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2.1三维设计软件Pro/ENGINEER简介 3
2.2装载机的整体结构设计 3
2.2.1动力系统设计3
2.2.2底盘设计4
2.2.3工作装置设计5
2.2.4电器装置12
2.2.5外形设计12
2.3 装载机的布局设计13
2.4装载机的其它零部件建模14
2.4.1齿轮建模14
2.4.2摇臂建模15
2.4.3活塞连杆16
2.4.4轮胎建模17
2.4.5曲轴建模21
3装载机的装配及运动仿真22
3.1Pro/E装备模块简介22
3.2装载机的模拟装配23
3.3装载机的运动仿真25
4装载机关键零部件的有限元性能分析28
4.1有限元分析思想28
4.2Pro/E分析模块简介29
4.3有限元分析示例29
设计总结33
参考文献34
致谢35
附录1外文文献的中文译文36
附录2外文翻译41
1装载机的总体方案设计
1.1装载机的总体设计要求
我国装载机起始于20世纪60年代中期，到20世纪70年代末、80年代初中国装载机制造企业已增加至20多家，初步形成了中国装载机行业。
现在中国轮式装载机已经发展到了第三代，已经成了世界上装载机产销大国。
但就行业的设计及生产水平同发达国家仍存在一定的差距。
因为装载机的广泛应用，设计出更节能，效率更高，驾驶性更好的装载机是各企业不懈的追求。
对所设计的新产品至少应满足如下要求：
满足使用要求，能够完成指定的动作。
要满足使用性能，要有足够的强度和合理的尺寸。
合理选材，降低成本，以提高性价比。
要满足特定的外部环境要求，比如耐腐蚀和防锈要求。
满足预定的使用年限，要尽量延长使用寿命。
制造简单，操作及维修方便。
1.2装载机的总体设计思想
机械设计的过程有自底向上的设计和自顶向下的设计两种。
自底向上的设计思想：
采用自下而上的设计思想时，首先完成最底层部分，也就是零件部分的设计和创建。
然后根据虚拟产品的装配关系，将多个零件进行组装，最终完成整个产品的虚拟设计。
自下向上的设计细想是一种理念相对简单的方法，它的设计思路比较清楚，设计原理和人脑的习惯性思维相吻合，在简单传统的设计中得到了广泛的应用。
缺点对底层的关注太多，难于实现整体把握。
自顶向下的设计思想正好相反，它首先从整体方面设计出产品的整体几何尺寸和所需要实现的功能，然后按照功能将产品划分为多个功能模块，并对这些功能模块进行几何布局。
当需要具体设计某个功能模块时，再根据需要设计模块中的各个零件。
由于采用整体控制局部，具有设计思路清楚、整体把握方便的优点，但它的设计方法较难掌握，需要一定的设计经验。
本论文装载机的设计是采用自底向上的设计过程，首先利用Pro/E三维制图软件作为辅助设计工具进行装载机的机械零件设计，建立三维模型。
然后，在软件中进行整机装配、运动仿真。
分析其运动轨迹及机械零部件的干涉现象。
最后，对装载机重要零部件的受力进行初步计算，利用软件的分析计算功能，计算零件中最薄弱的环节，为后续的进一步设计更改打下基础。
2装载机的整体设计与建模
2.1三维设计软件Pro/ENGINEER简介
Pro/ENGINEER是美国PTC公司推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，自1988年问世以来。
十余年间已成为全世界及中国最普及的3DCAD/CAM系统，其功能非常强大，可以进行零件设计、产品装配、数控加工、模具设计、机构分析、有限元分析和产品数据库管理等。
从目前的市场来看，它所涉及行业包括工业设计、机械、仿真、制造和数据管理、电路设计、汽车、航天、电器等,它在我国的CAD/CAM研究所和工厂中得到了广泛的应用。
同时，许多大学也纷纷选该软件作为其研究开发的基础软件。
Pro/ENGINEER是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。
Pro/ENGINEER是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易的改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
2.2装载机的整体结构设计
装载机种类较多，型号各异，其结构和总体布置也各不相同，但基本上都由动力装置、底盘和工作装置3个主要部分组成。
此外，还有供内燃机动力装置起动、供全车照明和信号指示及警报、警告等电器装置和外形设计。
2.2.1动力系统设计
装载机的动力系统普遍选用柴油机，目前国内柴油机的生产技术已经日趋成熟，一般工程机械生产厂家，根据自己所设计的产品需要，直接选用符合功率和转速范围的发动机。
以加强技术合作，实现产品的快速升级，以满足市场竞争和更加专注的技术研发。
因现代工业生产的需要，大功率、高转速发动机被应用到一些特殊场合，目前世界上发动机的的最高转速已经到达1.8万转/分，最多的已经达到16缸。
发动机按气缸的排列方式可分为直列、V列和W列方式[1]。
如图2.1所示为装载机模型简图。
装载机发动机功率及形式的选用，涉及到装载机的工作条件、工作形势、液力传动中液力变矩器功率的选择等多方面的内容，因此装载机发动机功率的选择在此不作详细讨论。
图2.1柴油内燃机
2.2.2底盘设计
底盘是接受动力的装置，使装载机行走或同时进行作业，也是全机车的骨架，动力装置、工作装置等均安装在它上面。
装载机的底盘与汽车底盘原理基本相同，也由传动、行驶、转向和制动四大系统组成。
传动系是动力装置和行走机构之间的动力传动和操纵、控制机构组成的系统，发动机飞轮输出的扭矩经带传动、离合器、变速器、传动轴、万向节、驱动桥传递到车轮。
装载机的行走机构有履带式和轮胎式，轮式装载机具有重量轻、速度快、机动灵活、效率高、行走时不破坏路面、维修方便等优点；
缺点是轮胎接地比压大、通过性差、中心偏高、稳定性差，而且对工作场地和物料块度都有一定的要求，尤其是在矿山工作时，轮胎磨损较快；
履带接地面积大，使得接地比压小，通过性好。
履带式重心一般也较低，稳定性好，行走时对路面的要求不高。
缺点是速度低，机动不够灵活，制造成本高，行走时容易破坏路面，转移工作场地时要用平板车托运。
相比较之下，轮胎式装载机的优点还是比较突出的，所以轮胎式装载机逐渐取代履带式装载机而占据主要市场[2]。
铰接式装载机前后车架铰销的布置通常有两种方式：
一，铰销布置在前后桥轴心线的中间，转向时前后轮转向半径相同，便于狭小的地段。
由于前后轮轨迹相同，减小了在松软地面上的行驶阻力和转向阻力矩。
二，铰销布置在前后桥轴线中间偏前。
转向时，前轮转向半径大于后轮转向半径。
由于前后轮转向半径不同。
引起附加的功率损失，增加轮胎的磨损，转向时其纵向和横向稳定性都下降，但铰销位置偏前便于传动系的布置。
因此，铰销位置布置在前后桥轴线中间有困难时常采用此方式
铰接式装载机的转向采用一对连接在前后车架上的转向液压缸，通过左右液压缸活塞杆的相反运动，以推动前车架相对后车架绕垂直铰销转动而实现整机转向的。
2.2.3工作装置设计
1）常见工作装置分析
从广义上讲，装载机可看成是由运输机车（汽车）和独立的能够完成铲掘作业的工作装置的组合体。
所以工作装置是组成装载机的关键部件之一，其设计水平的高低直接影响整机的工作效率与经济性指标。
它主要由铲斗、动臂、摇臂、动臂油缸、转斗油缸等组成。
工作装置的作业过程是由液压操纵装置来完成的[3]。
装载机的工作装置是用来克服被切削物料的阻力，并完成插入料堆，铲取物料，提升并卸除物料等一系列工作的装置。
对于普遍装载机的生产作业分析，装载机的功耗主要是用在工作装置完成铲、装、卸过程中，因此对装载机的工作装置的合理设计尤为重要，对装载机工作装置的一般设计要求如下：
生产效率高，节约能源；
工作装置能够达到装满、卸净，运输平稳；
装载机工作装置属于连杆机构，设计时要特别注意防止各个工况出现构件相互干涉、死点、自锁等现象；
机构简单、紧凑，制造、维修容易，操作、使用方便。
装载机的工作装置从简单方面来定义，可看成是由运动相互独立的两部分构成：
由图2.2所示的1、2、4、6组成的连杆机构和1、3、5组成的动臂举升机构，
图2.2装载机工作装置
1-铲斗2-连杆3-动臂4-摇臂5-动臂举升缸6-转斗缸
现在市场上主要以六杆结构装载机为主，八杆机构因性能较差已逐渐被淘汰。
八杆机构在转斗缸大腔进油时铲取，所以铲取力较大，各构件设计合理时，铲斗能获得较好的举升平动性能，连杆机构的传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净，速度块，因传动比大，还可以适当减小连杆机构的尺寸，因而可改善司机视野，机构较复杂，铲斗自动放平性较差。
如图2.3所示为八杆机构简图。
图2.3八杆机构
六杆机构工作装置是目前装载机上使用最普及的一种机构形式，由于六杆机构的结构比较灵活常见的有：
图2.4六杆机构
转斗缸前置式正转六杆机构（图2.4-a），优点是转斗缸直接与摇臂相连接，易于设计成两个平行的四连杆机构，结构简单，司机视野较好。
缺点是转斗时油缸小腔进油，铲掘力相对较小。
由于转斗缸前置使得工作装置的整体重心外移，增大了工作装置的前悬量。
影响整机的稳定性和行驶时的平稳性，铲斗不易实现自动放平[4]。
转斗缸后置式正转六杆机构（图2.4-b），与转斗缸前置式相比，机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短。
有可能将动臂，转斗缸，摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化了机构。
缺点是转斗缸与车架的铰接点位置较高，影响了司机的视野。
转斗缸后置式正转六杆机构（图2.4-c），转斗缸布置在动臂下方。
在铲掘收斗作业时，以油缸大腔工作，故能产生较大的掘起力。
但构件受力状态较差。
转斗缸后置式反转六杆机构（图2.4-d），转斗缸布置在动臂上面，转斗缸小腔作用时进行铲掘，这种机构又称为“Z”形连杆机构。
该机构具有以下优点：
一是铲斗插入时转斗缸大腔进油，并且连杆机构的传力比可以设计成较大值故可以获得较大的掘取力。
二是合理设计连杆机构各构件的尺寸，不仅可以得到良好的铲斗平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平。
三是机构十分紧凑，前悬小，司机视野好。
缺点是摇臂和连杆布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位、各构件间易于发生干涉。
本论文的研究及建模都是采用该种形式。
转斗缸后置式反转六杆机构（图2.4-e），这种机构以很少用。
2）装载机工作装置的自由度计算
由于组成装载机工作装置各构件是通过销轴联接的，各销轴相互平行，加之，其结构又具有纵向对称性。
因此在对装载机工作装置的自由度计算时，可将其简化为带液压缸的平面低副多杆机构，对于常见的六杆机构，活动构件数n=8，低副数Pl=11，高副数Ph=0
F等于2当转斗缸闭锁时，动臂在举升缸的作用下举升或下降铲斗，此时该工作装置的自由度为1，举升缸为原动件。
当举升缸闭锁，动臂处于某一特定作业位置不动时，在转斗缸的作用下，通过一平面六杆机构使铲斗绕其铰接点转动，此时该工作装置的自由度也为1，转斗缸为原动件。
3）装载机工作装置自动放平原理
铲斗自动放平：
铲斗自动放平是指铲斗在某一位置（通常是动臂上限位置）卸料后。
转斗缸闭锁不作收斗行程，当动臂举升缸下放动臂至地面
图2.5自动放平原理图
位置时，由连杆机构自身运动实现铲斗自动放平，铲斗进入下次插入状态。
铲斗自动放平并不是绝对的，它只能保证机构在某一个位置卸料后实现铲斗自动放平，其他位置则无此特性。
铲斗由装满料被举升到上限卸料位置的过程中，为避免物料撒出，要求铲斗作“平移运动”。
自动放平原理图如图2.5所示。
铲斗自动放平，既能保证铲斗自动、准确复位（铲斗水平插入料堆位置），减小铲装阻力，又能避免因铲斗复位不准的反复操纵，缩短了作业
循环时间，提高了劳动生产率。
由于每次作业循环转斗；
缸省掉一次收斗行程，节省了动力消耗，具有较好的经济效果；
二是：
由于转斗缸省掉一次收斗行程，减少了司机操作转斗缸手柄的次数，从而改善了司机劳动条件，减轻了司机劳动强度。
当工作装置的机构尺寸确定之后，作出地面插入工况时各杆件的位置，求得转斗缸和上摇臂的铰接点E11，再作出上限位置卸料时各杆件的位置，又可求得此时转斗缸与上摇臂的铰接点E22,作两点的垂直平分线A-A，则取A-A线上的任一点作转斗缸与前车架的铰接点F，都可以满足铲斗在上限位置卸料后的自动放平。
再作图使F点满足铲斗在举升过程中的平移性要求。
作动臂在下限位置收斗后各杆件的位置，得转斗缸与上摇臂的铰接点E33,再作铲斗平移见到上限位置是对应各杆件的位置，又得转斗缸与上摇臂的铰接点E44，作两点连线的垂直平分线B-B，则线上任一点均可满足铲斗平移性的要求。
由于A-A线上各点作为F点自动放平要求，B-B上各点作为F点满足铲斗平移性要求，故取A-A线与B-B线的交点作为转斗缸与前车架的铰接点F，则F同时满足铲斗自动放平和平移性的要求。
4）装载机工作装置的零部件设计
液压缸一般来说是标准件，液压缸的设计是在对所设计的液压系统
图2.6液压缸
进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。
首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定液压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计[5]。
液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。
主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。
液压缸的缸筒长度由活塞最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的长度确定。
其中活塞长度为（0.6~1.0）D，导向套长度为（0.6~1.5）d。
为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20~30倍。
铲斗加工：
铲斗组焊过程分三步：
①斗壁板卷板；
②斗壁板与斗侧板
图2.7铲斗
组焊、对接主刃板、铺斗底板、与支撑板一起上胎组焊铲斗；
③焊接。
这三步工序相互独立，顺序进行互不干涉。
铲斗在生产加工过程中主刃板由于焊接或是板料的卷曲应力，往往出现上拱、下塌、扭曲等变形。
因此应严格控制生产加工过程中各工序的质量。
铲斗模型如图2.7所示。
2.2.4电器装置
装载机的电器装置有内燃机点火装置、车载发电机、车载空调、照明及警报装置，以及机车仪表等电气装置。
装载机电器的电压一般有12V和24V两种。
照明灯有前照灯，并分近光和远光灯两种。
前面还有转向灯、前位灯，尾部有制动灯、转向灯、后位灯、倒车灯等。
有的还装有雾灯、视高、视宽灯等。
照明和警报系统的设计应符合交通管路部门的规定。
设计应美观，大方。
2.2.5外形设计
装载机的外壳主要起到防护和美观的效果，装载机的外形设计虽比不
图2.8装载机外壳
上汽车外形设计那么复杂，但在设计的过程中同样要考虑到各构件的布置位置，驾驶员的安全舒适性，及外形的美观[6]。
外壳模型如图2.8所示。
2.3 装载机的布局设计
总体布置的任务是：
在设计完各部件后，确定装载机各部件的位置，控制各部件的尺寸及重量，协调各部件之间及整机与部件之间的关系，使桥荷分配合理；
布置操纵机构及驾驶员工作场所，校核运动零部件的运动空间，排除干涉；
保证整机性能良好，使用维修方便。
装载机各零部件间的合理布局，对装载机的性能及企业的发展都有重要的作用。
布局合理能够使装载机合理的发挥最大功效，而且是装载机在操纵及使用方面都有很大的优越性。
合理布局还能节约材料降低生产成本，使企业获得最大收益。
（1）发动机与传动系的布置
装载机各部件的布置一般从发动机开始，发动机通常置于装载机的后部，起到配重的作用，并有利于提高装载机的稳定性。
发动机相对于后桥中心的前后位置主要根据桥荷分配来确定。
发动机的上下位置，即曲轴中心线相对于车架上平面的高度尽量低一些，以降低中心高度，有利于装载机的稳定性，但需保证足够的离地间隙和传动系的布置。
发动机的位置确定后可布置液力变矩器，变速器及传动轴。
（2）铰接式车架铰销的布置
铰接式装载机前后车架铰销的布置通常有两种方式，一，铰销布置在前后桥轴线的中间。
转向时前后轮转向半径相同，便于通过狭小的地段，由于前后轮轮迹相同，减小了在松软地面上的行驶阻力和转向阻力矩。
转向时前轮转向半径大于后轮转向半径。
由于前后轮转向半径不同，引起附加的功率损失，增加轮胎的磨损，转向时其纵向和横向稳定性都下降。
但铰销位置偏前便于传动系的布置
（3）驾驶室的布置
驾驶室的位置应使驾驶员有良好的视野，安全，舒适的工作条件，操作方便。
（4）转向系的布置
铰接式装载机转向液压缸常采用两个，并对称地布置在纵向对称平面的两侧。
转向液压缸的布置应使液压缸与周围各零件不发生干涉，拆装方便；
液压缸铰接点的位置，应使其与转向控制阀相连的油管段一些，转向时变位较小；
液压缸的摆动角要尽量小，以减小转向力臂的变化。
（5）工作装置的布置
工作装置一般布置在装载机的前端，动臂与车架铰接点的位置应结合工作装置设计来确定。
2.4装载机的其它零部件建模
2.4.1齿轮建模
齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，有平面齿轮传动和空间齿轮传动，其机构形式又有很多种，有直齿圆柱齿，斜齿圆柱齿，人字齿轮，直齿锥齿轮，斜齿锥齿轮，涡轮蜗杆，其圆周速度可达到300m/s，
图2.9锥齿轮
图2.10弧齿锥齿轮
传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动
齿轮传动的特点：
优点：
效率高；
结构紧凑；
工作可靠、寿命长
；
传动比稳定；
缺点：
齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
图2.9为直齿锥齿轮模型，图2.10为弧齿锥齿轮模型。
2.4.2摇臂建模
摇臂主要是由中厚钢板拼装焊接而成，其材料选用低合金高强度钢Q345，焊接性能优良，焊接结构牢固可靠。
摇臂断裂的主要原因集中在人员操作、材料化学成分不合格和焊接缺陷的处理预防不当上。
因焊接本身是特殊过程，难以控制，而其造成缺陷则是直接导致摇臂断裂的根本原因。
所以在加工过程中重点控制的是焊接缺陷的处理预防，能够提前进行无损探伤检测，对存进缺陷的零件想办法进行弥补。
摇臂模型如图2.11所示。
图2.11摇臂
2.4.3活塞连杆
连杆的功用是连接活塞与曲轴。
连杆可以看成由三部分组成：
连杆小头、连杆大头、连杆。
连杆小头通过活塞销与活塞相连，连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。
并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。
连杆工作时，承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，而这些力的大小和方向都是周期性变化的。
因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。
这就要求连杆强度高，刚度大，重量轻。
连杆一般都采用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后经机加工和热处理。
活塞连杆模型如图2.12所示。
2.4.4轮胎建模
通常安装在金属轮辋上，能支承车身，缓冲外界冲击，实现与路
面的接触并保证车辆的行驶性能。
轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用，它在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用，因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。
同时，还要求具备高耐磨性和耐屈挠性，以及低的滚动阻力与生热性。
世界耗用橡胶量的一半用于轮胎生产。
轮胎模型如图2.13所示。
图2.12活塞联杆
图2.13轮胎
建模过程：
打开软件后，在pro/E中单击新建按钮，打开新建对话框，在公用名称中输入模型名称，去掉使用缺省模板前的对号（如图2.14）。
在模板中选用mmns_part_solid（如图2.15）
图2.13新建选项卡
图2.14新文件选项卡
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