1 前言1.1工程机械简介1.11工程机械特点按国际规定，工程机械定义为“为房屋、工厂、桥梁、公路、铁路等工程建设以及江河疏通、矿山开掘、管线铺设等工程施工提供的生产技术装备。

”工程机械与汽车不同，属于非公路运行车辆，机种繁多、作业范围广，个具特定的作业工况。

工程机械作业特点是：广泛的适应性；对特殊功能的应用；作业工况恶劣；品种多、各类机理相差悬殊；一机多用；对配套机种有特殊要求；要求装备防备装置；各机种间配备有成套性；适于组织专业化生产]11[。

1.12工程机械分类工程机械可以分为十八大类：挖掘机械、铲土运输机械、工程起重机械、工业车辆、电梯与扶梯、压实机械、桩工机械、凿岩机械、气动机械、混凝土机械、钢筋及预应力机械、装修机械、环保市政建设机械，路面机械、线路机械、军用工程机械、工程机械专用零部件、其他专用工程机械等]11[。

1.2装载机简介装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施式机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭、各种矿石等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。

在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场得集料与装料等作业。

此外还可以进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。

由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

经常使用在建筑施工的第一现场。

按行走装置的不同，装载机分为轮胎式和履带式两种。

轮胎式装载机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简单如图1所示，轮胎式装载机采用柴油机为动力装置，液力变矩、动力换挡变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统(小型轮胎式装载机有的采用液压传动或机械传动)，液压操纵，铰接式车架转向，反转杆机构的工作装置。

图1轮式装载机结构示意图履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装原操纵系统而构成，如图2所示。

履带式装载机的动力装置也是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵装箱离合器和装转连杆机构的工作装置。

图2履带式装载机示意图1.3装载机国内外现状和发展趋势伴随城市化进程加快，各项基础设施建设的力度不断加大，节省大量人力、物力的轮式装载机被大量应用于人们的日常生活当中，为人类的发展作出了重大贡献。

国产轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位、仅能满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡，从仿制仿造向自主开发过渡。

各主要厂家不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。

从国内装载机的发展历史现有十几万辆的年产量。

今后的发展趋势等方面来看，装载机已是国内工程机械各类产品中少有的能够依靠技术进步最低限度地被国外关键配套部件制约，不断发展壮大，走出国门走向世界的特色产品目前国内装载机的年产量堪称世界第一，各生产企业也在不断刷新各自的产量记录，但从装载机技术创新与进步方面来看，多少年来几乎没有发生本质的变化。

近几年，国外工程机械产品以信息技术为先导，在发动机燃料与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面进行了大量的研究，开发出许多新结构（系统）和新产品，提高了工程机械的高科技含量，促进了国内工程机械得到发展。

目前世界各国装载机年总产量已达到15万台，美国、日本和西欧是装载机主要生产国家和地区，年产量均在万台以上，其中美国4.6万台，日本2.9万台。

世界工程建设机械销售额已达到450亿美元，预计到2000年将达到500亿美元。

其中美国占40%，日本占35%，其余为欧盟及其他国家。

显然我国仍旧与国际发达水平有着很大的差距。

1.4虚拟样机技术简介随着全球经济的一体化，工程机械产品市场的竞争日益激烈。

为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。

在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。

简单的说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机（模型）的技术。

虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中，运用虚拟设计的方法，可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥，在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能以及设计质量和效率。

2设计要求、内容及方案2.1设计要求及内容该选题设计对象为斗容量范围为1.5m3的装载机。

实际设计生产中将装载机分为两大部分（工作装置、底盘行走装置）进行设计。

在设计中引入虚拟样机技术，主要应用于工作装置设计校核、外形仿真等（不研究其中涉及液压部分）。

本选题将装载机整机设计作为主要内容，主要部分是底盘和工作装置的设计，创新点是用三维软件进行辅助设计校核、展现设计内容。

将以本科阶段所学基本课程知识对装载机进行设计及校核，使用SolidWorks做三维设计工具，Autocad为二位设计软件，针对以下内容进行设计：1.在斗容量范围已知情况下确定装载机其他主要性能参数：如整机工作质量、主要部件质量、铲入阻力、牵引力、行驶速度、工作尺寸、机体外形尺寸、工作装置尺寸、斗容量等；2.进行工作装置设计及校核：选定工作装置方案后，进一步细化设计，确定截面形状及相关尺寸，并对工作装置进行校核，若不能满足工作需求则重新拟定，若能满足需求则进一步对工作装置优化改进；4.进行底盘设计：确定传动方案；5. 完成总装图和工作装置、底盘装配图；6. 完成整机外形仿真：利用solidworks2008软件完成整机外形仿真，考虑到装载机实际模型包含几百上千个零部件，不可能完全绘制。

故考虑此次课题主要研究内容和设计对象，将装载机分为底盘、驾驶室、动臂、斗杆、斗杆液压缸、铲斗、连杆、共7大部件进行草图绘制，通过拉伸等操作做出模型，然后实现各部件之间装配，得到三维模型；通过上述研究设计，预期达到研究目的：1.通过调研，了解工程机械尤其是装载机行业的发展现状及未来趋势，从中锻炼信息检索能力和快速学习能力；使自己快速、深刻的了解装载机设计的相关知识，更好、更快的完成此次毕业设计任务：2.根据给定条件设定多个方案并选出最优解；3.确定整体结构方案，完成整体设计；4.设计产品符合任务书中要求。

2.2设计方案（1）整机参数确定：在给出斗容量、行驶速度基础上，凭借经验公式给出装载机基本参数，包括尺寸参数（工作尺寸、机体外形尺寸、工作装置尺寸）和重量参数、功率参数、插入阻力、转斗阻力、斗容量。

（2）工作装置设计：由斗容量（1.5m3）得出设计对象属于小型轮式装载机。

工作装置中动臂与斗杆、斗杆与铲斗间均采用铰接连接，工作时使用油缸推动进行。

选题中给定装载机为轮式行走装置，近似认为设计对象作业条件长期不变，因此采用重量轻、刚性好的整体式弯动臂；为保证驱动力与提升力矩，动臂油缸装于动臂前下方；斗杆采用整体式结构，与大多数装载机采用结构相同；拟定铲斗形式；确定以上部件尺寸、铰接位置及截面尺寸，选定动臂转角范围。

确定外载荷，对工作装置进行受力分析。

根据计算工况及其受力分析，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核，为简化计算，将动臂、斗杆简化为简支梁模型，选定危险截面最大受力情况，大致得出插入阻力和转斗阻力。

进行铲斗容量标定，选定标定面，确定标定面下铲斗中心截面面积、铲斗内侧平均宽度已得到平装斗容量，确定堆尖体积。

（3）底盘设计：确定底盘主要技术参数：减速器、发动机功率、行走马达型号、行走速度和传动比等。

选定行走架结构；由斗容量确定工作阻力及发动机型号；轮胎设计已标准化，直接选定轮胎的材质和尺寸；由最大驱动力设计整机的动力系统；设置张紧装置。

计算实际承载能力、牵引力；校核原地转弯能力和爬坡能力。

（4）三维装配：利用solidworks2008软件完成整机外形仿真，考虑到挖掘机实际模型包含近千个零部件，不可能完全绘制。

故考虑此次课题主要研究内容和设计对象，将挖掘机分为底盘、驾驶室、动臂、斗杆、斗杆液压缸、铲斗、连杆、摇杆共8大部件进行草图绘制，通过拉伸等操作做出模型，然后实现各部件之间装配，得到挖掘机三维模型；3铲斗的设计计算铲斗是装载机用来铲装、运输和卸载物料的给你根据，是工作机构的关键部件。

铲斗形状的合理设计，有利于减少插入阻力，提高铲斗的铲取力，使矿物流动顺畅，大大提高铲斗的“装满系数”，保证一次产装满，减少工作时间，提高铲运机得生产能力及工作效率]14[。

3.1装载机铲斗的设计要点装载机是一种具有较高作业效率的工程机械，主要用于对松散的堆积物料进行铲、装、运、挖等作业，其中工作装置中的铲斗直接与各种物料进行接触，承担着铲、装、运、挖等作业的全部任务，铲斗设计的好坏直接影响整机的各种性能。

铲斗斗臂和侧板组成具有一定容量的铲斗斗体，构成铲斗的基本部分，斗臂的形状在很大程度上决定了铲斗容量。

铲斗的断面形状主要由铲斗圆弧半径、底壁长、后壁高和张开角等参数确定。

铲斗的下铰接点即与动臂的连接点，当铲斗在铲掘位置时，应尽量使该点靠近切削刃与地面，下铰接点靠近切削刃，则转斗时力臂小，有利于增加作用在都认上的铲掘力。

下铰接点靠近地面，可减小在作业时的铲入阻力。

铲斗上铰接点即铲斗与拉杆的链接铰点，参考同类型装载机工作装置确定。

上铰接点与下铰接点距离不宜过大，否则将增加铲斗连杆机构的尺寸，给结构布置带来一定的困难。

3.2铲斗的尺寸设计（1）铲斗宽度B 是铲斗的主要基本参数。

铲斗宽度应大于装载机前轮外侧宽度，每侧突出50—100mm 。

若B 小于前轮外侧宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯会损伤轮胎侧壁，并增加行驶阻力。

（2）铲斗回转半径R 0指铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离，是铲斗的最基本参数之一，铲斗的其他断面形状参数可以视为该参数的函数。

R 0=()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛---+⨯18015.02cot sin cos 5.010*******γπγλγγλλλr k z g hB V =995mm式中： V h ——斗容量，由总体设计给定，V h =1.5m 3B 0——铲斗内壁宽度，为铲斗宽度扣除两侧壁厚，即B 0=B-2δ B 0=2.06。