設計任務書題目：22噸壓路機振動輪設計基本任務及要求：1.研究學習單鋼輪壓路機振動輪設計的結構及工作原理，對國內外單鋼輪壓路機振動輪設計的相關專利、文獻等進行跟蹤分析研究，對單鋼輪壓路機振動輪設計進行功能分析，對振動輪的結構方案進行分析和設計計算；2.對振動輪偏心機構設計計算，激振力達到同類產品標桿水平；3.根據計算結果，對相關傳動裝置（減速機、聯軸器）進行選型；利用UG軟件對振動輪體、聯軸器、偏心軸、偏心塊、軸承座等相關零部件進行三維建模、虛擬裝配并進行干涉檢查等；4.按照國標的要求利用UG軟件繪制裝配工程圖及主要相關件的零件工程圖；5.對22噸壓路機振動輪設計的重要部件提出加工，檢驗技術要求；6.設計說明書撰寫。進度安排及完成時間：1.準備階段（1周）；2.查閱文獻（1周）；3.確定設計方案（2周）；4.撰寫文獻綜述及開題報告（2周）；5.利用UG軟件進行三維建模（3周）；6.三維圖轉化二維圖進行零件工程圖繪制（2周）；7.撰寫畢業論文說明書（3周）；8.畢業答辯工作（1.5周）；9.畢業設計整改（0.5周）；

目錄摘要 IAbstract II第1章 概述 摘要本文的課題是22噸壓路機振動輪設計，主要對道路機械中的壓實機械振動壓路機的鋼輪的原理及其結構進行研究、分析還有方案的確立、設計以及實施。課題中22噸振動壓路機是國內市場中振動壓路機已知主要產品里最為集中的規格，對該規格的振動壓路機振動輪進行研究對國內振動壓路機的發展有一定的積極意義。本文首先確立鋼輪的工作原理和設計方案，然后設計過程中通過三維建模進行完善并最后根據國家標準繪制出裝配總圖及相關結構樹里的零件工程圖。關鍵詞：22噸；壓路機；振動輪；道路機械；鋼輪；三維建模

AbstractThesubjectofthispaperisthedesignofthevibratingwheelofthe22Troller.Itmainlystudiesandanalyzestheprincipleandstructureofthevibratingwheelofthecompactingmachineintheroadmachinery,aswellastheestablishment,designandimplementationofthescheme.Inthisproject,22tonvibratoryrolleristhemostconcentratedspecificationintheknownmainproductsofvibratoryrollerinthedomesticmarket.Theresearchonthevibratorywheelofthisspecificationhascertainpositivesignificanceforthedevelopmentofdomesticvibratoryroller.Inthispaper,firstly,theworkingprincipleanddesignschemeofthesteelwheelareestablished,thenthethree-dimensionalmodelingisusedtoimprovethedesignprocess,andfinallytheassemblygeneraldrawingandthepartengineeringdrawingintherelevantstructuretreearedrawnaccordingtothenationalstandards.KEYWORDS:22tons;roller;vibratingwheel;roadmachinery;steelwheel;three-dimensionalmodeling

緒論1.1壓路機簡介在現當代建筑工程里，路面壓實一直是其中的一個重要的機械過程，而利用壓實機械實現壓實技術，能夠順利完成壓實的機械過程，其目的是讓結構物基礎、填方、路面土壤等被壓實材料的強度及剛度更大，消除沉陷，提高該項工程的承載能力以及使用時長，大大地減少工程的維修經費。早在人類科技文明還沒有發達的時代，人類就面臨著對被壓實材料進行壓實的問題，而對于此人類也聰明地利用畜類的蹄部、石條乃至木棒解決壓實問題。而在一千年以前的隋唐時期，人們就已經開始充分利用畜力和人力拖動石磙，致使石磙一邊滾動一邊壓實土壤，以此修筑驛道。19世紀中葉以前，西方國家一直用自然車輛碾壓碎石子鋪路，此時壓實機械的發展還未有雛形，而之后軋石機問世，使得碎石路面得到了發展，于是有人利用馬拉動滾筒進行壓實工作，這便開始有了壓路機的雛形。壓路機是路面壓實機械里的主要機械，也經過了漫長的發展過程，它因不同的工作方式而劃分為不同的壓路機機種，例如拖式壓路機、振動式壓路機、靜力式壓路機和沖擊式壓路機。[1]現在國內市場對于壓力機的需求量在逐年上升，但只是銷售的規模大幅度增加，而高端機械的市場并不是很強。在這些各式各樣的壓路機里，振動式壓路機在國內市場銷量里占有很大的比例，而世界建筑路面工程里，單鋼輪壓路機完成了絕大多數的工作量。[2]1.2壓實技術壓實機械應用非常廣泛，一般運用于公路的路基和路面、鐵路的路基、機場的跑道、堤壩還有建筑物基礎等基本的建設工程。一般來說，壓實路基、底基層、基層或者面層材料不足時，當車輛、人群等使用者經過路面后，路面就可能會留下車轍印、腳印或者產生裂縫、沉陷，甚至破壞整個路面，造成返工、交通堵塞等不良現象，因此壓實要做到的任務就是在路基工程的施工過程中確保路基能夠達到一定的密實度，使得后續鋪上去的路面的強度夠高。用較為高的標準來進行路基和路面的壓實,保證了路基和路面具有其應有的強度和穩定性，這是其中一項最為經濟有效的技術措施。簡單來說，壓實技術最基本的是施加外力提高被壓實材料的密實度。向壓實材料加以載荷,克服掉松散多相的材料中固體顆粒間常有的摩擦力以及粘著力,有效地排掉這些固體顆粒間的空氣和水分,使各個顆粒之間產生位移,彼此之間互相靠近，這樣被壓實材料通過高標準的壓實作業以后，它的密實度就增加了。壓路機因工作方式不同，可以劃分為數幾種壓路機，可以分為：靜力式壓路機、沖擊式壓路機、振動式壓路機、真空壓路機、智能壓路機[3]著重講述一下振動壓路機的壓實技術。振動式壓路機結構較為復雜，它的工作輪為鋼輪，在鋼輪內安裝了振動軸，在振動軸上又安裝了偏心塊，這些結構構成了偏振裝置。通過振動系統的振動馬達的帶動,使得振動軸進行著超快速旋轉,致使鋼輪產生振動，然后在產生出來的振動力的作用下,工作輪將產生的一系列壓力波傳遞到了被壓實材料里面，達到了壓實的目的。此外還有一種振蕩壓實技術，它是在第二十世紀的八十年代，由德國悍馬(HAMM)公司最優先開發出來的,該公司的代表產品是HAMM公司的HDO75K。振蕩壓路機的壓實原理和振動式壓路機不盡相同，它是在振動輪的振動室中以對稱的形式安裝上能同步反向旋轉的兩個激振器,能讓兩個激振器在旋轉時互相抵消掉上下方向產生的作用力,使得工作輪承受交變的扭矩,并且對地面持續地作用,形成一段段前后的振動波,致使被碾壓的材料產生出交變剪應變,在水平激振力與工作輪的垂直靜力的作用下,完成對被壓實的材料在合力方向上的壓實。[4]1.3單鋼輪壓路機概述單鋼輪振動壓路機主要作用在路面和工程結構物土石方基礎的壓實工作當中,在國外通常稱之為土壤壓實機，以此來和壓實路面的雙鋼輪振動壓路機作區別。[5]在我國，單鋼輪振動壓路機的生產有兩種：機械驅動式的單鋼輪振動壓路機和全液壓驅動式的單鋼輪振動壓路機。這是根據振動壓路機的行走形式來劃分的。國內的市場一直是這兩者并存，但卻以機械傳動式的為主導地位。機械傳動單鋼輪振動壓路機和全液壓傳動式的單鋼輪振動壓路機之間有著截然相反的優劣勢，因此選擇不同的壓路機行走形式，振動輪的行走系統的設計也會有著大大的不同。全液壓傳動單鋼輪振動壓路機的優勢很多，首先它的擁土現象更輕，在與機械傳動式相比，它的振動輪通過發動機傳遞動力給了行走液壓泵，再傳遞給振動輪行走系統，因此振動輪本身不是從動輪，機械傳動式的振動壓路機是將動力都分配給了后輪，由后輪的驅動力讓地面對壓路機有了一個相反的作用力，這個地面反作用力的一部分通過發動機機架又傳遞到了前輪軸，推動了鋼輪往前滾動或者有一個往前滾動的趨勢，這樣振動輪也就有了行走能力。作為從動輪，相比于驅動輪，它的驅動力不足，對于壓實土壤會造成更嚴重的擁土現象。其次它的爬坡能力更強，試想一下，鋼輪既然擁有了發動機給予的驅動力，那么其液壓系統帶來的牽引力以及鋼輪本身的附著力是不是更大一些呢，那么爬坡能力相比之下更強也是可以說通的。再者是駕駛人員會更為輕松，全液壓傳動式是單桿操作，通過這根操縱桿，就可以實現無極調速。最后它的壓實力相比更大，同等噸位的工作質量的總壓實力(其值為工作輪的當量壓力與驅動輪胎的靜壓力之和)比機械傳動式的要大大概16%左右。假如用機械傳動式來替代全液壓傳動式的話，就需要增大振動輪質量分配規格的17%~20%。而全液壓傳動式的缺點也很明顯，這直接導致了市場占比的減小。它的液壓元件總價更為昂貴，導致生產成本增加，售價便也相應提升，機械傳動式的振動壓路機同樣能夠讓一般的工程基礎的壓實作業完成時，人們會更傾向于物美價廉；而技術人員（壓路機的駕駛員和修理人員）也要對液壓技術更為熟稔，導致招聘工作人員需要更高要求。[6,7]全液壓傳動方案圖機械傳動方案圖1.4振動輪發展現狀和前景展望壓路機振動輪一直都是壓路機系列產品市場里最熱門的工作輪種，21世紀初它的份額便已經在國際市場的銷售總額里占比到百分之八十左右，在壓實機械產品里占有主導地位。早在二十世紀末，國外的振動壓路機振動輪便已經在檢測混沌振動壓實技術。中國對于振動輪的技術研究和產品開發起步偏晚，所以整體水平與國際最先進的水平相比存在著較大的差異，主要表現在產品的系列不夠完善，專業設備缺乏，品種規格過于狹小，經濟指標和綜合性能還有自動化技術相對落后。中國最開始自主研發出機械傳動行走形式的振動輪，近年來也開始發展全液壓傳動行走行駛的振動輪，并開始在探索電氣傳動行走形式的振動輪；在單鋼輪產品市場里，主要還是機械傳動式的振動輪產品為主導地位的。目前振動輪產品以及技術存在的問題主要表現為名義振幅定義不夠精準、振動參數設計較為混亂、起振與停振階段振動輪的振動不夠穩定、振動輪可能偏振等四個問題，另外還有一些產品存在著減振性能達不到標準、振動軸承溫升過高導致軸承使用壽命簡短等問題。單論部分技術，如定向振動技術，其振動輪結構相對復雜，應用時間還不夠長，產品相對單一；如圓周振動技術，振動輪對被壓實材料的作用深度有限，其系列產品作為高頻壓路機的優勢也沒有完全發揮出來。振動輪的技術研究和產品開發實際上已經發展得足夠成熟,至今國內外的研究方向主要瞄準在智能化控制、共平臺設計系列化產品、能使讓鋼輪結構得到優化的相關振幅均勻性技術的研究、振動輪起振與停振性能優化技術的研究、機械傳動式的單鋼輪壓路機振動輪起步性能優化。振動輪及其機型產品的發展趨勢匯總:（1）銷量連續且大幅度增加。（2）技術不斷地創新開發、升級、改造、制造。（3）設計理念趨于人性化。（4）注重節能環保。（5）智能化或者無人化技術的探索。（6）適用范圍逐步擴大。（7）多種振動方式組合。（8）譬如油與電混合的新傳動方式的開發。

第2章總體方案設計2.1設計目的與意義振動壓路機是道路壓實機械中的一種，它以增大路面鋪層、土石填方的密實度為目的的施工設備，在道路與路面及結構物基礎鋪裝工程的施工中起到了主要作用。最早期時它只用于壓實非粘性的材料，在技術的不斷改進下，即使是粘性土質、水泥混凝土的路面也能用以壓實工作了。振動輪是振動壓路機做壓實工作的主要結構部件，因此課題需要對單鋼輪振動壓路機的工作部件進行一系列探討，并能在原有技術上加以部分優化設計。在完成課題研究的過程中需不斷探索各項技術，能從其余學科借鑒到相關新穎的技術并利用。課題的意義就在于培養課題設計者的創新思維、隨機應變能力、對相關專業的工程技術問題的分析及解決的工作能力，規范設計者的專業設計思想，檢驗并提高設計者對專業知識的掌握程度，讓設計者學會學習，善于學習，能夠靈活運用工程軟件，樹立起技術研究的耐心、細心、好奇心及探索心，為步入社會進行專業工作走向崗位打好扎實的基礎。2.2振動輪工作原理單鋼輪振動壓路機振動輪的結構會導致振動輪的工作原理略微有所不同，雖然其目的都是使鋼輪輪體振動達到壓實。設計不同的振動系統結構，振動輪的功能也不盡一樣。目前市場上具有代表性的振動壓路機激振系統主要有三種:圓周振動系統、振蕩系統以及定向振動系統。[8]激振系統中最核心的就是激振器，現在的激振器的原理絕大多數都是根據偏心質量塊（簡稱偏心塊）旋轉來產生離心力達到振動的目的。常見激振器依據結構形式可以劃分成單幅激振器、逆轉偏心塊疊加式的雙幅激振器、逆轉流體疊加式的雙幅激振器、偏心塊軸套換位疊加式的多幅激振器和液體無級調幅激振器等。但是這些激振器都具有一個共同特點，就是由振動馬達帶動結構中唯一的一根振動軸旋轉，振動軸裝有偏心塊且振動軸的中心軸線與振動輪的中心軸線重合。它們的振動方式便是圓周振動，也可稱作簡諧振動。圓周振動里，激振力就是由旋轉軸離心力通過偏心塊轉化的，因此它的方向就是離心力的方向。當這根振動軸帶著偏心塊作圓周運動時，就會產生離心力，離心力便通過軸作用于鋼輪之上，鋼輪便振動起來，對地面產生出不定向的作用力，因此圓周振動也叫不定向振動。圓周振動原理簡圖定向振動則和圓周振動有了區別。定向振動可以分為三種形式，分別是水平激振、垂直激振和定向激振。一般來說定向振動具有三根在同一平面內且互相平行的振動軸，中間的振動軸中心軸線與振動輪的中心軸線重合，并由著振動馬達工作而帶動它旋轉。中間這根振動軸無需安裝偏心塊，它只用負責將轉矩傳遞到其余兩根旋轉軸使它們旋轉即可。其余兩根振動軸安放在中間振動軸兩旁側的對稱的位置，其上都安裝好固定偏心塊，當中間振動軸旋轉時，通過齒輪或者皮帶輪傳動同步反向旋轉。水平激振里，兩根旋轉軸上安裝的固定偏心塊產生的激振力在初始角度0°時，即垂直方向上互相抵減，合力為零；當兩根旋轉軸被中間振動軸驅動得軸向在相反方向旋轉了90°時，兩個固定偏心塊的合力便在水平方向上保持一致；當旋轉到180°的時候，產生的激振力又互相抵消了；當旋轉到270°時，激振力合力又在與90°相反的水平方向上保持了一致；當旋轉了360°回歸時，又復原為至合力為零。水平激振在一個振動周期里，于水平方向左右分別振動了一次，而垂直方向上并沒有產生任何激振力。垂直激振則和水平激振相反，它是在一個振動周期里，于垂直方向上下分別振動了一次，而水平方向上并沒有產生任何激振力。定向激振是三根振動軸中心連線和水平線保持著一定角度，通過對這個角度的大小進行調整，就可以實現對垂直于地面的激振力的分力的大小進行調整，而它的振動方向也依舊是定向的。定向振動可以給壓實工作帶來的好處是非常明顯的,如果說在橋梁的壓實過程中,可以選擇水平振動,可以避免壓實作業對橋梁結構的影響；而如果說在大厚度壓實工況之下,那么可以選擇用垂直振動,在垂直方向上能夠取得最大的激振力,從而大大地升高了壓實的效率；如果說在工況比較復雜的條件下,工程人員可以根據不同的壓實工況,通過調整三根振動軸中心連線與水平線之間的角度而適當地去調整激振力,從而可以解決這些復雜的壓實工況。垂直激振原理簡圖振蕩壓實技術算是一種新技術，它是通過定向振動技術延伸的，其實質上和定向振動技術差不多。振蕩壓實技術其實是利用鋼輪的扭振力矩在水平方向上對材料施加了一個交變剪切力。而扭振力矩其實是水平方向上的一個周期性的外力一直在對鋼輪作用著,使得鋼輪作起了振蕩運動。振蕩技術技術與定向振動不一樣，它兩根在外側的振動軸旋轉方向是一致的。若初始旋轉方向為逆時針，當中間的旋轉軸通過傳動系統使外側的兩根振動軸旋轉時，兩根旋轉軸產生了大小相等且方向相反的激振力，此時兩軸的離心力互相抵消，合力為零；當中間的振動軸帶動兩根旋轉軸旋轉了90°以后，兩軸產生的離心力方向相反且大小相等，生成了一個力偶矩，此時使振動輪瞬間完成了一次順時針方向的扭轉振動；當旋轉至180°時，兩軸的離心力互相抵消；當旋轉至270°時，振動輪瞬間又完成了一次逆時針方向的扭轉振動；當旋轉360°后就復原為與初始一致的狀態。在整個振動周期里，振動輪共實現了順時針方向與逆時針方向兩次扭轉振動，這樣就對被壓實的材料實現起到了交變剪切力的重復作用。[9，10,11]振蕩激振原理簡圖2.3振動輪重要參數探討振動壓路機里，振幅是它的主要參數之一，振幅的大小會對地面壓實的深度和效果造成影響。什么是振幅呢？在振動壓路機振動的時候，振動輪會在各個方向上都產生微小的位移量，這個位移量就是振幅。在條件不一樣時，振幅也會不同，根據實際的需求對于振幅也有著不同的定義。振幅可分為設計振幅、名義振幅、實際振幅。設計振幅是指設計人員經過對被壓實材料的不斷研究后選擇出來的指導壓路機設計的振幅參數，激振器的靜偏心矩Me由設計振幅乘以振動體的質量可以求出。名義振幅A0就是用支撐物將振動壓路機架起來的時候測得的懸空狀態的振動輪的振幅，此時名義振幅大小與阻尼比、頻率比和激振器靜偏心矩有關，又被成為空載振幅。實際振幅就是振動輪做實際壓實工作時的振幅，所以也被稱為工作振幅，它的大小與被壓的介質剛度有關，由于該剛度數值在不斷變化，因此實際振幅大小也是一個不確定值。[12,13]振動輪的其余參數還有參振質量md、振動頻率f、激振力F0，這些參數之間的關系可以用以下公式表示。Md=F0/A0(2πf)2，F0=Meω2。[14]振動輪工作的狀況也受到土壤性質的影響。由于振動輪依靠內部的偏心質量來引起激勵，所以它與不同土壤之間產生的靜載與動載的聯合作用也不一樣，傳遞到前車架的振動也會或大或小。例如彈塑性的土壤對振動輪的壓實平順性有著較大的影響,低頻工況下對彈性土壤地面壓實時,振動輪的平順性比較差。[15，16]對于不同性質的土壤，調節振動輪的主要參數就能做到完成壓實目的。當土壤較為厚實，可以合理提高參振質量；當土壤含水量多時，可以合理提高激振力；當土壤為具有軟弱性和不穩定性的軟弱性混合料時，可以合理提高振幅。[17,18]當壓路機的頻率與振動輪的質量一定時，振幅越小，壓實的能量就越小，對壓實深度的影響也小，但是過小會造成壓實效果不理想；振幅越大，對壓實深度的影響就大，但是過大會造成過壓實現象，使剛剛已經壓實好的路面再次變得松散。所以壓實工作的工況有不同的要求時，對振動輪的振幅進行調整也能去解決這些難題。過去的振動輪里的調幅機構都較為單一，而現在已經發展到了多種多樣的單幅機構、雙幅機構和多幅機構。以正反轉調幅機構為例，它是一種簡單而廣泛應用的調幅方法，屬于雙幅機構中的一種。正反轉調幅機構就是設計了固定偏心塊與活動偏心塊，當液壓馬達的旋轉方法更改的時候，振動軸的旋轉方向也跟著改變，在固定偏心塊上放置一個擋銷，活動偏心塊會因為振動軸的旋轉方向改變而隨之與固定偏心塊有不同的工作位置，當活動偏心塊旋轉半周時會被擋銷擋住，此時它與固定偏心塊的靜偏心矩疊加，所處的工作位置有最大振幅。因此正反轉調幅機構可以根據壓實面層與壓實基礎層的不同要求,在低頻時配以大振幅，在高頻時配以小振幅。[19]活動偏心塊2.固定偏心塊3.振動軸4.擋銷5.振動軸承正反轉調幅機構示意圖偏心塊是激振器里的核心所在，與其說振動軸旋轉產生了離心力倒不如說是振動軸帶動著偏心塊旋轉產生了離心力。傳統的設計方法是公式法，用固定的公式計算即可；而隨著各種軟件的發展，可以采取軟件來做設計。在二維軟件CAD里畫出偏心塊，然后利用軟件求封閉圖形面積的功能可以迅速求得偏心塊的面積。三維軟件UG中的分析功能能夠直接得出偏心塊的質量與偏心矩，首先進入到UG的“建模”界面，利用草圖將2塊偏心塊和擋銷的實體畫出來，記得要把實體的比重從默認值7830.64改為7850(即鋼的比重)，建模時建議以偏心塊的大圓孔中心為坐標的原點，然后將固定偏心塊、活動偏心塊、擋銷根據實際尺寸裝配在一起。在裝配時必須要給固定偏心塊和活動偏心塊的平面之間加上一個夾角的約束，即：當偏心塊疊加時這個夾角度數為0°，相減時夾角度數為180°。最后按以下步驟求偏心矩和質量，“分析→質量→使用實體計算…”，就會彈出“質量分析”的對話框，點擊“確定”以后就會彈出一個精度對話框，接著點擊“確定”后就能夠選擇自己要分析的實體了，之后全部選擇；緊接著在對話框中選“面積/體積/質量”就會看到質量選項，再后退回去選擇“質心/第一力矩”就會出現各個方向上的偏心距和偏心矩的數值，顯示的數值單位是以克和毫米為單位，要注意單位換算。[20]2.4研究方法措施及方案確立1.在知網上首先以“大海撈針”的方式大量查詢與課題相關的文獻，找準關鍵詞進行文獻檢索，在國家專利局網址里查詢相關設計的專利，通過查詢收藏的文獻及專利尋找靈感，并消化、吸收，將工作原理、相關設計知識、創新思維等了解透徹，同時學習基本專業課程知識，定下方案后要能夠畫出工作原理簡圖。2.撰寫完成文獻綜述及開題報告，并通過相關知識準備進行計算。3.計算的同時檢驗并完善構思完成的方案，其中有：振動輪工作質量分配、振動輪體直徑和寬度、振動輪的振動參數、偏心質量塊的設計計算等。4.對相關元件進行選型，可參照《機械設計手冊》，并盡快熟悉三維軟件UG的使用方法及相關簡便或復雜的操作。5.完成三維設計及裝配以后，開始對振動輪總成及其重要零件的二維工程圖作繪制并修改完善。圖一圖一是圓周振動輪的設計方案，其工作原理如圖二所示：圖二振動軸與偏心塊由振動馬達帶動作圓周運動時，產生離心力，離心力通過軸作用于鋼輪之上，使得鋼輪振動起來，以此達到壓實的目的。圖三圖三是一種水平定向振動輪的設計方案，其工作原理如圖四所示：圖四驅動馬達驅動輸入振動軸，通過齒輪傳動帶動兩根輸出振動軸轉動。兩根輸出振動軸上安裝的固定偏心塊產生的激振力在初始角度0°時，即垂直方向上互相抵減，合力為零；當兩根輸出振動軸被輸入振動軸驅動得軸向在相反方向旋轉了90°時，兩個固定偏心塊的合力便在水平方向上保持一致；當旋轉到180°的時候，產生的激振力又互相抵消了；當旋轉到270°時，激振力合力又在與90°相反的水平方向上保持了一致；當旋轉了360°回歸時，又復原為至合力為零。水平激振在一個振動周期里，于水平方向左右分別振動了一次，而垂直方向上并沒有產生任何激振力。兩種方案里，就結構而言，圓周振動輪對地面產生的作用力是不定向的，因而振動不穩定，可能造成某些被壓實材料壓實深度不夠的現象；水平振動輪對于地面產生了水平方向的作用力，消除了在垂直方向上對被壓實材料造成的擾動。因此選擇水平定向振動輪的設計。就傳動方式而言，兩者都屬于全液壓驅動，當發動機通過液壓系統讓行走馬達驅動時，通過減速機調速并帶動輪體旋轉，而振動輪另一邊也有行走軸承支承，由于前車架固定，使得鋼輪能夠前行。圖五為機械驅動式的水平振動輪。圖五機械傳動式的方案沒有行走馬達和減速機，因此該方案里的振動輪本身沒有驅動力，只是由行走軸承支承使滾輪具有行走能力，它的滾動需要由壓路機后輪驅動時對地面產生一個作用力，地面再對機體產生一個反作用力，這個反作用力通過車架傳遞到前輪，使前輪具有滾動趨勢或能夠滾動前行。兩種驅動方式的方案里，機械驅動式由于鋼輪本身并沒有驅動力，所以壓實作業中會有擁土現象，爬坡能力相對更弱，參與壓實的重量設定相對需要更小，使得壓實效果更差。全液壓驅動方式的價格成本相對更高，但是液壓元件近年來價格下調，因此依舊選擇全液壓傳動方式的水平振動輪。

第3章振動輪結構設計3.1基本參數設計依據本文課題為22噸壓路機振動輪設計，按照最后確立的方案選擇的是全液壓驅動式的水平振動輪。可以從三一重工官網上查到質量同為22噸的全液壓驅動式的單鋼輪振動壓路機的部分設備參數。SSR220AC-8SSR220C-8H總質量22000kg22000kg激振力390/258kN410/300kN參振質量11000kg14600kg驅動質量11000kg7400kg靜線載荷516N/cm678N/cm振動頻率29/35Hz29/35Hz名義振幅1.9/0.95mm2.0/1.0mm直徑1600mm1600mm寬度2130mm2130mm輪圈厚度40mm40mm此外還另外尋找了一些其余國內外生產商的典型單鋼輪振動壓路機的主要技術參數。生產廠家機型頻率Hz振幅mm激振力kN參振質量kg驅動質量kg直徑mm寬度mm行走速度km/h總質量kgDYNAPACCA610D29/311.8/1.1317/231140506650156321300～1120700VOLVOSD200DX23.3/30.81.76/1.14368/137136056800165121340～12.720408洛建LSD222H28/352.0/1.0400/320137008300160021300～11.222000徐工XS22228/331.86/0.93400/280150007000160021300～1022000所以根據以上其余類似機型參數，本設計課題的振動輪壓輪為光輪，其直徑D為1600mm，寬度L為2130mm，輪圈厚度為40mm。3.1.1振動輪參振重量振動輪的參振重量是單鋼輪壓路機工作鋼輪的主要工作參數的其中之一，它與其它主要工作參數同為振動壓路機以及其內部部件總成的設計的依據，往往也是振動壓路機整體的性能優劣性的帶有決定性質的因素。本文課題選取的全液壓驅動式的單鋼輪振動壓路機，其振動輪的分配重量理所當然地可以分配到比后輪更多的質量來支持振動參與土壤、橋梁、填方和路面路基的壓實。因此光輪鋼輪的分配重量可以取到整機總質量的百分之六十到百分之六十五左右，用以保持其壓實能力。分配振動輪的參振重量m為22000×0.65=14300kg。3.1.2靜線載荷由于振動輪的參振質量的數值不同，其對于被壓實材料所施加上的靜壓力的大小也就有所不同，因此為了需要比較出不同參振質量的振動輪的壓實能力，就再引入了一個叫振動輪的“靜線載荷”的概念。靜線載荷的具體含義是指沿著振動輪的軸向的單位長度上施加給被壓實材料（通常設定以土壤為例）的靜壓力，又可以被稱作線壓力。靜線載荷q的單位為N/cm，其的計算表達式為q=G/b式中G為壓輪上的分配載荷，Nb為壓輪寬度，cm。所以本設計的振動輪的靜線載荷q=（14300×9.8）/213≈658N/cm。3.1.3振動參數振動輪的每一項振動參數會展現出振動壓路機的整機性能的好壞，而工作對象作用在不同的被壓實材料上時，會有不同的工作頻率和振幅。由于在國內外振動壓實理論暫時還不夠成熟、壓實的工作狀況充滿了隨機性、被壓實材料物理性質具有多變性導致的鋪層材料的剛度以及振動系統的固有頻率都產生了隨機變化，最后致使振動參數也變得復雜到難以精確選取，因此目前采取較為可靠的做法是利用已有的大量的實驗結果統計及分析，從中間對振動參數選擇出一個合理的取值范圍。工作頻率f和名義振幅A0依據以下參數選擇取值范圍：壓實路床以及路基時，f取25～30Hz，A0取1.4～2.0mm壓實次級的基礎層時，f取25～40Hz，A0取0.8～2.0mm壓實瀝青澆灌的混凝土以及路面時，f取30～50Hz，A0取0.4～0.8mm本設計工作振幅f取值28～33Hz，名義振幅A0取值1.0～2.0mm。根據上車質量和下車質量的比值0.8～1.8左右，故此分配上車質量為7300kg，下車質量為7000kg。激振器的轉速n=60f，所以最大轉速為60×33=1980r/min，最低轉速為60×28=1680r/min。角頻率ω=2πf，最大角頻率為207.24rad/s，最小角頻率為175.84rad/s。周期T=0.03s。振動加速度是反映振動輪工作時對地面動態沖擊力度的大小值的參數，它的大小a=（A0·ω2）÷9.81，高頻時加速度為4.37m/s2，低頻時加速度為6.31m/s2。靜偏心矩Me為振動質量及名義振幅的乘積，故我們可以求得低振幅時的靜偏心矩為7N·m，高振幅時的靜偏心矩為14N·m。已知振動功率公式P=（Me·ω·φ）÷75ηη＇，其中φ為振動輪的振動阻力系數，取值一般為1.5，η為振動泵參數，取值為0.85，η＇為振動馬達效率，取值為0.77。最后求得振動功率為75.2kW。激振力F0是憑借著偏心塊在超快速旋轉時產生的離心力提供的，它的大小只能和靜偏心矩以及角頻率有關。由于水平振動輪有兩組振動旋轉軸，在水平方向兩組振動軸上的偏心塊會有合力即為激振力，每一組軸和偏心塊產生的激振力即為一半。已知激振力計算公式F0=ω2·Me，可以求得振動輪最大激振力為434kN，最小激振力為301kN。所以單組軸的最大激振力即為217kN。3.2振動系統設計3.2.1偏心塊設計圖六本水平振動輪采用整半圓偏心塊，結構如圖六所示。代入截面面積A與偏心距r0，依據公式A=（R12+R22）×π/2-πr2、r0=4×（R13-R23）/{3×π×（R12+R22-2r2）}根據靜偏心矩Me=m0·r0=ρ·A·δ·r0，式中ρ為偏心質量的材料密度，45鋼的kg/mm3；δ為偏心部分的長度mm。得出R1為170mm，R2為80mm，r為60mm，A為44117mm2，r0為66.5mm。3.2.2振動軸及軸上零件設計振動軸在振動輪進行著振動壓實工作中的過程中，在里面的工作條件特別差，它們一邊遭到了偏心塊離心力的作用在進行著超快速旋轉，一邊承受著來自激振力賦予的強迫性的激振。振動軸安裝有偏心塊，它所受到的最大徑向力P（單位為N）可以由公式P=γ·F0確定值。式中F0為偏心塊的離心力，即激振力的大小，單位為N；γ為平衡系數，γ=（md-mw）÷md，其中mw為包括了偏心塊在內的旋轉質量，單位為kg，md為振動輪的參振質量，單位為kg。γ一般可取值為0.95。最終求得單根振動軸所受徑向力為1/2P=206.15N。振動軸所受彎矩Mc（單位為N·m）=（2-δ÷L）·P·L/8式中L為跨距，單位為m；δ為偏心塊的總厚度，單位為m。根據振動軸中間的直徑dc（單位為mm）的抗彎強度計算公式dc＞21.7·式中[σ]為振動軸的許用彎曲應力，根據材料45鋼可以取[σ]=100N/mm2，最后求得dc＞113mm，于是取dc為130mm，該軸段長度為200mm；偏心塊厚度δ為152mm，即偏心塊所在軸段長度為152mm。由于偏心塊安裝在振動軸上需要定位，采用平鍵連接的方式，故此根據查詢機械設計手冊取平鍵為國家標準件GB/T1096-2003,b×h×l=32×18×140，鍵槽尺寸為b×t×l=32×12×140。根據結構和內徑尺寸最近的圓柱滾子軸承，選用GB/T283-2007NJ321圓柱滾子軸承，外徑為225mm、內徑為105mm、寬度為49mm。因此安裝軸承的軸段直徑為105mm。圖七根據確立的方案，可以知道由輸入振動軸通過齒輪傳動帶動兩根輸出振動軸轉動，圖七為輸出振動軸1的三維建模。輸出振動軸1最左端軸段長度根據結構設定為74mm。而右端安裝的軸承需要安裝軸承座與振動室滾筒結構板相接，設定長度為82mm。圓柱滾子軸承在軸上的定位需要用軸用擋圈，根據機械設計手冊可查詢到使用GB/T894.2-1996軸用彈性擋圈。圖八圖八為該標準件的軸用擋圈的三維建模，其內徑尺寸為98mm，厚度為3mm。振動軸1最右端軸段通過平鍵連接與方案里大齒輪相接。下面對大小傳動齒輪進行設計。設計項目設計依據及內容設計結果1.選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級、齒數Z及齒寬系數φd齒輪傳動中的大小齒輪均選擇45鋼調質處理，首先設計出輸入軸與輸出軸上相互嚙合的兩個小齒輪的數據。齒面硬度為260HBS，初選7級精度，按軟齒面齒輪懸臂布置選取齒寬系數φd為0.4，齒數暫設定為65大小齒輪均為45鋼調質處理，齒面硬度為260HBS，7級精度，小齒輪齒數Z為65按齒面接觸疲勞強度設計確定參數1）載荷系數分度圓直徑dt≥3.32··試選載荷系數Kt為1.5Kt=1.52）齒輪轉矩T1T1=9.55××（P/n）=9.55××（75/1680）=4.263×N·mT1=4.263×N·m3）材料系數查機械設計手冊得=189.8=189.84）接觸疲勞強度按齒面硬度與機械設計手冊查得為560MPa=560MPa5）應力循環次數設定工作壽命10年，每年工作3000天，兩班制，工作平穩。N=60nj=60×1680×1×10×300×16=4.838×次N=4.838×次6）接觸疲勞壽命系數查機械設計手冊得=0.90=0.907）確定許用接觸應力[]取安全系數=1[]=·/=0.90×600MPa[]=504MPa設計計算1）試算齒輪分度圓直徑dt代入以上數據dt≥141.46mm2）計算圓周速度vV=（π·dt·n）/（60000）V=3.10m/s3）計算載荷系數K查機械設計手冊得使用系數=1,動載系數=1.2，齒向載荷分布系數=1.2，K為三者乘積K=1.444）校正分度圓直徑d1d1=dt·d1=197.3mm計算大小齒輪的幾何尺寸1）計算模數mm=d1/z=197.3÷65=3.03mm，按標準模數選取m=3mmm=3mm2）分度圓直徑dd=mz=3×65=195mmd=195mm3）齒寬bb=φd·db=390mm4）大齒輪根據軸徑設定大齒輪分度圓直徑為390mm，齒數則為130，b=85mm分度圓直徑為390mm，齒數為130，齒寬85mm大小齒輪由于是懸臂布置，也需要定位，采用軸用擋圈固定。大齒輪的軸用彈性擋圈內徑為94.5mm，厚度為3mm。小齒輪的軸用彈性擋圈內徑為65.5mm，厚度為2.5mm。圖九圖九為振動軸2的三維建模，小齒輪安裝的軸段長度為87mm，根據機械設計手冊查詢，采用GB/T1096-2003平鍵b×h×l=22×14×70，鍵槽尺寸為b×t×l=22×10×70。大齒輪采用GB/T1096-2003平鍵b×h×l=28×16×80，鍵槽尺寸為b×t×l=28×11×80。圖十圖十為輸入振動軸的三維建模，根據結構和查詢機械設計手冊選用GB/T283-2007NJ215E圓柱滾子軸承，內徑為75mm，外徑為130mm，寬度為25mm，因此安裝該圓柱滾子軸承的軸段直徑為75mm，根據結構決定長度為55mm；中間軸段長度為168.5mm，直徑由于需要對圓柱滾子軸承進行軸向的定位，設計其直徑為80mm。對于圓柱滾子軸承的另一方向的軸向定位，同樣采用軸用擋圈定位的方式，查詢機械設計手冊，可得該圓柱滾子軸承的軸用彈性擋圈內徑為70.5mm，厚度為2.5mm。聯軸器三維建模示意圖輸入振動軸通過聯軸器與振動馬達相連接，振動馬達旋轉通過聯軸器帶動輸入振動軸旋轉實現鋼輪內振動軸、偏心塊的旋轉產生離心力來達到振動壓實的目的，因此聯軸器也是一個重要部件。因為振動輪會產生振動，而彈性柱銷聯軸器適用于將兩同軸度的傳動軸系連接，并且其功能里還有補償兩軸之間的相對偏移以及一定程度上的減振性能。彈性柱銷聯軸器有LXZ與LX兩個型種，LXZ是屬于帶制動輪式的彈性柱銷聯軸器，所以本設計選擇的是LX類型的彈性柱銷聯軸器，根據轉矩和許用轉速選擇LX3型號，聯軸器的連接型式選擇為平鍵單鍵槽，型式代號為A型，用J型的有沉孔的短圓柱形軸孔。從動端軸孔直徑為35mm，軸孔長度為60mm，鍵槽尺寸為b×t×l=10×38.3×82，主動端軸孔直徑為30mm，軸孔長度為60mm，鍵槽尺寸為b×t×l=8×33.3×82。3.3減振系統設計3.3.1橡膠減振器振動輪是整個振動壓路機的工作部件，其振動狀態為整個車輛振動的重要來源。在振動壓實工作中，會特別需要減振裝置來降低振動對駕駛員的影響。減振分為三級環節，第一級減振就是我們本次設計需要的一級減振器，介于前車架與振動輪之間的位置；第二級減振為二級減振器，介于駕駛室的底板和后機架之間的位置；而駕駛員座椅之下的彈簧彈性支承元件就是三級減振器。據大家所知，振動輪振動越激烈，振動壓實的能力就越強大，但是過于激烈的振動也會導致機械零部件的使用壽命受到影響，最為直觀的是會對駕駛員的身體造成極為嚴重的損傷。所以人們需要在減振功能上有所需求，通常就采用減振器將振動傳遞到上車架。一級的減振器一般分為三種常見的類型：橡膠減振器、空氣組合的彈簧減振器、鋼絲螺旋的彈簧減振器。相比其余兩種減振裝置，橡膠減振器的減振能力尤為明顯，優越性更大，因此本設計一級減振器就選擇使用橡膠減振器。橡膠減振器通過阻尼減振的方式進行減振工作。所謂阻尼減振就是在一定程度上充分地將振動傳達來的能量轉化為熱能逐步地消耗掉。橡膠減振器的優點如下：①形狀以及來自各個方向上的剛度均可以根據設計的需求來確定。②橡膠材料的內摩擦很大，振動輪的工作頻率會更加安全地通過共振區。③橡膠減振器對于高頻率振動的吸收能力很強，彈性模量遠遠小于金屬材料，減振工作時變形允許的形變量很大。④可以無需刻意去改變橡膠材料的外形以及尺寸，只需要去改變它的硬度就能獲得不同情況下的剛度。⑤橡膠材料的重量更為輕便，拆卸時更簡單容易，修理方便，可減少工人工作時間。3.3.2橡膠減振器的確定橡膠減振器的材料只有兩種，分別是丁腈橡膠和天然橡膠。兩者相比之下天然橡膠制成的減振器加工起來更加方便，機械性能也更好，但是阻尼相比更小，在通過共振區時很不安全，耐油性較差，接觸油污以后就會發生變形導致彈性喪失，所以本次設計選擇阻尼更大以及耐油性更好的丁腈橡膠。橡膠減振器的幾何形狀也只有兩種，根據截斷面的二維幾何形狀分為圓截面以及矩形截面。圓截面的橡膠減振器的剪切剛度在各個不同的方向上卻均相等，矩形截面則在不同的方向上有著不同的剪切剛度的差異。本設計的振動輪是全液壓驅動的，因此扭矩需要傳遞，故此采用圓截面的橡膠減振器。橡膠材料的硬度是橡膠減振器里的一個非常重要的參數，本設計選擇40～60HB的丁腈橡膠。3.3.3振動輪減振布置因為本設計為全液壓驅動式的水平振動輪，因此振動輪會傳遞驅動力矩，屬于驅動型振動輪。我們設計的振動輪對于被壓實的材料發生堆積的現象趨向會更小，它和前機架之間有多個橡膠減振器組成了一個較為龐大的彈性聯軸節，所以我們按照輻射的形式布置好圓截面的橡膠減振器，用以保證橡膠材料的連接剛度所受的來自于驅動力位置變化而產生的影響更少。

橡膠減振器分布三維建模本設計的圓截面橡膠減振器是非變徑的，幾何尺寸有經驗公式0.4≤≤0.8，式中，H為圓形截面的減振器高度，D為圓形截面的減振器直徑。取H=60mm，D=100mm，求得比值為0.6，符合這一設計原則。

第4章設計時遇到的問題4.1軸上定位我在三維建模的設計過程中遇到了一系列的問題，軸上定位便是其一。軸上安裝有圓柱滾子軸承、大小齒輪以及偏心塊。在最初的設計過程中，我并未考慮到這些軸上零件的定位，比如懸臂布置的齒輪會向懸空處游動，偏心塊若不固定就會在軸上自由轉動無法建立起相位擺放及按照原理安裝實現水平振動輪僅僅只在水平方向上產生激振合力。簡單介紹一下圓柱滾子軸承，它是圓柱體滾子和軸承內的滾道為線接觸的軸承。由于它主要能夠承受徑向負荷且它承受負荷的能力極強，適合于在高速旋轉的場合下使用，因此我在振動軸上的軸承選用圓柱滾子軸承。可由于圓柱滾子軸承是外圈和內圈能夠在軸向作相對運動，因此在軸上需要進行四個方向上的定位。查閱了機械設計手冊以后，逐步明白圓柱滾子軸承的軸上定位方法，所以我采用軸的階梯結構和軸用擋圈對圓柱滾子軸承的內圈進行軸向上的定位。而偏心塊和大齒輪也同樣用軸用擋圈進行軸向定位。對于圓柱滾子軸承的外圈，我采用軸承座和端蓋定位，還有其余部件結構以及孔用擋圈進行定位。.圓柱滾子軸承的軸上定位孔用擋圈三維建模示意圖孔用擋圈安裝在與外圈配合的結構上，按照機械設計手冊取GB/T893.2-1986孔用彈性擋圈B型。4.2裝配關系作為一個零件工程圖的繪制者，對于課題機械產品的結構應該是有足夠清晰的思路的，我恰恰在設計過程中很不巧地弄錯了邏輯關系。對于一個有復雜結構的機械設備來說，它并非設計困難，也絕非是設計容易。在進行設計之前，就要首先去了解到該機械設備的工作原理，然后其中各零件各組件之間的邏輯關系，誰是誰的上級圖紙，裝配的過程中哪些零件屬于哪個部件屬于總成裝配圖的結構樹，這些都是要弄清楚的。有“自底向上”和“自頂向下”的方法。從總的逐漸向下走到最簡單最基礎的零部件，或從最基礎的一路增加部件構思到總成圖，就能在過程中清晰地認清楚邏輯關系。水平振動輪的設計過程是較為漫長和復雜的，最為鮮明的就是裝配關系。該怎么去裝，考慮到安裝順序，建立起完善的結構樹。邏輯關系結構樹截圖通過“自底向上”，首先從核心的偏心塊構思起，有振動軸才能讓偏心塊轉動，有兩根具有相對位置的振動軸才能產生相位差保證不同角度下的合力方向，有滾輪才能是一個完整的振動結構，有輸入振動軸通過齒輪傳動才能帶動兩根輸出振動軸旋轉，振動馬達保證振動軸轉動，鋼輪和幅板作為外部結構，通過行走系統讓車架能推動水平振動輪前行，通過減振系統保持前車架和滾輪之間有減振的功能，反之“自頂向下”則是從總體逐步向下思考，考慮到水平振動輪該具有怎樣的功能，這些功能怎么去實現，用哪些結構哪些組件部件零件，依次類推。4.3制圖規范在三維建模的時候就會有不嚴謹的行為，機械設計手冊作為機械工程師和機械專業學習者眼中的“神書”，其實是有很重要用途的，重要到它根本就是我們的命根。一個好的設計者絕對是會合理使用機械設計手冊查圖表和標準的。絕大多數零件都是有嚴格意義上的規格，例如圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、軸用擋圈、孔用擋圈、齒輪、軸系結構和螺紋緊固件等，都是具有嚴格標準選用準則和尺寸的。在設計過程中我無可避免地沒有及時去查詢機械設計手冊，導致許多結構出現別扭的視覺，最后重新查詢機械設計手冊去改善結構去增加零件。而三維轉化為二維工程圖的時候，剖面線和中心線是需要注意的地方。對稱結構需要有中心線，看不見的視圖里的重要結構需要剖切后使用剖面線以展示出來，而螺紋緊固件是需要在二維圖里設定為非剖切的。而二維圖的技術要求，例如加工面，例如焊接件，例如公差配合，都是需要仔細去標注清楚的，因為我們做的圖就是為了給加工的人去明白如何操作如何加工成我們需要的樣子。明細表里的組件、部件、零件需要一一區分開來，標準件需要注明清楚國家標準的代號是什么，例如平鍵還需要將平鍵的規格尺寸注明出來。制圖規范嚴謹是一直都需要記住的一點。總結畢業設計是真的挺難的。雖然最后自己從頭到尾完成了畢業設計，但還是想要大聲地喊出一聲：“不容易啊！”但是通過指導老師不厭其煩的悉心教導，以及和畢業指導小組里的其他的優秀的同學通過討論一起共同解決了難題，也會覺得畢業設計并不是為了阻礙畢業而存在的難題。每一個課題可能領域不一樣，有些課題是偏向于模具，有些課