轮式拖拉机前悬挂装置的设计毕业设计论文说明书.doc

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1、轮式拖拉机前悬挂装置的设计摘 要拖拉机配前三点悬挂装置构成的联合作业机组，由于在一次行驶中可完成多种作业，节省农时，提高作业效率，扩大了拖拉机的通用性，因此在国外拖拉机(特别是大功率四轮驱动拖拉机)上获得了广泛的应用。但目前国内各种功率等级的拖拉机还很少配装前悬挂装置。前悬挂装置具有不同于后悬挂装置的显著特点，本文在理论分析的基础上，进行了轮式拖拉机前悬挂装置的设计。文中首先归纳总结目前国际上各著名拖拉机产品的前悬挂装置结构特点及前后联合作业的主要作业方式，分析前悬挂机组在不同的耕深控制方式下拖拉机前桥的受力状况，得出相应的计算公式，指出前悬挂一般应采用带支地轮的浮动控制方式。然后分析由不同的

2、悬挂杆件布置方式决定的机组纵向瞬心和水平瞬心位置对前悬挂犁耕机组作业稳定性、入土能力、耕深稳定性、牵引性和通过性等性能的影响，从而给出可行的瞬心范围。最后，在理论分析的基础上进行了前悬挂机构设计。关键词：拖拉机，后悬挂，受力分析，瞬心，联合作业ABSTRACTTractor with front linkage consists of the combination of operating units, because in a driving can complete various task, save farming, raise working efficiency, expand

3、the tractor of generality and so on foreign tractors (especially high power four wheel drive tractors) on a wide range of applications. But there is few at present domestic various power levels of tractor equipped with front suspension device. Front suspension device has the remarkable characteristi

4、cs different from rear suspension, on the basis of theoretical analysis, this paper has carried on the wheeled tractor front suspension device design.Firstly summarizes the current of each tractor products famous on the internat- ional front suspension structure characteristics and joint before and

5、after the opera- tion the main operation mode, the analysis of front suspension unit under different tillage depth control ways of tractor front axle stress state, the corresponding calcu- lation formulas, points out front suspension generally take the ground wheel floating control mode should be ad

6、opted.Then analysis determined by the different way of hanging bar decorate unit lon- gitudinal instantaneous center and horizontal position of instantaneous center of fr- ont suspension deep tillage unit operation stability, the grave ability, stability, tracti- onal and through sexual behavior, an

7、d gives the feasible range of instantaneous center.Finally, on the basis of theoretical analysis for the front suspension mechanism design.Key words: tractor, front linkages, rear linkages. force analysis instantaneous center, combination operation.目 录第一章 前悬挂概述11.1问题的提出11.2前悬挂的发展11.3前悬挂的评价21.4前悬挂的主要

8、结构型式31.5前悬挂的主要作业方式7第二章 前悬挂机组对拖拉机操纵性的影响92.1悬挂带支地轮的农机具92.2悬挂不带支地轮的农机具12第三章 前悬挂杆件的布置方式与作业稳定性163.1 横向稳定性163.1.1水平瞬心在前163.1.2水平瞬心在后183.1.3上拉杆长度的影响183.1.4水平瞬心的选择193.2纵向稳定性203.2.1上拉杆用链子203.2.2上拉杆用刚性杆213.3前悬挂犁纵向瞬心的合理范围29第四章 前悬挂装置的设计314.1设计指导思想314.2悬挂机构的设计31第五章 结 论38致 谢39主要参考文献40第一章 前悬挂概述1.1问题的提出近年来，随着我国改革开放

9、政策的深入实施，农业生产也得到不断发展，特别是国家现行的以联产承包责任制为基础的、统分结合的双层农业经营体制，为发展适度规模经营，实现农业集约化生产奠定了基础，也使得农业机械在农业生产和发展中的作用越来越重要。另外，拖拉机平均功率的不断增大，也使得配套农机具越来越重。目前，我国正在大力发展各种联合整地机、耕种机、播种施肥机和联合收割机与拖拉机配套，这种联合作业机组由于在一次工作行程内完成几项作业（如灭茬、施肥、耕地、耙地、播种、镇压等），从而大大地减少作业次数，也可减少机组对土壤碾压和滚动损失次数，还可减少滑动损失（由于旋耕产生推力，抵偿部分牵引阻力），农艺质量、作业效率和作业经济性较好，符合

10、农业节本增效的要求，是发展方向。与这种趋势相适应，就要求拖拉机能够配装前悬挂及动力输出装置，但现在我国生产的各型号拖拉中，绝大多数只有后悬挂和后动力输出轴，这种联合作业机组的缺点是：由于联合耕种机重而长，受悬挂提升能力的限制，不得不采用半悬挂或牵引方式用分置油缸操纵，使机组的机动性差，转弯时地头留得很长，同时，为保证机组的操纵性和稳定性，拖拉机前都要加很多配重。又如对于联合收割机，收割台必须布置在拖拉机前部，这样就要从位于拖拉机后面的动力输出轴通过一系列的链条、齿轮、万向节、皮带轮再加上曲柄连杆机构，才能满足传动的要求，为使割台升降又要一套杠杆系，这样就使得整个机组结构复杂，可靠性下降，同时机

11、组的总重量也上升了，从而就增加了对土壤的压实程度，而拖拉机若配有前悬挂及前动力输出装置，问题就会变得简单，可以轻而易举地满足前悬挂机组对传动和提升的要求。1.2前悬挂的发展前悬挂最早是1977年由当时法国的Ferranti（现在的Uni - Drive）公司在Stoneleigh向公众展示的，当时并没有引起特别的注意，它主要用来悬挂一些型的收割饲料和干草的收割机具，仅能满足提升和下降的要求，机具工作部分也不进入土壤。随着现代拖拉机技术的发展，特别是承载能力大的前驱动桥的出现，为充分发挥四轮驱动的效能，一些公司开始尝试在拖拉机前部悬挂多种大型机具。70年代末，法国一家公司设计了能够提升大型多行甜

12、菜收获机的前悬挂装置，并获得成功，随后在这套装置上又进行了推式犁的实验。由于前悬挂需要专门的配套农机具，故上述尝试多是在一些专门生产农机具的公司进行的，它们给拖拉机配装前悬挂装置并提供相应的配套机具，但它们的产品互不相同。为提高互换性，方便用户，国际标准化组织(ISO)于1985年正式制订了相应的前悬挂装置标准，即IS08759/2-1985农业轮式拖拉机前悬挂装置和前动力输出轴第二部分：前悬挂装置。我国也于1989年制订了相应的标准GB10916-89农业轮式拖拉机前悬挂装置第一部分：1、2类。几十年来，前悬挂装置在国外得到了充分的发展，各大拖拉机公司在新设计拖拉机时都考虑了装前悬挂的可能性

13、。前悬挂的配套农机具也日渐增多，它作为一种常用的选装部件，几乎在所有国外大功率拖拉机上都可以看到。1.3前悬挂的评价前悬挂装置提高了拖拉机的适应性，符合联合作业的要求，前后悬挂构成的复式作业机组同单纯的后悬挂机组相比，具有明显的优点，如：1前后悬挂复式作业机组具有更高的生产效率，且保证驾驶员有良好的视野，方便操作。2前悬挂机组可以代替前配重，机组总质量减轻，使前后桥质量分配合理，从而可减少滚动阻力和对土壤的压实，提高拖拉机的牵引效率。3前、后机具可独立驱动，从而可简化机具驱动机构，保证合理的动力输出轴转速配置。4前、后机具都可采用全悬挂，在地头转弯时顺序提升和降落，机组机动性较好，可减少地头长

14、度等。5前悬挂农具可用现有后悬挂农具简单改装而成，不需要专门设计后悬挂联合作业机具，使用上比较灵活。特别是对大功率拖拉机(功率大于75KW)，可充分利用发动机的功率，前后犁耕机组能保证拖拉机前后桥有合理的负荷分配，降低驱动轮的滑转率，提高拖拉机的牵引效率。据德国石勒苏维格一荷尔斯泰因(Schleswig-Holstein)州的使用经验表明，在同样犁体数进行耕地作业时，前后悬挂犁机组的功率消耗比后悬挂犁机组可节省1520%。1981年用一台DeutzDX -1拖拉机三铧前悬挂四铧后悬挂的七铧犁与一台七铧后半悬挂犁在砂壤土上耕地进行比较，前者比后者油耗节省2.2%，滑转率下降6.8%。另外，Nau

15、d公司（生产前后悬挂犁）也在多种拖拉机上进行了试验，结果表明，在悬挂同样犁体数的条件下，前后悬挂犁同后悬挂犁相比，前者可使生产率提高4550%，单位油耗降低3050%(见表I-I)表1-1拖 拉 机每组犁体数机组生产率提高值（%）油耗降低值（%）前组后组Renault 1181 - 4245029Internation - Harvester 1445345830Mercedes -1300243516Massey Ferguson 2680356026John Deere 4040233337Renault 1181 - 4345837在法国，前后悬挂犁耕机组使用的也很多，1982年法国有关

16、部门对这种技术的使用情况进地了调查，主要结果如下：(1)前悬挂的犁体数：6070%的用户在拖拉机前悬挂3个犁，前悬挂犁体数量有减少的倾向。(2)每个犁体所需的动力：用户中的89%认为每个犁体需要1520马力。(3)前悬挂犁的优点：可充分利用拖拉机的动力，节省能源和时间，使用灵活，随着条件的变化可增减犁体数。(4)缺点：2630%的用户认为犁沟不易耕直，也有人认为驾驶员的技术水平要求较高。(5)总的评价：拖拉机功率为160200马力时，采用这种技术最经济，为减少事故并预院磨损，前悬挂的犁体数量最好不超过3个。1.4前悬挂的主要结构型式前悬挂目前有两种形式：一种是类似于东方红802的后悬挂装置，由

17、提升油缸通过提升臂带动可调提升杆，进而使下拉杆升降（见图1-1）。对不同公司的产品来说，又因提升油缸的位置不同而稍有不同。另一种是没有提升臂和提升杆，由两个提升油缸直接控制下拉杆的升降，两下拉杆铰接点刚性地固定在一起，成为框架结构（见图1 -2）。这种设计机构简单、紧凑，杆件数目少，是最常见的一种，目前国外一些著名拖拉机公司多采用这种方式。另外，由于下拉杆不能横向摆动（不像后悬挂），造成农具挂接困难，一般都采用快速挂接装置。不同机型的前悬挂型式见图1-3至图1-7。图 1-1 Ferranti 公司的前悬挂示意图图 1-2 Deere7410的前悬挂示图 1-3 久保田L245 图 1-4 M

18、Btrac 图 1-5 MF2000系列拖拉机前悬挂 拖拉机前悬挂 拖拉机前悬挂图 1-6 Deere 8000系列拖拉机的前悬挂(上拉杆用油缸)图 1-7 ZTS 16245 拖拉机的前悬挂1.5前悬挂的主要作业方式前悬挂机组一般不单独作业，它总是与后悬挂构成联合作业机组一起工作。从收集到的资料看，主要有以下几种作业方式：1)悬挂前配重，可根据需要快速更换配重（见图1 -8）2)前整地起垄、后直接播种（见图1-9）3)前旋耕灭茬、后深松播种(见图1-10)4)前收割牧草、后打捆（见1 - Il）5)前后犁耕作业（见1- 12，1- 13）图 1-8 Laforge 公司的前悬挂配 Deere

19、8000系列拖拉机悬挂前配重图 1-9 Deere7810 前整地起垄后播种作业图 1-10 Deere 前旋耕灭茬后深松播种 图 1-11 Fiat 110-90前收割后打捆图1-12 Deere 8100 配 Naud 公司4+5前后悬挂犁作业图 1-13 Fiat180-90配4+5前后悬挂犁作业第二章 前悬挂机组对拖拉机操纵性的影响前悬挂机组显著地改变了拖拉机运动时质量在前后桥上的分配，使前转向轮上的土壤反力减小或增大，从而影响拖拉机的操纵性。一般情况下要使拖拉机不失去操纵性，前桥分配质量不小于拖拉机最小使用质量的20%或前桥使用质量的60%。前桥受力状况又随前悬挂机具的形式及悬挂杆系

20、位置的不同而有很大同。下面分两种情况分析机组在纵垂面内的受力状态。2.1悬挂带支地轮的农机具（即浮动控制）当采用浮动控制悬挂装置进行作业时，液压悬挂系统处于浮动位置，提升油缸内没有压力作用，可以认为悬挂农具与拖拉机液压系统之间没有约束力的联系，这时上拉杆都可看作二力杆，则作用在上、下拉杆的力的方向必然沿着该杆件的方向，分别取农具及拖拉机为分离体，受力分析见图2-1:图2-1拖拉机带前悬挂农具受力图（一下拉杆向下一下拉向上）图中：悬挂机具支地轮垂直反力农具重力拖拉机的使用质量悬挂机具支地轮水平分力下拉杆水平分力下拉杆垂直分力上拉杆水平分力上拉杆垂直分力地面对前轮的支反力地面对后轮的支反力土壤反力

21、的水平分力土壤反力的垂直分力对机具在垂直方向上从力的平衡方程式中可得：= (2-1)根据机具类型，下拉杆可能向下倾斜，也可能向上倾斜（见图2-1中位置一，一），第一种情况分力以为正，方向向下，而第二种情况则为负，方向向上。水平方向：+ =cos cos (2-2)使拖拉机前桥减载的翻倾力矩为，可从相对于O点的力矩平衡方程式中求出： (L) =0 (2-3)由式(2 -3)可求得，并进一步求得。在下拉杆向上的情况下，式(2 -3)依然能成立，只是合力的力矩要小（因其力矩臂短了，m），即+则农具不平衡，若+。则农具可保持平衡。国外PACowell等人以振动分析的观点对前悬挂的横向稳定性进行分析。首

22、先使农具瞬心偏移一段距离，然后释放（似单摆），使农具产生往复运动，在一定土壤阻尼的作用下求得迅速衰减的条件，从而可得出前悬挂瞬心在前时农具稳定的条件，并进行了试验验证。当前悬挂瞬心在前时，犁耕机组由偏移位置迅速衰减（指数衰减）至平衡位置而趋于稳定工作的条件为：横向力常数N与土壤阻力纵向水平分力D之比大于与悬挂参数有关的常数K，即：N/DK (3-1)式中：N= F/单位为N/radK=( ./Rcosa)1 (3-2)F农具受到的横向阻力，单位为N农具在横向力F作用下转过的角度，单位为rad两下铰接点之间距离的一半，单位为m两下悬挂点之间距离的一半，单位为m农具阻力中心到瞬心的距离，单位为mR

23、下拉杆长度，单位为ma下拉杆水平汇聚角，单位为rad3-1 后悬挂农具受力示意图 图3-2 前悬挂瞬心在前农具受力示意图N和D可通过试验的方法测得。对于在一定的土壤比阻下以一定的速度和耕深前进的犁，D可以很容易地测出。测量N要相对复杂一些，测量时，首先用链子把犁拉向一边，然后慢慢地以一定的速度放松链子，同时记录犁受到的横向力F和转过的角度，则二者之比就得横向力常数N。K只与悬挂参数有关，从而可知设计的悬挂参数是否合适。3.1.2水平瞬心在后当下拉杆延长线在悬挂轴后方相交时（如图3-3所示），正象带后悬挂装置的拖拉机反向行驶，农具受到的土壤水平阻力D横向力F，对瞬心点都是顺时针力矩，即使农具相对

24、于瞬心偏转得更厉害一些，因此农具不能稳定工作。按图3-3对点取矩建立微分方程，也能分析出该振动方程不能随时间的增加而衰减。因此，可以得出这样的结论：在没有约束的条件下，水平瞬心在后时，随着拖拉机前进距离的。农具将越来越偏向一边，不能稳定工作。3.1.3上拉杆长度的影响在前面的分析中，我们知道，对前悬挂犁等有向农具，水平瞬心在前时能够保持稳定。但是对于耙、旋耕机等不受特定的横向反力作用的农具，平衡条件中的N=0，即平衡条件不能满足，农具不能保持稳定。这时，上拉杆长度有三种状态，如图3-4所示。图3-3瞬心在后时作用在前悬挂犁上的外力 图3-4上拉杆长度对犁稳定的响图中各参数意义如下： 上拉杆拉力

25、 J上拉杆水平投影的长度 D-农具的水平耕作阻力 上拉杆水平投影的长度大于下拉杆水平投影的长度(J R)（图3-4中位置），上拉杆力和阻力D对点之同向，农具不能稳定。 上拉杆水平投影的长度等于下拉杆水平投影的长度( J = R )（图3-4中位置），上拉杆力的作用线近似通过瞬心点，农具亦不能稳定。 上拉杆水平投影的长度小于下拉杆水平投影的长度(J R)（图3-4中位置），上拉杆力和阻力D对瞬心点之矩方向相反，互相抵消，农具可能稳定。且在上拉杆力一定的情况下，上拉杆长度越短，和阻力D对瞬心点之矩越大，农具越能趋于稳定。3.1.4水平瞬心的选择从前面的理论分析中，我们可以知，到当水平瞬心在农具悬挂

26、轴之前且上拉杆较短时，前悬挂有向农具（犁）或无向农具（耙，旋耕机）都能保持稳定。当水平瞬心在悬挂轴之后时，农具（犁、耙）不能稳定。因此，设计前悬挂机构时就必须使水平瞬心在农具之前。但是对大多数拖拉机来说，水平瞬心在农具之前时，为符合国际标准(IS08759)中对悬挂点间距离的要求(对2类悬挂要求两悬挂点间的距离为875mm)，两下铰接点间的距离就会很大，除非下铰接点离拖拉前轮很远，否则将会影响拖拉机转向性能（前轮可能与下拉杆干涉），因此铰接点的布置比较困难。另外，关于拖拉机的运动，水平瞬心在农具之前时，瞬心离拖拉机的重心较远，农具阻力产生的使拖拉机水平回转力矩有增大趋势，易影响拖拉机的操纵稳定

27、性。故当前国外前悬挂机构较少采用这种布置方式。 当水平瞬心在悬挂轴之后时，下拉杆若有限制其横向摆动的装置，则农具的横向力可通过下拉杆传到拖拉机机体上，由轮胎侧向附着力平衡，农具仍可稳定工作。如图3 -5所示。对O点取矩：S*- S*=0S=F (3-3)另处，水平瞬心在农具悬挂轴之后时，瞬心离拖拉机的质心较近。，农具阻力产生的使拖拉机水平转动的回转力矩小，拖拉机的操纵稳定性好。目前国外大多数拖拉机的前悬挂机构的下拉杆都采用这种布置方式。横向限位装置也有多种结构，有的采用较粗大的限位链，有的设置可调限位挡块，更有的把下拉杆与铰接轴焊接在一起，通过提升油缸的伸缩来带动下拉杆铰接轴转动（此时就没有瞬

28、心了）。但是限制下拉杆的横向摆动无一例外地会带来农具挂接困难的问题，因此下拉杆不像后悬挂下拉杆那样简单地安装一个球铰接头，而是设置专门的快速挂接装置（如钩状快速挂接器或快速挂接架），以方便农具的挂接。图3-5下拉杆横向固定时农具受力简图3.2纵向稳定性 前悬挂犁耕机组（浮动控制）在纵垂面内达到平衡时同后悬挂浮动控制犁耕机组一样，农具上的力三角形必须封闭。从收集到的资料中看，在纵垂面内前悬挂犁耕机组因悬挂装置中上拉杆结构的不同而主要有两种形式：一种是上拉杆用链子代替，另一种如同后悬挂机构一样采用刚性上拉杆。3.2.1上拉杆用链子（如图3-6）图3-6上拉杆用链子时机组的受力简图对于给定的犁，在一

29、定的耕深和耕作速度下，力W和D均可视为定值，在悬挂参数已知的条件下，对A点取矩 (F)= - (3-5) 要使犁工作时不绕A点转动，则 (F)=0 即 = (3-6) 由于V是由支地轮法向反力和滚动阻力合成而来的，且方向通过轮心，而滚动阻力对V的影响不大，因此V的方向可认为是已知的。这样m的大小就已知，从而可求得V的大小。 在实际耕作中，支地轮的反力要保持在一定范围内，因此可用(3 -6)式估计支地轮在犁架上的位置。 另外，农具要稳定工作，力V、R和F组成的矢量三角形必须封闭，则F一定沿点b和销A的连线，而与点c没有关系。点A可视为拖拉机的虚牵引点，通过调整点A的位置可改变力线的方向，从而使拖

30、拉机前桥增重或减重，改变拖拉机的操纵稳定性和牵引效率，使机组在纵垂面内稳定工作。3.2.2上拉杆用刚性杆农具受力如图3-7所示，图中各力的意义同图3-6。同样，农具受力平衡时，图中三力V、R和F必须汇交于一点b。力三角形如图3-8。分析时假定合力的大小和方向都已知，且力的方向也已知（理由同前），则角也已知。如图3-7上拉杆为刚性杆时机组的受力简图 如图3-8力三角形在图3-8所示的力三角形中，由正弦定理可得： (3-7)因此有：V=R / (3-8)F= R/ (3-9)此V和F都是角的函数，而角随瞬心位置的不同而变化，其变化的函数曲线如图3-9所示。从曲线中可知：1)当=0时，即瞬心在R作用

31、线上，此V=O。 2)随着的增大，V也随之增大，直到= -时，y变成无穷大。 3)当从 -变到时，V是负值，表示农具工作不稳定，处于提升状态。 4)当从变到 -时，V开始另一个循环。 因此，从理论上分析具存在着两个稳定工作区，即区间O， -和，图3-9 V/R随a的变化曲线另外，从力矩平衡的角度也可得出两个稳定工作的瞬心范围，如图3 - 10所示。当瞬心处于阴影区域内时，农具不能稳定工作。当瞬心处于上边阴影区域内时，农具稳定工作。当瞬心处于上边阴影区时， 和 的共同作用使犁体逆时针转动。当瞬心处于下边阴影响区时，和 的共同作用使犁体顺时针转动。只有在两个稳定区内 和 可能互相抵消，从而使犁有可

32、能稳定工作。从广义上说就是机组纵向瞬心在悬挂轴之前和之后都有可能使机组稳定工作，因此，在设计悬挂杆件时就需要使瞬心位于稳定区内，且要离两条限制线有一定距离，以免由于耕作阻力的变化导致瞬心落在不稳定区内，引起耕深的变化。纵向瞬心在悬挂轴之前和之后对机组工作的性能有很大的影响，下面就具体探讨纵向瞬心的位置对机组工作性能的影响。图3-10瞬心的稳定工作区3.2.2.1纵向瞬心的轨迹在开始工作的过程中，农具相对于拖拉机的位置并非固定，因此瞬心的位置也并非固定不变。而是沿着其轨迹曲线前后移动。在一定的已知条件下，可求得瞬心的轨迹方程。如图3 - 11所示，以左右前驱动轮接地中心连线的中点为坐标原点，在过原点的纵向平面内建立直角坐标系。图3 - 11前