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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計計算書
指導(dǎo)老師：郭秀云 李長歡
設(shè)計題目：ZL15裝載機總體及變速箱設(shè)計（3軸及齒輪） 設(shè)計人：楊東勝
設(shè)計項目
計算與說明
結(jié)果
牽引計算
柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性
柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸出特性
Ⅰ檔總傳動比iI的確定
確定最高檔位的傳動比
計算最少檔位數(shù)
確定中間傳動比
運輸工況牽引特性曲線
求各檔的最高車速
爬坡能力分析
第3章 牽引計算
為了檢測總體設(shè)計所確定裝載機的牽引性能，并審核其技術(shù)經(jīng)濟性指標(biāo)，我們需要做牽引計算。
3.1 柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入與輸出特性曲線
研究變矩器與內(nèi)燃機聯(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獲得良好的性能。
在作柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入輸出特性曲線時，首先應(yīng)對變矩器有所了解。
變矩器與發(fā)動機聯(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械式兩種。當(dāng)發(fā)動機傳給驅(qū)動輪的功率全部通過液力變矩器時，稱為單流式；當(dāng)發(fā)動機傳給驅(qū)動輪的功率分別有機械和液力兩條并聯(lián)的路線傳遞時，稱之為雙流差速液力機械式，按傳動系的形式來分類，則可稱其為液力—機械的并聯(lián)復(fù)合傳動。
本機選用雙流差速液力機械傳動，即液力—機械的并聯(lián)復(fù)合傳動。發(fā)動機分出的部分功率來驅(qū)動機械的輔助裝置和輸出軸，因此，當(dāng)發(fā)動機的調(diào)速持續(xù)性轉(zhuǎn)換到泵輪軸上，需以發(fā)動機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，一般稱它為液力變矩器的原始特性，由它可以派生出兩個表示變矩器性能的重要無因此特性，即變矩器系數(shù)k=f4(ITB)和效率η=f4(Itb)。所謂無因次特性系數(shù)表示再循環(huán)圓內(nèi)具有完全相似的穩(wěn)定流動現(xiàn)象的若干變矩器共同特性的函數(shù)曲線。
常用的方法是給出該種液力變矩器的“無因次”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。實際上只應(yīng)用了λB，k，η這三條曲線。第一條曲線表示變矩器的透穿性，第二條曲線表示變矩器的變矩性，第三條曲線表示的是液力變矩器的經(jīng)濟性。有了無因次特性后，就可以獲得同類型的任何尺寸的相似液力變矩器的外特性。
3.1.1柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性
聯(lián)合工作的輸出特性曲線包括：
Me=f(ne)
MB=f(nB)
C=λ×γ×D5
在某一傳動比下，λ，D，γ為常數(shù)，則MB=C×nB2
輸入特性曲線指動力輸入軸（泵輪軸）的扭矩與它的速度n之間的關(guān)系。MB=λBγnB2D5。根據(jù)已選定柴油機和變矩器的特性曲線作出變矩器與發(fā)動機聯(lián)合工作的輸出特性曲線。
根據(jù)裝載機的作業(yè)特點，一般用發(fā)動機扣除20～40%的功率與變矩器相匹配較為合適。因此根據(jù)本機具體作業(yè)情況扣除發(fā)動機功率的30%。參考圖八：495A-23柴油機的外特性曲線，即：
其數(shù)據(jù)見表3-1，作發(fā)動機凈扭矩及凈功率的特性曲線，
如圖3-1
表3-1發(fā)動機凈扭矩及凈功率數(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)動機聯(lián)合工作輸出特性曲線
根據(jù)圖八-液力變矩器外特性曲線，找出各點對應(yīng)的值，見表3-2.
表3-2變矩器外特性曲線數(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
計算M1=λBγnB2D5 的具體值，見表3-3：
通過表3-3作變矩器與柴油機聯(lián)合工作的輸入特性曲線，見圖3-2：
表3-3聯(lián)合工作輸入特性曲線的計算值
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
3.1.3 柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸出特性
發(fā)動機與變矩器共同工作的輸出特性，完全反應(yīng)了復(fù)合運動裝置的動力性和燃料的經(jīng)濟性，因此它成為評價液力傳動動力性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)；同時，對配備液力傳動的機械來說，又是進行機器牽引性能計算的原始依據(jù)。
由圖3-2，柴油機與變矩器聯(lián)合工作的輸入特性曲線上負(fù)荷拋物線來與換算到泵輪軸上的發(fā)動機扭矩曲線的交點，找到一對發(fā)動機與變矩器共同工作點的參數(shù)坐標(biāo)值（，），在根據(jù)參考書[Ⅴ]上冊P130公式，，，推算出，，的值。
將以上計算結(jié)果列入下表（表3-4）：
表3-4聯(lián)合工作輸出特性曲線的參數(shù)計算值
項
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n2—η, n2—M2, n2—N2,即得部分功率匹配的聯(lián)合工作曲線，如圖3-3所示：
對輸出特性曲線進行分析，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，聯(lián)合工況所能發(fā)出的扭矩MEMAX,即it0時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與發(fā)動機傳給變矩器的最大功率點接近，發(fā)動機的功率利用率好。
3.最高效率點左邊曲線到右邊曲線變化緩慢，因此希望變矩器工作在最高效率的左邊。此時發(fā)動機聯(lián)合工作輸出的功率曲線也是左邊比右邊變化緩慢。因此，聯(lián)合工作輸出曲線基本上理想，其動力性和經(jīng)濟性都較好。
3.2 確定檔位及各檔傳動比
3.2.1Ⅰ檔總傳動比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傳給變矩器的最大工況完全一致，因此變矩器最大效率時，渦輪轉(zhuǎn)速nTη和變矩器最大效率時的轉(zhuǎn)速nTN可能有一些不同，確定Ⅰ檔總傳動比iI時，由發(fā)動機和液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性曲線得，變矩器最大輸出功率NTN=31.98H，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為。
由參考書[Ⅳ]P158:
=0.377rkneH/
=0.377rknTN/ (3-2-1)
式中： —驅(qū)動輪的動力半徑；
=r0-Δb (見[Ⅳ] P111)
r0—輪胎的自由半徑：r0=1.090/2=0.545m
Δ—系數(shù)， 對鏟土運輸機械用的低壓輪胎，在松軟土壤上 Δ=0.08～0.10，在密實土壤中Δ=0.12～0.15 。據(jù)本機作業(yè)特點，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的轉(zhuǎn)（rpm）
—Ⅰ擋轉(zhuǎn)速；根據(jù)[Ⅱ]P78推薦值，裝載機Ⅰ檔速度取3～5km/h,超過以上速度，駕駛員來不及操作，反而延長鏟斗的裝滿時間，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比（運輸工況）
裝載機的最高檔位一般用來轉(zhuǎn)移場地時使用，為提高生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高其最高車速以節(jié)約時間，同時，裝載機的車架為非剛性懸掛，車速不能太高，最高車速受到一定的限制。
根據(jù)現(xiàn)在裝載機的一般要求，并參考同類進行，初選最高車速為30Km/h。
由選定的最高車速VTmax，根據(jù)下式可求出最高行駛速度時所消耗的功率NT′：
NT′=PKmin×VTmax/(3.6×ηm)
式中：PKmin— 在VTmax時的牽引力:
PKmin=Gf+kFvT2/3.62
G— 整機重量，G=4500Kg=45.0KN
f— 平均切線滾動阻力系數(shù)，f=0.02;
K— 流線型系數(shù)(),一般取0.0006～0.0007。本機取K=0.00065。
VT— 行駛速度，取VT =28Km/h
F— 機械迎風(fēng)面積：F=B×H,B為輪距，H為車高，參考同類機型選B=2.6m,H=1.4m；
F=B×H=。
ηm— 液力變矩器機械傳動的總效率，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η=75%的A點作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)移場地，為提高其速度，q2為3，則中間檔傳動比為：
q1=2
iⅡ=iⅠ/ q1=50.4/2=25.2
iⅢ=12.6
3.3 運輸工況牽引特性曲線
牽引特性反應(yīng)的是作業(yè)機械在一定的工質(zhì)條件下，在水平路段上以各檔穩(wěn)定速度工作時的牽引性能與經(jīng)濟性能，它通過用牽引功率Nkp,實際行駛速度v,整機的耗油率gkp隨牽引力Pkp變化的曲線表示,也即用各檔的(Nkp,v,gkp)=f(Pkp)的關(guān)系曲線來表示。
從牽引曲線上，可以看出變速箱布置的合理性，即能否在整個牽引力的適用范圍內(nèi)，依靠換擋使作業(yè)機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的連接沒有“深谷”。
從牽引特性曲線上，還可以看出各檔的最大牽引力功率是在發(fā)動機額定工況下出現(xiàn)的，對輪胎式作業(yè)機械，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，必須具備以下條件：
1.為了不使發(fā)動機熄火，Ⅰ檔所能發(fā)揮的最大牽引力（即滑轉(zhuǎn)率δ=100%時的牽引力），應(yīng)低于發(fā)動機最大扭矩點的相應(yīng)牽引力。
2.Ⅰ檔的最大牽引力功率點，應(yīng)在輪胎打滑界限值附近或在該界限值以下，因為如果最大牽引功率點打滑界限以上，在實際工作中就得不到應(yīng)用，也就是無現(xiàn)實意義。
3.各個檔的最大牽引力點，應(yīng)處在其較低檔特性曲線的下方，并保證各檔特性曲線的使用區(qū)域相互銜接，否則發(fā)動機容易熄火，車輛行駛性能變壞。
4.利用牽引特性曲線，還可以方便地找出作業(yè)機械任何一個牽引力工作時的牽引效率ηkp。
鏟土運輸機械在運輸工況時，一般不計滑轉(zhuǎn)損失，而令v=vT。根據(jù)柴油機調(diào)速性能或柴油機—液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性以及公式
Pk=Mtiηm/rk
式中： Pk —切線牽引力，v=0.337rknT/I,
V —實際行駛速度
即可作出各檔的曲線。
作牽引特性曲線
由上面的公式，將計算結(jié)果列表，（見表3-5）：
式中: ηm— 機械傳動系統(tǒng)效率，取ηm=0.91，參考[Ⅳ]P143
I — 各檔的傳動比
rk — 驅(qū)動輪的動力半徑，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。
作圖步驟如下：
（1）從圖二上找出渦輪的某一轉(zhuǎn)速n及對應(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)
計算出對應(yīng)的Pk，V，Nk。
（3）將（Pk，V），（Nk，V）所對應(yīng)的點描于坐標(biāo)系中
（4）同理取轉(zhuǎn)速nti及對應(yīng)的Mti,Nti,重復(fù)上述一系列的點。
（5）將各點光滑連接，得Ⅰ檔運輸工況牽引特性曲線。
（6）按同樣的方法可作出Ⅱ，Ⅲ檔的牽引特性曲線。
表3-5運輸工況的牽引特性曲線數(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 求出各檔最高車速并分析牽引特性
3.4.1求各檔的最高車速
1.作水平阻力線
裝載機在水平路面上等速行駛時，無作業(yè)阻力，而只考慮滾動阻力和風(fēng)阻力，即Pk=∑P=Pf+PW=Gf+kFv/3.62
式中：G--整機重量，G=4500Kg
f---滾動阻力系數(shù)，f=0.02
K---流線型系數(shù)，本機取K=0.00065
F---機械迎風(fēng)面積，F(xiàn)=3.74m2
則Pk=4.50×0.04+（0.00065×3.74×v/3.62×9.8）×103
在牽引特性曲線上作出∑P=f(v)曲線的交點a,b,c,與這些相應(yīng)點的v值即為該機械在各檔行駛的最高理論速度，將Pk=f(v)曲線計算值列表如下：
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.分析該車牽引特性曲線
1）Ⅰ檔為工作檔，工作時牽引力需要克服滾動阻力和插入阻力，由圖3-4知Pkmax=3611,而Pf+PT=180+31800/10=3360,牽引力能滿足工作要求。
2）Ⅱ檔為運輸工檔，運輸時最大阻力
∑P=180+0.0194×15.12=186.2kg
由圖3-4得此時的PK=1750kg，滿足工作要求，且變矩器在高效區(qū)范圍內(nèi)工作，經(jīng)濟性較好。
3）Ⅲ 檔主要用于轉(zhuǎn)移運輸，路面條件較好，速度高些，節(jié)省時間，可提高生產(chǎn)率。
3.4.2爬坡能力分析
主要檢查作業(yè)機械上坡時，能否爬過限定的最大坡度。
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°
滿足不小于20°的要求，實際上，爬坡能力還受整機穩(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