。機械式換擋是人力通過操縱機構波動齒輪或結合套換擋，需較長時間切斷動力。動力換擋切斷動力時間短，帶負荷不停車換擋。當在變速箱中有行星輪時候，所采用的換擋方式必須是動力換擋。普通的家用汽車只有一個倒檔，手動擋汽車也只有一個變速操縱桿（部分四驅車除外），但是工程機械由于工況的不同，往往前進擋數和倒退擋數量一樣，而且有兩個操縱桿，需要配合操作。在學習過程中看到變速箱的傳動簡圖基本上可以看懂，但是當看到變速箱的剖面圖時候就不知所云。對于定軸動力換擋變速箱，在換擋時候靠離合器摩擦片壓緊傳遞力。行星式變速換擋變速箱，工作原理是依據行星輪的閉鎖特性，太陽輪、行星架、齒圈三個部件中容易固定一個，便會產生不同的傳動比。傳動過程中必須是自由度為1的機構，對于二自由度變速箱，需要消除一個自由度，故應該有一個操作桿，三自由度的需要兩個操作桿，以此類推。但是對于行星式變速換擋變速箱是我學的最糊涂的部分。 CVT機構在可調節(jié)的齒輪輪轂上且位于同步齒輪的外圍圓周上通過連接軸安裝有扇形齒輪，扇形齒輪上的齒輪與同步齒輪外圓上的齒輪相嚙合，扇形齒輪的外側與齒桿的一端相固定，這樣就組成了可調節(jié)的齒輪，當可調齒輪繞齒桿彎曲方向轉動來驅動內齒圈時，通過伺服機構調節(jié)齒輪轉軸與內齒圈轉軸之間的距離，從而改變兩個相鄰齒桿之間所作用內齒圈的齒數，改變傳動比，進而可以實現無級變速。 還有一種變速箱就是CVT變速箱，也是無級變速。 圖7 CVT變速器2.5萬向傳動裝置發(fā)動機位置較高，而驅動軸位置較高，為了實現這種不同高度上的動力傳遞，故需要用萬向節(jié)來傳動，最常用的就是十字軸剛性萬向節(jié)，該種萬向節(jié)雖然可以實現較大夾角之間的傳動，但是當夾角越大的時候，瞬時角速度差距越大，這樣就會造成傳動不平穩(wěn)，為了克服這一現象便出現了雙萬向節(jié)傳動，兩個萬向節(jié)按一定方向安裝，就可以相互抵消這種不等速性。2.6驅動橋驅動橋由主減速器，差速器，半軸，驅動橋殼組成。主減速器的作用是再次減速，增大轉矩，一般由一對90的錐齒輪組成。其原理為通過齒輪傳動比的改變獲得更大的轉矩。差速器可以說是汽車歷史上的一個偉大發(fā)明明差速器的人正是大名鼎鼎的雷諾公司的創(chuàng)始人，Louis Renault。 圖8 差速器 左右驅動輪同速時，行星輪鎖死。左右半軸和差速器殼一起同速轉動，而差速器行星齒輪不動。左驅動輪遇到較大阻力而停止轉動時的情況。這時，右半軸、橋殼照常轉動，并且行星齒輪也轉動起來。這樣就實現了，左右驅動輪不同轉速。左右半軸和差速器殼（行星輪公轉）三者的轉速關系為：左半軸+右半軸=2 x 差速器殼3。 差速器雖然作用明顯，但是他也有致命的缺點，就是當一邊輪胎失去摩擦力的時候整個車就會失去動力，這時就需要與差速鎖配合工作，差速鎖的工作原理是，當左右車輪的轉速差到達一定預設數值后。差速器內部的機械結構會鎖死差速器，使得左右兩輪擁有相同的輸出轉矩。目前最常用的差速鎖是伊頓差速鎖，該差速鎖為純機械結構，可靠度高。圖9 差速鎖3 工程機械行駛系統(tǒng)工程機械行駛系統(tǒng)分為輪胎式和履帶式。3.1 履帶式工程機械行駛系統(tǒng)履帶行駛系統(tǒng)由履帶、驅動輪、支重輪、拖帶輪、引導輪和張緊裝置組成。履帶可以適合各種復雜的地形，在惡劣的環(huán)境中工作。履帶的功用是支撐車輛的質量，并保證車輛發(fā)出足夠的驅動力。驅動輪用來驅動履帶，安裝在最終的從動軸或從動軸上。支重輪用來將機械的質量傳遞給履帶，托帶輪是用來托住履帶，防止其下垂過大。引導輪的作用是支撐履帶并引導履帶正確卷繞，同時與張緊裝置一起使履帶保持一定張緊度。3.2 輪胎式工程機械行駛系統(tǒng)輪胎式行駛系統(tǒng)由車架、車橋、車輪、懸架組成。車架又可分為鉸接式車架和整體式車架，鉸接式車架轉向方便，轉彎半徑小。車橋由轉向橋、驅動橋、轉向驅動橋、支持橋等。車輪和輪胎，好多人認為車輪和輪胎就是一樣的，但是并非如此。車輪的明確定義是“介于輪胎和車軸之間承受負荷的旋轉組件，通常由輪輞和輪輻組成。下圖為關系圖。 圖10 車輪 圖11 輪胎 圖12 車輪總成懸架的功用是鏈接車橋和車架，傳遞兩者之間的各種作用力和力矩。懸架可以分為獨立式懸架（圖13b）和非獨立式懸架（圖13a）。 圖13 懸架 圖14 前懸架4 工程機械轉向操作系統(tǒng) 轉向：改變或者保持行駛方向。4.1輪胎式工程機械轉向系統(tǒng)概述 整體式車架一般用偏轉車輪轉向，可以是偏轉前輪轉向，也可以是偏轉后輪轉向，也可以全輪偏轉。全輪偏轉更加靈活，但是結構復雜，成本高。鉸接車架一般用于鉸接式車架，該種轉向轉彎半徑小，結構簡單，但是直線行駛特性差。在轉向時候，為了保證各個車輪做純滾動，則各個車輪軸線應該相交于一點，則轉向時車輪偏轉角關系如下。而對于過程機械，例如多軸全地形起重機，在轉向時，中間一周是固定不動，離中間軸越遠的軸上的輪胎偏角越大。 圖15 車輪轉向關系圖4雖然多軸車專線關系復雜，自己也不會推算，但是可以找到以圖中九橋全地面起重機為例，內側九個輪胎偏轉角度各不相同，但是輪胎的偏轉垂線交于一點，越靠近中軸的輪胎偏轉角越小，轉彎半徑也越小，中軸前的輪胎和中軸后的輪胎偏轉方向相反，這樣才可以實現轉向。自己在組裝樂高42009車模時候，發(fā)現，各軸之間由機構連接，當第一個輪胎轉過一定角度時，后面4個輪胎便會跟著轉過相應角度，轉過角度大小由提前設定好的轉向桿的長度決定，根據計算出的角度反算出長度。圖16 樂高42009 圖17 樂高42009底盤4.2轉向器轉向器的功用是將方向盤上的操縱力放大并改變動力傳遞方向。轉向器按逆轉效率之分，可分為可逆式、不可逆式、極限可逆式。典型轉向器結構有齒輪齒條式轉向器，循環(huán)球式轉向器，蝸桿曲柄指銷式轉向器。4.3典型工程機械轉向操縱機構 有人力轉向傳動機構和動力傳動轉向機構兩種，動力傳動轉向機構也就是帶助力方向盤，可以減輕駕駛員的勞動強度，主要有液壓助力。4.4履帶式工程機械轉向操縱系統(tǒng) 履帶式工程機械轉向原理類似小船的轉向原理，通過改變兩側驅動輪上的驅動力矩，使兩側履帶上具有不同的驅動力，從而實現轉向。轉向時候一側加驅動力，一次為制動力，這樣車輛便會轉向，轉彎半徑的大小取決于兩邊的力之差。該種轉向對地面損壞非常大，這也是履帶式工程車輛無法上路的原因之一。5 輪胎式工程機械制動系統(tǒng)5.1制動系統(tǒng)概述制動系統(tǒng)的功用只要是1使行駛中的機械減速或停車2下坡時候保持適度恒定3使已停止的車輛保持穩(wěn)定。制動系統(tǒng)可以分為停車制動和駐車制動兩種類型。制動的原理便是把汽車的動能通過摩擦轉化為熱能，最終使汽車減速或者停止。5.2制動器制動器可以分為盤式和鼓式，鼓式制動器通過內張或外縮