摘 要

本文结合国内外多轴线重型矿用车转向机构的研究背景和现状，提出了课题的设计目的、内容和基本路线，并依据多轴重型汽车的结构特点和转向机构的设计要求对矿用车的总体设计方案及参数进行了选择和确定。然后，着重对各种转向机构的类型和不同的转向模式进行了比较和分析，在兼顾使用性、经济性、可行性的前提下选择了合适的结构形式和转向模式。

根据阿克曼转角理论和汽车转向机构的设计要求推导出了矿用车各轴转向轮的理论转角公式，利用机械系统动力学分析软件Adams创建了转向系统的基本参数化模型，并设置了原始初值，通过对模型进行运动仿真验证了其可行性和正确性。

基于阿克曼理想转角公式对转向机构的模型进行了优化，使得多轴矿用车不同车轴转向轮的实际转角尽可能达到理想函数关系，优化完成后的转角误差都控制在5°以下，满足转向系统的设计要求。

最后根据转向机构的设计要求和Adams仿真结果对转向机构的零部件和总成进行了设计，同时对转向纵拉杆和横向协调杆进行了受力分析和强度校核，并确定了零部件的具体尺寸，进行了建模。

关键词：多轴线矿用车、转向机构、Adams、优化设计、行走机构

Abstract

Combining the research background and status quo of the multi-axis heavy-duty mining vehicle’s steering mechanism both at home and abroad, this paper proposes the design purpose, content and basic route of the project.According to the structural characteristics of the multi-axle heavy-duty vehicle and the design requirements of the steering mechanism for the mining vehicle,the overall design plan and parameters are selected and determined. Then, it focuses on the comparison and analysis of the types of steering mechanisms and different steering modes. Under the premise of taking into account the usability, economy, and feasibility, the appropriate structural forms and steering modes are selected.
According to the Akerman rotation angle theory and the design requirements of the cars’steering mechanism, the formulas for the theoretical rotation angles of steering wheels are deduced. The basic parametric model of the steering system is created by using the dynamics analysis software Adams of the mechanical system, and the original parameters are set.Then it verifies its feasibility and correctness through the simulation of the model.
The model of the steering mechanism is optimized based on the Akerman ideal angle formula, which makes the actual rotation angle of different axles’steering wheel reach the ideal function relationship as much as possible. After the optimization, the rotation angle error is controlled below 5°, satisfying the design requirements of steering system.
Finally, according to the design requirements of the steering mechanism and the simulation results of Adams, the components and assembly of the steering mechanism are designed. At the same time, the force analysis and strength check are performed on the steering longitudinal linkage and the lateral coordination rod.The specific components are determined and the model is built at last.

Keywords: Multi-axle mining vehicle, Steering mechanism, Adams, Optimized design, Traveling mechanism

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外研究概述 2

1.2.1矿用车的发展概述 2

1.2.2多轴转向国内外研究概述 3

1.2研究目的及意义 4

1.3研究目标和技术方案 4

1.3.1研究目标 4

1.3.2技术方案 5

第2章 面向转向机构的矿用车总体设计方案 6

2.1整车整备质量的估算 6

2.2 载荷的分配和轮胎的选择 6

2.2.1矿用车轴数的选择 6

2.2.2轮胎型号的选择 7

2.2驱动形式和悬架类型 8

2.3 矿用车总体参数的确定 9

2.3.1轴距的确定 9

2.3.2其他尺寸参数的确定 9

2.4 本章小结 10

第3章 转向机构的选型和分析计算 11

3.1转向结构形式的选择 11

3.1.1单轮驱动的转向系统 11

3.1.2拉杆式转向系统 12

3.2转向模式的选择和分析 12

3.3八字转向理想转向角公式 13

3.4本章小节 14

第4章 转向机构的仿真和优化 15

4.1仿真模型的建立 15

4.1.1模型部件的选取 15

4.1.2转向机构的参数化建模 15

4.1.3仿真前的的设置 16

4.2模型的验证与仿真 17

4.3模型的优化 17

4.3.1转角误差的分析 18

4.3.2转向机构的优化过程 19

4.4优化结果分析 20

4.5本章小结 22

第5章 矿用车转向机构的零件设计及布置 23

5.1液压缸驱动位置的确定 23

5.2.转向杆件的受力和校核 24

5.2.1横向协调杆的受力分析和校核 25

5.2.1纵向拉杆的受力分析和校核 26

5.3回转轴承的受力和选型 27

5.4行走机构及其零部件的设计 28

5.4.1行走机构的结构形式和装配关系 29

5.4.2行走机构零部件的设计 30

5.5本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1全文总结 33

6.2研究展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1课题研究背景

矿用汽车诞生于20世纪50年代，之后随着装载质量的增大和新技术、新工艺、新材料的使用，矿用汽车的性能和配置也不断提升和发展。我国矿产资源开发力度的增大使得对矿产运输车辆的需求日益增高，2010-2015年矿用自卸车的需求缺口为3141台，平均每年需求缺口为524台^[1]。

在此背景下，两轴矿用车(图1.1)受到轴数的限制并不能适应日益增长的对载重量的要求，而多轴矿车（图1.2）具有装载质量大、轮胎载荷小、尺寸小且使用寿命长等优点，越来越称为国内外生产厂家设计研发的重点^[2]。目前，多轴线矿用车在国外已经得到普遍应用，但国产矿用汽车仍然以常规二轴式为主流，多轴线矿车由于还存在一些技术上的瓶颈，不得不依赖大量进口来满足市场的需要。

因此，国内企业迫切需要研发出多轴线重型矿用汽车，不仅打破国外对此项技术的垄断，同时也可以提高自己核心产品的竞争力，保证企业长期稳定发展。转向系统是多轴矿用车的关键组成部分，由于矿用汽车长期在矿山等恶劣路面下行驶，加上装载质量较大，因此对转向系统的设计要求比较高。若转向机构设计不当，会对矿用车的使用寿命和安全平稳行驶造成严重的影响^[3]。

图1.2多轴式矿用车

(图片来自设备销售网站)

图1.1两轴式矿用车

(图片来自设备销售网站)

本课题在此背景下基于200吨以上的多轴线重型矿用车的总体设计要求和方案，重点对其转向机构进行了分析和优化设计，给国内相关企业设计生产起到一定的借鉴作用。

1.2国内外研究概述

1.2.1矿用车的发展概述

我国矿用汽车起步较晚，20世纪60年代初，我国开始着手研发非公路（矿用）自卸车，那时国外相关企业生产出的矿用车其载重量已经超过100甚至200吨，并且已经广泛运用轮边电机驱动技术。20世纪70年代，经过国家政策的扶持和国外先进技术的引进，我国的矿用车技术得到迅速发展，80年代初，当时的湘潭电机厂已经能自主研制出100吨电驱矿用自卸车。进入二十一世纪之后，我国自主非公路矿用汽车生产企业已经形成了自己的产品特点和品牌优势，在国际矿用车市场上也初具竞争力，例如北重自主研发的NTE260电动轮矿用车（图1.3和图1.4）额定载重量达到220吨，采用完全受控行车和辅助盘式制动以及油氮混合油气式悬挂，其相关技术达到了世界领先水平。目前我国矿用车主要生产厂家有中国重汽、三一重工、北方股份等。

图1.3 NTE260型矿用车

(图片来自设备销售网站)

图1.4 NTE260型矿用车

(图片来自设备销售网站)

国外的矿用车生产企业主要有美国卡特彼勒、日立-尤克力德、德国利勃海尔、日本小松等，其在非公路车辆领域研究已形成系列化、模块化，在国际市场上占据70%以上的份额。以卡特彼勒公司为例，其生产的超重型矿用车797F采用排量为106升的Cat C175-20 ACERT柴油机和发动机中置后驱技术，所输出的最大功率高达2983kW/rpm，最高行驶车速67.6km/h，载重量已经达到了400余吨。

目前全球矿用车辆技术正在不断升级，主要朝着大型、多轴、重载的方向发展。同国外相比，我国重型矿用车辆的技术和发展水平还存在一些差距，尤其是在发动机相关技术、整车载重量和最高行驶速度方面。表1.1是国内外矿用车生产厂家能生产的大吨位矿用车的主要参数^[4]。

表1.1 国内外主流矿用车对比

1.2.2多轴转向国内外研究概述

汽车的转向特性是评价车辆性能的主要参数之一，转向系统也随着设计和制造技术的提高不断进行升级。转向系统升级的最终目的都是为了提升汽车的操纵稳定性，从最初简单的机械转向系统至如今的电控液压转向、电动助力转向以及线控转向，国内外研究人员都为此做出了很大的贡献^[5]。对于多轴重型矿用车来说，其行驶的路面条件和环境较为恶劣并且整车尺寸大、载重量大，这就对多轴转向机构的设计和优化提出了很高的要求。

目前关于多轴转向技术和优化设计问题，国内外也发表了不少文章以及成果。武汉理工大学的陈尧采用模块化设计理念，进行了两种转向模式切换面向转角误差的可行性分析，对280吨矿用车转向机构进行了优化设计^[6]。集美大学副教授王云超提出一种新的算法，他通过不同变量间的关系，对各轴双理论极限转角进行了计算，并对转向中心进行了优化设计^[7]。北京理工大学的李军等利用拉格朗日方程的方法建立了汽车转向模型，并完成了车辆的操纵性和稳定性仿真，提出了优化设计的建议^[8]。徐州机械研究所基于多轴转向的动力学分析，提出了电液伺服多轴转向系统的设计方案，提高了不同路况下起重机的转向性能^[9]。中国航天三江集团公司的曹敬武发明了新型转向机构，其利用拉杆将相邻的轴组成转向单元，利用液压缸驱动控制转向^[10]。西华大学的李卓青、唐兰等基于质心侧偏角对多轴转向汽车建立了动力学模型，使其侧偏角尽可能减小以提高汽车的操纵稳定性^[11]。国外也有研究学者对转向机构采用三统一的设计参数方法进行优化，其目的是最大限度地减少在转向过程中的转向错误，然后进行敏感性分析，预测方向错误受制造公差、装配误差，以及磨损间隙的影响^[12]。目前，多轴汽车一般采用连杆连接各轴间的转向单元，其结构轻便、成本较低、工作可靠^[13]。

综上所述，我国重型矿用车的发展还有很大的潜力，在多轴转向技术方面也有较大差距，国内各厂家也在迎头赶上争取技术上的突破^[14]。

1.2研究目的及意义

重型矿用汽车轮胎载荷大、行驶路面条件差，同时国内企业对多轴转向技术的研究较少，在此背景下，本课题的研究目的主要为：

（1）对300吨多轴线重型矿用车的转向机构进行设计和分析，保证矿用车能长期在矿山等恶劣路面下安全行驶。

（2）提供转向机构优化和零部件应力校核的方法和流程，给企业设计相关多轴转向系统提供依据和参考。

除此之外，该课题的研究无论是对国内非公路车辆生产厂家还是对社会都有一定的积极意义，表现在以下几个方面：

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