还剩103页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
第一篇机械的基本常识第一章绪论
1.
1.1土木工程机械的作用土木工程机械是指用于基本建设领域中各类专用的施工机械,也称为工程机械,包括建筑工程,市政工程,道桥工程,港口工程等所使用的施工机械机械的作用是1用来减轻体力劳动和提高生产力的工具2提高劳动生产率,加速工程进度3提高工程质量4降低工程造价采用机械化施工,特别有利于广泛采用新技术,改善劳动条件例如a.采用液压技术的液压凿岩机与风动凿岩机相比,能量利用率提高了三倍,工作速度提高了一倍,动力消耗却降低了一半b.推土机、平地机、摊铺机以及隧道掘进机等,应用激光自动导向、栈平、找直、找准、放线.可大大提高作业精度和工作质量如用激光导向定坡度、其误差可小于o01%c.轮式建筑机械的转向和制动机构采用液压伺服系统,可使操纵省力并改善转向和制动性能d.尤其是电子计算机技术的应用,无人操纵或无线电遥控的工程机械相继问世,才使在低温、高原、水下、地下、空中以及公害污染等困难环境下施工成为现实
1.
1.2课程的性质和内容根据工程机械的作用,土木工程专业开设本课程是十分必要的,它是一门重要的技术基础课其内容包括机械基础知识和常用土木工程机械两大部分机械基础知识包含a.主要介绍机械制造中常用材料的性能及选用方法;b.通用零、部件的设计、选用等基本知识;c.还有挠性传动、齿轮转动、液压传动的基本理论常用土木工程机械主要介绍常用工程机械的主要机构、类型、性能、基本构造使用方法及选型设计等内容它是前者的综合运用本课程涉及的理论知识面广;所讲述的零、部件类型不但很多,又由于在各种机械中,影响零、部件功能、寿命的因素十分复杂.机械在作业中的工况又千变万化,在许多情况下,难以用纯理论进行设计计算,而必须借助于实验或经验公式因而,在学习中要掌握各种系数、参数和公式的物理意义,并了解其应用的条件和范围,学会运用各种规范和设计手册等本课程所提供的知识,不但与专业设计、施工和科研直接相关,而且在工作中,它也是和工程机械人员语言沟通的桥梁
1.
1.3几个重要名词1机器从力学和功能的角度考虑,它具有三大特征
①它由许多构件组成,单一构件决不能称为机器;
②各构件之间必定能产生确定的相对运动;
③都能利用机械能来完成有效功或把机械能转换成其他形式的能量.或作相反的转换一部机器可能由一种机构或几种机构所组成它是功能转换的单元机器按其作用可分为三类一类是原动机,它是将某种能量转变为机械能的机器,如蒸汽机、内燃机、电动机等;一类是转换机,它是将机械能转换成其他形式能的机器,如发电机、空气压缩机;再一类是工作机,它是利用机械能来完成有用功的机器,如起重机,各式机床及各类土方机械2机构它是具有确定相对运动的许多构件的组合体它只具备机器的前两个特征,不考虑功能转换的问题,因此它的主要任务是传递或改变运动的方向、大小、形式,它是机械运动的单元例如最常见的自行车,可称为运动的机构,而不能称为机器3机械是机器和机构的总称4构件组成机构的单元,它可以是一个零件,也可以是由许多零件组成的刚体5机械零件组成构件的元件,称为零件,而零件是制造的单元零件分两大类,凡在各种机器中经常使用、并具有互换性的零件,称为通用零件常用零件,如三角胶带、螺栓、齿轮及轴承等;只在某种机器中使用的零件,称为专用零件,如钢丝绳、滑轮、吊钩等6部件是为完成同一任务并协调工作的若干个机械零件的组合体器、离合器等它是安装的单元
1.
1.4工程施工机械及其分类施工机械是公路施工机械化的物质基础施工机械是指为交通、建筑、矿山、水利、海空港口等建筑施工服务的各种工程机械各国对这些机械的称谓不尽相同,例如在美国称之为工程机械;俄罗斯和前苏联称筑路机械;日本则称建设机械尽管如此,这些机械的结构、原理、性能、特征、作用对象及应用场合却非常相似或相同施工机械包括铲土运输机械、工程起重机械、挖掘机械、压实机械、桩工机械、钢筋混凝土机械路面机械凿岩机械及风动工具、工程运输车辆等类型下面简要介绍各类机械的典型机种、结构特点及类型区分方法铲土运输机械推土机、装载机、铲运机、平地机土方机械挖掘机械单斗、多斗挖掘机石方机械破碎及筛分机械、凿岩机械、空气压缩机压实机械静力式压路机、振动压路机、轮胎压路机、夯实机械羊脚碾路面机械沥青混凝土搅拌设备、沥青混凝土摊铺机、水泥泥凝土搅拌设备、水泥混凝土摊铺机、稳定土拌和机、稳定土厂拌设备、粉料撒布机、沥青洒布机、公路沥青厂站设备桥梁工程机械冲击式打桩机械、振动沉桩锤、钻机、预应力张拉成套设备、架桥设备、隧道工程机械盾构机构、全断面隧道掘进机、臂式隧道掘进机、凿岩台车、钻机公路养护机械清扫机械、洒水车、除雪机械、除草机械、划线机械、路面铣削机械、沥青路面综合养护机械、水泥路面维修机械、沥青路面再生机械、乳化沥青稀浆封层机、沥青乳化设备铁路线路机械捣固机械、道碴清筛机、起拨道机械起重运输机械汽车吊、塔式起重机、龙门起重机、升降机
一、铲土运输机械铲土运输机械包括公路施工中常见的推土机、铲运机、平地机、装载机四种机械这些机械的作用对象是土壤、砂砾和其他松散物料,作用方式是“铲削”它们有结构外型不同的作业装置推土机有推土铲刀;铲运机有铲斗;平地机有刮刀;装载机装载铲斗虽然作业装置结构、外形各异,却也有共同之处,即都有对作用对象铲削较为合理的”工具”——都安装有刀刃或斗、齿;再则,作业时都是借助机械自身的移动将土壤(及其他作用对象)从“母体”剥离下来并将其移运一定路程这也就是铲土运输机械名称的由来
二、挖掘机械挖掘机械包括单斗挖掘机和多斗(轮斗式)挖掘机单斗挖掘机又可再细分成正铲挖掘机、反铲挖掘机、抓铲(抓斗)挖掘机和捞铲(拉斗)挖掘机四种各种挖掘机械都安装有挖斗,挖斗上又安装着利于刺入土壤或其他作业对象的斗齿(又称斗刺)挖掘机械特别是正铲挖掘机和反铲挖掘机,有强劲的开挖能力,像硬土、软石之类,通常推土机都难以铲削的作业面,挖掘机却可以自如地完成挖装工作土壤从“母体”被挖下之后,还需移位方可完成“弃土”或“装车”工序,但这不是靠挖掘机本身整体的平面移动实现的,而是靠挖掘机自身的某些组成部分发生相互位置的变动(例如单斗正、反铲挖掘机大臂的提升、下降、回转台的回转等动作)来实现,换言之,挖掘机虽然是自行式机械(本身有行走装置和行驶动力),但在实施挖掘作业时机械并不在作业现场移动,仅在需要调整挖掘点时才作短距离移动这是挖掘机械与铲土运输机械作业的动作区分特征
三、石方机械凿岩机械及风动工具是通常所称的石方机械(也包括石料破碎及筛分设备),主要用于石方工程,其中有采石作业、石方路堑开凿,傍山半挖半填石方路基、隧道建造等公路、铁路工程在国民经济其他部门,例如地下固体资源开采,城建改造工程中旧建筑物的拆除等爆破工程中也需配备这类机械,凿岩机械有凿岩机和钻孔机械;风动工具有空气压缩机风动凿岩机(风镐、风钻、射钉枪)和风动搬手等
四、压实机械公路施工机械化中,压实机械是被广泛采用的一种机械类型,在其他工程建设中压实机械也广为应用压实机械包括各种类型的压路机夯具、水泥混凝土振捣棒,压实机械的作用是使土壤或其他物体在机械的重力、冲击力或振动作用下,改变整体的结构排布,使之变成更加密实的状态,从而提高其强度和耐久性压实机械有的有行驶动力和行走装置,这便是自行式压实机械,压路机是典型代表;还有的压实机械没有行走装置或没有行驶动力,例如蛙式打夯机、拖式羊足碾、拖式凸块式振动压实滚手持式简单的木夯水泥振捣棒等压实机械给作业对象的作用力来源于自身质量或作业时产生的冲击力,或作业时产生的振动作用(击振力)
五、路面机械路面机械是公路路面施工机械化的主导机械所谓主导机械,是指完成施工作业必备的、不可替代的机械由于公路路面的结构层次不同,构筑材料不同,施工机械化的各个工序所用的主导机械也不同,简述如下1.路面基层(稳定层)施工机械稳定层施工机械有自行式稳定土拌和机(它是稳定层路拌法施工的主导机械)、稳定土厂拌设备、稳定土摊铺机(它们是稳定层厂拌法施工的主导机械)稳定上摊铺机又有自行式螺旋分料原理的摊铺机和推移式“V形分料板——犁形分料原理的摊铺机除此之外,如果路面基层采用碎、砾石结构时,其施工机械化中所用的主导机械则为碎砾石摊铺机
2.沥青路面施工机械路面面层如若采用沥青混凝土结构,其施工机械化中所用的主导机械有两类第一主导机械是沥青混凝土搅拌设备(通常为大型的固定安装的厂拌设备,也称沥青拌和站或沥青拌和楼);第二主导机械是沥青混凝土摊铺机,它是将拌制好的沥青混合料,在路面基层上摊铺成型的机械如上所述这两类机械是沥青混凝土路面施工机械化中不可或缺的两类主导机械3.水泥混凝土路面施工机械在水泥路面施工机械化中,如前所述,混合料的拌制和运输及传力杆的制作、安装所需的机械已划归钢筋混凝土机械;而水泥混凝土摊铺作业,是由滑模式水泥混凝土摊铺机或由轨道式水泥混凝土摊铺机完成的,它们是水泥路面机械化施工的主导机械
六、工程起重机械顾名思义,它是在工程建设中,以起吊重物为作业内容的机械工程起重机械有自行式、移动式和固定安装式三种起重机械起吊重物使之移动位置(平面位置和空间高度的变化)也仅仅依靠起重机机械自身的某些组成部分发生相互位置的变动来实现,与挖掘机械的挖掘作业颇有相似之处
七、桩工机械桩工机械是以打桩为目的专用机械房屋建筑行业中,为了建造符合承载能力的基础,应用桩工机械将桩打入地下,借助沉桩与所接触土壤的摩擦力,承托地上建筑物,公路、铁路的桥涵工程,有时为了建造水泥混凝土基础也需用桩工机械
八、钢筋混凝土机械钢筋混凝土机械包括钢筋加工及安装机械,水泥混凝土拌制、运送和灌注机械这类机械与设备,在房屋建筑行业应用较为普遍;在公路施工机械化中也会采用,例如修建水泥混凝土路面时,用于拌制和运输水泥混合料、架设传力打等但是,从机械分类的观点看,水泥混凝土路面施工机械化中所用的水泥混凝土摊铺机(滑模摊铺机和轨道式摊铺机)并未列入钢筋混凝土机械的范围、而划入到路面机械
九、工程运输车辆工程运输车辆是以运送工程材料和工程设备为服务对象的运输车辆,这类车辆常为轮式车辆,有较强的道路通过能力(机动性、越野性和运动速度)工程运输车辆有如下几种
①大型平板拖拉车主要运送大型或大宗工程材料和工程机械设备…
②倾翻式运输车主要运送工程建筑材料,这种车辆有自卸能力,靠车斗的倾翻(后倾或侧倾)可将车厢的物料自行卸出
③粉料运输车粉料运输车以运送粉状物料(水泥粉或粉石灰)为服务对象这种运输车辆本身配备粉料抽送泵,能将粉料抽入料箱或从料箱将粉料泵迭出去沥青和水泥混合料运输车沥青作为公路建筑材料,其运量是很大的,而沥青的流动性又是直接受温度影响的因此沥青运输罐车通常有良好的保湿能力,且罐内设有加温装置沥青运输罐车自身配备沥青泵水泥混合料运输车又称水泥运输拌和车这种车的装料罐呈纺锤状,安装在汽车底盘上由于运送的是水泥混合料,为了防止混合料在运送过程中发生离析,运输途中料罐不停地低速转动,该种运输车也配有自动卸料机构
⑤洒水车和沥青洒布车这两种车辆是液体运输、洒布车辆,都有贮罐和喷洒装置不同之处在于沥青洒布车的罐内安装了加热装置,而洒水车则不需要;另外它们都安装有液体泵送装置沥青洒布车安装的是沥青泵,而洒水车安装的则是普通的水泵
1.
1.5工程机械的基本组成1动力装置它是机械动力的来源建筑机械常用的动力装置有电动机、内燃机等建筑机械所用的电动机、内燃机等都是由专门工厂生产的标准化、系列化产品,不需自行设计只要根据建筑机械的设计要求成牛产需要,从有关设计手册中选用标准型号,外购即可它是任何机器不可少的核心部分2传动装置是用来传递运动和动力的装置它分为机械式、液压式、液力机械式及电动式等多种形式它不但可传递运动和动力,还可以变换运动的形式如将旋转运动变为直线运动或摆动等和方向正、反向转动和往复宣线运动等3工作装置这是建筑机械中直接完成生产任务的部件如卷扬机的卷筒、起重机的吊钩、装载机的铲斗等对它的要求是高效、多功能、适合于多种工作条件例如,挖掘机已发展到可换装数十种工作装置,除正、反铲外,尚可更换供起重、铲运、平地、推土、装载、钻孔、振捣、松土、高空作业架、集材叉、冲击机具等作业需要的工作装置4信号及操纵控制装置是提供信号和操纵、控制机械运转的部分5机架将上述的各部分连成一体,并使之互相保持确定相对位置的基础部分
1.2工程机械的动力装置除简易的手动机械如手动卷扬机、手动千斤顶、手动葫芦、手动弯盘机和手动喷洒机等没有动力装置外,一般建筑机械都设有动力装置来代替繁重的体力劳动这种动力装置称为原动机,常用的有如下几种1电动机在建筑机械中应用最广它由电网取电,启动与停机方便,工作效率高,体积小、自重轻当电源能稳定供应,建筑机械工作地点比较固定时,普遍选用电动机作动力电动机是定型产品,查找有关的机电产品目录,可按需要选用2内燃机工作效率高、体积小、重量轻、发动较快常在大、中、小型机械上作动力装置它只要有足够的燃油,就不受其他动力能源的限制这一突出优点,使它广泛应用于需要经常作大范围、长距离行走的或无电源供应的建筑机械3空气压缩机它结构简单可靠、工作迅速、操作管理方便,常为中小型建筑机械作动力装置,如风动磨光机、风动凿岩机等4蒸汽机它是发展最早的动力装置,虽设备庞大笨重、工作效率不高,又需特设锅炉,但其工作耐久、燃料低廉,并有可逆性.可在超载下工作,所以在个别建筑机械中还在用作动力装置,如大功率的蒸汽打桩机建筑机械除单独采用以上动力装置外,还可采用混合的动力装置,使驱动方便灵活例如柴油机、发电机和电动机的联合装置,由柴油机驱动发电机发电,再供给本机械上的各个电动机使用,大型挖掘机多采用这种混合动力装置
1.3建筑机械的传动装置
1.
3.1传动装置的定义图1—1所示为卷扬机的传动示意图电动机通过输出轴驱动传动装置,经胶带传动及减速器减速输出动力,再通过联轴器使工作装置中的卷筒回转,从而使缠绕于滚筒上的钢丝绳作升降重物的动作而作功由上可见,传动装置的任务主要是在动力装置与工作装置之间承扭着协调的作用,它是将动力装置的机械能传递给工作装置的中间装置,是建筑机械的重要组成部分因此,对它的合理设计和选用是机械设计工作中的一项关键课题,也是本课程的主要内容之一1.3.2传动装置的作用1减速与增速由于工作装置所要求的速度与动力装置的速度不相符合,常需设置增速或减速的传动装置使之协调如图l—l所示卷扬机,电动机施出轴的转速为450r/Mn,而滚筒的转速为30r/Wn,故须设置减速传动装置以满足工作装置滚筒的需要2变速许多工作装置的转速需要按工作要求进行调整若以调节动力装置的速度来实现往往是复杂而不经济的.有时是不可能的,而采用传动装置来实现变速却较简便3改变运动形式动力装置输出轴一般都是以等速回转运动形式输出机械能,而工作装置要求的运动形式却是多种多样的,如直线运动、回转运动、间歇运动等形式两者的不同运动形式的转换是依靠传动装置来实现的4动力与运动的传递与分配有的需要以一个或多个传动装置驱动若干个相同或不相同速度的工作机构此时传动装置不仅起传递动力和运动的作用,还起分配或汇集动力和运动的作用1.3.4初选传动类型的基本原则1尽量简化和缩短传动系统在满足机械使用要求的前提下,机械的传动系统腋尽量简短传动零件和其他零件的数量越少越好,这样可降低能量耗损及制造和安装的累积误差,并有利于提高机械的传动效率和运动精度为此,常采用传动比大的传动形式如蜗杆传动、行星轮系传动及螺旋传动等但是传动比大的传动形式往往效率较低2多级传动时要合理布置传动顺序在机械传动中,一般带传动或摩擦传动承载能力较小,传递相同扭矩时,结构尺寸较其他传动形式大但其运动较平衡,能缓冲减振,因此带传动应尽量布置在高速级链传动的瞬时传动比不准确.高速下易产生冲击,振动和噪声等,故应布置于低速级,并可在较高温度下工作蜗杆传动可以有较大的传动比,传动乎稳但效率低;适用于中、小功率及间歇运动的场合当其与齿轮传动同时应用时,最好布置于高速级3单件生产的低速、小功率机械,其传动应尽可能采用标准零、部件,缩短加工周期,而且可更好地保证质量,降低成本4工作环境恶劣时,应视具体情况选用如带传动因会摩擦起电,不宜在易燃易爆的工作场所采用气压传动则可用于多尘、南湿、湿度较高的工作环境5寿命要求方面,各种传动在保证精度和润滑的情况下,以轮传动的寿命最高,而链传动和摩擦传动的寿命较短液压和气压传动的密封件寿命较短,需定期更换6载荷、扔短大,有冲击、振动的建筑机械,或有变速、变换运动形式的工作装置,应考虑采用液压传动如混凝土搅拌运输车的搅拌筒.受力大旦有冲击振动负荷,又有变速和变换运动方向等特点,在传动类型选择时,优先选用了液压传动闭式系统,实践证明它使传动系统大大简化,故障率降低,较好地满足了搅拌运输车工作特点的要求》7合理分配传动比,各级传动比宜在其常用范围内选取,以保证符合各种传动形式的工作特点和结构紧凑8对生产批量较大的机械,选传动形式时,应对工艺性、经济性、可行性、可靠性等问题,借助电子计算机辅助设计、最优化设计方法等对各种传动方案作精确的比较.以寻求最佳的传动方式
1.4机械制造的常用材料
1.
4.1常用的金属材料常用的金属材料是钢和铸铁,其次是某些有色金属及其合金钢和铸铁是铁、碳合金含碳量小于2%者为钢;大于2%者为铸铁黑色金属以外的金属统称为有色金属1.钢钢具有良好的机械性能即强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等,还可以经过热处理进一步改善其机械性能和工艺性能即铸造、锻造、焊接、切削及热处理等性能工业用钢品种繁多,常按其品质、用途、化学成分等特点进行分类钢的品质优劣是按残存于钢中的有害元素硫、磷的含量高低来鉴别的钢的机械性能与其含碳量高低有关一般来说,钢中含碳量愈高,钢的硬度、强度上升;韧性、塑性下降,按钢中含碳量高低又分为低碳钢含碳量<o.25%=、中碳钢含碳量在0.25%~
0.6%、高碳钢含碳量>0.6%以下仅介绍建筑机械的零部件常用的钢1普通碳素钢,分为甲A、乙B、特C三类甲类钢按机械性能供应按其含碳量高低分为7级,1级含碳量最低,逐级升高钢的强度也相应增加而塑性降低它用于制造不重要的机械零件和建筑、桥梁的结构件,其中Q
215、Q
235、Q275最为常用乙类钢是按化学成分供应,它也有7种钢号,用B1~B7表示,钢号愈大含碳量愈高特种钢既能按机械性能又能按化学成分供应2优质碳素钢它有害杂质硫、磷含量较小,机械性能优于普通碳素钢广泛用于制造较重要的机械零件,使用时需要进行热处理“45号”优质碳素钢平均含碳量为0.45%常选作轴、键、活塞销等重要零件的材料按钢中含锰量不同,又可分为普通含锰量和较高含锰量两种优质碳素钢3普通低合金钢,即在普通碳素钢中加入少量合金元素如A
1、B,Cr、Mn等,其合金元素的总量≤5%,以改善钢的综合性能,或使钢具有某种特殊性能由于其强度比同等含碳量的普通碳素钢高得多.常可代替普通碳素钢作大型厂房、公共建筑、桥梁、船舶、车辆等大型钢结构以及大型建筑机械的构件、零件的材料4优质合金钢合金元素总含量>5%~10%者称中合金钢合金元素总含量>10%者称高合金钢由于高含量合金元素的加入,使其更具有耐磨、不锈、耐酸、耐碱、耐油脂、耐热、耐腐蚀等特殊性能经过热处理后,可用作制造弹簧、轴承、轴等重要零件5铸钢它是将钢水浇注到铸模中,形成具有一定形状和尺寸的毛坯材料主要用于制造一些形状复杂、体积较大,难以进行锻造和切削加工而又要求强度和韧性较高的零件它的编号方法,采用相应的钢号前冠以ZG符号.如ZG
45、ZG40Mn2等2.铸铁与钢相比,铸铁的机械性能较差,性脆不能辗压或锻造但铸造、切削性能好,可铸成形状复杂的零件此外,其抗压强度较高,减振性、耐磨性好,成本低廉,因而在建筑机械制造中应用甚广常用的铸铁有1灰铸铁断口呈灰色,应用极其广泛2球墨铸铁以铸铁中的石墨球状化而得名耐磨性、减振性也优于铸钢,且价廉3.有色金属及其合金铝、镁、铜、锡、铅、锌等及其合金统称为有色金属有色金属由于具有某些特殊性质,因而成为现代工业技术中不可缺少的材料之一在机械制造中多采用有色金属的合金材料,常用的有铜合金、铝合金、铸造轴承合金等
4.高分子材料高分子材料为有机合成材料,亦称聚合物它具有较高的强度,良好的塑性,较强的耐腐蚀性,很好的绝缘性,以及重量轻等优良性能,在工程上是发展最快的一类新型材料高分子材料种类很多,工程上根据机械性能和使用状况将其分为三大类1塑料主要是指强度、韧性和耐磨性较好的可制造某些机械零件或构件的工程塑料,它分热塑性塑料和热固性塑料两种2橡胶通常指经硫化处理,弹性特别优良的聚合物,有通用橡胶和特种橡胶两种3合成纤维指由单体聚合,强度很高的聚合物,通过机械处理所获得的纤维材料
5.复合材料所谓复合材料,是由两种或更多种物理和化学性质不同的物质由人工制成的一种多相固体材料实际上它存在于自然界中,有的已被广泛应用例如,木材就是纤维素和木质素的复合物;钢筋混凝土则是钢筋与砂、石、水泥和水经人工复合的材料等等由于它能集中组成材料的优点,并能实行最佳结构设计,所以具有许多优越的持性1比强度和比刚度高复合想料的这两项指标是各类材料中最高的见表l—22抗疲劳性能好如复合材料的碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸强度的70%一80%3减振能力强构件的自振频率与结构有关,并且同材料弹性模量与密度之比即比模量的平方根成正比复合材料的比模量大,所以它的自振频率很高,在一般加大速度和频率的情况下,不容易发生共振而快速脆断4高温性能好增强纤维多有较高的弹性模量,因而常有较高的熔点和较高的高温强度铝在400一500℃以后完全丧失强度,但用连续硼纤维或氧化硅纤维增强的铝复合材料,在这样温度下仍有较高的强度用钨纤维增强钻、镍或它们的合金时,可把这些金属的使用温度提高到1000℃以上此外,复合材料的热稳定性也很好5断裂安全性高增强纤维每平方厘米截面上有成千上万根隔离的细纤维,当其受力时,将处于力学上的静不定状态,过载会使其中部分纤维断裂,但它能随即迅速进行应力的重新分配,而由未断纤维将载荷承担起来,不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂,所以工作的安全性高复合材料除有上述特性外,其减摩性,耐蚀性以及工艺性均较好但因它是各向异性材料,横向拉伸强度和层间剪切强度不高;同时伸长率较低,冲击韧性有时也不理想复合材料的种类很多,具有代表性的纤维增强材料有,玻璃纤维玻璃钢、碳纤维、硼纤维、金属纤维等多种复合材料但目前因其成本高,使用受到限制1.4.2材料的选择原则选择材料是机械设计过程中一个重要环节同一零件如采用不同材料制造,则零件尺寸、结构、加工方法、工艺要求等都会有所不同因此,选择材料应该考虑三个主要问题1使用要求满足零件的使用要求是选材的基本原则使用要求一般包括零件的工作环境和受载情况、对零件尺J—和重量的限制、零件的重要程度等2工艺要求树料对工艺的要求包括毛坯制造、机械加工、热处理等大型零件且大批量生产时,宣应用铸造毛坯;大型零件只小批量生产时,可用焊接毛坯在自动车床上进行大批量加工的零件,应考虑材料的切削性能热处理是提高钢材性能的有效措施,对于需要进行热处理的零件,在选择材料时,还必须考虑热处理的工艺性3经济要求经济性首先表现为材料的相对价格当用价格低廉的材料能满足使用要求时,就不应选用价格高的材料材料选择还应考虑国家资源和供应情况,所选材料应尽量少而集中,以便采购和生产管理1.4.3选择材料的基本方法1以综合机械性能为主选材一般轴类零件、连杆、低速齿轮等要求有较好的综合机械性能.因此可选用中碳钢如45钢或中碳合金钢如《》Cr、40M6等2以疲劳强度为主选材在各种变载荷和冲击载荷作用下的零件如曲轴、弹簧、应选用疲劳强度较高的材料3以磨损为主选材有些零件工作时常因表面磨损而失效,选材时应注意材料的耐磨性,如受力不大而磨损大的零件可选用高碳钢、锰钢等耐磨材料1.5钢的热处理热处理就是将金属在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式,改变金属内部组织结构从而得到所需性能的操作工艺经过热处理的零件,可以使各种性能得到改善和提高,充分发挥台金元素的作用和材料本身的潜力,延长机械的使用寿命和节约金属材料所以热处理在机械制造中起着至关重要的作用常用的热处理方法如下1退火是将钢加热到一定温度,保温一段时间.随炉温缓慢冷却的热处理方法其目的是降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能、消除前道工序所产生的内应力,为下道淬火工序作准备2正火是退火的一种特殊形式不同的是保温后放在空气中冷却由于冷却速度较快,因而正火钢比退火钢具有较高的强度和硬度,并缩短了生产周期3淬火就是将钢加热到一定的温度临界点以上,保温后放入水中称为水淬或油中称为油淬,以极快的速度冷却下来的热处理方法由于快速冷却,淬火后能使钢获得较高的硬度、强度和耐磨性4回火淬火后的钢加热到比淬火加热的温度低的温度,保温后放在空气或油中冷却的处理方法目的是消除钢的内应力,降低脆性,提高塑性、韧性,获得满意的综合机械性能5调质是在淬火后进行高温回火的热处理方法对于重要零件,例如轴、轮等常进行调质热处理其目的是为了获得较高的韧性和足够的强度、硬度6时效处理是为了消除大型铸件加工时产生的内应力,以稳定其形状和尺寸的处理方法它有自然时效和人工时效两种前者是将进行粗加工后的半成品置于空气中存放半年到一年以上,使其内应力逐渐削弱,以便进行精加工但周期长、效率低后者则是在精加工前进行低温回火,然后缓慢冷却其效率高,但增加了造价7表面淬火热处理是将零件的表面迅速加热到淬火温度,内部温度仍较低,立即用水急速冷却,以提高零件的表层硬度和耐磨性,而内部仍有较好的韧性的热处理方法表面加热可用氧炔焰,高频、中频及低频电流等方法加热8表面化学热处理是通过改变零件表层的化学成分,从而改变表层组织和性能的化学处理方法如在低碳钢或低碳合金钢零件的表面渗入碳、或渗入氮元素,可以提高其表面的硬度和耐磨性在零件的表面同时渗入碳和氮原子的过程,叫做氰化,氰化过程虽较前两者短,但有剧毒,要注意安全
1.6公差与配合的基本概念
1.互换性从一批规格相同的零件中,任意取出一件,不经任何修配或辅助加工,就能立即装到机器上去,并能完全符合规定的使用性能和技术要求,这种性质叫做互换性零件具有互换性,有利于进行专业化、大批量生产,提高生产效率,保证产品质量,降低生产成本,同时可给机器的维修带来极大方便2.公差配合的基本术语和定义零件在制造过程小,由于机床精度、刀具磨损、测量误差和技术水平等诸因素的影响,加工的尺寸总是有些误差的为了满足零件具有互换性,就必须把零件的制造误差,控制在一个适当的范围内,这个尺寸允许的最大误差的范围称为公差对于相互配合的两个零件,有时要求装得松一些,有时要求装得紧一些两个零件这种相互结合起来时所要求的松紧程度,称为配合为了满足零件互换性,还要规定两个零件结合时的配合性质公差与配合是相互有联系的基本尺寸设计给定的尺寸它是设计人员根据实际使用要求,通过计算或类比方法决定的尺寸如图l—2所示的圆柱销中Φ20和40就是圆柱销直径和长度的基本尺寸实际尺寸零件加工后,通过测量所得的尺寸极限尺寸允许尺寸变化的两个界限值两个界限值中较大的一个称为最大极限尺寸,较小一个称为最小极限尺寸零件加工后的实际尺寸,如果介于两者之间,就是合格的零件,否则就是不合格的尺寸偏差某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差最大极限尺寸减去其基本尺寸所得的代数差称为上偏差.最小极限尺寸减去其基本尺寸所得的代数差称为下偏差,上偏差和下偏差统称为极限偏差实际尺寸减去其基本尺寸所得的代数差称为实际偏差偏差可以为正值、负值或零值国际上对孔、轴极限偏差的符号规定如下ES—孔的上偏差,EI一孔的下偏差es一轴的上偏差,ei一轴的下偏差尺寸公差允许尺寸的变动量公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值,也等于上偏差与下偏差之代数差的绝对值故公差为正值孔公差用TH,轴公差用TS表示上述术语及其相互关系如图1—3所示标准公差为了满足各种机器所需的不同精度要求,并减少刀具和量具等的规格,国家标准对于基本尺寸小于500mm的公差,作了标准规定并称之为标准公差标准公差又按照尺寸精度程度的要求分为20个等级,并称之为公差等级标准公差的大小不仅和公差等级有关,而且和基本尺寸有关其数值可查有关设计手册例1—1]已知孔的基本尺寸D=轴的基本尺寸d=30mm,孔的最大极限尺寸Dmax=30.023mm,孔的最小极限尺寸Dmin=30mm;轴的最大极限尺寸dmax=
29.980,轴的最小极限尺寸dmin=29.960删,求孔与轴的极限偏差及公差配合基本尺寸相同的相互结合的孔和轴公差之间的关系,由于孔和轴的实际尺寸不同,装配后可出现松紧不同的配合因此它分为间隙配合,过盈配合及过渡配合三类孔尺寸减去相配合的轴尺寸所得的代数差为正是间隙,为负是过盈,如图l—4所示介于两者之间为过渡间隙配合具有间隙包括最小间隙等于零的配合孔的最大极限尺寸减去轴的最小权限尺寸所得的代数差为最大间隙,孔的最小极限尺寸减去抽的最大极限尺寸所得的代数差为最小间隙过盈配合具有过盈包括最小过盈等于零的配合孔的最大极限尺寸减去轴的最小极限尺寸所得的代数差为最小过盈,孔的最小极限尺寸减去轴的最大极限尺寸所得的代数差为最大过盈过渡配合可能具有间隙或过盈的配合配合公差是允许间隙或过盈的变动量.其数值等于孔公差与轴公差之代数和1.6.3表面粗糙度是指被加工零件表面上的较小间距和微小蜂谷所组成的微观几何形状的特征主要由加工方法和其他因素造成它对零件的使用性能和寿命影响很大合理地规定表面租糙度,对零件的配合性质、耐磨性能、疲劳强度、工作精度和耐腐蚀性都有很大的意义表面粗糙度数值的大小,宜接影响到加工费用的高低,所以对它的选择,应在满足使用性能要求的前提下,尽可能选用较大的粗糙度值表面粗糙度一般用表面轮廓算术平均偏差Ra在加工件的表面上标注表示,xx为粗糙度的数值50~
0.012μm,数值愈大,表示粗糙度愈大1.6.4形状位置公差一个合格的机械零件,除了应控制尺寸误差和表面粗糙度外,还必须控制形状及位置误差因为前者影响配合的联结强度和刚度,耐磨性和寿命等;后者影响机械运动的平稳性、使用寿命和噪声大小等为了合理地限制这两种误差,国家标准规定了形状误差和位置误差的最大允许值——形状位置公差简称形位公差形状公差包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等6项位置公差包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动及全跳动等8项关于形位公差的符号及其标注方法可查阅有关机械设计手册思考题1.机器、机构、机械有何区别?2.对建筑机械有什么要求为什么说实行“三化“是一项重大技术政策?3.建筑机械由哪几部分组成各部分作用是什么4.传动装置的作用是什么常用传动装置有几种?5.什么是钢什么是铸铁两者有何区别6.什么是复合材料它有何特点主要有哪几种7.什么是钢的热处理钢的热处理有哪些方法其目的何在?8.一个所谓合格的零件.为什么还要进行形位公差控制第2章常用机构组成机构的所有构件都在同一平面内或在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构本章介绍常用的平面四杆机构、凸轮机构和间歇运动机构
2.1运动副及机构运动简图机构是由许多构件组合而成的,为了使构件组成具有确定运动的机构,构件需按一定方式活动地联接在一起,并按一定的规律相对运动,这种存在一定相对运动的可动联接称为运动副按照两构件间接触方式的不同,运动副可分为低副和高副两种1.低副两构件间以面接触而组成的运动副称低副它分为回转副和移动副两种如图2—1所示,回转副只允许两构件之间在一个平面内绕定点转动或在平行平面内绕同一轴线转动,故又称为铰链其中,两构件都末固定的铰链称活动铰链只有一个构件固定称固定铰链移动副所联接的两构件只能沿某一轴线相对移动2.高副两构件之间通过点或线接触所组成的运动副称为高副,如图2—2d所示的凸轮与从动件之间组成点接触的高副,而图2—26所示的一对相啮合的齿轮组成线接触的高副此外,常用的运动副有球面副图2—36和螺旋副图2—36所示,它们均属于空间运动机构机构部分的运动,仅取决于该机构中原动件的运动规律,而与构件的外形和运动副的具体结构无关,为了清楚地表示机构的运动特征,常用机构运动简图来表示机构2.2平面四杆机构平面连秆机构是由一些构件用低副回转副和移动副连接组成的平面机构,由于其接触表面一般为圆柱面或平面,故制造简单,易获得较高的制造精度,耐磨损,寿命长,因此在各种机械和仪器中得到广泛应用平面连杆机构种类很多,其中最简单的是由四个构件组成的平面四杆机构.它是研究多杆机构的基础2.2.1铰链四杆机构,当平面四杆机构中的运动副都是回转副时就称为铰链四杆机构,简称四杆机构,如图2-6所示就是一例,机构中,固定不动的杆AD称为机架,不与机架直接联接的杆BC称连杆,与机架、连杆相联接的杆AB和杆DC称为连架杆能作整周转动的连架杆称为曲柄,不能作整周回转的连架杆则称为摇杆根据两连架杆是否成为曲柄或摇杆,铰链四杆机构可分为三种基本形式曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构1.曲柄摇杆机构图2—6所示为铰链四杆机构,若两个连架杆中一个为曲柄,另一个为摇杆,则此机构称曲柄摇杆机构当曲柄作为原动件时,从动件摇杆作变速往复运动;当格杆为原动件时,曲柄为从动件摇杆作圆周运动其特征如下1急回特征在图2—6所示的曲柄摇杆机构中,曲柄AB在转运一周的过程中,有两次与连杆共线,这时摇杆分别位于两个极限位置C1D和C2D此夹角为摇杆的摆角Ψ,夹角θ称为极位夹角曲柄等速地转到ψ1=180+θψ2=180-θ摇杆CD从C1D摆动到C2D,所用的时间为T1,摇杆由C2D摆回到C1D,所用的时间为T2,因为曲柄作等速转动,其转角为ψ1>ψ2,相对应的时间T1>T2,平均速度υ2<υ1这种特性称摇杆的急回运动特性在机构中常用这个特性来缩短非生产时间,以提高生产效率反映摇杆的急回运动特性,一般用行程速比系数X表示,即上式表明,曲柄摇杆机构中,急回运动特性取决于极位夹角θ,夹角越大,K值越大急回性能也越明显θ=0,则表明该机构无急回特性2压力角与传动角图2—7所示的曲柄摇杆机构,原动件曲柄2通过连杆3作用于从动摇杆4的力Ft是沿着BC方向,它与C点的绝对速度VC之间所夹的锐角α称为压力角,显然,压力角愈小,Ft愈大,Fn愈小,有效功愈大,所以判断一连杆机构是否具有良好的传力性能,可用压力角的大小作为标志在实用中,为了便于度量,常以连杆与从动摇杆之间所夹的角γ来判断四连杆机构的传力性能,γ称为传动角γ与α互为余角,即γ=900—α;故α愈小,γ愈大,机构的传力性能愈好,反之就不利于机构中力的传递甚至产生自锁3死点位置在图2—6所示曲柄摇杆机构中,如以摇杆为原动件,当摇杆处于权限位置DC1,和DC2时,边杆BC和曲柄AB共线,如运动副中的摩擦与各杆的质量忽略不计,则摇杆通过连杆传递给曲柄的力将通过铰链中心A,该力对A点不产生力矩,所以不能推动曲柄转动机构的这种位置称为死点位置机构处在死点位置时将使从动件出现卡死或运动不确定的现象为了消除死点位置的不良影响,常用构件本身或飞轮等的惯性作用,或对从动曲柄施加额外力,以保证机构顺利地工作曲柄摇杆机构在机械中应用很多,图2—9所示的缝纫机驱动机构是以摇杆作原动件的曲柄摇杆机构,其踏板相当如摇扦.双脚踩动踏板而带动曲轴曲柄作整周回转,而大皮带轮同时起着飞轮作用,利用损性克服死点位置而使缝纫机连续工作由上可知,铰链四杆机构存在一个曲柄的条件为1曲柄是最短件;2最短杆与最长杆长度之和应小于或等于其余两杆长度之和如符合上述条件2,若取最短杆为机架,则得双曲柄机构;而取最短杆任一相邻杆为机架.则均得曲柄摇杆机构3R若取最短杆对面的杆件为机架,则得双摇杆机构当铰链四杆机构中的最短扦与最长杆的长度之和大于其他两杆长度之和时,取任何杆件为机架所组成的机构为双摇杆机构铰链四杆机构存在曲柄的条件可以归纳为条件一最短杆与最长杆的长度之和<其余两杆的长度之和;条件二在机架和连架杆中必有一杆为最短当最短杆为连架杆时,存在一个曲柄,形成曲柄摇杆机构;当最短杆为机架时,两连架杆均为曲柄,成为双曲柄机构如果不满足条件一,则此机构无曲柄,为双摇杆机构如果满足条件一,不满足条件二,即当最短杆为连杆时,则此机构亦无曲柄而成为双摇杆机构凸轮机构凸轮机构图2—21主要由凸轮、从动件和机架组成凸轮具有特定曲线轮廓或凹槽的构件,当它作等速转动或往复直线移动时,可使从动件按预定的运动规律作间歇或连续的直线往复移动或摆动凸轮机构的主要优点是结构简单、紧凑,工作可靠,只要正确地设计凸轮轮廓曲线,就可使从动件实现任意预定的运动规律,故广泛地应用于机械自动化操纵系统中第3章轴及轴系零部件轴是组成机器不可缺少的重要零件它用来支承传动件和旋转件,传递运动和动力
3.1轴的分类和材料1按照承载情况,轴可分为心轴、转轴和传动轴三种1心轴;用来支承转动的零件,只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴如铁路车辆的车轴图3—1;不随转动件一起转动的心轴称为固定心轴,例如自行车的前轴图3—23转铀工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴它是机械中最常见的轴,如汽车变速箱中的轴、起重卷扬帆齿轮减速器中的轴2按轴线形状的不同,轴可分为直轴、曲轴和钢丝软轴三种直轴--如汽车的传动轴图3—3曲轴--图3—4所示为四缸柴油发动机曲轴轴的材料轴所作时承受的应力是变应力,所以轴的失效常为疲劳损坏因此轴的材料应具有足够高的疲劳强度,应力集中敏感性小和良好的工艺性能等轴的材料主要采用碳素钢和合金钢常用的碳素钢为45钢,一般应对其进行正火或调质处理以改善它的机械性能不重要的或受载较小的轴.可采用Q
235、Q255等普通碳钢对于承受较大载荷、要求强度高、结构紧凑或耐磨性较好的轴,可采用合金钢常用的台金钢为40Cr、20Cr、20CrMnT;等3.2轴的强度计算在进行轴的强度计算之前,首先要分析轴上载荷的大小、方向、性质和作用点,把实际受载情况简化成计算简图,然后应用材料力学的方法进行计算大多数轴是在变载荷下工作的,因此,轴的强度计算,应根据受载情况,采取相应的计算方法对于只传递扭矩的传动轴,应按扭转强度条件计算;对于只承受弯矩的心轴,应按弯曲强度条件计算;对于既承受弯矩又承受扭矩的转轴,应按弯曲和扭转合成强度条件计算,此外,还应弄清楚轴上荷裁和应力的类型,以便选用相应的许用应力3.3轴毂连接为了传递运动和转矩,安装在轴上的齿轮、带轮等的轮毂,必须和轴连接在一起.这就是轴毂连接,也即是轴上零件的周向固定轴与毂连接固定的方法常借助于平键、楔键、花键和销.有时也采用过盈配合3.4滑动轴承轴承是支承轴及轴上转动件的部件按其表面相对运动的摩擦性质,它可分为滑动轴承和滚动轴承两大类滑动轴承结构简单、工作平稳、无噪声、能承受冲击、径向尺寸小因此,在重载、有冲击,或结构要求剖分的场合下,常采用滑动轴承此外,在低速、要求不高的场合也采用3.5.1滑动轴承的类型和结构滑动轴承按照其工作时的摩擦状态,可分为液体摩擦轴承和非液体摩擦轴承两类液体摩擦轴承适用于高速、重载和对旋转精度要求较高的场合滑动轴承按照承受载荷的方向,又可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三种
3.5滚动轴承3.
5.1概述滚动轴承是用于支承旋转或摆动件的部件它是用滚动元件球或滚子等并以滚动摩擦为基础来工作的轴承,是由专门的轴承厂生产的标准件滚动轴承的构造如图3—22所示,它一般由外圈l、内圈
2、滚动件3和保持架4组成外圈的内面和内圈的外面都制有凹槽滚道,滚动体在其间滚动保持架使滚动体彼此保持一定的距离,并沿滚道均匀分布,以避免滚动体的相互碰撞和磨损通常内圈与轴颈紧密配合并随轴一起转动,外圈固定在轴承座内不转动但也有外圈转动而内圈不动的为了满足不同的工作要求,滚动体有球形、圆柱形、圆锥形、腰鼓形等图3—22与滑动轴承相比,滚动轴承的主要优点是1.在一般工作条件下,摩擦系数小且较稳定机器起动及运转转矩小;2.径向间隙小,运转精度高;3.轴颈直径相同时,轴承的轴向尺寸小,可使机器的轴向尺寸紧凑;4.不用有色金属,标准化程度高,成本低,更换、维修都方便缺点是1.工作时振动及噪声大,减振能力及承受冲击载荷的能力较差;2.轴颈直径相同时,比滑动轴承的径向尺寸大;3.轴承不能剖分,在长轴中间安装轴承有时较难;4.高速时,作用在滚动体上的惯性力很大,所以其应用受到角速度的限制3.7联轴器和离合器联轴器和离合器是用来实现轴和轴之间的连接,使其一同转动并传递扭矩的部件联轴器只有在机器停车后经过拆卸才能使被连接轴分开;而离合器在机械工作时就能方便地使被连接的轴分离或接合联轴器和离合器大都标准化,所以通常可根据机械的工作要求,例如轴的同心度、载荷、速度、安装、维修、使用、外形尺寸、绝缘等方面的要求及生产条件选定合适的类型,然后按照轴的直径、转速和计算扭矩从标准中选择所需要的型号和尺寸联轴器按其内部是否有弹性元件,可分为刚性联铀器与弹性联轴器两大类后者因有弹性元件,故可缓冲减振,并可在一定程度上补偿两轴间的偏差;前者根据其结构特点又可分刚性固定式与刚性可移式两类可移式对两轴间的偏移量具有一定的补偿能力1.凸缘联轴器刚性联轴器中,应用最广泛的是凸缘联轴器它是由两个带毂的圆盘l、2组成两个园盘用键分装在两轴端,再用螺拴3将将它们联成一体如图3-29,相互配合来保证两轴同心,装拆时需要轴向移动,多用于不常拆的场合凸缘联轴器结构简单,但被连接的丙轴务必严格对中,否则,由于两轴的相对2.万向联轴器万向联轴器简称万向节,也是可移式刚性联轴器的一种它由两个叉形接头、一个具有相互垂直臂的十字形构件和销轴组成图3—31,十字轴3的中心与轴
1、2的轴线交点重合轴1通过十字轴将运动和动力传给轴2,该连接两轴间可有较大的角偏移牙嵌式离合器是靠牙齿的啮合来传递扭矩的,一般常用的牙型有矩形、梯形、锯齿形等矩形牙不便接合,它在工作中由于没有轴向分力,所以分离比较困难,牙的强度也较低,只适用于低速、手动的场合;梯形牙易嵌合,磨损后可以通过调整以消除牙间的间隙,从而减小冲击,牙根强度较高,能传递大的扭矩,所以应用广泛;锯齿形牙的强度更高,其结构特点适用于传递单方向的扭矩牙嵌式离合器的优点是结构简单,尺寸紧凑,啮合齿问无相对滑动,传递准确,传递功率较大;缺点是只能在低速或静止状态下按合2.摩擦式离合器摩擦式离合器是靠工作表面问的摩擦力F传递扭矩的,它能在不停车时将具有转速差的两轴连接起来同时还具有以下特点;过载时发生打滑,避免其他零件受损,起到安全保护作用,结合和分离灵活,结合时冲击力小;可通过摩擦面间的压力来调节从动轴的加速时间,减少冲击实现较平稳的结合因此它广泛地应用于需要频繁接合与分离的场合,如汽车、建筑机械及机床等机械中摩擦离合器的型式很多,应用最广泛的是圆盘摩擦离合器图3—35圆盘3以导向键与从动轴4连接,利用接合机构操纵滑环5施以轴向力,使圆盘3与圆盘2接合并被压紧当主动轴l转动时,靠两圆盘接合面间产生的摩擦力便将运动和转矩传给从动轴4若增大圆盘的径向尺寸,则可增大所传递的转矩摩擦离合器的型式很多,应用员广泛的是B盘摩擦离合器固3—35圆盘3以导向键与从动轴4连接,利用接合机构操纵滑环5施以轴61.轴的结构设计主要应考虑哪些问题2.轴的强度计算有几种备用在什么场合3为什么有的轴制造成阶梯形状4.根据轴受力情况,轴有哪三种各种轴的受力性质如何,各举一实例5.轴瓦和轴承村的材料有何基本要求,最常用的是什么材料6.轴毂的连接有哪几种各有何特点7滑动轴承多用在什么地方8.滚动轴承与滑动轴承相比有哪些特点9.进行滚动轴承组合设计时,应考虑哪些问题10.轴承为什么要润滑根据什么因素选择润滑剂11.选择联轴器时,应考虑哪些因素第4章挠性传动在机械传动中,带传动及链传动都是具有中间挠性件的传动.统称为挠性传动4.1带传动概述4.1.1带传动的组成和类型如图4-l所示.带传动主要由主动轮
1、从动轮2和带3组成由于传动带按一定拉力紧套在两轮上,它使带与轮的接触面间存有正压力当主动轮转动时,借助带与轮之间的摩擦力来传递运动和动力,所以带传动是一种摩擦传动传动带的类型很多,根据其横剖面的形状来区分,主要有矩形、梯形和圆形三种,它们分别称为平带、三角带和圆带,如图4—2所示三角带的横剖面之所以做成梯形,是因为三角带在有沟槽的带轮上工作,两个侧面是工作面,制成梯形的目的,在于利用楔形增压原理,使在同样大的张紧力的作用下能产生较大的摩擦力;或者说是为增大带与轮间的摩擦系数.以便获得较平带大得多的传动能力如果平带与三角带对轮轴的压紧力Q相同时,平带与轮间产生的极限摩擦力Ff=fQ=fN;而三角带与轮槽每一侧面上的正压力N=Q/2sInφ/2,其极限摩擦力Ff=2fN=fQ/sinφ/2当φ=400时已标准化f’=3f,即三角带传动的能力约为平带传动能力的三倍,因此,在一般的带传动中普遍采用三角带4.1.2带传动的特点1可以适应中心距较大的工作条件;2能缓和载荷冲击,运行平稳,无噪声;3过载时带在轮上打滑,可防止其他零件受损,起过载保护的作用;4结构简单,便于加工、装配和维修,成本低;5工作时产生弹性滑动,故不能严格保证准确的传动比6带的寿命短且传动效率较低;7由于带的张紧对轴有较大的压力,使轴及轴承受力较大由于上述特点,靠摩擦工作的带传动多用于传动比无严格要求且中心距较大的场合,一般带速v=5~25m/s,传动比i≤7,传递的功率P≤100kw4.2带传动的工作情况分析4.2.1带传动的受力分析与打滑传动带以一定的初拉力张紧在带轮上,在未工作前上下两边的拉力相等,均为初拉力F0如图4—4a传动时图4—4b,由于带与轮之间的摩擦作用,两轮作用在带上的摩擦力使进入主动轮的一边进一步拉紧,拉力由Fo增到F1,称为紧边;另一边则放松,拉力由Fo降到F2,称为松边,两边拉力差称为带传动的有效拉力Ft,也称为带传动的圆周力,即F1—F2=Ft4—1有效拉力Ft不是作用在某一个固定点上的集中力,而是带与轮接触面上各点摩擦力的总和设带的总长度不变,若带的材料符合虎克定律,则可认为带在紧边拉力作用下的增长量,等于带在松边拉人作用下的减少量,其紧松两边的拉力则有F1—Fo=Fo—F2或Fl+F2=2Fo4—2在初拉力一定的情况下,有效拉力是一个极限值当需要传递的圆周力大于该极限值时,带将沿着带轮发生全面滑动,这种现象称之为打滑出现打滑时,虽然主动轮还在转动,但带和从动轮都不能正常运动,甚至完全不动,这就使得传动失效打滑还会加剧带的磨损.这是带传动设计和使用时不允许的在带传动即将出现打滑的临界状态下,带所传递的圆周力最大,F2与F2的关系可用挠性体摩擦的基本公式即欧拉公式表示Fl=F2efa4—3式中f为带与轮之间的摩擦系数;a为带在轮上的包角接触弧所对的圆心角,单位rad;e为自然对数的底,e=2.718由以上三式可得从公式4—4可知,最大圆周力Fmax随Fo、f及a的增大而增大对于带传动,在一定的条件下f为一定值f由带与轮的材料而定,而且大轮上的包角α2总是大于小轮上的包角α1,上式中的角α在这里指的就是α1,摩擦力的最大值也取决于α1,所以打滑是从小轮上开始为了提高传动的承载能力α1不能太小对于三角胶带传动,一般小轮的包角α1>120,特殊情况下α1≥900从式4—4还可知,张紧力F0的大小是保证带传动正常工作的重要因素张紧力Fo过小,带压向轮上的正压力就小,传动带将容易在轮上打滑;张紧力过大,则带中初拉应力过大.使带失去弹性,降低使用寿命,因此Fo的大小要适当4.2.2带传动的弹性滑动及传动比带是弹性体,受拉力后会产生弹性伸长当带所受拉力由F1逐渐减至F2时,带的伸长随之逐渐减小并与带轮产生相对滑动,带绕出主动轮后其速度低于主动轮的圆周速度同理,带由松边绕过从动轮到紧边的过程中,情况正好相反,带的伸长也随之逐渐增大,带与从动轮之间也产生相对滑动,带绕出从动轮后其速度大于从动轮的圆周速度上述带在轮上因弹性伸缩而产生的相对滑动称之为弹性滑动它的大小与带的松紧两边拉力差有关拉力差愈大,带传递的圆周力愈大,弹性滑动也愈大弹性滑动使得从动轮的圆周速度低于主动轮,因此带传动没有准确的传动比应当指出弹性滑动与打滑不同,弹性滑动是带传动不可避兔的一种物理现象;而打滑只是在传动过载或传动装置维护不良时才会出现,它是可以而且应该避免的由于带的弹性滑动所引起的从动轮圆周速度的降低率ε称为滑动系数由上式可得带传动的传动比i为对于三角传动带,ε=
0.01~
0.02,在一般计算中常可略去不计此时4.3.1三角带轮的结构三角带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成轮缘——带轮外围环形部分,轮槽属于轮毂最边缘的部分轮缘的有关尺寸由带的型号决定轮毂——轮与轴相配合的部分轮辐——轮缘与轮毂间的连接部分,形式有1实心式图个9用于直径较小的带轮;2辐板式图4—10用于直径d≤350mm的带轮;有关三角带轮的结构尺寸、轮缘尺寸的选用可直接从有关手册中查取4.3.2三角带轮的材料三角带轮常用的材料是灰口铸铁,当v<25m/s时,用HT150;当V>25~30m/s时,用HT200;速度更高时,可用铸钢;小功率的带轮可用铸铝或工程塑料带轮要求质量轻,质量分布均匀,带与轮槽接触的工作表面要求光洁,以减少惯性力和胶带的磨损4.4带传动的张紧装置带工作一段时间后,由于带的伸长变形而产生松弛,致使初拉力减小,传动能力下降为了保证带传动的工作能力,需要定期检查和重新予以张紧图4—12是靠调整中心距的张紧装置,图a是将电机装在导轨l上,用调节螺栓2使电机在导轨上移动,达到需要的张紧程度后,再拧紧螺栓2将电机固定,它适合于两轴线成水平或倾斜不大的场合图b是将电机固定在可以摆动的机座上.用调节螺母1使机座2绕轴O摆动,以调整拉力,适用于两轴线垂直或接近垂直的带传动图c是利用电机及摆架的自重自动张紧装置图4—13是利用张紧轮的张紧装置,对于平型带,张紧轮应装在松边外侧,以增加小带轮上的包角,如图a所示,对于三角带张紧轮应装在松边内侧,使带只受单方向弯曲以减少寿命的损失,如图6所示4.5链传动4.5.1链传动的工作原理及应用链传动由主动链轮
1、从动链轮2和链条3组成,如图4—18所示以链条作为中间挠性件,靠链轮轮齿与链节相啮合来传递运动和动力与带传动相比,链传动是啮合传动,没有滑动,平均传动比准确,结构紧凑,作用在轴上压力小,承载能力大,传动效率高v>98%,能在温度较高、湿度较大、灰尘较多的恶劣环境中工作但它瞬时速度不均匀,高速运转不如带传动平稳,工作时有噪声无过载保护作用通常链传动的速比i<8;中心距a<5~6m;传递功率P<l00kw;链速v<15m/s因此,链传动获得十分广泛的应用链传动按用途不同可分为传动链,起重链及曳引链三种传动链主要用来传递动力,通常在中等速度v<20m/s=下工作起重链主要用在起重机械中提升重物,其工作速度不大于0.25m/s,曳引链主要用在运输机械中去移运重物,其工作速度不大于2~4m/s传动链按结构不同,主要有套简滚子链和齿形链两种齿形链传动比较平稳,承受冲击载荷的性能好,可用于高速或运动精度较高的传动装置中,但齿形链结构复杂,重量大,价格较高而套筒滚子链结构简单、成本低、是目前应用最广泛的一种传动链4.5.2套筒滚于链的结构和规格套筒滚子链的结构如图4—19所示.它由内链板
1、外链扳
2、销轴
3、套简4和滚子5组成内链扳与套筒,外链板与销铀分别压合在一起,销轴和套筒可相对转动滚子松套在套筒上,滚子在链轮齿间是滚动的,用以减少链与轮齿之间的磨损在传递大功率时,可采用双排链或多排链如图4-20所示链的承裁能力与链条排数成正比;但排数不宜过多,否则由于制造和装配精度的影响,各排链的受载不易均匀,所以双排链用得较多,四排以上的链用得较少套简滚子链已标准化,需要有关的技术参数,可查机械设计手册套筒滚子链的接头形式如图4-2l所示当链节为偶数时,链条封闭接头可用开口销或弹簧卡子锁紧如图4—21所示若链节为奇数时.则需采用过渡链节,如图4—21c所示由于过渡链节的链板受到附加弯曲作用,使强度削弱,应尽量避免采用奇数镀节4.5.3套筒滚子链传动的主要参数及其选择1.链轮齿数Z链轮齿数对链传动的平稳性和工作寿命影响很大齿数过少,传动不均匀性及动载荷增大,同时链轮的直径小,链条所传递的圆周力将增大,从而加速了链和链轮之间的磨损;但链轮齿数过多,会造成链轮尺寸和重量增大同时链条磨损后节距变长时,容易发生跳齿和脱链现象,缩短链的使用寿命对于套筒滚子链,规定主动链轮最小齿数Zmin=9一般情况下,Z1可按传动比的大小由表4—7选取大链轮的齿数由Z2=iz1确定,一般应使Z2<1202.传动比i由于传动比受链轮最少齿数和最多齿数的限制,且传动尺寸也不能过大,因此i一般小于6,推荐i=2~
3.5但在速度较低,载荷平稳且外廓尺寸又受限制时,允许i达到10传动比过大,将使链在小链轮上的包角过小,因而同时参加啮合的齿数少,将加速轮齿的磨损3.链节距p链节距p是决定链工作能力、链及链轮尺寸的主要参数p愈大链传动承载能力愈高但各部分尺寸也大,且链传动的运动不均匀性、附加动载荷及噪声等也随之增大因此,在设计时,应在保证承载能力的情况下,尽量选用较小的节距对于高速重载传动,通常采用小节距多排链允许采用的最大链节距可以根据主动链轮转速n1决定4.链传动的速度v由于链条是以折线形式绕在链轮上的,即使主动链轮以等角速度叫回转.链条的速度也是不均匀的,而是随时间不断变化的所以链传动的平均速度是其主要参数之一其平均速度可按下式计算式中n1n2——主、从动链轮的转速,r/min;P——链节距,mm;Z
1、Z2——链轮齿数提高链速,则链传动的附加动载荷、冲击、噪声也随之增大因此对链速必须加以限制,一般其最大链速vmin<15m/s如果链和链轮的制造、安装精度很高,链节距较小,链轮齿较多以及链用合金钢制造时,则链速允许超过20~30m/s5.链节数Lp和中心距a链的长度常用链节数Lp链节距的倍数来表示与带传动计算相似,当初选中心距a0确定以后,链的节数Lp可按下式计算计算出来的Lp,应当给予圆整,并最好取为偶数,以免使用过渡链节根据上式可以最后确定计算中心距a若链传动的中心距a过小,则小链轮上的包角也小,同时啮合的链轮齿数也少,而且总链节数Lp也减少当链速一定时,在单位时间内,同一链节受到变应力作用的次数增多,从而加速了链条的磨损若a过大,除结构不紧凑外,还会引起链条从动边的垂度过大,产生上下颤动现象,使传动运行不平稳因此,适宜的中心距a=30~50p,最大中心距amax<80p思考题与习题1.传动带的种类很多,为什么一般多用三角胶带为什么带传动能获得广泛应用2.何谓打滑何谓弹性滑动它们对传动有何影响各与哪些因素有关3.带传动所传递的最大圆周力与哪些因素有关4.分析小带轮直径d
1、中心距a、包角a1及带的根数Z对带传动有何影响5.与带传动相比,链传动有何特点6.链传动的主要参数及其选择?第5章齿轮传动5.1概述5.1.1齿轮传动的应用及分类齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动,它通过齿轮轮齿间的啮合来传递运动和动力,齿轮传动广泛地用于机床、汽车、拖拉机、起重运输、冶金矿山、建筑以及其他机械设备齿轮传动类型很多,按两齿轮轴线的相对位置可分为平行轴的圆柱齿轮传动直齿图5-1a;斜齿5-1b;人字齿5-1c相交轴圆锥齿轮传动图5–1de交错轴的螺旋齿轮传动和蜗杆传动图5-1fg按齿轮齿廓曲线可分为渐开线、摆线和圆弧齿轮等,其中以渐开线齿轮用得最为普遍按齿轮啮合方式可分为外啮合齿轮传动,见图5—1abc,两齿轮转向相反;内啮合齿轮传动,见图5—lh,两齿轮转向相同;齿轮齿条啮合传动,见图5—li,齿轮转动,齿条移动齿轮传动可做成开式、半开式和闭式开式齿轮传动没有防护罩和机壳,齿轮完全暴露在外边半开式齿轮传动只装在简单的防护罩内闭式齿轮传动是装在经过精确加工且封闭的箱体内,润滑及防护条件最好,多用于比较重要场合5.1.2齿轮传动的特点齿轮传动的主要优点是传递功率0~几万kW和速度0—150m/s的适用范围广;传动比稳定;效率高可达0.98—0.995;寿命长;结构紧奏,工艺性好;维护简单可靠主要缺点是成本较高,不适宜于两轴间距离较大的传动5.2渐开线标准直齿圆柱齿轮1.齿轮的基本参数1模数齿轮分度圆的周长可根据齿数Z和齿距p来计算,即πd=Zp,则d=pZ/π由此可见,π为一无理数,不但使计算颇为不便,同时对齿轮制造和检验也很不利为此,规定比值p/π等于整数或简单的有理数,作为齿轮几何尺寸的一个基本参数,用m表示齿轮的分度圆直径可表示成d=pZ/π=mZ,模数的单位为毫米显然,模数m是决定齿轮尺寸的一个重要参数,齿数相同的齿轮,模数大,则尺寸也大为了便于齿轮的制造和齿轮的互换性使用,齿轮的模数已标准化我国规定的标准模数系列见表5—1图5—5所示为不同模数时齿轮大小的对比2压力角齿廓在分度圆上的压力角α称为齿轮的压力角,我国规定标准齿轮的压力角α=200或1502.齿轮几何尺寸的计算齿顶高和齿根高h*a、h*f—分别称为齿顶高系数和齿根高系数c一一对齿轮啮合时,一轮齿顶与另一轮齿根之间的问隙规定c=c*m,c*称为径向间隙系数保留径向间隙是为了避免齿轮发热变形而发生卡死的现象,同时也为了便于贮存润滑油标准规定正常齿h*a=1,c*=0.25;短齿h*a=0.8,c*=0.30若一齿轮的模数、分度圆压力角、齿项高系数和齿根向系数均为标准值,而且分度圆上齿厚和齿槽宽相等,则该齿轮称为标推齿轮惭开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式列于表5—25.3.2渐开线齿轮正确啮合的条件在图5—7中,一对齿轮传动时,前一对轮齿在B1点啮合,后一对轮齿在B2点啮合由于两齿廓啮合点是沿啮合线进行啮合的,所以只有当两齿轮在啮合线上的齿距简称法节,用pN表示相等时,才能保证两齿轮的相邻齿廓正确啮合由渐开线性质知,啮合线上的齿距等于基圆上的齿距简称基节所以渐开线齿轮正确啮合的条件为基节相等即因为模数和压力角为标准值,所以满足上式的解,只能是m1=m2α1=α2由此可见,一对渐开线齿轮要正确啮合,必须使这对齿轮的模数相等,压力角相等5.3.3渐开线齿轮连续传动的条件一对齿轮啮合传动时.轮齿是一对一对地连续推动着,因为一对轮齿只能传递某一有限的角度所以只有当前一对轮齿在脱离啮合前,后一对轮齿必须进入啮合,才能保证一对齿轮的连续传动
5.3齿轮的失效形式及齿轮材料
5.
3.1齿轮的失效齿轮在传递动力时,载荷作用于轮齿上,使轮齿产生折断、齿面损坏等现象,致使齿轮失去正常工作能力,这种现象称为齿轮的失效常见的齿轮失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形1.轮齿折断齿轮工作时,若轮齿危险剖面的弯曲应力超过材料所允许的极限值,就发生轮齿折断轮齿折断是齿轮失效中最危险的一种,可能引起安全事故轮齿折断常发生在根部的危险剖面处,因为齿根处弯曲应力大,而且又有应力集中轮齿折断有两种一种是短期过载或受到较大冲击载荷时发生的突然折断;另一种是由于受到循环变化的弯曲应力的反复作用而引起的疲劳折断它的特征是,首先在根部发生一微小的疲劳裂纹,随着循环次数的增加,裂纹逐渐扩大,最后导致轮齿的折断,如图5—9a所示防止轮齿折断的方法是选择适当的模数和齿宽;采取合适的材料与热处理方法;减少表面粗糙度,减少应力集中2.齿面点蚀在润滑良好的闭式齿轮传动中,齿轮经过长期运转后,有时会发现在靠近节线的齿根面积上出现大大小小的坑状麻点,如图5—9b所示,这种现象称为点蚀点蚀产生的原因,主要是由于轮齿啮合时,接触面积很少,受载后表面产生较大接触应力,又加之该应力是循环变化的应力当接触应力及循环次数超过材料的接触持久极限时,在轮齿的表层就会产生微小裂纹,随着裂纹的扩展,就会有小块金属剥落下来.因而齿面出现凹坑,形成点蚀点蚀使渐开线齿廓表面受到破坏,影响传动的平稳性在闭式齿轮传动中,齿面点蚀是轮齿的主要破坏形式在开式传动中由于润滑和工作条件差,齿面磨损较快,点蚀来不及出现或扩展即被磨掉,所以一般看不到点蚀现象防止产生点蚀的方法是适当提高齿面硬度和减少表面粗糙度3.齿面胶合在高速重载的齿轮传动中,由于啮合区温度很高,润滑变稀,使油易于从齿的接触面挤出此外,两齿面金属直接接触并相互粘连,在传动过程中,两齿面相互滑动时,其中较软齿面上的金属沿滑动方向被撕下,而形成沟绞,见图5—9c这种现象称为齿面胶合它破坏了渐开线齿廓表面,引起振动冲击噪声防止齿面胶合的方法是选用粘性大或有添加剂的抗胶合润滑油;选用抗胶合性能好的材料;提高齿面硬度和减少表面祖糙度4.齿面磨损轮齿在啮合过程,两齿面间会产生一定的相对滑动,所以轮齿在受力时,两齿面间就产生滑动摩擦,使齿面产生磨损,见图5—9d在开式传动中,由于润滑条件不好,并有灰尘杂物之类硬质颗粒进入轮齿啮合面间,加剧齿面的磨损磨损严重时,就不能保证渐开线齿廓,造成传动不平稳、冲击增大,磨损到一定程度时,也会因强度不够而折断齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式为了减少齿面磨损,一般应尽量采用闭式齿轮传动同时提高齿面强度、降低齿面粗糙度和保持良好的润滑也能使磨损减少5.齿面塑性变形在低速重载的软齿面齿轮传动中,由于重载齿面间压力很大、低速,则齿面相互作用的时间较长,软齿面会沿摩擦力方向产生局部塑性变形,使齿面失去正确的渐开线齿形,影响传动的平稳性提高齿面硬度和采取粘度较高的润滑油,有助于防止或减轻齿面的塑性变形5.3.2齿轮材料由齿轮的失效分析可知,齿面应具有较高的抗点蚀、抗胶合、抗磨损和抗塑性变形的能力,而齿根应具有较高的抗折断的能力因此,齿轮材料应该满足齿面要有足够的硬度和表面强度;齿芯要有足够的韧性常用齿轮材料及机械性能见表5—3按齿面硬度和加工工艺不同,分为布氏硬度值HB≤350的软齿面和HB>350的硬齿面两种,硬度较高时用洛氏硬度HRC=55~65由于一对齿轮传动时,小齿轮运转时每个轮齿的运转次数大于大齿轮轮齿,而且其齿根厚度小于大齿轮,故选择齿轮材料时,应使小齿轮材料优于大齿轮,硬度大于大齿轮,一般HB1-HB2=30—70,HRC1-HRC2=3—55.4直齿圆锥齿轮传动及蜗杆传动5.4.1直齿圆锥齿轮传动圆锥齿轮用于传递两相交轴之间的运动和动力,轴间夹角一般Σ=900其顶圆锥、根圆锥、分度圆锥、基圆锥交于一点,轮齿沿锥体切线逐渐收缩,故有大端和小端之分轴线与分度圆锥切线的夹角称为半锥角δ如图5—17所示圆锥齿轮属空间齿轮,只有到锥顶等距离的点才能接触,即轮齿上的各点都是绕锥顶的球面运动直齿圆锥齿轮正确啮合条件以大端的参数为标准m1=m2=mα1=α2=200Σ=δ1+δ2一对标准渐开线直齿圆锥齿轮传动的几何尺寸,受力分析,强度计算可查阅《机械设计手册》
5.
4.2蜗杆传动1.蜗杆传动的组成和特点如图5—18所示,蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成,蜗杆形状如螺杆,一般为主动件,蜗轮是具有特殊形状的斜齿轮蜗杆传动通常用来传递空间交错成90的两轴间传动蜗杆传动的主要优点1传动比大在动力传动中,i=8~80,在分度传动中,i可达到l0002传动平稳由于蜗杆为螺旋齿,蜗轮齿与其啮合时,不但同时参加啮合的齿数多,而且啮合过程连续,故传动平稳、无噪声3自锁,当蜗杆螺旋升角λ小于接触面当量摩擦角时,反行程自锁,故安全可靠主要缺点1效率低.热耗大,不适合传递大功率2当润滑油不清洁或散热不良时,齿面容易发生胶合和磨损,因此.蜗轮的齿圈常用贵重的铜合金制造,成本较高蜗杆传动的类型很多,按照蜗杆的外形,蜗杆可分为圆柱蜗杆和弧面蜗杆如图5—19所示圆柱蜗杆按垂直于轴线截面内的齿廓形状不同又可分为阿基米德蜗杆,延伸渐开线蜗杆和渐开线蜗杆本节只讨论应用最广泛的阿基米德蜗杆,又称普通圆柱蜗杆2.蜗杆传动的主要参数1模数和压力角如图5—18所示,通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面,称为主平面2)蜗杆螺旋升角λ和蜗杆的特性系数qq称为蜗杆的特性系数模数一定时,q值增大,蜗杆直径d1增大,蜗杆刚度增大当蜗杆头数一定时,q值增大,蜗杆螺旋升角减小,传动效率降低—对蜗杆、蜗轮传动正确啮合条件是除在主平面内模数相等,压力角相等外,还需蜗轮的螺旋角β等于蜗杆螺旋线升角λ3蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2为了便于加工,蜗杆头数Z1=1~4当要求自锁或大传动比时,取Z1=1,但效率低对于动力传动,为提高效率,通常取Z1=2~4蜗轮的齿数Z2=iZ1,通常Z2=28~80思考题与习题1.渐开线齿轮为什么能得到广泛的应用2.渐开线齿轮正确啮合连续传动的条件是什么3.说明模数和蜗杆特性系数q的导出原理4.已知标准齿轮模数M=6,齿数2=20,求该齿轮的几何尺寸第6章液压传动液压传动是基于工程流体力学的巴斯卡原理,主要利用液体压力能的变化,来实现液体能与机械能的转换,传递动力,又称静液传动20世纪60年代以后,液压传动在各种机械中得到大量应用,在建筑机械中尤为显著,本章将主要讲述液压传动
6.1液压传动的组成和特点6.1.1液压传动基本原理什么是液压传动可通过分析一个简单的液压传动实例来认识图6—1是液压千斤顶的工作原理图在大、小两个液压缸9和2的内部,分别装有活塞8和3,活塞与缸体之间保持一种良好的配合关系,不仅活塞能在缸内滑动,而且配合面之间又能实现可靠的密封当用手向上提起手柄1时,小活塞3就被带动上升,于是小缸2下腔的密封工作容积便增大这时,由于起单向阀作用的钢球4和7,分别关闭着它们各自所在的油路,所以在小缸的下腔形成了部分真空,油箱12中的油液,就在大气压力作用下,推开钢球4,沿吸油管道进入小缸的下腔,完成一次吸油动作接着,压下手柄1,小活塞3下移,小缸下腔的工作容积减小,便把其中的油液挤出,推开钢球7此时钢球4自动关闭了通往油箱的油路,油液便经两缸之间的连通管道,进人大缸9的下腔由于大缸下腔也是一个密封的工作容积,所进入的油液因受挤压而产生的作用力,就推动大活塞8—上升,并将重物13向上顶起一段距离这样反复地提、压手柄1,就可以使重物不断上升,达到起重目的液压千斤顶是一个简单的液压传动装置,但从它的工作过程,可知液压传动的基本原理液压传动是以巴斯卡原理为理论基础,依靠密封容积的变化来传递运动,依靠液体内部的压力由外界负载所引起来传递动力从此看出,液压传动装置实质上是一种能量转换装置,使机械能转换为便于输送的液压能,随后又将液压能转换为机械能做功一般液压系统,常用各种容积式液压泵,将原动机输人的机械能变成压力能,施于液体工作介质,并传递给一定形式的执行机构——液压缸或液压马达,然后再转换成机械能输出6.1.2液压传动系统的组成由于工作要求不同,虽有各种不同液压系统,但都不外乎由下列五部分组成1液压动力元件主要是指液压泵,其功能是将原动机的机械能转换为液体的压力能2液压执行元件是指液压缸、液压马达,其功能是将液体的压力能转换为工作装置需要的机械能3液压控制元件包括各类阀,其功能是控制液体的压力、流量和方向,使工作装置完成预期的动作4液压辅助元件包括油箱、滤油器、油管、接头、密封件、冷却器和蓄能器等,其功能是在液压传动中协助和完善能量传递,保证系统正常工作它对液压系统的工作效率、工作寿命影响甚大,必须予以足够重视5工作介质即液压油,大多采用石油基矿物液压油,其他还有合成液压油,含水液压油等6.1.3液压油1.液压油的粘度粘度是液压油最重要的物理性质,也是正确选用液压油的主要依据当液体受到外力作用而发生相对运动时,其内部产生摩擦力或切应力的性质,称为液体的粘性,起阻止液体内部相互滑动的作用表示粘性大小程度的量叫粘度粘度的大小直接影响到系统的正常工作、效率和灵敏性表征粘度值的单位有动力粘度、运动粘度和相对粘度三种前两种粘度又称为绝度粘2.液压油的选择液压油的粘度是选择液压油的基本依据液压传动中一般采用矿物油在选择具体牌号时,除了按照泵、阀等元件出厂规定中的要求进行选择外,一般可作如下考虑1环境温度的高低及变化情况环境温度高时,应采用粘度较高的油;反之,应采用粘度较低的油例如,一般在严冬使用YA-N32液压油,而在盛夏使用YA—N68液压油2考虑液压系统中工作压力的高低通常工作压力高时,宜选择高粘度的油,反之,应采用粘度较低的油3考虑运动速度的高低油流速度高,宜选择粘度较低的油;反之,则反6.1.4液压系统图图形符号一个完整的液压系统由各类元件及管路等组成如果要用各个元件的结构图和它们的连接管路来表示整个液压系统,那么不仅绘制起来十分复杂,而且还难以将其原理表达清楚如果采用各种简单的图形符号来表示元件的职能和元件间的连系,则不仅清晰易懂,而且还节省很多工作量因此,熟悉液压元件图形符号的表达形式和意义,就显得甚为重要国家标准GB786—76液压图形符号标准对各种液压元件和管路等,作了图形和名称的规定现将部分常用液压系统图图形符号摘录于表6—1中6.1.5液压传动的优缺点1.优点液压传动与机械传动、电气传动等相比较,有如下主要优点1能实现无级调速,且变速范围大,最高可达11000以上,而最低稳定转速可低至每分钟只有几转因此,可用液压缸或液压马达直接获得低速强力或低速大扭矩的运动,无需用减速器;2体积小、重量轻,因此惯性小,启动及换向也迅速;3采用油液作工作介质,传递运动均匀、平稳、零件润滑好,寿命长;4操作简便,易于实现自动化,特别是电液联合使用时;控制精度高且灵敏;5过载保护装置简单,且能自动实现;
(6)元件易实现标准化、系列化,便于设计制造和推广使用2.缺点1液压传动系统中,由于存在着机械摩擦、液体压力油液泄漏等损失,总效率低于机械传动的效率2油温变化时,油的粘度也变化,使系统的效率、工作速度等均相应改变所以液压传动不适于在低温和高温条件下工作3因系统中有油液泄漏和在高压下管道的弹性变形等影响,传动速比不精确,不能实现定比传动,且因油液流经管路时有压力损失,故不适于远距离使用;4零件制造精度要求高,因而成本高;5发生效障不易检查和排除,且空气渗人液压系统后,容易引起系统工作不良,如发生振动和噪声等6.2液压传动的基本参数1.压力从对液压千斤顶的分析可知,液压缸内液体受外力作用后,会产生一种推动力,使大活塞能顶起重物,这种因外力作用而在单位面积上产生的推动力即是压力p可用下式表示p=F/A6—3A---活塞有效作用面积F——作用在整个活塞有效作用面积上的液压力在国际单位制sI制中.压力的单位是Pa帕;在实际工作中,有时遇到压力单位bar巴它们之间换算关系为1bar=1×105Pa在液压传动中,压力范围一般可分成表6—2所列的五个等级建筑机械大多采用中高压和高压液压系统2.流量的定义液压传动中,常用体积来度量流体的量,而不用质量或重量流量系指单位时间内,流过某一断面的液体体积数量若在时间t内,流过的液体体积为v,则根据定义,流量Q为Q=V/t6—5计算流量时,液体体积的单位是m3或cm3,时间的单位是s,故流量的单位是m3/s或cm3/s此外,我国通常使用的液体流量单位为L/min3.功率在液压传动中,功率系指动力元件所能传递液压能的能力,液压功率N一般可用下式求取N=pQw式中p——液压动力或执行元件油液的压力,Pa;Q——液压动力或执行元件油液的流量,m3/s;但常用的功率单位为kw,
4.效率指出功率N*与输入功率Nl的比值称为效率,一般以符号η表示v=岩‘—lo由于传动中不可避免地存在摩擦阻力和内、外泄漏容积损失等因素,在一般液压系统中,都存在着三种能量损失.即机械损失、液压损失和容积损失而与之相应的也有三种效率机械效率阳、液压效率v6和容积效率v9,这三种效率可分别用下列三式计算伽;午今6—11讨m——机械损失的功率;AA——液压损失所引起的压力降Q——柏液泄漏量对于液压泵、液压马达和液压缸,主要考虑机械效率和容积效率主要考虑窖积损失和液压损失6.3液压动力元件1.容积式液压机械的特点液压泵是液压系统内的动力元件,它将机械能转换为液压能压力与流量;液压马达是一种执行元件,将液压能转换为机械能转矩与转速在液压系统中所使用的液压泵和液压马达均是容积式液压机械它们有两个重要的工作特点;1.有形成容积变化的密封工作空间对泵来说,密封工作空间容积变大为吸油过程,变小为压油过程;对马达来说,密封工作空间容积变大为输入油液过程,变小为排油过程2.有与密封工作空间容积变化相协调的配油机构只要能实现上述两个基本要求,就能制造出泵和马达因此,目前泵和马达的种类很多,但在建筑机械液压系统中用得最普遍的是齿轮式、叶片式和柱塞式泵和马达齿轮泵有内啮合与外啮合两类外啮合用得较多,故下面只介绍外啮合式齿轮泵图6—4是齿轮泵的结构原理图它是由一对互相外啮合的渐开线齿轮、泵壳和两端盖板构成上部齿轮轴与原动机相连接,因而是主动齿轮,通过啮合作用,带动下部的从动齿轮旋转图示主动轮作逆时针方向旋转时,从动轮则作顺时针方向转动,结果其右例不断脱离啮合,油腔容积增大,形成一定的真空度,通过连接油箱的吸油管,将油箱中的油液吸入泵的右腔——吸油腔;齿轮的左阅,轮齿不断地进入啮合,油腔容积减小,被齿轮带到左侧的油液,受到挤压作用,形成高压的压泊腔,高压油连续不断地被排送到连接执行机构的压油管中去,用以克服外部负载泵的右侧吸油,左侧压油,整个过程连续地进行齿轮泵内泄漏油的地方多,如齿轮端面与端盖问,齿轮外因和泵体内孔问,以及两个齿轮的齿面啮合处等而对泄漏影响最大的是上述齿轮的端盖间的铀向间镣,因为此处泄漏面积大,而泄漏路程短,油的内泄漏量最大因此必须选择合适的轴向间隙各种不同形式的齿轮泵,也大都是围绕为减少铀向间隙及泄漏而设计制造的齿轮泵具有以下优点结构简单紧凑、体积小、重量轻、工作可靠、工艺性好、维修容易、自吸能力强,对液压油的污染不敏感,能使用粘性大的液压油6.4液压执行元件6.4.1径向柱塞液压马达如同发电机和电动机一样,液压泵和液压马达也是可逆的,它们在结构上基本相同土木工程机械的工作机构多为转速低而所需扭矩大,例如起重机的卷筒,履带挖掘机的履带驱动轮等,转速一般为100r/Min以下,而扭矩有时却要求若干个105N.m因此,使用高速马达时,还必须装上减速装置,使结构变得复杂,如用低速大扭矩的液压马达直接驱动工作装置,则机构可大为简化为了传递较大的功率,马达要具有较大的输出扭矩,才能实现低速理论上平均扭矩计算公式为M;罗从上式可知,如增加马达输出扭矩,可用增大压力夕和徘且g来达到因此.低速马达的工作压力多在10—20bDa,有的达到25—32Wao但是,压力增高要受到材料强度的限制因而增大排量g是低速马达增大扭矩的主要方向对于径向栓塞式液压马达,当柱塞排数为i、柱塞数目为2.其排量g可按下式计算g=子d’ALi刮八6·‘4式中矗——柱塞直径.M;A——柱塞行程,cm;2—一作用次数,即传动轴每转一转,柱塞往复运动的次数上式表明,增大众、A、i、2叔五个参数均可增大排量go但柱塞行程A和柱塞直径墨,往往要保持一定的比例关系,否则马达受力情况将会恶化,因此增大行程A的范围有限,现有低速大扭短马达,主要是以增加墨、z或x来增大排量的柱塞垂直于传动轴的液压马达为径向柱塞式液压马达它有单什用曲轴式和多作用内曲线式两大类前者是以增大柱塞直径众为主,而后者则是以增大柱塞数Z和作用次数2为主6.4.2液压缸液压缸与液压马达一样,也是液压系统中的执行元件不同的是,液压缸用来实现直线往复运动,或在一定角度内的回转摆动,而液压马达则用于旋转运动液压缸在建筑机械中的使用不但十分广泛,而且缸型也很繁多,然而其工作原理是类似的下面就建筑机械中常用的三类液压缸作简要说明1.双作用单杆活塞液压缸工作原理如图6—7所示其特点是活塞的一端有杆,而另一端无杆,即活塞是单出杆,所以活塞两端的有效作用面积不等当左、右两腔相继进入压力油时,即使流量及压力皆相塞往返运动的速度和所受的推力也不相等当无杆腔进油时,因活塞有效面积大.所E大,推力小6.5液压控制元件压力控制阀简称压力阀从工作原理来看,各类压力控制阀都是利用油压力对阀芯产生推力,与弹簧力平衡在不同位置上,以控制阀口的开度来实现压力控制常用的有溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀等1.稳压阀溢流阀溢流阀的作用一是在液压系统中用来限制最高压力,以防止系统过载,二是用于维持系统压力近似恒定,即稳压作用6.6液压传动的基本回路各种复杂的液压系统都是由较简单的基本回路所组成弄清基本回路的功能和特点分析已有的液压系统和设计新的液压系统.都是必不可少的根据功能的不同,液压基本回路分为三大类压力控制回路、速度控制回路和方向控獭回路属于各类基本回路的液压回路有多种,为了突出每个基本回路的特点,与基本回路功能关系不大的某些液压元件,在回路图中省略不画6.6.1压力控制回路压力控制回路是利用压力控制闽来控制油液的压力,以达到系统的过载保护、稳压、日压、增压、卸荷、保压、平衡以及缓冲等目的1.调压回路稳压回路1单级调压回路图6—20是一种最常见的单级调压回路,其中溢流阀能调定系统的最大工作压力通常它都置于液压泵的出口,以对泵和整个系统进行过载保护,即当负载在系统中造成的压力,超过溢流阀调定值时,泵输出的油液将经溢流闻流回油箱,以限制主曲路压力的进一步升高2多级调压回路当液压系统在工作过程中的不同阶段,需要两种或以上不同工作压力时,可采用多级压力调节回路图6—21是压力机液压系统用的两级调压回路如液压缸下降时为工作行程,此时系统应具有较高的油压液压缸活塞上升时为非工作行程,系统只需克服活塞和其他运动部件的重量,因而所需的油压较低为了节省功率消耗,并减少系统发热,在系统中用两个送流阀分别控制两种压力活塞下降时所需之油压,由高压溢流阎l来控制;活塞上升所需之油压,由低压攫流阀2控制2.减压回路对于用一个液压泵同时向两个以上执行元件供油的液压系统,若某个执行元件或支路所需的工作压力,低于送流阂所调定的压力,便可采用由减压阀组成酌减压回路图6—22所示为常见的一种减压回路系统中主回路的最大工作压力由送流阎调定有液压缸的分支油路所需压力比主泊路的压力低,为此在分支油路中串联减压闽和换向阀4来自液压泵的油液,在分支油路上流经减压阎时,由于阎口的节流损失而使油压降低调节减压阀的调压弹簧,便可获得低压油路所需之压力3.增压回路能够使泵输出的低压油增高压力的液压回路,称为增压回路该回路中的关键元件是增压缸,如图肥所示,活塞杆两头装有直径大小不相同的活塞,可在两端有效截面大小不同的蹭压缸内运动当向大腔左端输入低压油.活塞右移,小腔右端中的油液压力升高,高压油堵住工作油缸工作系统中难免得泄,补油箱中的油液,在活塞左移时可向系统中补油
6.
6.2速度控制回路建筑机械液压系统的执行元件,在作业时一般要求调速液压传动可以在保持原动机的功率和转速不变的情况下,方便地实现大范围的调速只要设计一定的速度控制回路,使流人执行元件的流量可变或液压马达的排员可变,就能实现调速1.节流调速节流调速依靠改变管路系统中某一部分液流的阻力.来改变执行元件的速度此法比较简单,并能使执行元件6.7.2推土机液压系统图6—36所示为一种推土机液压系统发动机带动齿轮泵1,将油箱中的油吸出,经泵后变成高压油,送往换向控制元件图中D为铲刀浮动位置,即铲刀升降液压缸的上、下腔与回油路、油泵均连通,此时铲刀以自重压在地面上,并随作业地面的高低而浮动安全阎2限制液压泵1的最高工作压力,起安全保护作用单向阀8用来防止当液压泵停止工作时,液压系统中的油液倒流和进入空气,它也用来防止换向阎在转换工作位置过程中,铲刀由于自重而下降如操纵四位六通阀3,就可控制铲刀升降油缸,使铲刀升降如操纵三位六通阀4和5,可分别控制松土器的升降和铲刀的侧面倾斜角度双作用安全阎
6、7,接在松土器液压缸的油路中,当松土作业时,换向阀4处于中间位置,使松土器液压缸呈封闭状态如果松土耙齿碰到障碍物,受到突然载荷时,有的迫使规齿向下,活塞杆被拉出的趋向此时液压缸小腔油液被压缩,压力剧增”肖达到安全阀6的调定压力时,阀6打开,油液流入液压缸大腔由于活塞杆被拉出,液压缸大腔容积增大,形成局部真主,从而通过单向阀向液压缸大腔补油;反之,当障碍物迫使耙齿向上时,活塞扦有缩回趋向,液压缸大腔排油,小胖补油单向补油阀9的作用当推土铲刀下降时.在铲刀自重作用下,下降速度越来越快,为避免形成局部真空,通过补油的单向阀9向液压缸大腔补油为了保持油的清洁设置滤油器10的.以防污物进入液压泵,影响泵和阀的正常工作单向阀ll是保护滤油器10.由于污物影响,nJ能使滤油器滤阻过大,此时,油液便打开单向阀11而流回油箱内燃机是绝大多数施工机械的动力装置,本章内容是学生学习工程机械课程的基础,其目标是使学生·熟知柴油机的工作原理和各机构、系统的功用及组成;·正确使用、维护、保养柴油机;·熟知柴油机在施工机械设备中作为动力装置的应用情况;7.2内燃机的一般构造与工作原理
7.
2.1内燃机的一般构造内燃机是动力机械的一种(其它蒸汽机,电动机),也是一种热力机,它是将燃料和空气在工作气缸内燃烧,将其中包含的化学能转化为热能,再经气体膨胀过程将热能转化为机械能的动力装置它是目前工程机械中应用最广的原动机之一内燃机种类很多,如柴油机、汽油机等,由于所用燃料不同而各有特色一般中小功率和吨位的汽车都用汽油机,大吨位的汽车和工程机械多数用柴油机作动力,故本章以柴油机为重点,并简单介绍汽油机的情况图7—2是单缸四冲程柴油机主要机构示意图机内有一个气缸,气缸内有活塞5可上下往复运动活塞通过活塞销6与连杆7相连,连杆的另一端则套在曲轴8的曲柄销上,而曲轴两端则又支承在气缸体的两个轴承上,当活塞往复运动时,就通过连杆带动曲轴转动曲轴末端还装有一个大飞轮气缸上部有气缸盖,使气缸内形成一个密封的空间气缸盖上设有两个气门,即进气门2和排气门1,气门则根据气缸的工作要求适时开启和关闭气缸盖上还有一个小空腔,与活塞顶构成燃烧室.喷油器3装在燃烧室朗顶部气缸盖上,柴油就通过喷油器适时的喷人燃烧室内柴油机所用燃料是柴油,工作时,首先让空气通过空气滤清器和进气门进入气缸内,将柴油通过喷油泵、喷油器直接喷入气缸内,和已被吸入气缸内被压缩的空气结合,在高压高温条件下自燃而产生热能汽油机则是通过汽化器使汽油和空气混合后被吸人气缸内,用强制点火的方式使其燃烧而产生热能因此在构造上汽油机就没有喷油器,而是在气缸盖燃烧室的位置上加装一个供强制点火用的电火花塞7.2.2内燃机的基本名词1.上止点和下止点活塞在气缸内作往复运动的两个极端位置称为止点活塞顶部在气缸内所能到达的最高位置,即活塞顶离曲轴旋转中心最远时的位置,称为上止点活塞顶在气缸内所能到达的最低位置,即活塞顶离曲轴旋转中心最近时的位置,称为下止点2.活塞冲程活塞从上止点到下止点的距离,称为冲程它等于曲柄长度的两倍曲轴每转一转,活塞要走两个冲程3.燃烧室容积活塞在上止点时、活塞顶上面的气缸容积,称为燃烧室容积4.工作容积上止点与下止点之间的气缸容积称为工作容积工作容积与气缸直径的平方以及活塞冲程成正比气缸直径越大,工作容积越大,内燃机所产生的功率也越大5.气缸总容积活塞在下止点时,活塞顶上面的气缸容积称为气缸总容积气缸总容积等于工作容积与燃烧室容积之和见图7—36.压缩比气缸总容积和燃烧室容积的比值称为压缩比压缩比表示活塞由下止点到上止点时,气缸内气体被压缩的程度压缩比越大,气体的体积被压缩得越小,而气体的压力和温度则越高,柴油机的压缩比通常为16~20,汽油机则一般为
5.5~
8.5柴油机的压缩比比汽油机高得多,原因是喷入气缸的柴油,要靠压缩终了气缸内的高温气体使柴油点火燃烧如果气体温度低于柴油自燃温度,柴油就不能着火,柴油机也就无法工作了7.内燃机的排量多缸内燃机指气缸数i>2的内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量,用符号Vl单位升表示7.2.3内燃机的种类和型号1.内燃机的种类在汽车、拖拉机上使用的内燃机种类很多,为了表示和区别各种发动机在构造和工作上的特点,对它们进行必要的分类1按所用的燃料分有汽油机、柴油机和煤气机2按气缸排列形式分有直立式和V形式直立式发动机各气缸呈直线式,气缸中心线在同一平面内直立式又分为立式和卧式V型发动机各气缸呈两行排列,彼此间有一夹角,当夹角成1800时又称为对置式,太脱拉—138汽车发动机气缸属V形排列,其夹角为7503按冷却方式分有水冷式和风冷式水冷式发动机较多,解放牌汽车、东方红拖拉机等的发动机都是水冷式风冷式发动机较少,德国道依茨和太脱拉汽车发动机为风冷式4按冲程数分有四冲程发动机和二冲程发动机四冲程发动机就是活塞移动四个冲程完成一个工作循环解放牌太脱拉-138汽车都是四冲程发动机二冲程发动机就是活塞移动两个冲程完成一个工作循环东方红-75拖拉机发动机是二冲程发动机5按气缸数分有单缸、双缸、三缸、四缸、六缸、八缸、十二缸发动机等东方红—75型拖拉机发动机是四缸的,解放牌汽车发动机是六缸的,太脱拉—138汽车发动机是八缸的2.发动机的型号发动机的型号是区别发动机类型的标志型号的含义及编制次序按国标GB725-65的规定如4146型发动机有4个气缸,气缸直径为146mm;6146型发动机有6个气缸,气缸直径为146mm有时还可在后边再加发动机的特征符号2135型、4135型、6135型发动机均属135系列,同—系列发动机的某些主要零件可以通用7.2.3内燃机的工作原理内燃机从空气和燃料进入气缸,到燃料燃烧做功后废气排出机外,这一过程称为工作循环对于往复活塞式发动机,凡是活塞往复两次,移动四个冲程才完成一个工作循环的,称为四冲程内燃机其四冲程分别是吸气冲程、压缩冲程、燃烧和做功冲程、排气冲程我们以下列方框图来表示在气缸中能量形式的转化过程1.单缸四冲程柴油机的工作原理1进气冲程曲轴转角由0~1800进气冲程开始时,活塞位于上止点,此时排气门2关闭,进气门l开启图7—4进气,随着活塞上部空间增大,空气经过进气管和进气门被吸入气缸活塞到达下止点时,进气冲程结束,进气门关闭,此时气缸内充满了新鲜空气2压缩冲程曲铀转角由l800一3600压缩冲程开始时,活塞由下止点向上移动图7—4压缩,此时进排气门关闭,因此气体在气缸内受到压缩,气体的压力和温度也随着活塞的上移而逐渐升高当活塞到达上止点时,气体的体积被压缩到最小,温度和压力则很高,温度可达500一700℃,压力可达
3.5~
4.5MPa,大大超过柴油的自燃温度约多330℃这样高的温度和压力,足以使喷入的柴油着火燃烧3燃烧和做功冲程曲轴转角由3600一5400燃烧和做功冲程开始前,活塞接近上止点时,一定量的柴油经喷油泵和喷油器以雾状微粒喷入燃烧室中,由于和室内的高温空气迅速混合而受到加热,随即着火燃烧图7—4燃烧,并放出大量的热能,使气体的温度和压力急剧上升,压力可达6~9MPa、温度可达1800~2200℃东方红—75型柴油机的最高温度为1750℃,压力可达6MPn高压气体作用于活塞顶上,推动活塞向下运动做功气缸内的气体随着活塞下移而膨胀,压力和温度不断降低,活塞到达下止点时,做功结束4排气冲程曲轴转角由5400一7200做功冲程结束后,气缸内充满了燃烧过的废气,此时进气门关闭,排气门打开,废气使通过排气门、排气管迅速排出活塞到达上止点时,排气冲程结束,排气门关闭图7—4排气柴油机从进气、压缩、做功到废气排出,活塞共走了四个冲程,曲轴转两周,完成了一个工作循环当活塞继续由上向下运动时,新的工作循环又开始了,就这样周而复始2.单缸四冲程汽油机的工作原理图7—5是单缸四冲程汽油机的工作原理图每一个工作循环也包括进气、压缩、燃烧做功、排气四个冲程与柴油机的差别在于1进气冲程中柴油机吸入的是纯空气,而汽油机则是汽油和空气的可燃混合气由简图可知,在进气通道上装有气化器,空气流经气化器时具有很高的速度,将吸出的汽油吹散和气化,并随同空气一起进入气缸2压缩冲程中汽油机的压缩比小于柴油机的压缩比,压缩比过大容易产生过早燃烧3燃烧和做功冲程柴油机是自燃,而汽油机则是由电火花强制点火,当活塞压缩到临近上止点时,火花塞及时放出电火花,使可燃混合气点燃,然后膨胀做功柴油机与汽油机两者比较,各有其特点汽油机具有转速高、重量轻、工作时噪声小、启动容易、制造维修费用低等优点,故在小客车和中小型载重汽车及军用越野车上得到广泛的应用其缺点是耗油率较高,因此燃料经济性差柴油机因压缩比高,耗油率平均比汽油低30%左右,且柴油价格较低,燃油经济除了上述四冲程的柴油机和汽油机外,尚有一种单缸二冲程汽油机二冲程汽油机与四冲程汽油机相比,其主要优点是曲轴每转中都做功,因而升功率每升气缸工作容积所发出的有效功率较大,约为四冲程汽油机的1.5—1.6倍运转比较平稳;且由于没有专门的配气机构,机构的结构比较简单,质量也较小,制造维修比较方便,但这种内燃机不能将气缸内的废气排除干净,而且换气要损失一部分做功行程,再加上有一部分新鲜可燃混合气与废气一起流失,所以经济性较差此外,由于曲轴每转都做功,气缸的热负荷较高这种二冲程汽油机多用在摩托车上或作为柴油机的启动机用3.多缸发动机的工作原理由中学物理所学的知识可知,在单缸四冲程发动机的每一工作循环的四个冲程中,只有燃烧膨胀冲程是对外做功的,其余三个冲程都是做功冲程的准备冲程,为做功冲程服务的、称为辅助冲程它们不仅不做功.而且还要消耗一定的功因此为了完成这三个辅助冲程,就必须在曲轴上装一个尺寸较大,重量也较大的飞轮,利用飞轮具有的惯性,使得曲轴能均匀旋转,由于飞轮必须做成具有很大的惯性,这将使整个发动机重量和尺寸增加同时,往复运动机件将引起很大振动,因此在汽车和大功率拖拉机上几乎不采用单缸发动机用得较多的是四缸、六缸和八缸发动机在多缸发动机中,情况就大不相同了,因为每个气缸所产生的压力,都用来推动同一根曲铀旋转,如果合理选择曲轴的形状和安排各个气缸的工作次序,就可使曲轴旋转均匀平稳,又可大大减小飞轮的尺寸和重量例如一个四缸发动机,曲轴转两转时,每个气缸都要完成四个冲程,如果把四个气缸的做功冲程互相错开,就可以保证曲轴在任何位置都有由某个气缸的活塞传来的推力作用在它上面,这样曲轴旋转的均匀性就大大改善了四缸发动机的曲轴和活塞位置如图7—6所示曲轴的连杆轴颈排列相隔1800当曲轴旋转时,第
一、四气缸的活塞同时上下,第
二、三气缸的活塞同时上下7.2.4发动机的总体构造与系统现代汽车发动机是一部较复杂的机器其结构型式很多,同一种型式的发动机的各个机构,其具体构造也是各种各样的下面以某一国产汽车发动机为例,介绍四冲程汽油机的一般构造参看图7—
71.机体机体包括气缸盖1,气缸体
15、下曲轴箱油底壳12机体的作用是作为发动机各机构、各系统的装配基体,而且其本身的许多部分又分别是曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系和润滑系的组成部分气缸盖和气缸体的部分内壁共同组成燃烧室的一部分,它是承受高压高温的机件2.曲柄连杆机构曲柄连杆机构包括活塞
2、活塞销、连杆
14、带有飞轮13的曲轴ll等这是发动机借以产生并传递动力的机构,通过它把活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力3.配气机构配气机构包括进气门
4、排气门
5、气门挺杆
6、凸轮轴l0及凸轮轴正时齿轮7由曲轴正时齿轮9驱动等它的作用是使可燃混合气及时充入气缸并及时从气缸排出废气4.供给系供给系包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、空气滤清器、汽化器、进气管、排气管、排气消声器等其作用是把汽油和空气混合成可燃的气体供人气缸,以备燃烧,并将燃烧产生的废气徘出发动机5.点火系点火系包括供给低压电流的蓄电池、将低压电流变成高压电流的断电器和点火线圈、把高压电流按规定时刻接通到各气缸火花塞上的分电器等点火系的功用是保证按规定时刻及时点燃气缸中被压缩的混合气6.冷却系冷却系主要包括水泵、散热器、风扇、分水管和气缸体以及气缸盖里铸出的水套其功用是把受高热机件的热量散到大气中去,以保证发动机正常工作7.润滑系润滑系包括机油泵、限压阀、润滑油道、机油滤清器和机油冷却器等其功用是将润滑油供给摩擦件以减少它们之间的摩擦阻力.减轻机件的磨损,并部分地冷却摩擦零件,清洗摩擦表面8.起动系起动系包括使发动机由静止到工作的起动机及其附属装置汽油机一股即由上述一个机体、两个机构和5个系统组成柴油机在构造上与汽油机有一定的差别,柴油机在进气行程中吸人的是空气,它不需要汽化器其燃料柴油的供给是由高压油泵产生高压油,通过喷油器来供给的不需要点火系3四行程柴油机的总体构造为了实现上述的能量转换过程,并能连续、长期、稳定地工作,柴油机由许多机构和系统组成,形成一个比较复杂的整体尽管柴油机的形式有多种,具体结构也有所区别,但都必须由机体、曲柄连杆机构、配气机构、柴油供给系、润滑系、冷却系、启动系组成机体组件包括气缸体——曲轴箱3.1.1气缸体——曲轴箱气缸体用来安装气缸套,曲轴箱用来支承曲轴曲轴箱分上、下两部分,上部分与气缸体铸成—体,称为气缸体——曲轴箱,或称为机体,图I—1—4为柴油机机体机体构成了柴油机的骨架,其内部、外部安装有柴油机所有零部件和附件机体的材料一舱采用灰铸铁工程机械传动系铲土运输机械的动力装置为柴油机,要实现机械的行驶作业,必须将其动力传递给驱动轮传动系就是将柴油机的动力传给驱动轮和其他操纵机构的铲土运输机械之所以需要传动系,而不将柴油机直接与驱动轮相连接,是由于现在广泛采用的注复活塞式柴油机的功率输出特性与机械的使用要求之间存在着许多矛盾如柴油机所具有的扭矩小、转速高和扭矩、转速变化幅度小的特点,与机械运行所需要的大扭矩、低转速和扭矩、速度变化幅度大之间存在着矛盾传动系的设置,正是为了解决这些矛盾一主离合器机械传动系中为什么要设置主离合器1)由于柴油机不能有载启动2)机械在作业中往往要求柴油机不停止运转;主离合器的作用中断动力的传递,以便能在机械起步和变速器换挡时,使柴油机动力和变速器分离开如图B—l—2中的主离合器20二液力变矩器为了进一步提高机械的使用性能,在近代施工机械酌传动系统中采用了液力——机械传动,设置了液力变矩器如图B—l—3采用液力传动的机械具有如下优点1能自动适应外界阻力的变化,使机械能在一定范围内无级地变更输出轴转矩与转速即当阻力增加时,则自动地降低转速,增加转矩,从而提高了机械的平均速度与生产率2提高了机械的使用寿命由于液力变短器是油液传递动力,能较好地缓和冲击,有利于提高机械上各零、部件的使用寿命3液力变矩器具有无级变速的性能,故可减少变速箱挡位和换挡次数,简化了机构,也可使机械在很低的速度下行驶,可使机械平稳起步,并能避免机械超载时的发动机熄火三变速器机械在作业时,要求牵引力和行驶速度在一定的范围内变化,并且要求在整个作业过程中,柴油机能提供足够的驱动功率,以保证机械具有较高的生产效率但是,柴油机输出功率是随转速和扭矩的变化而变化,为了能比较充分地利用其功率,其转速和扭矩的变化范围不能过大,这样就不能满足机械对牵引力和行驶速度变化范围大的要求,而且柴油机不能逆转,而机械却需要前进和后退为此,在传动系中设置变速器,其功用是改变柴油机与驱动轮间的传动比,从而改变机械的行驶速度和牵引力,以适应作业和行驶不断变化的工况需要;使机械能实现倒退行驶;实现空挡.即在柴油机运转和主离合器接合的情况下,使机械停车,使柴油机和传动系分离四主传动器和轮边减速器柴油机的转速高、输出扭矩小,但机械驱动轮却要求转速低,而驱动扭矩大例如KLm5Z装载机在良好路面上行驶时,所需的牵引力约为3590N左右,而柴油机的最大扭矩为830N·m14肋r/min,如果柴油机直接驱动车轮,车轮半径若按o.8m计算,则驱动轮上所能产生的牵引力为137N这远不能满足平路行驶的需要,更不用说进行作业了从行驶速度来看,如果驱动轮按柴油机最大扭矩时的转速为1400r/min,则行驶速度将达每小时300km以上这样高的行驶速度显然不符合实际需要由于上述情况,我们必须在柴油机的动力传送到驱动轮以前,降低其转速,同时提高扭矩为此在传动系中设置主传动器和轮边减速器,其功用是将柴油机传来的转速进一步降低,增大扭矩,主传动器还将变速器传来的纵向旋转运动变成横向旋转运动,以传给两侧驱动轮五万向传动装置在图H—l—ll所示的传动系中,设置了万向传动装置
4、60由于变速器和前、后驱动桥各总成的输入、输出轴都不在一个平面,而且有些相对位置并非固定不变,万向传动装置可以在两轴不同心或成一定角度的情况下传递扭矩,所以在传动系中,还设置了万向传动装置六差速器——半轴轮式机械在行驶和作业过程中,左右两侧的驱动轮由于转弯、路面高低不平或道路阻力不同、轮胎由于制造误差、气压差别、磨损程度不均匀、载荷不同等因素,使两测驱动轮以不同的速度转动若用一根整轴将两侧驱动轮刚性地连接起来,则两例车轮对地面必然存在两种运动状态即车轮沿路面的滚动和滑动车轮的滑动将加速轮胎的磨损,增加动力消耗,增加转向阻力因此左右驱动轮不能装在同一根轴上,直接由主传动器来驱动,而必须将轴分为左右两段,叫做半轴,由一个能起差速作用的装置——差速器,将两半轴连接起来,再由主传动器来驱动,以保证两侧驱动轮能以不同的转速旋转,从而避免驱动轮产生滑磨现象主传动器和半轴装在一个壳体中形成一个整体,叫做驱动桥通过以上设置,柴油机的功率输出特性和行走机构的使用要求之间的矛盾,就可以得到解决了,即满足了机械运行的一般要求第二章主离合器在铲土运输机械上,许多地方都采用了离合器例如机械传动系中设置的主离合器;液力机械传动系的动力换挡变速器中的换挡离合器;履带式推土机的转向机构中的转向离合器离合器按工作原理不同,有摩擦式、电磁式、液力式等,目前在铲土运输机械中采用最广泛的是利用摩擦原理来设计的离合器下面以机械传动系中的主离合器为例,分析其结构及工作原理4.1主离合器的功用和工作原理4.1.1主离合器的功用离合器的功用是1临时切断动力,便于变速箱换档;2使工程机械平稳起步而不产生冲击力;3便于发动机在完全无载的情况下起动;4通过摩擦式主离合器的打滑,可以防止传动系零件过载;5通过对主离合器的半联动操纵,使工程机械微动或慢动;6利用离合器分离,可以使机械短时间停车4.1.2离合器的工作原理离合器必须是主动部分和从动部分可以暂时分离、又可接合,并在传动过程中还可以使主、从动部分作相对转动的传动机构,因此,离合器的主动部分和从动部分不能刚性连接摩擦式离合器是利用两个或两个以上的摩擦圆盘问产生的摩擦力矩来传递扭矩的摩擦式主离合器由主动部分、从动部分、压紧分离机构、操纵机构组成,其结构原理如图1—17所示发动机飞轮是离合器的主动部分带有摩擦片的从动盘2和从动轴5为从动部分从动盘2铆接在从动盘毂6上,从动盘毂借滑动花键与从动轴5相连,并可在轴上滑动弹簧4为压紧机构,它将从动盘2压紧在飞轮l的端面上发动机的扭矩就靠飞轮与从动盘接触之间产生的摩擦作用传到从动盘上,再经由从动轴5和其后的传动系各传动件,传给驱动轮此时,离合器处于接合状态踏板3和套在从动盘毂6环槽中的拨叉为操纵机构欲使离合器分离,驾驶员踩下踏板3,拨叉便使毂6和从动盘2克服弹簧4的压力向右移动,从动盘2和飞轮1脱离接触,两者之间摩擦作用消失,中断了发动机传给从动盘的扭矩,此时,离合器处于分离状态4.2离合器应满足的要求及类型4.2.I要求工作性能良好的离合器,在结构上必须满足下列要求1离合器在任何工况下,应能可靠地传递发动机的最大扭矩,并有适当储备;2从动部分的转动惯量要小,以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击,同时也便于换挡;3接合要平顺柔和,分离要迅速彻底;4离合器应具有吸振、缓和冲击和减少噪声的能力,能使传动系避免扭转共振;5散热性能要好,具有足够的吸热能力,以保证工作温度不致过高;6操纵应轻便,以减轻驾驶员的疲劳;7结构简单、紧凑,调整、维修方便4.2.2类型1离合器根据从动摩擦盘的数目,可分为单片式、用多片式2根据离合器的压紧机构,可分为弹簧压紧常压式、杠杆压紧非常压式弹簧压紧常压式,其摩擦表面经常处在接合状态只需单向操纵,使其分离杠杆压紧非常压式是用杠杆机构压紧,杠杆机构既是压紧装置,又是分离装置在杠杆机构上施加作用力,离合器可长期保持在接合或分离状态3根据摩擦片助工作条件,离合器可分为干式和湿式两种湿式离合器的摩擦片在油液中工作.其冷却条件和工作稳定性较好4离合器按照操纵机构划分,可分为机械式、液压式和气动式第一节湿式杠杆压紧式主离合器铲土运输机械作业时,主离合器离合频繁,尤其是推土机最严重干式离合器因为摩擦片磨损快,需要经常调整,操纵力又大,因而不能适应大功率履带式工程机械的要求湿式离合器在油液中工作,由于油液的循环流动,降低了摩擦表面的温度,带走了摩擦表面磨下来的磨屑,因而提高厂摩擦片的使用寿命采用湿式后摩擦系数降低为原值的1/3一l/4,但又不能使主离合器尺寸增大,只有从提高摩擦面承载能力即比压力着手,因此采用了承载能力大,耐磨的铜基粉末层代替了干式离合器用的石棉铜丝材料在结构相同,传递相同扭矩的情况下,湿式摩擦片的正压力要相应增大3~4倍,操纵力也要相应增加,为了减少司机的废劳,湿式离合器装有油压助力器,使操纵轻便推土机湿式离合器结构如图3一l所示一主动部分由中间主动片、后压盘和油泵齿轮等组成中间主动片和后压盘通过外齿和发动机飞轮内齿连接.可相对飞轮作轴向移动后压盘通过销子与承压盘连接,见图3—2油泵齿轮可以驱动油压助力器油泵,其轮毂用螺钉与承压盘连接,经衬套空套在离合器轴上当发动机运转时整个主动部分是转动的二被动部分见图3-1,由两片被动摩擦片
3、一个被动鼓2和离合器轴1组成被动摩擦片通道内齿和被动鼓外齿连接被功鼓和离台器轴通过花键连接离合器轴的前端以滚柱轴承支承在飞轮的孔中,后端以滚柱轴承支承在离合器壳上被动片如图3—3所示,由两块烧结有铜基粉末冶金的钢板铆接而成.钢板之间有六个碟形弹簧等距分小在摩擦片平均半径的圆周上,因此被动片的摩擦表面形成一个有六个波峰波谷的凹凸表面,此凹凸表面在离合器接合时逐渐压平,使主离合器接合平稳,分离时碟形弹簧又能帮助片与片之间分开使分离较彻底铜基粉末冶金摩擦系数高而稳定指问是湿式而言,耐磨性好,承载力和导热率大,在油中不变形摩擦片上有螺旋槽和径向槽,油液流经表面便于散热和带走磨屑三压紧分离机构压紧分离机构,见图3-2,由分台套筒
7、推杆
11、压紧滚子
12、离心块
5、分离弹簧3等组成分合套筒在装上分离圈调整环后组成一体再月销子、卡环固定,离心块用销轴装在调整环上,推杆两端通过销轴分别与分合套筒和离心块相连在与离心块相连的一瑞套有压紧承压盘的压紧滚子动作情况参看图3—4,离心块的形状使旋转所产生的离心力在压紧时帮助压紧,分离时帮助分离当然,离合器分离主要还是靠分离弹簧将后压盘拉向后移主离合器的压紧力的调整,是通过松开压紧锁板的螺帽,转动调整环,改变离心块支点位置来进行调整到主离台器操纵力在150N左右无液压助力时,有液压助力时只有20~30N并能听到推杆过垂直位置清脆的响声即可调整好后将螺帽旋紧,靠压紧锁板的摩擦力防止调整环松动四液压助力器主离合器的液压助力器如图3—5所示液压助力器内以下部分组成阀体与助力器壳体构成一体、活塞可在阀体孔中作轴向滑功、阀杆可在活塞轴孔中作轴向滑动而在其伸出端用一连接杆和操纵杠杆相连、两个弹簧插在阀杆和活塞之间、接头座拧在活塞的伸出端以及装在阀体内的安全阀接头座用作球形接头的支座球形接头则与拨叉臂—体液压助力器活塞的运动,经内拨叉臂作用到主离合器内的松放架上如此结构使得即使液压助力器丧失油压,扳动操纵杠杆仍能拨动松放架,因为阀杆和活塞之间经由弹簧相连系.不过这种情况下驾驶员要施加较大的作用力助力器在中间位置,弹簧保持阀杆使处在液压平衡状态这时,进入助力器的压力油直接回油离合器接合时助力器位置如图3-5a所示5.液力变矩器5.1液力变矩器的组成和工作原理液力传动的内容第1节液力偶合器与液力变矩器第二节液力变矩器的特性第三节液力变拒器的类型和应用第四节液力变矩器在工程机械个的应用第五节液力变矩器杠发动机的组合第6节液力变矩器的补偿系统第一节液力偶合器与液力变矩器
一、液力偶合器的原理和结构图2—1为液力偶合器的示意简图,图2—2为一种液力偶合器的结构如图2一l所示,在发动机曲轴1的接盘上,固定着偶合器外壳2叶轮3与外壳2刚性连接并与曲轴一起旋转,构成液力偶合器的主动部分,称为泵轮与从动轴5相连的叶轮4,则为液力偶合器的从动部分,称为涡轮泵轮和涡轮统称为工作轮在工作轮的环状壳体中,径向排列着许多叶片涡轮4装在密封的外壳2中,其端面与泵轮3端面相对,二者之间留有一定间隙约3~4mm当工作轮旋转时,叶片所分隔的内腔中的工作液也被叶片带动一起旋转在离心力的作用下,工作液力图从叶片内缘向外缘流动因此,在叶片外缘处压力较高,而内缘处压力较低其压力差决定于工作轮的半径和转速由于泵轮和蜗轮的半径是相等的,故当泵轮的转速大于涡轮转速时,泵轮叶片外缘的液压大于涡轮叶片外缘的液压,于是工作液不仅随着工作轮绕图2—1之轴1和轴5的轴线作圆周运动,并且在液压差的作用下,依图2—1所示箭头方向作循环流动为了减小液流阻力,泵轮与涡轮装合好后,其液流断面略呈圆形,叫循环圆因此、液体质点的流线形成环形螺旋线图2—3循环圆中循环流动的液体质点,在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中,泵轮对其作功,使其圆周速度和动能渐次增大;而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中,其圆周速度和动能则渐渐减小故液力偶合器的传动过程是泵轮接受发动机传来的机械能,传给工作液,使其动能提高,然后再由工作液将动能传给涡轮因此,液力偶合器实现传动的必要条件是工作液在泵轮和涡轮之间有循环流动,而这种循环流动的产生,是由于两个工作轮转速不等,离心力也就不等,使两轮叶片的外缘处产生液压差所致故液力偶合器在正常工作时,泵轮转速总是大于涡轮转速如果二者转速相等,液力偶合器就不能起传动作用由于液力偶合器用液体作为传动介质,泵轮和涡轮之间没有刚件联系,两者之间允许有很大的转速差因此装用液力偶合器,可以保证工程机械平稳地起步和加速,衰减发动机传给传动系的扭转振动防止传动系与发动机过载,还可以减少换档次数以及在行驶和停车时换档而维持发动机怠速运转,从而延长传动系和发动机有关部件的寿命液力偶合器只能传递力矩,不能改变力矩大小,这一点相似于机械联轴节,因此,有时也称作液力联轴节由于液力偶合器不能改变所传力矩大小,因此在工程机械中用得不多本章将着重介绍液力变矩器液力变矩器的原理和结构最简单的液力变矩器图2—4主要由三个具有叶片的工作轮组成,即可旋转的泵轮4和涡轮3,以及固定不动的导轮5各工作轮通常用高强度的轻合金精密铸造,或用钢板冲压焊接而成泵轮4通常与变矩器壳2连成一体,用螺栓固定在发动机曲轴1后端的接盘上壳体2做成两半,装配后用螺栓连接或焊成—体涡轮3经从动轴7传出动力导轮5则固定在不动的套管6上所有工作轮在变矩器装配好以后,共同形成环形的内腔图2—5为天津PYl60型平地机的液力变矩器的结构和无因次特性曲线,为常用的三元件单相式此液力变矩器壳体装在发动机飞轮壳上由飞轮驱动其泵轮各工作轮的叶片用铝合金铸成液力变矩器和液力偶合器的相同点是,工作时贮于环形内腔中的工作液,除有绕变矩器轴的圆周运动以外,还有在循环圆中沿图2—4中箭头所示方向的循环流动,故能将扭矩从泵轮传到涡轮上液力变矩器在作用上不同于液力偶合器的是,液力偶合器只能传递力矩,不能改变力矩大小,液力变矩器则不仅能传递力矩,而且能在泵轮力矩不变的情况下,随着涡轮的转速不同反映工程机械作业或运行时的阻力,改变涡轮输出的力矩数值液力变矩器之所以能改变力矩,是由于在结构上比液力偶合器多了一套固定不动的导轮在液体循环流动的过程中,固定不动的导轮经液流给涡轮一个反作用力矩,使涡轮输出的力矩不同于由泵轮输入的力矩显然,此时涡轮力矩MW数值上大于泵轮力矩MB时,液力变矩器起了增大力矩的作用当液力变矩器输出的力矩,经传动系传到驱动轮上产生的牵引力,足以克服工程机械起动时的阻力时,机械即起步并加速,与之相连系的涡轮转速nw也从零逐渐增加这时液流在涡轮出口处不仅具有沿叶片方向的相对速度w,而且具有沿圆周方向的牵连速度u,因此冲向导轮叶片的液流的绝对速度v应是二者的合成速度,如图2—76所示因原来假设泵轮转速不变,故循环圆中液流在涡轮出口处的相对速度w不变,因涡轮转速在变化,故牵连速度u起变化由图可见,冲向导轮叶片的液流的绝对速度v将随着牵连速度u的增加即涡轮转速队的增加而逐渐向左倾斜、使导轮上所受力矩值逐渐减小当涡轮转速增大到某一数值,由涡轮流出的液流正好沿导轮出口方向冲向导轮时,由于液流流经导轮其方向不改变,故导轮力矩Md为零,于是泵轮对液流的作用力矩Mb与液流作用于涡轮的力矩MW数值相等、即MW=Mb若涡轮转速nw继续增大,液流绝对速度v继续向左倾,如图中v所示方向,液流对导轮的作用反向,形成背压,导轮力矩方向与泵轮力矩方向相反.则涡轮力矩为泵轮与导轮力矩之差,MW=Mb-Md.这时变矩器输出力矩反而比输入力矩小当涡轮转速nw增大到与泵轮转速nb相等时,由于工作液在循环圆中的循环流动停止,Mw=0,不能传递动力上述变矩器在泵轮转速nb和力矩Mb不变的条件下,涡轮力矩MW随其转速nw变化的规律可用图2—8表示,此即液力变矩器的特性液力变矩器的传动比i指输出转速即涡轮转速nw与输入转速即泵轮转速nb之比i=nw/nb<12-2这—点与机械传动传动比的定义恰好相反,机械传动中传动比i为输入轴转速n1与输出轴转速n2之比液力变矩器输出力矩即涡轮力矩Mw与输入力矩即泵轮力矩Mb之比称为变矩系数,一般用K表示,即K=MW/Mb5.2液力变矩器的类型液力变矩器的类型有很多下面对施工机械中常用的液力变矩器类型简述如下1按功率是否分流,可分为液力变矩器和液力机械变矩器;2按布置在循环圆内两工作轮泵轮与导轮或导轮与导轮之间的蜗轮数多少,分为单级液力变矩器图1—23和多级液力变矩器图1—24图中以B、T、D分别表示泵轮、蜗轮、导轮单级液力变矩器结构简单,工作可靠,变矩系数一般为3—4多级液力变矩器的各级蜗轮彼此刚性相连,变矩系数虽较大,但结构复杂.价格高,而且不能转换成液力偶合器工况,所以应用较少单级液力变矩器根据蜗轮在循环圆中的布置不同,可分为向心式蜗轮、轴流式蜗轮和离心式蜗轮三种形式,如图1—25
(3)按工作轮相互配合作用的数目多少,可分为单相、两相、三相等液力变矩器
(4)相互配合作用数目的变换,一般采用自由轮机构或其他方法如离合器、制动器来实现图l—23所示的单导轮综合式液力变矩器就是单级二相式液力变矩器图1—26为单级三相式液力变矩器6变速器的工作原理目前,施工机械中多采用机械换挡变速器和动力换挡变速器两种结构形式变速箱的作用是1增扭减速,降低发动机转速,增大扭矩;2变扭变速,工程机械作业时,牵引力变化范围大,而内燃机转速和扭矩的变化范围不大,即使用液力机械式传动,采用液力变矩器也个能满足要求,因此必须通过变换变速箱排档以改变传动系的传动比,改变工程机械的牵引力和运行速度,以适应阻力的变比;3实现空档,以利于发动机启动和发动机不熄火的情况下停车;4实现到档,以改变运行方向6.1机械换挡变速器机械换挡变速器是通过操纵机构来拨动齿轮或啮合套进行换挡在变速器中,齿轮与轴的连接情况有如下几种,如图l—27所示图a为固定连接表示齿轮与轴为固定连接,齿轮在轴上不能移动图b为空转连接表示齿轮通过轴承装在轴上,可相对轴作转动,但不能发生轴向移动图c为滑动连接表示齿轮通过花键与轴连接,可作轴向移动,但不能相对铀转动6.1.1拨动滑动齿轮换挡如图l—27d所示,双联滑动齿轮a、b用花键与轴相连,拨动该齿轮使齿轮副a--a’或b—b’相啮合,从而改变了传动比,即所谓换挡6.1.2拨动啮合套换挡如图1—27e所示,齿轮c’、d’与轴相固连;齿轮c、d分别与齿轮c’、d’为常啮合齿轮副但因齿轮c、d是用轴承装在轴上,属空转连接,不传递动力,啮合套与轴相固连,通过拨动啮合套上的齿圈分别与齿轮c或d瑞部的外圈相啮合,将齿轮c或d与轴相连,从而实现了换挡6.2动力换挡变速器近年来,在铲土运输机械的传动系统中,广泛使用液力变矩器液力变矩器虽然能在一定范围内自动地、无级地改变传动比,但由于变矩器存在变矩能力与效率之间的矛盾,而且目前应用的液力变矩器变矩系数都不够大约K为3左右,难以满足使用需求,所以在传动系统中,要有一个与液力变矩器相配合的变速器由于液力变矩器不能彻底切断动力,与其相配合的变速器也必须适应动力不彻底切断的情况,而且可以在机械行驶中进行换挡动力换挡变速器可以不切断动力,利用液压离合器或制动器换挡液压油是由发动机带动的油泵供给的动力换挡变速器按轮系形式分为定袖式和行星式6.2.1定轴式动力换挡变速器如图l—28所示,齿轮a、b用轴承支承在轴上,与轴是空转连接,通过相应的换挡离合器分别将不同挡位的齿轮与轴相固连,从而实现换挡6.2.2行星式动力换挡变速器行星齿轮式动力换挡变速器具有结构紧凑、传动效率高、结构刚度大,输入和输出为同心轴等优点,故在施工机械上得到广泛的采用行星齿轮变速器是由若干个基本行星排组合而成的基本行星排如图l—29所示基本行星排由太阳轮
1、齿圈
2、行星架
3、行星轮4组成行星轮4同时与太阳轮1和齿圈2相啮合,在两者之间起着中间轮倍轮作用,其轴线在空间旋转,与外界连接较困难基本行星排只有太阳轮l、齿圈
2、行星轮架3与外界联系,故称为行星机构的三个基本元件从机械原理中,我们已知三元件的转速关系为式中n1——太阳轮转速;n2——齿圈的转速;n3——行星架转速;k——行星排特性参数(k=Z2/Z1)Z2——齿圈齿数;Z1——太阳轮齿数行星机构中的三个基本元件,均可根据传动要求,分别作为期人、输出和固定件如图1—30a,若将齿圈固定,运动由太阳轮,传至行星齿轮4,此时,行星齿轮一方面作自转,同时,其轴心绕太阳轮作公转,图示结构中,行星轮轴的回转方向与太阳轮回转方向相同如图l—30b,若将行星架3固定,运动由太阳轮传至行星齿轮,再由行星齿轮传递给齿圈,使齿圈旋转,齿圈的转向与太阳轮的转向相反要想获得与上述相反的输出回转方向,可增加一组行星齿轮,如图1—30cTY220推土机变速箱的倒挡就采用此种传递形式行星轮机构根据不同的选择,可得到六个不同的传动方案如图l—30d所示7万向传动装置7.1万向传动装置的功用和组成在铲土运输机械底盘的传动系中,当两根轴线不重合,而且轴线夹角还经常发生变化,的两轴之间在传递动力时,用一根整轴与两端刚性连接,显然是不行的例如TY220推土机的液力变矩器与变速器之间;装载机的变速器与前、后驱动桥需要采用万向传动装置进行动力传递万向传动装置的功用是在两轴不同心或成一定角度的情况下传递扭矩万向传动装置—般由万向节和传动轴组成目前铲土运输机械的传动系统中,多采用普通十字轴刚性万向节,这种万向节允许两轴交角在150一200之间7.2普通十字轴刚性万向节7.2.1普通十字轴万向节的构造图1—3l所示为用得较多的一种普通十字轴刚性万向节两万向节叉2和6上的孔分别活套在十字轴4的两对轴颈上这样,当主动轴转动时,从动轴既可随之转动,又可绕十字轴中心在任意方向摆动为了减少摩擦损失,提高传动效率,在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有由滚针8和套筒9组成的滚针轴承也有用滑动轴承的为了防止轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出,套筒用螺钉和轴承盖l固定在万向节叉上,并用锁片将螺钉锁紧为了润滑轴承,十字轴做成中空以贮存润滑油,并有油路通向轴颈润滑油从注油嘴3注入十字轴内腔为避免润滑油流出及尘垢进入轴承,在十字轴的轴颈上套装着带金属座圈的毛毡油封7在十字轴的中部还装有带弹簧的安全阀5如果十字轴内腔所加的润滑油过多以致油的压力大于允许值,安全阀即被顶开而润滑油外溢,使油封不致因油压过高而损坏7.2.2普通十字轴万向节的传动特点普通十字轴万向节传动,如图1—32所示,主动叉轴l以等角速度ωl旋转,通过十字轴3带动从动叉轴2以角速度ω2旋转,主动轴与从动轴之间的夹角为α其角速度ω2的变化情况利用传动过程中两个特殊位置来说明如图1—32a所示,主动叉在垂直位置,十字轴平面与主动轴垂直时,十字轴3上A点在该瞬时的圆周速度可以从叉轴1和叉轴2两方面求出如图l—32b所示,主动叉在水平位置,十字轴平面与从动轴垂直时,十字轴3上B点在该瞬时的圆周速度也可以从叉轴1和叉袖2两方面求出由以上分析可知,主动叉由垂直位置转至水平位置,从动叉轴的角速度由ω1/cosα,变为ωcosα,由此可推论,若主动叉再转过900,则从动叉轴角速度又变至ω1/cosα,变化周期为1800因此,普通十字轴万向节传动特点是主动轴以等速转动,从动轴的转动是不等速的,这种不等速的程度随两轴间夹角α的增大而增大,当轴间夹角为零时从动轴才可能等速旋转由于从动轴的角速度呈周期性变化,从动轴被周期性地加速和减速,使从动轴及相连零件除传送扭矩之外,还要承受加速、减速所产生的惯性力矩,这将对传动系零件的使用寿命产生不良影响7.2.3普通十字轴万向节传动尊循的条件为了消除单万向节瞬时不等速的缺点,可以采用两个普通万向节串联安装的方式,如图l—33采用双万向节串联组合,并满足以下条件,就可保证其等速传动1输入轴、输出轴及传动轴的轴线均在同一平面内;2第一万向节两轴夹角α1,等于第二万向节两轴夹角α2;3第一万向节从动叉与第二万向节主动叉在同一平面内但是在实际使用中,机械行驶时,由于驱动桥位置的不断变化,不可能保证在任何时候α1=α2故此部件间的传动只是近似等速7.3传动轴的结构特点传动轴是万向传动装置的组成部分之一,这种轴一般长度较长,转速高,并且由于所连接的两部件如变速器与驱动桥间的相对位置经常变化,因而要求传动轴长度也要相应地有所变化,以保证正常运转为此,传动轴结构一般具有以下特点1目前广泛采用空心传动轴图1—34中之4这是因为在传递相同转矩情况下,空心轴具有更大的刚度,而且重量较轻,可节省钢材2传动轴的转速较高为了避免离心力引起剧烈振动,故要求传动轴的质量沿圆周均匀分布此外,在传动轴与万向节叉装配以后,要经过动平衡试验,用加焊小块钢片图l—34之5的办法获得平衡平衡后应在又和轴上刻上记号,以便拆装时保持原来二者的相对位置3传动轴上通常有花键连接部分,如图1—34所示传动轴的一端焊有花键接头轴2,使之与万向节套管叉1的花键套管连接这样传动轴总长度允许有伸缩变化花键长度应保证传动轴在各种工况下,既不脱开,也不顶死为了润滑花键,通过油嘴注入润滑脂,用油封和油封盖防止润滑脂外流有时还加防尘套如图l—34中之3,以防止尘土进入传动轴另一端则与万向节叉6焊成一体为了减少花镑轴与套管叉之间的摩擦损失,提高传动效率.有些机械上已采用滚动花键来代替滑动花键,其构造如图1—35所示由于花键轴与套管叉之间是用钢球传递动力,当传动轴长度变化时,因钢球的滚动摩擦代替了花键齿的滑动摩擦,从而大大减小了摩擦损失有的施工机械,由于变速器或分动箱到驱动桥主传动器之间距离很长,如果用一根传动轴,因其过长,在运转中容易引起剧烈振动为此,将传动轴分成二根或三根短的,中间加支撑点履带式推土机和轮式装载机的传动系履带式推土机和轮式装载机由于其操纵机动灵活,作业效率高,在工程施工中得到了广泛的应用该模块介绍了履带式推土机和轮式装载机的用途和总体构造;重点分析了底盘的传动系、行驶系、转向系、制动系的功用、组成及基本工作原理等基本知识履带式推土机传动系有两种形式机械传动系和液力机械传动系在机械传动系中,动力的传动路线为发动机一主离合器一联轴器一机械换挡变速器一主传动器一左、右转向离合器、制动器一最终传动一驱动链轮在液力机械传动系中,由液力变矩器取代主离合器,变速器为行星齿轮动力换挡变速器推土机的转向是利用转向离合器和转向制动器的配合完成的推土机行驶时,履带被引导轮铺在地面上,支重轮在履带的滚道上滚动,然后由驱动轮驱动卷起向前推进,使推土机行驶轮式装载机的传动系广泛采用液力机械传动,其动力的传动路线为发动机一液力变矩器一动力换挡变速器一万向传动一主传动器一差速器一轮边减速器车轮装载机的转向是利用前、后车架相对偏转一定的角度实现的在传动系统中设置主离合器、液力变矩器、变速器、万向传动装置、主传动器、差速器、轮边减速器最终传动的目的是为了解决柴油机的功率输出特性和机械行走机构的使用要求之间的矛盾第六章轮胎式工程机械驱动桥轮胎式工程机械驱动桥由主传动、差速器、半轴、轮边减速、后桥壳等零部件组成轮胎式工程机械驱动桥的作用是通过主传动装置锥齿轮改变传力方向,通过主传动装置和轮边减速装置将变速箱输出轴的转速降低、扭矩增加,通过差速器解决左右轮差速问题,通过差速器和半袖将动力分传给左右驱动轮除传动作用外,驱动桥还是承重装置和行走支承装置采用轮边减速作用是(和不采用轮边减速相比较),能解决更大的传动比,可以降低主传动、差速器的齿轮、半轴上传递的扭矩、减小这些部件的尺尺寸减轻重量,保证—定的离地间隙一主传动I.主传动器的作用及类型主传动器的作用是降低转速、增大扭短即传动比及改变旋转轴线的方向一般主传动器都是齿轮式,其中又有单级图2—18a和双级图2—18b之分单级式主传动器由两个经常啮合的锥形齿轮组成;双级式主传动器由两对经常啮合的齿轮组成,其中一对为锥形齿轮,另一对为圆柱齿轮双级式主传动器的传动比较单级式大,因此,多用于中型和大型汽车上二差速器为什么使用差速器?1.转弯时,外侧车轮走过的距离要比内侧车轮走过的距离大;2.在高低不平的道路上运行时,左右轮走过的距离总是不等的;3.当左右驱动轮轮胎气压不等,胎面磨损程度不同、或左右负载不均时,轮胎滚动半径总是不绝对相等的1.差速器的作用及工作原理轮式机械在行驶过程中,经常需要使左、右两侧的驱动轮以不同的速度旋转例如在转弯时,同一时间内,外侧车轮所滚动的距离要比内侧车轮大图2—20若两侧的驱动轮固定在一根轴上,则由于两轮的旋转速度相同,行驶的距离必然相等.这就不可避免地要引起车轮在路面上的滑动这样将会使轮胎的磨损加剧,转向困难,燃料消耗增加为了消除滑移现象,必须要在轮式机械的左、右驱动轮两根半袖之间安装差速器差速器的作用是向两半轴传递扭矩,并允许两半轴以不同的转速旋转差速器的工作原理可以用图2—21来说明假定在两齿条1和3的中间装一个与之啮合的齿轮2,齿轮2松套在轴4上[图2—21a]]9若在齿轮轴上加一个向上的力P,齿轮轴将带动齿轮及两齿条向上移动若移动两齿条需要的力相等,则二齿条便随着齿轮向上移动同一个距离A[图2—21b]这时齿轮2只能向上移动,而不会绕轴4转动若两齿条之一没有齿条的移动阻力较大,则齿轮2将一面移动,一面按箭头所示的方向绕轴4转动[图2—21c]]结果使左右两齿条的移动距离不等,且左齿条增加的移动距离月正好等于右齿条减少的移动踞离B若有齿条固定不动,当齿轮轴4受力上移时,则齿轮2就按箭头所示的方向绕铀4转动图2—21d,结果使左齿条向上移动,且移动的距离为齿轮轴移动距离的两倍24若将齿轮轴固定不动,而移动一根齿条[图2—21e]],则齿轮将绕轴4转动,另一根齿条就会向相反的方向移动一个相等的距离综合上述情况可知两齿条移动距离之和等于齿轮移动距离的两倍差速器就是按这样的原理进行工作的2.差速器的构造及工作情况目前应用最多的差速器是锥形行星齿轮式差速器图2—22差选器壳2用螺栓与主传动器从动锥形齿轮3连接成一体,差速器壳内装有行星齿轮5有两个或四个、行星齿轮轴
4、半轴齿轮7和8,它们可以随差速器壳一起旋转行星齿轮5与左右两个半轴齿轮7和8相啮合,而半轴齿轮则分别安装在左右半轴l和6上,从万向传动装置传到主传动器的扭矩,通过差速器壳
3、行星齿轮轴
4、行星齿轮
5、半铀齿轮7和
8、半轴1和6最后驱动轮使机械行驶当轮式机械沿平路直线行驶时,两驱动轮在同一时间内驶过相同的路程这时,差速器壳2与两个半轴齿轮7和8以及两驱动车轮同速旋转,相当于图2—21b所示的情况当机械转弯时,内侧的驱动车轮阻力较大,因而与其相连的半铀齿轮就旋转得比差速器壳慢这时行星齿轮不但随差速器壳作圆周运动公转,而且还绕其自身的轴4转动自转,于是就加速了另一个半轴齿轮的转速,从而使两侧的驱动轮转速不等外侧大于内侧,保证了机械的顺利转弯这时,相当于图2—21c所示的情况当一侧的驱动轮由于附着力不足而打滑时,它就飞快空转,另一侧的驱动轮就停转,这时机械便停驶打滑一侧的半轴齿轮其转速为差速器壳转速的两倍这时,相当于图2—21d所示的情况为了防止由于一侧驱动轮打滑而造成机械的停驶现象,常常采用—种持殊的锁定装置将差速器琐定,使左、有两根半轴连成一个整体,使机械继续行驶差速锁定装置的形式有很多种.最简单的形式是在一根半轴的内端花键上装一个可移动的凸爪,与差速器壳侧端面上的特制凸爪组成一个凸爪离合器要锁定差速器时,只要移动半轴上的凸爪,使凸爪离合器接合即可这时,该半轴就可以直接随着差速器壳旋转.此时差速器不起作用
(三)轮边减速器轮边减速器是传动系中最后一级增扭减速机构,故亦称最终传动装置铲土运输机械上的轮边减速器一般多采用行星齿轮传动其优点是能以较小的轮廓尺寸获得较大的传动比,可以布置在车轮轮毂内部,且承载能力大,零件受力均衡,故在大型机械上得到广泛应用行星齿轮传动用在轮边减速器上有以下两种可行的方案1太阳轮为主动件与半轴之间用花键相连,行星架为从动件与车轮相连,齿圈固定不动与桥壳相连2太阳轮为主动件与半袖之问用花键相连,齿因为从动件与车轮相连,行星架固定不动与桥壳相连由于第一种方案可得到较大的传动比和较高的传动效率,故在铲土运输机械上采用较多轮边减速器亦可采用定轴式圆柱齿轮传动,称为圆柱齿轮式轮边减速器改变圆柱齿轮副的主、被动轴的相互位置,可以使机械的离地间隙得到提高或降低,从而满足机械总体性能布置的要求不过,圆柱齿轮式的结构尺寸较大四半轴半轴是差速器与轮边减速器之间传递动力的实心轴半轴与驱动轮的轮毂在桥壳上的支承形式,决定了半轴的受力情况它有全浮式、3/4浮式和半浮式三种支承形式半轴全浮式支承只承受扭矩,其他的力和弯短均由桥壳承受,轮式工程机械一般采用全浮式支承形式3/4浮式和半浮式支承除传递扭矩外,还要承受车轮上作用的诸反力和弯矩故只在轻型车辆上使用半轴全浮式支承的受力情况如图n—3—24所示
(五)驱动桥壳轮式机械驱动桥的桥壳是主传动器、差速器、半轴及轮边减速器的外壳,同时又是行驶系的组成部分它承受重力并将其传递给车轮,又承受地面给予车轮的各种反作用力并将其传递给车架因此要求桥壳具有足够的强度、刚度,并使主传动器的调整及拆装、维修方便如图H,3—25所示为966D装载机的驱动桥壳第七章履带式工程机械驱动桥第一节履带式推土机的常规驱动桥一般履带式推土机的机架型式如图7-1所示变速箱输出动力的小圆锥齿轮从前方伸入驱动桥箱中,与大圆锥齿轮相啮合再经左右转向离合器,将扭矩经左右终传动、驱动链轮传到履带驱动桥箱以其在机械上的位置.常称为后桥箱如图7—3履带式机械后桥的作用和轮式机械驱动桥的作用相同,通过后桥将变速箱传来的扭矩增大,改变所传扭矩的方向,并保证机械的转向根据转向机构的原理和构造的不同,履带式机械的转向机构有好几种,如转向离合器式、差速器式、双差速器式、行星式等转向离合器式转向机构,应有两个转向离合器和转向制动器组成转缓弯大弯时操作一侧的转向离合器即可,转急弯小弯时除分离离合器切断—侧履带的动力外、还要操作该侧的制动器使该侧履带刹住
一、中央传动履带式机械的中央传动是由一对圆锥齿轮组成主动小圆锥齿轮驱动从动大圆锥齿轮,其中心线互成900,因此它兼起增大扭矩和改变旋转方向两作用
二、转向离合器1转向离合器的构造转向离合器的作用原理和主离合器的作用原理一样,利用两个以上的摩擦圆盘之间产生的摩擦力矩传递扭矩由于转向离合器传递的动力经变速器和中央传动两次减速增扭,传递的扭矩大,故采用摩擦片的数目较多转向离合器有干式和湿式两种湿式转向离合器由于摩擦片在油液中工作,采用油泵循环冷却,目前大功率的推土机广泛采用转向离合器有单作用式和双作用式单作用式转向离合器靠弹簧压紧,利用液压分离而双作用式转向离合器的压紧、分离均靠油压作用推土机转向离合器如图2—23所示,属于弹簧压紧,液压分离的单作用式离合器图7—5示双作用式转向离合器工作原理
三、转向制动器转向制动器有两个作用,一是用于转急弯时制动一侧履带—是用于在纵坡上临时停车或停放履带式推土机不少采用带式制动器,因为多片式转向离合器的从动鼓正好可利用作带式制动器的制功鼓带式制功器和其他形式的制动器如常用的块式、蹄式相比,带式结构简单、尺寸紧凑、包角大、制动力矩大;但磨损不均匀、本身散热情况不好因制动鼓被带包住、制动器轴还受弯制动带作用时有较大的径向力
四、终传动履带式推土机运行速度低,牵引力大,要求传动系统总的减速比大终传动的作用为了降低中央传动和离合器以及整个传动系所传递的力矩,以减小零部件尺寸,二是为了减速增扭现在终传动—般都采用二级减速履带式机械的行走系履带式拖拉机的行走系由驱动轮l、履带
2、支重轮
3、履带张紧装置和导向轮
5、托链轮7以及连接支重轮和拖拉机机体的悬架所组成在图中,悬架包括台车架4和悬架弹簧或平衡梁6行走系的主要功用是把由发动机传到驱功轮上的驱动扭矩转变为驱动力,把传到驱动轮上的旋转运动转变为拖拉机在地面上的行走移动此外,行走系还支承拖拉机的全部重量
一、车架车架有全梁架式、半梁架式二种全梁架式车架是一完整的框架caterpillar后置发动机式装载机等采用全梁架式车架全梁架式车架部件拆装方便半梁架式车架一部分是梁架,另一部分则利用传动系的壳体这样构成的车架,广泛用于工程用履带式拖拉机中
二、悬架在工程机械中、机架车架与行走系的连接,称为悬架或悬挂履带式工程机械有刚性悬架、半刚性悬架和弹性悬架之分机架上的重量全部经过弹性悬架传递到履带上者,称之为弹性悬架弹性元件可以是弹性橡胶块、弹簧装置或油气悬架机架上的重量—部分经过弹性元件、另一部分经过刚性元件传递到履带架者,谓之半刚性悬架机架上的重量全部不经弹性元件传递到履带梁架,谓之刚性悬架第九章轮胎式工程机械行走系轮胎式工程机械的行走系主要由机架、车桥、悬挂、车轮等组成轮胎式行走系的任务是承重、传力、吸收振动与缓和冲击车架、车桥用以承重及传力车轮、轮胎除用以承重及传力外,轮胎兼作为弹性元件为了便于作业与简化结构,工程机械多不设弹性悬挂第一节铰接式机架机架是整个机械的基体,机械的所有部件及驾驶室都直接或间接安装在机架上因为机架要承受各总成件传来的全部力和力矩,所以应具备足够的强度和刚度,同时重量还要尽可能小此外,为使机械稳定性好,机架结构应在保证必要的离地间隙条件下、使机械重心位置尽量低工程机械中大量采用铰接式转向方法,出现了各种铰接式车架,如图9-1车架各梁均为整体箱形断面,车架有良好的抗弯抗扭强度第二节整体式机架的转向轮定位整体式机架在汽车、轮胎式挖掘机、起重机等工程机械中广为采用对于这些以前轮为转向轮的整体车架式工程机械,通常将前轮外倾、前轮前束、主销后倾和主销内倾四者总称为前轮定位试以汽车为例分别说明
一、前轮外倾在设计制造时,预先使前轮向外倾斜而与纵向垂直平面偏斜一微小角度,如图9—3中之α角,这就叫做前轮外倾,α角叫做前轮外倾角如要保证汽车满载下正常行驶,对前轮说来,要求它尽可能在垂直于路面的平面内滚动但另一方面,在主销和轴承或衬套之间、轮鼓轴承处等有相对运动的地方都一定有间隙,才能保证自由运动,这些间隙也就会影响前轮因此,如果在空车时,使车轮正好垂直于路面,则满载时因上述间隙和车桥受载变形的影响,车轮就会向内倾斜前轮内倾,载荷反力将使轮鼓压向前轴外端小锥柱轴承,造成小锥柱轴承和紧固螺母载荷量增大、寿命缩短此外,使用期间零件磨损将使间隙不断增大,使前轮内倾现象相应增大,严重时会引起前轮松脱为了解决这一问题,防止车轮出现内倾现象,在制造有关零件时便预先做成使前轮有一定的外倾角,以便车轮满载时接近于垂直路面但并不出现内倾现象现代载重汽车的α值为10左右,不宜过大
二、前轮前束组装时,可以调整转向横拉杆的长度,使汽车两前轮的平面不平行如图9—5所示,两前轮后端的距离4减去两前轮前端的距离B,就是前轮前束之值前面谈到,前轮必须有一定的外倾角但是有了前轮外倾后,滚动时就必然有滚锥现象,有向外滚的趋势,之所以不能滚出去是因为有小锥柱轴承存在,当然它就受载,此滚锥也必然使轮胎在地面上边滚边滑而加速磨损为了解决这一矛盾,就有意的做得使A大于B而形成前束前轮外倾使车轮有向外滚的趋势,前轮前束使车轮沿车轮中心有向内滚的趋势,两者抵消使车轮在每—瞬时滚动方向接近于向着正前方,补偿或消除了车轮外倾的不良后果,这是前束的第一个作用汽车行驶时.地面对前轮有运行阻力,形成弯距使前轮外张,也需要前束予以补偿.这是的轮前束的第二个作用
三、主销后倾主销轴线与垂线之间的夹角γ,叫做主销的后倾角,如图9—6所示当主销具有后倾角γ时,主销的中心线与路面的交点A位于车轮与路面的接触点B的前方,这样B点到主销轴线之间有一段距离L假定这时汽车右转弯,转向轮向右偏转,汽车转弯产生离心力P1,此力经车轮作用于地面地面就给车轮以反力Yl、Y
2、Y
3、Y4等,由于反力Y对主销轴线的作用,形成力矩Yl,其方向与车轮偏转方向相反,使车轮回复到中间位置这个力矩也就叫做稳定力矩主销后倾角,—般是将前钢板弹簧安装时内后倾斜形成的从以上分析可见,稳定力矩是由转向时的汽车离心力引起的,因此,转弯时车速越高,稳定力矩越大故γ角如果太大,稳定力矩也相应增大,可能使汽车回正过猛,从而引起车轮在水平面内振动,又会使操纵困难这也就有一个正确确定γ值的问题
四、主销内倾如图9—3所示,主销的上端向内倾斜一个β角,叫做主销内倾角其作用有二1.可使前轮自动回正如图9—7所示,转向时是使前轮以主销为轴线偏转一定的角度如果前轮偏转1800这不是实际情况,而且为了说明问题,车轮中心就由A点运动到B点,B点比A点垂直距离降低h,这说明车轮应将路面压低h值车轮才能转1800但实际上路面不可能压低只有抬起前轴由此可见,由于主销内倾,偏转车轮转向时,随着偏转角度增大,克服重力抬起前轴的高度增加,重力就造成了车轮自动回正的力因此转角越大车轮自动回正的作用就越强,此一作用对于急转弯后前轮迅速回正很有利,这对行车安全十分重要2.可使前轮转向轻便参看图9—3,主销轴线与地面的交点及车轮着地点间的距离a由于主销内倾而缩短,从而减小了转向阻力矩的力臂,使转向轻便形成主销内倾的方法是在制造时,将前轴梁端部的主销孔上端向内倾斜,形成内倾角β内倾角β的选择,应使a在40一60mm的范围内,以满足操纵轻便的要求;同时还要使回正作用增大综上所述,前轮外倾为的是重载时车轮与地回接近于垂直及轮毂内大锥柱轴承承受轴向力前轮前束是为了保证车轮直线运行主销后倾是便于转弯后的回正主销内倾既利于前轮回正,又使转向轻便四者中除前束值可调整外,其余三者均由构造确定轮胎与轮辋轮式工程机械广泛采用各种结构的充气轮胎,因为它富有弹性,能和悬架一起共同来缓和与吸收机械行驶作业时,由地面不平引起的振动和冲击现代轮胎式工程机械很多采用刚性悬架,吸振缓冲作用全由轮胎完成第三篇工程机械操纵系第十章轮胎式工程机械转向系
一、转向系的作用与对转向系的要求轮胎式工程机械的转向系具有转向器和转向传动装置两基本部分因为轮胎式工程机械广泛采用动力转向,所以除两大基本组成部分外,还设有动力转向装置,由三者组成转向系履带式工程机械的行走转向由传动系中的转向离合器或换向离合器和转向制动器实现,往往不另设转向系,或设行星式动力差速转向装置代之轨行式工程机械运行方向由轨道约束步行式工程机械—般为带转台装置的工程机械,行走时可自如地转向轮胎式工程机械转向系应符合以下要求;1.工作可靠2.操纵轻便1作用力要小2方向盘的回转圈数要少3直线行驶时方向盘应稳定4方向盘能自动回正3.调整简单,转向系应尽量少调整4.使用经济
二、转向方式轮胎式工程机械根据工作要求的不同,有五种转向方式1.偏转前轮式如各种单轴驱动或多轴驱动的汽车、平地机等;2.偏转后轮式如叉车等,其前方有铲斗不宜于偏转前轮实现转向;3.全轮转向式如天津Z1-160型回转式装载机等;4.铰接转向式如ZL50型装载机等;5.速差转向式左右两侧的车轮以不同的角速度旋转,从而达到机器转向的目的
三、转向器转向器构作用是将方向盘的转动变为转向垂臂的摆动,借以改变力的传递方向和得到一定的传动比,进而通过转向传动装置操纵转向轮转向器的种类很多轮胎式机械广泛应用汽车转向器,有
1、循环球齿条齿扇式转向器
2、循环球曲柄球销式转向器
3、球面蜗杆滚轮式转向器
四、螺杆曲柄销子式转向器
五、液压反馈随动式动力转向第十一章轮胎式工程机械制动系制动系用于工程机械行驶时降速或停车,用于下坡运行时控制车速,不使车速越来越快,以及用于坡道停车及车场停车工程机械运行和作业的安全性,取决于转向系和制动系的工作情况良好的转向系和制动系可以提高轮式工程机械的运行速度和生产率制动系应具备以下基本要求1.可靠、制动力足够能够提供车轮与路面间附着力F所允许的制动力P2.操纵轻便操纵制动器所需的力和功不应过大制动时施于脚制动器踏板上的力不大于200~250N,紧急制动时不超过450N;施于手制动器手柄上的力不大于250~350N踏板行程—般不大于150~200mm3.制动时应保证机械稳定性好左右制动力应相等以免跑偏,前后轮制动力矩应与前后轮的附着重量成正比或者后轮制动力矩更强大—些,以保证紧急制动时的稳定性及获得最大的制动力4.制动平稳性制动时制动力应迅速而稳定地增加在放松踏板时,制动作用应迅速消失5.制动器散热可靠温度过高,会使摩擦系数迅速下降,制动力矩急剧降低,衬带加速磨损6避免自动制动在车轮跳动或转向时,不应引起自身自动制动整个制动系统分为三个不同的系统1.脚制动系制动器装在车轮内或车轮侧面的主要制动系统,用以经常性地调速、停车等,多用蹄式、盘式;2.手制动系一般装在变速箱输出轴上多为盘式或蹄式,少数用带式,用于停车后的制动有时称为停车制动器,以及紧急制动时同时操作用均为机械式制动驱动机构,以保证长时间的制动作用;3.辅助制动系多采用关闭发动机排气管路的排气制动,也有加装液力减速器的工程机械一般至少应该有两个系统即脚、手制动系每个制动系均由两部分构成,即制动器和制动驱动系统
一、蹄式制动器轮胎式工程机械脚制动器广泛采用内蹄式,制动鼓散热性较好,密封容易,蹄片的刚度大,磨损较均匀,蹄片压紧制动鼓时的位移较小,驱动装置比较有效,制动蹄的驱动装置安装紧凑以及制动效能较高一分类及作用原理1.油压式简单非平衡式制动器如图11—1所示左右两蹄片以下端销子为铰支点,制动时上端由分泵活塞借油压推开,使蹄片压向制动鼓而产生摩擦力
二、盘式制动器1多片全盘式制动器多片盘式制动器摩擦副的摩擦面积大,外形尺寸小,结构紧凑,密封性好,结构刚度较大,衬片磨损均勾,制动效能不受转向影响,制动效能高而操纵轻便,无需调整、寿命长等特点但结构复杂,造价较高,此外,要特别注意制动器的散热问题多片盘式制动器由液压推动活塞实现摩擦片的接合,弹簧回位,驱动方法可以是气液式或全动力液压式2钳盘式制动器汽车的手制动器亦称停车制动器或中央制动器曾广泛采用钳盘式制动器、如跃进、解放牌汽车等复习思考题第一篇机械基本知识1.机器、机构、机械有何区别?
2.土木工程机械的作用
3.工程机械分几大类?铲土运输机械是指那几种?
4.工程机械构成及各部分作用是什么5.钢筋混凝土机械包括那些?6.工程机械的现状和发展趋势?7.有色金属包括那些?8.何为复合材料它有何特点主要有哪几种9.什么是钢的热处理钢的热处理有哪些方法其目的何在?10.何为热处理?试说出正火和退火的区别?11.什么是钢什么是铸铁两者有何区别12.一个所谓合格的零件.为什么还要进行形位公差控制13.试解释曲柄摇杆机构的急回运动特性?14.铰链四杆机构存在曲柄的条件是什么?15.材料为45号钢的轴采用何种热处理方法为好?为什么?16.与滑动轴承相比,滚动轴承有那些优点?17.联轴器和离合器的作用有那些区别?18.三角带的横剖面制成梯形的目的?19.常见的齿轮失效形式有那几种?轴及轴承部分20.轴的强度计算有几种各用在什么场合21.根据轴受力情况,轴有哪三种各种轴的受力性质如何,各举一实例22.轴瓦和轴承村的材料有何基本要求,最常用的是什么材料23.轴毂的连接有哪几种各有何特点24.滑动轴承多用在什么地方25.滚动轴承与滑动轴承相比有哪些特点26.轴承为什么要润滑根据什么因素选择润滑剂27.选择联轴器时,应考虑哪些因素带传动、链传动及齿轮传动28.传动带的种类很多,为什么一般多用三角胶带为什么带传动能获得广泛应用29.何谓打滑何谓弹性滑动它们对传动有何影响各与哪些因素有关30.带传动所传递的最大圆周力与哪些因素有关31.分析小带轮直径d
1、中心距a、包角a1及带的根数Z对带传动有何影响32.与带传动相比,链传动有何特点33.链传动的主要参数及其选择?34.渐开线齿轮为什么能得到广泛的应用35.渐开线齿轮正确啮合连续传动的条件是什么36.说明模数和蜗杆特性系数q的导出原理37.已知标准齿轮模数M=6,齿数2=20,求该齿轮的几何尺寸液压传动38.1.液压传动基本原理是什么?2.39.液压系统由哪五部分组成?40.液压传动与机械传动、电气传动等相比较,有那些优点?3.液压传动的基本参数有那些?第二篇工程机械底盘
1.工程机械传动系的主要组成及功用
2.根据所给传动图描述传动系特征(TY180推土机p.31,ZL50装载机传动p.125)
3.四冲程内燃机工作原理
4.汽油机与柴油机的区别(原理和结构差别)
5.内燃机主要组成及各部分作用
6.液力变矩器的主要组成元件及工作原理
7.变速箱的作用和不同种类变速箱的特征
8.履带式机械的4轮1带是什么
9.车辆牵引及制动原理
10.轮式机械的悬挂及作用
11.轮式机械的转向方式有哪些
12.制动器种类及特性
13.制动驱动系统的种类及特性
14.单斗液压挖掘机的分类?
15.液力传动和静液压传动的区别?
16.推土机的基本组成?
17.推土机的适用范围和作业循环?
18.铲运机的组成?
19.铲运机的适用范围和作业循环?
20.如何根据路基情况选用压路机?
21.装载机的特征?
22.如何根据土方作业的要求选取作业机械?
23.桥梁架设的方法有哪些?
24.简支架梁的基本作业过程?
25.铺轨机与架桥机有哪些共同之处和不同之处?
26.隧道施工主要有哪些方法?选用主要考虑哪些因素?
27.液压凿岩机作业有哪些基本动作?如何实现?
28.影响液压凿岩台车正常作业有哪些因素?
29.盾构施工与掘进机有何区别?
30.起重机的主要组成?31.衡量起重机起重能力的性能指标?。