太原科技大学本科毕业设计
XG804履带式液压挖掘机三维建模
XG804 tracked excavator 3D modeling
学 院（系）： 机械工程 专 业： 机械设计制造及其自动化（工机） 学 生 姓 名： 武慧杰 学 号： 201012030418 指 导 教 师： 李捷 评 阅 教 师： 完 成 日 期：
太原科技大学
Taiyuan University of Science and Technology
XG804履带式液压挖掘机三维建模
太原科技大学毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）： 机械工程学院 时间： 14年 6月 10日
学 生 姓 名 设计（论文）题目 武慧杰 指 导 教 师 李捷 XG804履带式液压挖掘机三维建模 主要研 究内容 1.测绘XG804履带式挖掘机整机数据，确定各关键铰接点位置； 2.确定各工作油缸的缸数、缸径、杆径、长度参数； 3.利用Pro-e工程软件对挖掘机各零部件进行三维建模； 4.利用Pro-e组件模块对挖掘机各零部件进行装配； 5.利用Pro-e应用程序机构模块对三维模型添加电机进行运动分析； 6.绘制工作装置装配图及零部件结构图； 7.完成设计说明书。 8.翻译3000字以上的相关外文文献。 研究方法 1.在教师指导下独立承担相关设计内容； 2.通过查阅和分析近年来国内外相关文献及技术资料，参考现有机型进行方案选型并确定主要结构参数； 3.通过所学专业基础知识及专业知识利用Pro-e工程软件设计； 4.可借助于CAD方法绘制工程图纸并完成设计说明书。 1.最大挖掘深度：3.77m 2.最大挖掘半径：5.70m 3.最大挖掘高度：5.08m 4.最大卸料高度不低于：3.25m 5.铲斗最大挖掘力：185.0KN 6.斗杆最大挖掘力：135.0KN 要求按时全面完成规定的设计内容；步骤翔实可信、方案正确、结构合理可行、工艺性好；所绘制的装配图和零部件图内容完整，符合国家标准及行业规范，达到工程实用要求；对所翻译的外文文献要求内容完整、表达准确、文字通顺。 主要技术指标(或研究目标) 1.同济大学主编.单斗液压挖掘机.北京：中国建筑工业出版社,1986,12 2．同济大学刘希平主编.工程机械构造图册.北京：机械工业出版社,1987,12 主要3.张玉川主编.进口液压挖掘机国产化改造[M].成都:西南交通大学出版社参考文献 1999,3 4.成大先主编.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,1987年报2月 5.颜荣庆等编著.现代工程机械液压与液力系统[M].北京:人民交通出版社,2001年4月 说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
I
XG804履带式液压挖掘机三维建模
摘 要
挖掘机械是工程机械的一种类型，是土石方开挖的主要机械设备，单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘作业的机械，液压挖掘机的工作装置常用的有反铲，正铲，装载，抓斗和起重装置。
本次设计主要是设计XG804履带式液压挖掘机整机的三维建模。主要对工作装置机构的几何参数进行设计，通过对实物机型进行测绘，然后基于Pro-e、AutoCAD等工程绘图软件对挖掘机各零部件进行绘图、三维建模、整机装配等，对挖掘机进行运动分析，挖掘机各种工作状态以三维图的方式进行教学演示等。
在设计中应注意工作装置设计原则，在各部件满足实物要求的条件下实现各零部件无干涉有效装配，完成各工况下运动拟合演示等功能。
关键字：挖掘机,三维建模,Pro-e,运动分析,教学演示
II
XG804履带式液压挖掘机三维建模
XG804 tracked excavator 3D modeling
Abstract
Shovel machinery is a major type of construction Machinery, which is major earth excavation equipment. Single Bucket Hydraulic shovel is a mechanical which reliance on hydraulic transmission with the bucket to carry out excavation work. Hydraulic shovel working device are commonly backhoe, hoe, loading, grab and lifting gear.
This design is mainly 3D modeling design of XG804 hydraulic crawler excavator. Geometric parameters on the working mechanism of the main design, through the mapping of physical models, and then the Pro-e, AutoCAD and other engineering drawing software based on excavator parts for drawing, three-dimensional modeling, assembly, motion analysis was carried out on the excavator, excavator to various working states of three-dimensional map of the ways of teaching demo.
In the design should pay attention to the working device design principle, meet the real requirements under the conditions of the parts without interference in effective assembly components, completed under the condition of motion fitting demonstration function.
Keyword: Excavator；3D modeling；Pro-e;Motion analysis；Teaching demonstration
III
XG804履带式液压挖掘机三维建模
目 录
任务书 ................................................................ I 摘 要 .............................................. 错误！未定义书签。 Abstract ............................................................ III 绪论 .................................................................. 3
1.1 前言 ......................................................... 3 1.2 课题设计要求 ................................................. 3 1.3 液压挖掘机国外研究状况及发展前景 ............................. 4 1.4 液压挖掘机国内研究状况及发展前景 ............................. 5 2 Pro-e运用软件 ..................................................... 8
2.1 引言 ........................................................ 8 2.2 Pro-e软件介绍 ............................................... 8 2.3 设计及过程 .................................................. 9 3 动臂建模 .......................................................... 11
3.1 动臂数据测绘 ............................................... 11 3.2 动臂建模过程 ................................................ 11 3.3 动臂建模总结 ................................................ 12 4 斗杆建模 .......................................................... 13
4.1 斗杆数据测绘 ................................................ 13 4.2 斗杆的建模过程 .............................................. 13 4.3 斗杆建模总结 ................................................ 14 5 铲斗建模 .......................................................... 15
5.1 铲斗数据测绘 ................................................ 15 5.2 铲斗的建模过程 .............................................. 15 6 油缸建模 .......................................................... 17
6.1 油缸数据测绘 ................................................ 17 6.2 油缸的建模过程 .............................................. 17 7 其他部件建模 ...................................................... 19
7.1 推土铲建模 .................................................. 19 7.2 箱体建模 .................................................... 19 7.3 底盘建模 .................................................... 20 7.4 履带建模 .................................................... 21 7.5 其他零部件建模 .............................................. 22
IV
XG804履带式液压挖掘机三维建模
8 整机装配 .......................................................... 24
8.1 油缸的装配过程 .............................................. 24 8.2 工作装置的装配过程 .......................................... 24 8.3 整机部件装配过程 ............................................ 25 8.4 整机运动分析建立 ............................................ 26 9 工作装置包络图的绘制 .............................................. 27
9.1 挖掘包络图 .................................................. 27 9.2 挖掘图的意义 ................................................ 27 9.3 包络图的绘制 ................................................ 27 全文总结 ............................................................. 30 参 考 文 献 .......................................................... 31 致 谢 ................................................................ 32 附 录 ............................................................. 33
V
XG804履带式液压挖掘机三维建模
引 言
挖掘机的发展史可追溯到 19 世纪三四十年代。美国实施西部大开发工程催生了以蒸汽机作为动力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来又促进挖掘机的不断更新换代。20 世纪 40 年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖掘机，50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，60 年代，当液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展吉阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快（见表 1—1），产量猛增。1968～1970年间液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 83%，目前已接近 100%，所谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘机，机械式挖掘机已很少见，液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。
随着我国液压挖掘机行业国外先进技术的引进和国产液压挖掘机产品的增加和性能水平的提高,开始全面淘汰已生产多年的落后、笨重的中、小型机械式挖掘机。 纵观我国液压挖掘机近40年的发展历史,大致可以分成以下几个阶段:
(1)开发阶段(1967－1977年):以测绘仿制为主的开发。通过多年坚持不懈的努力,克服一个一个的困难,有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功,为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。
(2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978－1986年)。这个阶段通过各主机厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植,使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初的水平。全国液压挖掘机的平均年产量达到1230台。
(3)液压挖掘机生产企业数量增加,新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987－1993年)。由于国内对挖掘机的需求量的不断提高,新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术,其产品批量或小批量的投放国内市场或出口,打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面,形成了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。
(4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大,国外各著名挖掘机制造厂商看好中国市场
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纷纷前来创办合资、独资挖掘机生产企业(1994年－－至今)。从1994年开始,特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司和日本神户制钢所率先在徐州金山桥开发区和与成都工程集团公司合作在成都相继建立了生产液压挖掘机的中外合资企业,随后日本小松制作所、日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国Atlas、瑞典Volvo公司等都先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业,生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。近几年这些企业运营情况良好，发展速度很快。
我国是一个发展中国家,在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设,这就需要大量的土石方施工机械为其服务,而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械,因此在中国存在着一个巨大的液压挖掘机现实市场和更为巨大的液压挖掘机潜在市场。
随着国家经济建设的不断发展,对液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增加。在这里,我们还清楚地看到,中国广大挖掘机用户对液压挖掘机的要求越来越高。以高性能价格比作为选择机型的一个重要参数,来获取最大的经济效益和社会效益。
总之,中国挖掘机市场将持续呈波浪型发展,从科学的发展观来看,要摒弃一切脱离实际的超前。
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1 绪论
1.1 前言
液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。
所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。
1.2 课题设计要求
1.2.1 使用要求
中小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。主要作业是挖掘、装载、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。小型挖掘机体积小，机动灵活，并趋向于一机多能，配备多种工作装置，除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。与此同时，发展专门用途的特种挖掘机，如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。总之它是一种多用途万能型的城市建设机械。由于这种机械的特点很靠近人，因此在设计上除了要求耐久性、可靠性和作业效率等，还需着重考虑人、机、环境的协调，特别要注意以下几点：
(1) 安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞，防倾翻稳定性好。 (2) 低公害即排放要求高、低震动、低噪音，声音要比较悦耳。
(3) 与周围环境能调和，形象要美观，形体和色彩不要引起人们不愉快感，对 人有亲和感。
(4) 尽量扩大其使用功能，可装多种附属装置，应成为城市万能型工程机械。 (5) 操纵简便，任何人一学就会，都能操纵。 1.2.2 性能要求
中型挖掘机有多项功能，又具有便于运输、能耗低、灵活、适应性强等优势，非常适用于空间狭小的施工场地作业，而且价格合适、质量轻、保养维修方便，所以在小型土石方工程、市政工程、路面修复、混凝土破碎、电缆埋设、自来水管道的铺设、
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园林栽培等工程中得到了广泛的应用。由于满足基本的挖掘、装载、整地、起重等功能外，必须考虑到工作空间小( 人力所不能至) 、地形复杂、方便操作、可控，目前市场对中型挖掘机性能要求如下：
(1) 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。
(2) 简化液压系统、降低成本，达到大作业量与低油耗的动态平衡。 (3) 改进工作可靠性。
(4) 改进驾驶操作舒适性及降低 劳动强度，提高单位生产率。 (5) 改进操作安全性。
(6) 低振动、低噪音适用生活区工作。
1.3 液压挖掘机国外研究状况及发展前景
工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量为3.5-40m³ 单斗液压挖掘机的主要生产国，从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。例如，美国马利昂公司生产的斗容量50-150m³ 剥离用挖掘机，斗容量 132m³ 的步行式拉铲挖掘机；B-E（布比赛路斯- 伊利）公司生产的斗容量168.2m³的步行式拉铲挖掘机，斗容量107m³ 的剥离用挖掘机等，是世界上目前最大的挖掘机。 从20世纪后期开始，国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。
(1) 开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要，国外发展了斗容量在0.25m³ 以下的微型挖掘机，最小的斗容量仅在0.01m³ 。另外，数量最多的中、小型挖掘机趋向于一机多能，配备了多种工作装置——除正铲、反铲外，还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等，以满足各种施工的需要。
(2) 迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制
(3) 重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能。
(4) 更新设计理论。提高可靠性，延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论，以替代传统的无限寿命设计理论和方法，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析
方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，促进了产品的优质高效率和竞争力。
(5) 加强对驾驶员的劳动保护，改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室，安装可调节的弹性座椅，用隔音措施降低噪声干扰。
(6) 进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明
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显趋势。液压技术在挖掘机上普遍使用，为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。
(7) 迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪80年代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志。
1.4 液压挖掘机国内研究状况及发展前景
1.4.1 液压挖掘机国内研究状况
近几十年来，我国大力搞经济建设，制造业是我国经济发展的重要行业。第一个五年经济建设时期，我国大力发展制造业，全国进入了制造业的新天地，工程机械行业也从这时开始迈向了新的征程[6]。但是，工程机械行业要发展，液压系统就是其中重要的发展元素，要想发展液压系统，液压元件就是重要的组成元素，所以液压技术发展的水平应当成为我国工业化发展水平的重要标准。
目前国内挖掘机液压系统正在积极尝试正流量系统，这和目前的节能趋势是息息相关的。装载机、起重机包括旋挖钻机等目前国内采用的是负荷传感控制系统，也是从发动机和液压泵的功率匹配即节能方面来考虑的德国工程机械制造厂广泛采用闭式回路，产品的趋势是将液控方式逐渐升级到电控，通过系统中央控制单元CCU对各泵和马达、比例阀进行控制。优点是:通过修改程序参数就可适应同系列不同规格的产品，适应性强，可方便解决发动机、液压系统和工作负载之间的参数匹配问题，进一步提高了系统可靠性。缺点是:成本高。
国产挖掘机液压系统性能不高的原因最终归结到液压元件的质量和性能，下面就液压元件的问题做一下讨论。
第一，高技术液压挖掘机，液压系统压力可达32-40mpa，装载机只有16-20Mpa作为高压力，对功率和系统的组件有一个更高的要求。自上世纪80年代，我国引进了该技术的关键基础设施组件数量众多，但一直没有进一步的发展、创新，极少数可以满足液压挖掘机配套件的。随着主机产品的发展，和市场需求相比，国内液压产品在生产规模、技术、产品质量、可靠性等方面仍存在很大的差距。如大型冶金设备液压系统，支持挖掘机双变量柱塞泵、柱塞马达、整体多路阀、先导阀和回转接头的比例等，这些组成部分基本上是由用户指定或选择进口部件。而可靠性低、成本低、配套多、重复生产的产品水平低，市场竞争是激烈的。
第二，锻造液压机的发展是从模仿国外产品开始的。在恢复自主研发过程中大学开设锻造专业。自1956年以来，我们的技术人员开始从学习、模仿到自主研发，在开放大学初期对锻造水压机进行了深入的理论研究，开设锻造工艺专业，许多教授编写了一系列专门的书籍，培养了大批专业锻造人才。国家在这一时期生产锻造工艺设备，建立
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[6]
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各种协会，做出了很多研究和开发工作，已成功开发出一系列的锻造水压机。20世纪60年代，太原重型机器厂、沈阳重型机器厂、马鞍山钢铁厂的车轮和轮胎生产线研制成功。线成型设备，有80Mpa -30锰和锻造水压机。20世纪60年代后期，第一重型机械厂研发了300Mpa模锻水压机，第二重型机器厂已成功开发出了多层次的100Mpa模锻水压机。中国西安重型机械研究所、兰州石油化工机械厂还开发并生产高锻造液压机。在20世纪70年代中国还将锻造液压机系列出口到罗马尼亚。20世纪后期，随着市场经济的发展，江苏、浙江、山东的乡镇企业和民营企业不断发展，也逐渐揭开了中型和大型锻件出厂编号，并配备了一系列液压机。现在60Mpa液压水平的民营企业己落户。他们也在不断地发展锻造液压机的技术，从而为液压技术的发展打下坚实的基础。现在，中国己成为设计、生产锻造液压机的大国。
第三，产品可用于工程机械行业的企业基本上达到300多家，总资产己超过10亿元，但大多数公司不能规模化生产。然而，厂家只有实现大规模生产，才有能力发展核心技术，产品质量才能有所改善。
经过多年的努力，我国的液压技术正在蒸蒸日上，从最初的“模仿”到如今的自主创新，只要我们脚踏实地，经过努力，我国的液压技术一定能开创出属于我们自己的新天地。
1.4.2 液压挖掘机国内发展前景
随着中型挖机市场的慢慢兴起，国内生产中型挖机的企业逐年增多，产量也在不断增加。目前国内挖机行业处在一个快速发展的时期，近3年销量以每年50%以上的速度增长。目前挖机行业已经成为国内工程机械行业内市场总量最大的行业之一。近几年来，随着我国经济的快速发展，中型挖机市场也逐渐升温，为业内人士普遍看好。从国家制定的经济发展目标来看，我国正处在基础建设的高峰期。前些年大量投入使用的高速公路等基础设施，正越来越多地进入维护保养期，同时城市建设也由“大拆大建”，逐渐向“精雕细刻”转变，因此中型化的土方工程施工会越来越多。
中型工程机械发展速度如此之快，必有它本身的优点:首先，小型设备的研制开发是在大型设备的技术基础之上进行的，开发人员可以总结大型机械施工应用中的优点，对于大型施工机械表现出的不足给予针对性的改进。其次，小型设备具有运动灵活、安全运行、节能环保的优点，更能最大限度满足大型工程机械不能工作的各种小型场合。
第三，中型工程机械的成本较低，价格适合，比人工更高效，能增强施工的安全性、可靠性，这也为小型设备的使用和规模化发展创造了条件
[13]
。
目前，国内中型工程机械市场还存在种种困难和不足，尚未形成有较强市场影响力的小型设备品牌。虽然目前我国小型挖掘机的市场保有量及销量所占比例甚微。一些大型的工程机械厂家也在着眼于研究最新的、高科技产量的小型挖掘机，小型挖掘机的前景一片光明。随着一批新兴项目的投入，更是加大了中挖在市场的竞争优势，二手挖掘
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机的市场也是非常乐观的，我国的挖掘机呈现出了迅速发展之态势。如何选择反铲工作装置的结构参数使其达到期望的目标，以及如何分析某些参数对整机性能的影响却存在较大的难度。其原因在于参数较多，仅涉及普通反铲装置铰接点位置的几何参数就有30余个，而各个参数对设计目标的影响是高度非线性的，单独研究某个参数的影响只能在特定的局部范围才有意义，对整机性能能的研究则需要综合考虑全部参数。
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2 Pro-e运用软件
2.1引言
借助三维设计软件Pro-e进行挖掘机工作装置的虚拟设计，不仅可以真实地反映挖掘机工作装置的几何形状，还能反映各部件的空间位置，有效地检测工作装置各部件之间是否发生干涉与碰撞，通过运动力学分析，检验工作装置作业过程的合理性和正确性。虚拟产品开发技术用计算机模拟整个产品的开发过程，在计算机中进行产品设计、分析、加工等过程，这样不仅省去了制造样机进行反复试验。修改等环节，同时也大大缩短了产品的开发周期，降低了产品成本，而且为今后新产品的开发创新建立了基础模型。
2.1.1虚拟设计技术
虚拟设计是一种新兴的多学科研究成果交叉技术。它是以计算机辅助设计为基础，将产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中虚拟的实现，代表了一种全新的制造体系和模式。它涉及多方面的学科研究成果与专业技术，通过以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，产品设计过程中可以实现更自然的人机交互。同时利用这项技术能够更好地把握新产品开发周期的全过程，也可以大大减少实物模型和样机的制造。所以，这项技术对缩短产品开发周期、节省制造成本有着重要的意义。
2.2 Pro-e软件介绍
美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，PTC公司）1985年成立。1989年上市即引起机械CAD/CAM/CAE界的极大振动，其销售额及净利润连续45个季度递增，现股市价值已突破70亿美元，年营业收入超过10亿美元，成为CAID/CAD/CAM/PDM领域最具有代表性的软件公司。
以Pro-ENGINEER为代表的软件产品总体设计思想体现了MDA（MechanicaDesignAutomation）软件的新发展，PTC也成为全球最大的。发展最快烦人MDA厂商之一。PTC公司开发、销售和支持的软件整体解决方案，实现帮助制造企业先于其竞争对手而开发出优秀产品，并快速推向市场的根本目标。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关性及工程数据再利用等概念改变了传统MDA的概念，成为MDA领域的新业界标准。利用此概念写成的第三代产品Pro/ENGINEER软件能将设计至生产的过程集成在一起，让所有的用户同时进行同一产品的设计制造工作，即并行工程。
PTC公司进入中国开设办事处以来，以其先进的技术和完备的服务赢得了广大客户的信赖，PTC公司集成的计算机系统已经帮助众多的用户提高了生产率，缩短了从概念设计到制造的周期，提高了产品的质量，加速了新产品的上市。PTC公司目前在国内拥有
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客户近1500家，包括航空航天、汽车、家用电器、通用机械等各行各业。
作为国内著名的致力于为企业提供信息化完整解决方案的北京艾克斯特科技股份有限公司，与美国PTC公司签订了全面的战略合作协议，艾克斯特公司取得了PTC公司Pro/Engineer系列产品在中国区的总代理商地位，被授予开展PTC公司系列软件在国内的市场开拓、产品销售、项目实施和技术咨询服务活动。PTC公司相信，借助于艾克斯特公司庞大的市场销售网络和高素质的技术服务队伍，必将推动国际优秀的企业信息化产品在国内的推广应用，提升企业的产品创新能力的市场竞争力。
2.3设计及过程
以中型挖掘机为例，该挖掘机所采用的反常工作装置，主要由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组成。其基本结构如图2.1所示。
1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板；
8-连杆； 9-摇杆； 10-铲斗油缸； 11-斗杆.
图2.1 挖掘机工作装置
尽管Pro-e是参数化设计软件，但必须合理的规划零部件的建模过程，才能有效地实现参数化设计。几何建模时应保证修改模型的参数时模型不会出错；只需要改变很少的尺寸百年能实现对模型的修改，而且不引起其他特征的更改。在Pro-e中建立实体，需要先分析实体的结构特征，确定这些特征建立的先后顺序，以及每个特征的建立方法，使所建立的特征尽可能简单，参数尺寸尽可能少。在进行了上述分析后，就可以利用Pro-e提供的拉伸、旋转、切割等建模功能创建出三维实体模型。所以，在对工作装置进行参数化特征建模之前，应该先对其进行结构分析，制定创建模型的大致方案。
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特征建模从草图开始，可以新建草图，然后通过拉伸、旋转、扫描、切除、抽壳、等命令创建三维模型。建模时首先对各部分的主体零件进行建模，如动臂部分先对动臂板建模，Pro-e有些零件可以在装配窗口采用关联设计，在关联装配体中直接生成新零件，以确保零部件正确组装在一起。对于结构相同。尺寸不同的油缸等零件，可采用提供的系列零件设计表功能生成零件族，帮助我们省去不必要的重复画图工作。
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3 动臂建模
3.1动臂数据测绘
图3.1 动臂截面图
表一 动臂测绘数据（单位：mm）
2770 1695 1250 650 1210 20 40
LFC LFB LFD LBD LBC 板厚 销轴（∅） 3.2动臂的建模过程
本文仅以Pro-e5.0中挖掘机工作装置的动臂为例，简要介绍其建模过程如下： 1）首先选取前视基准面为草图绘制平面，并利用拉伸特征建立动臂基体。 2）利用切除拉伸特征，建立动臂两侧板特征和侧板上的凹槽特征。
3）利用拉伸特征，完成对动臂与斗杆连接处的方形凸台、连接板、动臂上方的吊耳、连接动臂及动臂油缸的圆锥形凸台等特征的构建。
4）再次利用切除拉伸特征建立动臂基体、连接板以及吊耳上的销轴孔特征。 5）利用镜像工具，完成对相应特征的镜像操作，最终完成零件的造型。 完成后的动臂三维图3.2
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图3.2 动臂模型图
3.3动臂建模总结
通过动臂造型实例可以看出，在建模时零件上单个的加工形状定义成特征，比如：拉伸、切除等，然后利用特征的组合就可以完成零件的造型，Pro-e中的每个三维零件模型均由零件、装配体和工程图三部分组成，三者之间是全关联的，对其中任何一部分作出修改都会反映到其他两部分中，这也提高了设计效率。
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4 斗杆建模
4.1 斗杆数据测绘
图4.1斗杆截面图
LNQ LNG LNF LGE LEF HNQ 板厚 销轴（∅） 表二 斗杆测绘数据（单位：mm）
145 1110 1605 860 365 15 20 40 4.2斗杆的建模过程
1）首先选取前视基准面为草图绘制平面，并利用拉伸特征建立斗杆基体。 2）利用切除拉伸特征，建立斗杆两侧板特征和侧板上的凹槽特征。
3）利用拉伸特征，完成对动臂与斗杆连接处的方形凸台、连接板、斗杆上方的吊耳、连接动臂及斗杆油缸的圆锥形凸台等特征的构建。
4）再次利用切除拉伸特征建立斗杆基体、连接板以及吊耳上的销轴孔特征。 5）利用镜像工具，完成对相应特征的镜像操作，最终完成零件的造型。 完成后的斗杆三维图4.2
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图4.1斗杆模型图
4.3斗杆建模总结
在之前动臂的建模过程中已经积累了Pro-e拉伸、切除等特征的熟练运用，所以此次对斗杆的模型建立基于相同的额建模原理与步骤，故建模更高效。同时注意斗杆与动臂关联部分的干涉与装配关系，为之后的零部件装配少出错误努力。建模时销钉轴连接点的准确定位对整个建模过程有着至关重要的作用。在测绘、建模、部件关联的学习设计中不断积累经验。
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5 铲斗建模
5.1铲斗数据测绘
图5.1铲斗截面图
表三 铲斗测绘数据（单位：mm）
LQV LKQ 销轴（∅） 耳板厚H1 加强筋厚H2 斗齿 （个） 850 185 40 20 10 4 5.2铲斗的建模过程
1）通过绘制铲斗截面草绘，通过转换到三维截面，进行拉伸，抽壳等功能键的相关操作，进行铲斗基体的建立。
2）利用建立基准面，基准轴的相关操作在铲斗的基础上附加筋板和耳板。 3)利用Pro-e的装配模块把斗齿、销轴、螺栓等相关零件装配在一起。 完成铲斗三维模型图如下：
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图5.2铲斗模型图
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6 油缸建模
6.1油缸数据测绘
表四 油缸数据测绘（单位：mm）
伸缩比（λ） 缸径（∅） 1.75 112 1.75 100 1.75 90 1.75 112 动臂油缸 斗杆油缸 铲斗油缸 推土油缸 L1min 845 880 700 420 销轴（∅） 40 40 40 40 6.2油缸的建模过程
1）利用Pro-e软件的拉伸，抽壳等相关的特征操作完成缸体的建模过程。 2）同理可以建立活塞杆的模型实体
3）利用装配模块进行装配。特别注意相关的连接方式。采用滑动杆连接方式。为下一步虚拟样机的仿真做好基础。
完成后油缸模型图：
图6.1动臂油缸模型
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图6.2推土油缸模型
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7 其他部件建模
7.1推土铲建模
1）通过绘制推土铲截面草绘，通过转换到三维截面，进行拉伸，抽壳等功能键的相关操作，进行推土铲基体的建立。
2）利用建立基准面，基准轴的相关操作在推土铲的基础上附加筋板和耳板。 3)利用Pro-e的装配模块把销轴、螺栓、套筒等相关零件装配在一起。 完成后的推土铲模型如图：
图7.1推土铲模型
7.2箱体建模
1） 选取俯视基准面为草图绘制平面，并利用拉伸特征建立箱体基体。 2） 利用切除拉伸特征，建立操作室侧板特征和侧板上的凹槽特征。并对箱体内部实体切出发动机等零件空间。
3） 利用拉伸特征，建立箱体与动臂关联前台及耳板等实体。 4） 再次利用切除拉伸特征建立动臂连接板以及吊耳上的销轴孔特征。 完成后的动臂三维图
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图7.2箱体模型
7.3底盘建模
1）选取俯视基准面为草图绘制平面，并利用拉伸特征建立底盘基体。
2）利用拉伸特征，完成对底盘与行走装置连接处的方形凸台、连接板、行走装置上方的侧板等特征的构建。
3）利用切除拉伸特征建立推图基体连接板以及吊耳上的销轴孔特征。 4）利用镜像工具，完成对相应特征的镜像操作，最终完成零件的造型。
完成后的底盘三维图如下：
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图7.3底盘模型
7.4履带建模
1）利用拉伸特征，在俯视基准平面草绘履带板草图并完成单片履带。 2）利用拉伸切除特征建立履带板上销轴连接孔及板孔等特征。
3）利用实体装配特征，通过对单片履带的多次销连接及最后封闭销链接建立履带实体。
完成后的履带模型如图：
图7.4履带模型
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7.5其他零部件建模
由Pro-e软件的相关特征做出其他一些零件模型如下：
图7.5.1摇杆
图7.5.2连杆
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图7.5.3驱动轮
图7.5.4销轴
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8 整机装配
8.1油缸的装配过程
1）在Pro-e软件中，新建组件模块。在窗口中插入油缸，并设置为缺省。 2）油缸完全约束后，插入油杆。通过平移、旋转等命令把油杆移至相关位置。通过滑动杆约束使油杆和油杆关联起来。
3）通过约束命令中的平移命令，约束油缸的拉伸范围。使油缸在规定压缩比内运作。
装配完成后的油缸三维图如下：
图8.1斗杆油缸装配模型
8.2工作装置装配过程
1）在Pro-e软件中，新建组件模块。在窗口中插入动臂，并设置为缺省。 2）在动臂为完全约束后插入斗杆，通过平移、旋转等命令把斗杆移至与动臂关联的相关位置。添加销轴约束，包括轴约束和平移约束等。
3）相同原理，依次把铲斗、摇杆、连杆、油缸等通过销轴约束彼此关联起来。注意彼此之间是否干涉。
工作装置装配三维图如下：
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图8.2工作装置转配三维图
8.3整机部件装配过程
1）首先新建组件模块，在模块中插入底板设置为缺省约束。
2）同样的原理，相继插入驱动轮、从动轮、导链轮、支重轮、履带、推土铲等底部零件通过销轴连接关联约束起来。
3）然后继续插入转盘、箱体、工作装置等上部模块，通过销轴约束或者自定义约束等把相关部件设置为完全约束。
4）注意两个关联部件之间是否干涉，销轴连接是否完全、可动等条件。如有问题，及时修改相关约束或零件尺寸等。
整机装配三维图如下：
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图8.1整机装配图
8.4整机运动分析建立
仅仅挖掘机的整机装配是不够的，挖掘机的三维模型的意义在于动画演示与运动分析等。其具体步骤如下：
1）打开装配好的整机组件模型，在运用程序中选择机构模块。在更新的右侧目录中出现电机、分析、弹簧等选项。
2）选择新建电机，选择动臂油缸运动轴。通过电机对话框中轮廓选项，选择速度、表，然后通过表建立油缸的运动周期表，按应用、确定。
3）选择新建分析选项，在弹出对话框中输入对应电机的时间、帧数等，点击确定。然后在左下侧分析右击，选择运行。观察动臂的运动过程，如果出现问题返回修改电机选项中速度、时间等相关参数。重复步骤二三直到动臂达到指定运行轨迹范围。
4）相同的原理、步骤分别运用到斗杆油缸、铲斗油缸、推土油缸等动力装置上。最后完成整机的运动分析。
由于整机运动图画无法展示，故整机的运动保存在电脑上，届时予以展示。
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9 工作装置包络图的绘制
9.1 挖掘包络图
挖掘图是在给定工况下、斗齿尖在一系列位置点上所能产生的最大挖掘力（整机最
大理论挖掘力）、消耗的最大功率及影响挖掘力发挥的因素等信息的综合反映。
9.2 挖掘图的意义
挖掘包络图的绘制是个铰接点位置坐标、油缸主参数（缸径、活塞杆直径及行程）、系统压力（工作压力）、闭锁压力及各部件重量和重心位置已知的条件下进行的，具体的绘制过程如下：
选定机身姿态和工况。机身姿态包括坡度、机身相对于工作装置的纵向或横向姿态。根据作业方式，三组油缸的组合方式及动作特点工况主要包括以下几种：
1）动臂油缸举升工况：动臂油缸单独动作举起整个工作装置及满斗物料举至要求的位置。通过分析计算动臂油缸发挥的力矩检验该工况的举升能力。
2）铲斗油缸挖掘工况：对于该工况，通过分析计算铲斗油缸工作、其他油缸闭锁时产生的最大挖掘力及其影响因素检验铲斗油缸的挖掘能力；
3）斗杆油缸挖掘工况：对于该工况，通过分析计算斗杆油缸工作、其他油缸闭锁时产生的最大挖掘力及其影响因素检验斗杆油缸的挖掘能力；
4）斗杆油缸回摆工况：对于该工况，通过分析计算斗杆油缸工作时（普通反铲为小腔回油）使前端的斗杆机构连同铲斗连杆机构及满斗物料灰白之目标位置所发挥的力或力矩能否满足要求来检验其回摆能力；
5）铲斗油缸回摆工况：对于该工况，通过分析计算铲斗油缸工作时（普通反铲为铲斗油缸收缩）使铲斗回摆完成卸料或其他作业动作所发挥的力或力矩能否满足要求来检验铲斗油缸的回摆能力。
以上五种工况还不能完全反应挖掘机的全部工况，但也代表了挖掘机的常见的几种工况，并且能基本反映整个工作装置几何铰接点位置设计的合理性及各缸的匹配情况。
9.3 包络图的绘制
挖掘包络图是指斗齿尖能达到的最大范围所形成的封闭图形，它与工作装置的几何参数及工作油缸的伸缩长度或范围有关。通过挖掘包络图能够从几何上直观地反映挖掘机最大的作业范围、在极限位置上工作装置各部件的几何位置关系以及机构的干涉情况，这些信息在一定程度上反映了工作装置几何参数设计的合理性和整机的几何性能。
在挖掘机工作装置机构参数（铰接点的位置）给定的情况下，不难绘制挖掘机包络
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图。如图5-5所示，挖掘机包络图的边界一般由8段圆弧曲线组成，各圆弧的铰接点分别为V1、V2，.......,V9中，以下简述各段的形成过程。 （1）V1V2段：动臂油缸最长、斗杆油缸最短、铲斗油缸由最短到最长，由斗齿尖V3段：动臂油缸最长、铲斗油缸最长、斗杆油缸由最短到最长，由斗齿尖
绕Q1点以半径l3转动形成； （2）V2绕F1点以半径FV12转动形成； （3）V3V4段：动臂油缸最长、斗杆油缸最长、铲斗油缸由最长缩至斗齿尖位于C、V5段：斗杆油缸最长、铲斗油缸固定、动臂油缸由最长缩至最短，由斗齿V6段：动臂油缸最短，斗杆油缸最长、铲斗油缸由原固定值缩至F、Q、VV7段：动臂油缸最短、铲斗油缸固定，F、Q、V三点一线、斗杆油缸由最V8段：动臂油缸最短、斗杆油缸最短、铲斗油缸由使F、Q、V三点一线得
Q2连线上为止，由斗齿尖绕Q2点以半径Q2V3转动形成；
（4）V4尖绕C点以半径CV4转动形成； （5）V5三点一线，由斗齿尖绕Q3点以半径l3转动形成； （6）V6长缩至最短、由斗齿尖绕F2点以半径l2l3转动形成； （7）V7姿态缩至斗齿尖位于C、Q4连线的延长线上即使C、Q、V三点一线为止，由斗齿尖绕Q4点以半径l3转动形成。如铲斗油缸最短仍不能保证达到C、Q、V三点一线的状态，则以实际能达到的状态时的CV距离为半径。 （8）V8V9段：斗杆油缸最短、铲斗油缸为上一弧段时的状态、动臂油缸由最短伸
至最长，由斗齿尖绕C点以半径CV8转动形成。
经过上述步骤后，将主要的作业尺寸、各部件（动臂、斗杆、铲斗）的摆角范围及极限姿态标于图中，运用CAD所绘制的挖掘机包络图如图5-5所示。
：
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图9.1 挖掘包络图
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10 全文总结
通过本次毕业设计，使我了解到了设计当中的艰辛，也真正使我知道了我的理论知识和实践能力还存在很大的差距，测绘部分还可以，但是到了画图建模和标注的时候，感觉无从下手，虽然看了相关的资料，仍然觉得很迷茫。机械制图的很多基础知识都忘了很多，特别是在完全没学过Pro-e工程软件的情况下接受老师布置的设计课题。一方面Pro-e软件的运用需要学习，另一方面挖掘机的相关知识开需要看课本来得到巩固熟练。在做毕业设计的过程中，我明白了自己的基础知识还很薄弱，对我们来说还有很多东西要学，同时也感到离开大学对我们来说也仅仅是更深入学习的开始，工作的开始也意味着更多学习的开始。而且知道，无论是数据的计算还是设计图的绘画等都要一定的根据和依凭，不能马虎乱来，这样的设计才能更加的适应需求。虽然这次设计做得不够好，但这次设计给了我一个机会让我明白更多的东西，而不是停留在书本理论上。相信有了这次设计的经验和基础，我以后的设计会做的更好。
这次毕业设计中也使我们的同学关系更近了一步，同学之间互相帮助，有什么不懂得大家在一起商量，听听不同的看法有助于我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何下手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：只是必须通过应用才能实现其价值！有些东西一位学会了，但是真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真正的学会了。还有就是，通过这次毕业设计，我基本上熟练掌握了Peo-e工程软件，相信这项技能的掌握对我今后无论是学习还是工作都是十分有利的。有付出就会有回报，虽然每天辛苦的坐在桌子前不停地忙碌，但是当一切都结束的时候，看着自己亲手做出的毕业设计，虽然它不尽完美而且漏洞百出，但它不妨碍成为一件让我们为之骄傲的工程。感学我的大学，感谢匆匆四年，不论结局如何，起码过程是精彩的。谢谢！
机自101204班 武慧杰
14年6月10日
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参 考 文 献
[1]单斗液压挖掘机构造与设计[M]/林慕义，史青录，著.冶金工业出版社,2011.
[2]天津工程机械研究院.GB/T 7586-2008 液压挖掘机试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009 [3]史青录，连晋毅，林慕义.挖掘机最大理论挖掘力的确定[J].太原科技大学学报.2007 [4] 刘希平.工程机械构造图册[M].北京：机械工业出版社,1987. [5] 同济大学.单斗液压挖掘机[M].北京：中国建筑工业出版社,1986. [6] 刘鸿文主编.材料力学[M] .第四版.高等教育出版社,2004. [7] 王佰平主编.互换性与测量技术基础[M].机械工业出版社,2008. [8]张铁.液压挖掘机结构原理和使用[M].山东：石油大学出版社.
[9] 《机械设计手册》联合缩写组.机械设计手册[S].化学工业出版社,2005. [10]曹善华.单斗挖掘机[M].北京：.机械工业出版社，1989. [11]李廉锟.结构力学[M].高等教育出版社,2004.
[12]同济大学刘希平主编.工程机械构造图册.北京：机械工业出版社,1987,12 [13]张玉川主编.进口液压挖掘机国产化改造[M].成都:西南交通大学出版社1999,3 [14]成大先主编.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,1987年报2月
[15] 颜荣庆等编著.现代工程机械液压与液力系统[M].北京:人民交通出版社,2001年4月
[16]s.卡尔帕基安(Serope kalpakjian)，s.r.施密德(Steven R.Schmid).Manufacturing Engineering and Technology—Machining[D]，2010.03
[17]ANTILA M, LANTTO E, ARKKIO A. Determination of force and linearized
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[18]M.Oblak,B Harl and B.Butinar ,Optimal design of hydraulic support[J].2011.
[19]Machine Shop and Engineering Manufacture[J].Iliffe Production Publ. Ltd., UK,1980. [20]International Journal of Mechanical Engineering Education[J].Manchester University Press, UK,2012. [21]World Patents Index (WPI) Gazettes, Section Q: Mechanical[DB].Derwent Information Ltd., UK,1993.
[22]Mechanical Engineering[J].American Society of Mechanical Engineers NJ USA,1996.
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致 谢
经过将近三个月的毕业设计，从一片茫然，到排除重重困难，最后终于完成此次设计任务。我的课题是在李捷老师的指导下完成的，在设计过程中李老师给了我很多宝贵的建议，在设计遇到困难我产生挫折、懈怠情绪时，他会给我鼓励然后对所遇困难给些建议。李老师的帮助使我从一片茫然到欢喜鼓舞，从不懂到理解，渐渐了解课题的设计步骤和程序。他高尚的品德、渊博的知识、开阔的视野、灵活的思维和严谨的治学态度，给我留下了深刻的印象，并将影响我以后的工作、学习。所以在此首先我要对李老师表示衷心的感谢。
其次，应该感谢我的同学，在这次设计过程中他们在CAD绘图方面给了我些帮助。 这次设计也是毕业前的最后一次设计，很高兴我选择了单斗挖掘机三维建模的课题，它使我学到了很多知识，也为我以后的工作打下了很好的基础。
最后，学生向在四年中默默无闻地教授我们知识的各位老师和在百忙之中评阅本论文的各位老师表示衷心的感谢。
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轮式移动土方设备转向系统的设计特点
Piotr A.Dudzinski
摘 要
本文就各种转向器及转向装置，讨论典型移动土方设备的转向系统及其设计和操作参数系统的分类，并对一些基本优缺点进行了比较。此外，以铰接式车辆的转向齿轮为例，确定所有可能设计的级别机制。通过polyoptimization法，在已经建立的视图中优化转向机构，使其几何设计和运行要求要比时下那些依赖使用中再调节解决问题的方案更加便利。本文讨论所用的polyoptimization方法与常见的目标函数设计法相比，提供了一个更逼真的设计效果。通过这种方法合成得到的新的解决方案具备更好的设计和运行参数，这种方法也被成功的运用于其他科技领域。
引 言
国际竞争中，施工人员不断增长、运输期限批量缩短，数量减少和机械化程度增加，加上工资上涨和价格，都要求建筑设备制造商不断追求高效、可靠的无轨土方设备。除此之外，这些因素迫使运营商有效地使用设备和严格计算地球每立方米的成本转移。然而，除了购买和维护成本，运土设备的性能和经济性主要取决于流动性和可操作性，以及对机器的操作中的使用寿命和可靠性。 目前工程机械的发展，关键在于提高流动性。已经有一些尝试自动化设备，但在这方面开放的可能性还没有得到充分利用。我们可以预期，在工作过程中自动化将有显著改善。在不久的将来的施工机械作业面积将实现动态进展。通过在施工机械微电子合理应用，有可能实现在正常条件下优化和控制任务的能力。 履带架与推土机轮胎高动态牵引性能的更新换代，使得流动性的增加。机器操作性不仅取决于所用转向机构的类型（例如，指关节或铰接车架转向） ，同时也受转向控制系统（例如助力转向系统图1 ）类型的影响。 这个决定性的点在于转向机构的转向齿轮（如齿轮齿条式转向机构）的设计。在上述建筑机械的转向机构必须确保操作性和驾驶稳定性。铰接框架车辆的这种双重功能是特别重要，一方面，因为操作驱动速度已经持续增加，而另一方面，因为该设备还必须安全且迅速地驱动在公共道路上。这些问题要求该设备维护技术安全的高水平。当设计转向系统的土方机械时，设计者必须考虑到在转向装置的各个主要组件的复杂要求。
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本文系统阐述了在考虑到转向机构的主要组成部分时，移动土方设备的典型转向系统的设计和运行特点。同时也介绍了作者自己的转向器，其中有有趣的设计和有新的操作特性的解决方案。使用计算机辅助设计和合成polyoptimization这些新的解决方案已被开发。这篇文章有助于选择经济的土方设备。
转向节转向
转向节转向是典型的刚性框架机器。无论是前轮转向、后轮转向、四轮（协调）转向或者蟹转向，土方设备与转向节转向是根据单桥转向来区分的。
单桥转向
车辆的转向轴通常位于最低负荷时的点，在大多数情况下这是后轴。例如在轮式装载机的情况下，需要一个浮动转向桥的形式。浮动转向桥没有任何传统悬挂部件的特殊设计，非常简单，坚固耐用，极具成本效益。因此，浮动转向桥是经常使用的方法，它独立适应于各种地面轮廓。此外，尽管车辆拥有四个车轮的4点的足迹，它仍然能够精确地计算静态车辆系统的垂直负载。其静态计算是基于以起落架的部件的尺寸及载荷假定（主要是由车辆的重量来确定）来确定的扭转应力。大多数情况下的传统悬挂系统申请引入到车辆的车架中。因此，设计人员可以节省材料，从而设计更加经济。静态确定的浮动转向轴传动系统具有附加的优点，即整个车辆的重量有助于牵引，因此，得到更广泛的应用。在大多数情况下，它可避免车轮起重关闭，从而保证了良好的流动性。时下前轮驱动仅用于多用途车辆，因此后轴被设计成一个刚性轴，因为高负荷的后置式挖掘机在此轴承重。
为了确保安全，无滑动的驾驶曲线谈判时，在车轮上转向轴的几何转向必须保证可变的转向锁定角。 曲线8的纵向轴线的车辆外侧的车轮的转向锁定角必须按顺序对应各不相同的曲线8内侧的车轮的角度，对于各个车轮的瞬时线速度矢量的正交线相交在一个点，旋转的“S”的即是车辆所谓的瞬心。无论车轮的滑移角，以及所谓的运动不规则性（例如，影响车辆用刚性接合轴牵引和转向的问题）的负面影响，正确的转向几何的车辆可从下面的公式：
aA = arcctg(B/L + ctg 6,)
其中aA， B/L =在外面或里面的车辆的车轮转向锁定角， L=轴距， B=脚趾的宽度。
在实践中，在方程的基础上，确定所述转向梯形的尺寸。这个转向联动装置构成转向轮之间的机械连接（图3）。转向梯形在土方机械的下部安装可以降低设备清理，但增加了车辆在地面上挂上东西损坏的危险。该转向系统的另一个缺
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点是，在复杂地形操作过程中其众多的细节部分（特别是关节）磨损迅速。 单独的转向液压缸控制转向系统使得转向轮不机械地连接转向锁定角。在实践中，等式（1）难于使用于找到对这种转向系统正确的转向几何。这样做的主要原因是不同的负载上的转向缸对转向轮有不同的应力，以及在转向缸中产生变化的内电阻值。这些载荷对转向系统的部件有不同的影响，并引起液压系统的可压缩性波动。其结果是引起各个转向液压缸的液压流体体积的波动，从而改变行程，使其从原来的尺寸偏差。复杂化这一情况的其他因素包括液压管路的长度变化和其灵活性，以及尺寸公差的差异和可能丢失的卷，例如联接器的连接。此外，反应时间为转向系统中的元素，以及机器的瞬时应用状态（因为它是受环境因素的影响，如在通过车辆的一侧加热的转向缸）都会因转向精度产生负面影响。由于转向轮的转向锁定角由转向液压缸行程控制，并且这种控制必须保证气缸精确动。转向系统由非机械连接的缺点是显而易见的。微电子技术可用于使用自动转向修正，以实现精确的转向几何。然而，这些措施不可避免地增加了机器的成本。 四轮驱动被频繁使用于提高土方机械的牵引。虽然静液压传动系统确实存在，但四轮驱动大大提高了牵引力，使用机械动力传输到车轮来实现。驱动力被传递到在使用homokinetic关节四轮驱动车辆的转向轮（图4）的各种设计方案存在。这些关节保证的连接轴的角速度彼此对应。homokinetic关节产生高特异性的压力这一事实导致这种设计结果的一个缺点，即在高负载的典型的大型施工设备的导线，有相对较低的使用寿命。这些关节的参与进一步复杂化技术设问题，使得机器的维护成本更加昂贵。
相较于土方设备与铰接式车架转向设备，单桥转向和相同的底盘几何形状缺点显著，即相当少的灵活性和可操作性，因而具有较低的性能，例如较长的装载周期时间（图5），如该图所示。前桥和后桥之间的差点中心与单桥转向车辆转弯半径大于铰接式车架转向。这种差别更大的、更多的是在于运动不规则性，从而导致在机械动力传递至车轮时车辆出现问题（图6） 。运动不规则性从机械工程指的是一个刚体的不可分离的已知条件： “任何刚体上连接任意两点的直线组件必须是平等的” 。在实践中这种情况经常是不满意的全轮驱动车辆。 以下是运动违规行为的主要因素：
- 前轴和后轴的车轮半径之间的差异，引起变化的弹簧变形，磨损和制造公差;
- 车轮的不同旋转半径上的曲线; - 车轮下的地面轮廓的差异。
运动学凹凸发挥最初导致传动系统中的部件损失，然后在驱动部件，使轮胎与地面可能弹性变形被利用，最后车轮开始打滑。实际上，某些机器在操作条件下，特别容易运动不规则，它甚至有可能使在前车轴的轮打滑工作原理针对在后车轴上。这意味着，工作轮的圆周力相互抵消（图7）。这些现象导致在驱动系统所谓的无功功率，特别是在具有高摩擦系数的基准时生成。无功功率有几个不利的方面，例如减少了牵引力，增加了轮胎的磨损，增加能量损失，车辆更难以转向。为了对付无功功率的问题，有必要以查看光的多通道效应及轮胎和地面之间的复杂关系。
目前，上述的问题的研究还没有得到科学实践的确认。这个任务是由卡尔斯鲁厄大学的lnstitutc在建造业设备使用中正在进行研究的课题。 在铰接框架设备转向中，土方机械用单轴转向是为了确保有足够的可操作性和相对较短的轮碱基。这是轮式装载机削弱行驶稳定性和做俯仰运动的源泉，而不是
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无关紧要的沉重。在挖掘操作过程中这台机器有一个凹凸不平的地面压力，这可能导致轮胎下额外的缺点。因此，它难以弥补地的不规则性（图8）。对于这一点，已描述过原因。今天正在制造高达约80马力（58.8千瓦）的装载设备，并在进行单个（后）桥转向安装性能的评估。 用单轴转向机的另一个缺点是，当机器处于停止状态或者车辆的车轮在单独的轨道四处曲线运行时不能纠正转向。在困难的地面状况，这需要摆在首位较高的正向驱动推进器，其次是事业，这增加了轮胎的磨损。 铰接框架转向车辆在干混凝土运行：（一）与最大铰接角度（〜，=（}.7弧度），（二）直接运行（'Y=0）在前面的差别和后轮'〜半径R =0{）3米，小姐 - 起动转矩，山〜扭矩在固定的位置移动。 （二）轮式平地机与铰接式车架转向。
对于大型车辆，设计师指定车辆和一个相对较大的车轮底座的外侧宽度。当然，大的宽的轮胎，可以使可用的高功率传输到地面。在有转向节的转向车辆中，这导致了方向盘相对较小的锁角，从而产生更大的转弯半径。除了这一点，在市场上超出一定的驱动性能范围的驱动转向桥车辆比较少。
单桥转向土方机械具有以下优点：更简单，更经济的支撑框架设计，紧凑的机械结构与较低的司机驾驶室布置和重心，良好的横向稳定性（与轮式装载机非常重要），用于驱动在陡峭山坡上，在曲线有最大有效载荷（重力的整体中心不随转弯角改变）。因此，这使得它在同一台机器的重量使用最大有效载荷。 四轮转向系统。在当代的掘土设备与四轮驱动机械系统的液压伺服系统中，每个车轮由一个单独的转向液压缸操纵取代。以提供适当的转向，另外额外的电子系统被应用到控制液压伺服系统中。在这些机器的操作，要根据地形和转向的需要，可以选择四种转向模式（图9）之一：（一）前轮转向;（二）后轮转向;（三）4轮（协调）转向及（d）蟹转向。
四轮转向无疑提供了更大的机动性，也使得在密闭空间内的机器（图10）更快速，经济地运行。车轮完全锁定（图LLA），重心的位置始终保持不变。与此相反的情况下，重心与铰接构架操纵机器移向机的前部和朝向翻转它的线时的机器增加（图1磅）的转向角γ 。例如，四轮驱动转向装载机，甚至可以为最小的转弯半径提供充分的提升力，而铰接框架装载机的提升力成比例地减小到锁定角度。尽管有这些优势，土方机械四轮转向很少生产，因为这种设备具有前面提到的缺点：驱动桥设计为高功率传输和转向装置的设计昂贵和费时。
机器蟹转向设计抵消实现漂移的sidehills，是可以很容易地操纵出来的横向障碍方式。例如，蟹转向有利于推土或分级。
大部分车辆用滑动转向。小的、非常紧凑的装载机具有两个或甚至三个驱动，但车轴不可控（图12） 。有时候，推土机正在使用甚至建立此指导原则。转向运动是通过使用在车轮的圆周速度差来关闭或制动车轮在车辆上的一个侧面进行控制。除此之外，两个驱动器侧可以彼此相对（图13）被激活。在这方面，人们可以清楚地看到，其实是这里不涉及转向运动，而是一种对整个车辆的横向位移。引力，这是依赖于在任何给定时间的装载条件下的整体中心，在确定转弯半径中起重要作用。每个转向校正结果在地球周围的侧向挤压，而不会干扰地面的表面来驱动，这是不可能的。例如，一个推土铲，较短的轴距导致不规则的压力施加在地面上，产生违规行为和流平性较差。这种类型的设计，例如小型轮式装载机，在遭受困难的地形与承重能力较差等缺点时通常只提供有限的离地间隙。 这种转向的设计提供了这里所描述的转向系统最大机动性。鉴于其极端的机动性
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和在有限的空间条件一机多用，实际操作中驱动转向展品的应用优势有大量的例子。然而，这种机动性承担了不利的工条件：恶劣的驾驶性能，载荷传递力量薄弱和高机械应力，比如轮胎磨损等。
铰接式车架转向
铰接车架转向的引进一直是土方和施工机械发展的一个决定性因素。相对于传统设备的转向节转向，带铰接车架转向机具有决定性的机动性和更好的应用和设计系数。
轮式起落架的第一铰接架车建于1913年，由Pavesi集团 – Toloti制作的钢制车轮和四轮驱动（图14 ， 15）的一台拖拉机。在随后的几年，一系列的设计方案演变为车辆铰接式车架转向（例如图16 ） 。尽管该系统的早期设计，建筑设备制造商并没有充分利用这方面多年的发展成果。本设备的设计突破付诸实践的各种原因。在一方面，大量土方程序和机动性，高功率土方设备相关的要求，再加上另一方面静压转向装置的发展发生率，是这种设计集约利用的主要原因。安装在较旧车辆上的机械式转向系统铰接车架转向，具有转向过度的惯性，不能满足现代设备的高驾驶安全性和性能需求。大量铰接车架土方机械在60年代初进行了介绍。目前铰接框架的概念一般是利用在土方，采矿，林业和农业机械，军用运输车辆等上，几种样机的月球车也基于该铰接车架转向的概念（例如图17 ） 。
铰接车架转向机的车轴车轮不再锁定。行驶方向是由“崩溃”整台机器决定，在土方机械方面的变化是它通常由两个刚性桥台铰接在一起，也有设备有两个铰接接头的，比如由耶鲁大学（图18）制造的双节“木马”装载机。本机由三部分组成。也有车辆数的关节，例如乐唐龙的所谓运输牵引车（13组件，图19）。双铰链机器非常容易操作，并拥有螃蟹的驱动能力，这在平地机使用中非常有利。例如，这些机器的开发主要用于实验目的。因为它们的造价是极其昂贵的，而且还没有成为普遍的实际应用。
今天，标准的设计特点是在两个装备组件安装垂直轴（图20）连接。这个所谓的铰接接头提供了通过铰接在一个水平面上进行转向运动高达约_45°的弯曲角度，例如轮式装载机，转向运动可以使用齿条转向箱来实现。如前所述，土方设备不具备一个非常复杂的悬挂系统，但具有刚性车轴，而不是为了提供电源极端操作条件。
本机驱动器的动态应力软土方轮胎（图21）和弹簧式驾驶员座椅被部分抑制。主动悬挂还为阻尼动态负载提供了额外的可能性。这一原则，以前主要用在其他方面，最近已经应用于轮式装载机，例如Zettlemeyer的ZL5001，这意味着所有四个车轮有一个负载主动悬架（无摆关节）（图22）。此负载主动悬架主要是改善了操作员的舒适性，驾驶证速度可达60公里/小时。
一般的额外水平轴关节（摆关节）内置于土方机械，使用摆关节相关联的额外的优点是确保在所有四个轮子恒定地接触。也有在该单元段关节具有三个自由度的连接铰接框架的车辆。
与土方机械用2设计的变体不同之处主要取决于摆关节的位置：
（1）与摆轮轴机，在这种情况下， 1的车轴（前面或后面）的，一般是带有较小的载荷的轴，由摆关节（图23 ，24）连接到所述框架。摆角“ 0 ”，“大约是+ 12 °，（2）与摆或”浮动“的帧，在这种情况下，车轴被刚性地连接到所述框架和所述摆关节连接至铰接接头在一个紧凑的机器单位（联合有两个自由
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度） （图25和26）。帧的摆角“ 0 ”讲述的是+12 ° 。
（1）和（2）具有一个自由的额外度，致使无法按照传统理论用转向节的转向设计描述的这些车辆。这一事实主要是在静止稳定的计算中表现出来，以更高的速度和机动性提高行驶稳定性。
静止的稳定性依赖于轮胎反应的分布。为了保证机器的稳定性，其不利运动条件下的正常反应必须大于零，但切向负载，另一方面，必须比轮胎与地面之间的摩擦力小。自行式机轮反应的分布通常取决于许多因素，如机器的几何形状，它的自重，有效负载，外力（驱动电阻值，击穿电阻值，离心载荷，惯性等。），地形的坡度，设备上的斜率即所谓的启动角。铰接框架的转向，关节运动角度，铰接接头的位置和轮胎反应分布的摆关节相当大的影响机器。取决于土方机械用两种组分，其中每个组件的重心位于穿过轴绘制的竖直平面外，变化的反应可以参照正常轮反应，以便用于增加关节角度来确定设计。
轮胎的弹簧和阻尼元素土方机械，C。 CP C：=相应的弹簧轮胎系数，KX，KV，KZ=相应的阻尼因素的轮胎。
轮式装载机车桥和上层建筑（ZETTELMEYER）之间的弹簧和阻尼单元。 随着关节角度增大，摆轴或帧相关的正常轮反应（在水平地面）几乎相等。在与此相反的情况下，刚性框架或桥联正常车轮的反应表现出的差异增加。这种差异更大的程度是在铰接接头的弯曲力矩中。例如，在铰接接头，轮式装载机采用了全铲负弯矩的情况下，正常的内部轮反应随关节运动角度增加而增加，而正常的外部反应却降低。在正弯矩的铰接接头的情况下，如装自卸，正常的反应遵循完全相反的模式（图27）。
该铰接接头的过程中机器的与组分质量分布转向运动的位置上施加具有非浮动架（图28）相关联的正常轮反应中的显著影响。在从铰接接头与非浮动架轴的距离越小，在本车轴正常轮反应的差异。这种效果是进一步增加了加宽铰接角。除了这一点，研究表明，机器上斜坡的稳定性显著依赖摆关节的位置。对于一台具有一个加载臂的机车，例如轮式装载机与满载铲，下列说法可参照其设计原理说明设备的稳定性：
- 设备与前端摆轴具有最低的稳定性; - 设备与前端浮动帧具有更好的稳定性;
- 设备与后部的浮动轴或框架实现这种类型的机器的最高稳定性，与后部的浮动轴表示此概念的最佳解决方案。
在实践中，只有后排浮动轴或帧的设备正在建设中。在铰接式运输设备的情况下，比如自卸车，车辆采用浮动后车架具有最大的稳定性。铰接的机器与其他摆共同安排，有必要计算该车辆是否适合于特定的应用，因为它们具有同等良好的稳定性特征。这些结果是基于一种计算机程序。在项目规划阶段已经分析机器，其可以进行精确的稳定的可能性设计和操作参数。
机器的可操作性通常取决于其转弯半径上。实际情况下，如发掘现场，确定机器设备组成部分的边界发挥有重要作用，因为它们决定了必要的驾乘空间。这意味着该驱动路径的宽度是由最大外面和里面最小转弯半径决定。图29示出了轮式装载机与内置于车轮底座（频繁的实用设计）相比，轮式装载机具有铰接接头在后轮轴的方向上的中心铰接接头的可操作性。此处所示的关系表明，车轮底座几何中心的铰接接头向后位移增加了可操作性以及轮式装载机的稳定性。除了已经提到的优势外，铰接的这种安排使得驾驶室待建前底盘，在任何时候装载铲和工作区（图30）提供绝佳的驱动程序。除此之外，更好地保护驱动程序，振动和
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马达和传动噪音。也有铰接的机器，如刮板，其能够锁定在__ + 90 ° （图31）的铰接角度。在结合不同技术组件后这种机器的前进组件是一个基本单元（拖拉机）（图32 ） 。这些机器上的铰接接头在前面部件稍微向后方位移，从而提高了机器车轴的稳定性。该铰接接头连接的前部和后部的设备部件是尽可能低的安装在紧凑铰接摆关节。 [吨提供多达+ 20 °的前部和后部托架部分之间浮动调整]。
铰接车架转向（与转向节转向）的主要优点（ 1 ）减少自由驾驶室内的要求（图33 ） ，在有限的空间产生良好的maneu - verability。 （2）因为较大的轴距临界车辆的机动性点Pk位于车辆前部，因此驱动器总是在视图中（图33）的。（在不平坦的地形和更快的公路出行少俯仰运动） （3 ）更好的行驶稳定性。对于铰接车架机，相较于设备与转向节转向一个更大的轴距，从两车的单位结果必然崩溃在一起（图34） 。（4）在软地上的大牵引力谈判曲线（图35）。 （5）用必要的最小总电源，打开软地面（图36）。 （6）宽轴距和更低的头重脚轻的负载设备（负载地面上的更有利的分配）增大静止的稳定性。 （7）当车辆处于静止状态时进行转向修正（良好的分流能力）（图37）提供可能。 （8）相对于框架，良好的转向几何直接派生自不变车轮位置。在困难地形通过使用大而宽轮胎，利用转向运动走出深车辙（9）绝佳的移动性。 （10）简单的刚性车轴（无homokinetic关节）。 （11）因为转向箱安装更高，所以产生更大的离地间隙，。 （12）在轮式平地机台，能更好地利用在曲线横向载荷（横向稳定性）和不规则地形更好的补偿（13）当铰接接头在两个轴中央时，前轮和后轮在相同的轨道上运行。这通常在很大程度上减少了行驶阻力值，并减少轮胎的磨损。所谓的运动不规则，造成的破坏性影响主要是谈判时曲线均有所下降。所谓的多遍效应发生，在其中一些地面条件下具有一定的优点。
铰接车架转向的缺点（1）横向稳定性，尤其是上了一个档次。可比的稳定性，当且仅当重心在靠近车轴的车辆谎言的两个部分可以实现在车辆铰接框架转向，而在施工设备实践中这是难以实现的。 （2）大转向动力（图38）。相比于同等规模的刚性框架的车辆机器，铰接车架转向要求液压油更大的来实现高转向速度比。除此之外，铰接架机的转向阻力大于与转向节的转向车辆。 （ 3 ）更复杂和昂贵的承重框架。 （ 4 ）在高速行驶时不稳定。三种行驶稳定性的因素是有区别于车辆铰接车架转向（行驶在平坦的表面） ：
（一） “编织” ，表示在前后段摆动disharmoniously相对于彼此; （二） “折叠” ，表示铰接机器的这两个组件是容易崩溃彼此; （三） “慢慢地发散模式” ，它代表类似转向过度的行为。 铰接式框架车辆的行驶稳定性取决于各种因素，其中最重要的有： - 转向单元（图39） （在实践中由转向系统的设计元素确定）的动态特性，液压线路中的弹性，并且从空气引入到液压系统时，整个转向装置加的可压缩液压流体泄漏。弹性转向单元降低铰接式框架机的行驶稳定性;
- 轮胎的动态特性。对在全地形情况的工程机械比在街上的车辆，更糟糕的驾驶稳定性导致其轮胎更富有弹性。例如，车辆之间的相互作用和外部效应结果的更新和地面的特殊物理 - 机械性能，在车辆上具有直接影响。除此之外，转动惯量和风力也是重要的;
- 车辆的几何形状，重心的位置，铰接和摆关节的位置影响驱动稳定性（图39）
- 行驶速度对行驶稳定性有直接的影响：转速越高，稳定性越低。比起传统
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汽车，这对铰接式车架设备影响更大;
- 四轮驱动机器使用驱动器的类型。不规则运动进场的土方机械的轮子在正常的机械动力传输过程中，发生平行与其他负次要因素的影响，降低了车辆的操纵性。
对于稳定性和转向性能的缺点可以通过铰接架机操作流程的自动化基本消除。在机器的使用研究建造中，卡尔斯鲁厄技术大学笔者制定了基于运营经验，这将是最重要的操作流程自动化系统项目：
- 增加了操作的安全系数（减少事故的发生） ; - 提高运行功率;
- 节约能源（提高整机效率等级） ;
- 最大限度地减少轮胎的磨损，提高了设备的整体使用寿命; - 增加客观控制操作过程可能性; - 用人少的可能性;
- 大运营商改进操作性能的结果。
微电子技术的应用有助于实现这一目标，但使移动式建筑机械的应用成本增加。
结合转向和组合转向已被用于那些需要在应用程序非凡的多功能机器中，例如平地机（图40） 。驾驶员可以随时适应转向精确应用类型的要求。长的驾驶距离和精细分级的工作通常是与帧进行直奔前方（左侧图） 。铰接关节和指关节的转向（中心图）可以在最狭窄的空间提高可操作性，特别适合于分级曲线和反对台柜。良好的可操作性，自然意味着更高的性能，更短的转向时间。在移位跟踪模式（右图）的前轮和后轮中，铰接转向锁定在（所谓蟹转向）相同的方向上运行。蟹转向模式增加了横向范围，改善视力，确保安全的工作，并保持高性能。由于机器没有留下任何轮胎轨道，使其稳定性能增加。
结 论
总之，已经确定，没有一个最佳转向系统的所属应用程序。不同类型的转向的优点和缺点已经在个别情况进行检查。正确选用转向系统必须针对每个具体案例决定。除了机器的特殊任务和操作条件，诸如最大有效载荷，可操作性等，该决定也必须基于高使用寿命和涉及施工设备的制造中的参数的复杂性。 在小型轮式装载机（80 hp/59千瓦）的领域，操舵系统有不同的技术解决方案，如滑移转向，转向节转向和铰接车架转向。对于中型和大型装载机，铰接式框架转向纯粹是因为它为这些机器提供了许多设计和操作优势。 我还必须强调的是，操作特性和土方机械的性能可以通过自动化来提高。在转向机构的技术上有趣的新的解决方案是负荷传感转向，一个“思考”的液压系统，配电自动化。在液压转向装置中，载荷传感器识别瞬时功率的需求，并即时提供液压流体，从而使液压动力最佳地适应工作环境。
基于使用结构计算机合成的齿条转向齿轮有两个液压缸结构，四个系统的实际工程应用取得了派生的解的个数。此外，有可能由图方案（ c）和（ d）来确定，或（f）中。 60应当用于与关节运动机角达到y = +90 ° ，如刮刀，以避免所谓的死点。转向齿轮（ d）和新的解决方案（六）如图所示。 60有比以前熟悉的解决方案，更好地处置矩特征。另一方面，对于铰接式框架的机器与关节角达约± 40° - _ + 60°，如轮式装载机，图。 60 （一）提供了一个简单的解决方案。这里介绍了上述解决方案的优化计算结果表明，其点代表连接点的转向液
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压缸的平行四边形应与在平行线的决定性差异是梯形。梯形侧面的特定比例取决于车辆的设计参数和转向液压缸。使用特殊的计算机程序可以计算出每一台机器的精确尺寸。以这种方式计算出的转向系统保证宽的传输角度，其适当的功能性和可靠性。这也减少了转向缸的必要能力，同时保持转向器的转向力矩。实际上，此过程优化了转向机构的功率要求。
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