1、 中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页第一章 绪 论1.1 课题研究的目的、意义全套图纸加 153893706随着我国经济的高速发展，对能源需求日益加大。煤炭工业是关系到国家经济命脉的重要基础产业，煤炭是我国的主要能源。2004 年煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占 75.6和 67.7。“十五” 期间，我国煤炭产量由 2001 年的 13.8 亿吨已增长到 2005 年的 21.9 亿吨，年均增长 2.02 亿吨，保证了经济和社会发展的需要，支撑着国民经济的快速发展。与此同时，国民经济快速增长对煤炭需求的拉动也带动了煤炭工业的迅速发展。国家对煤矿安全生产高度重
2、视，国务院第 81 次常务会议专门研究了煤矿安全生产，会议指出，“ 煤炭行业又是高危行业，高瓦斯和瓦斯突出矿井占一半左右，煤矿安全是整个工业安全生产工作的重中之重。”国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局加强了监察的力度，使煤矿安全生产状况总体稳定，并趋于好转。具体表现为事故发生起数和死亡人数逐年下降。2005 年全国煤矿发生的各类灾害事故己下降到 3306起，死亡 5938 人，百万吨死亡率 2.81，首次下降至 3 以下。由于我国正处于经济和社会的转型期，生产力发展水平不均衡，安全生产基础工作薄弱，与经济高速发展的矛盾越来越突出，尤其是煤炭工业。主要表现为生产事故总量居高不下，煤矿安
3、全生产形势依然严峻。20012004 年全国每年发生各类事故 80 万起以上，死亡人数超过 13 万，其中煤矿事故起数和死亡人数分别占全国工矿企业总数的 30和 40。重特大灾害事故虽然有显著减少，但每年仍发生 300 余起。一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率呈增长趋势，2004 年发生了 2 起，2005 年竟发生了 4 起，造成重大人员伤亡、财产损失和不良的社会影响。与世界先进产煤国相比，我国煤炭产量占世界总产量的 31，但事故死亡人数却占了 79，安全生产水平存在很大差距。我国煤矿自然条件差，地质条件复杂。我国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚形成的，主要煤田经受了多期次、多方向、强度
4、较大的改造。造成煤田地质条件复杂，伴生的次生灾害多。同时我国也是个自然灾害多发的国家，大地震（汶川大地震）及人为造成的突发火中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页灾等时有发生。在各种灾难发生后及时的救援显的尤为重要，但时各种灾害发生后往往伴随着各种次生灾害，给救援带来很大困难。矿难，大地震发生后不能马上获取详细灾情，是救灾救援的国际性难题。实践表明科学、快捷、有效的侦察是事故救灾救援工作成功的关键。在灾害事故的处置过程中，救援人员主要是依据侦察的结果来制定救援的方案、次生灾害的处置方案、人员的疏散救援方案等等。如果用具备了必要功能的勘察车机器人，代替救援人员从事危险的灾情侦察
5、任务，将会大大减轻救援人员的压力，提高救援工作的效率。所以本次设计的井下防暴发动机勘察车结构设计对于救灾救援具有很大的现实意义。经过四年的刻苦学习，我掌握了四十多门基础知识和专业知识。在大学毕业，即将走向工作岗位之际，对井下防暴发动机勘察车结构进行设计，重点针对勘察车的传动系的设计具有重要意义。毕业设计是对每个大学生进行知识掌握与实际运用的一次大检阅，充分体现了一个设计者的知识掌握程度和创新思想。通过本次设计，我将进一步巩固所学的知识，提高实际运用能力，并为以后参加工作打下良好的基础。1.2 国内外研究现状及主要面临的问题近年来，特别是“9.11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角
6、度研制出各种反恐防爆机器人、灾难救援机器人等危险作业机器人用于灾难的防护和救援。同时，由于救援机器人有着潜在的应用背景和市场，一些公司也介入了救援机器人的研究与开发。此外，国际 RobCup 机器人竞赛也增加了救援比赛的专项 RobCup Rescue，为救援理论和技术提供仿真研究的试验平台。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在 2005 年 6 月份日本神户召开的 IEEE 安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR05)上，会议的主旨定为 :“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。到会的代表来自 16 个不同的国家
7、和地区，各国的救援机器人研究工作，因国与国之间的技术水平、地域环境和政治因素的不同，灾害类型的不同，灾害区域废墟的成分不同，以及机器人作业任务的不同，而显得全面化和多样化。下面就日本、美国等发达国家和中国的救援机器人研究现状分别进行介绍。1.2.1 国外发展状况在机器人领域日本一直走在世界的前列。下面是日本机器人工业协会关于市场的最新统计数据。机器人产业作为日本的一大新兴产业历来受到重视。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页图 1-1 日本机器人产值的历年变化和 2010 年预计日本作为一个多核能、多地震国家，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自 1995 年阪神地
8、震发生后 10 多年间，日本在灾难救援防护方面已经形成了完备的国家体系。特别是从 2002 年开始，日本文化科学部确立了“大都市大震灾减灾特别计划” 的研究计划，以大幅度减小人、物的灾害损失为目的，研究地震防灾对策的理论科学和基本技术，进一步开发在地震中使用的救援机器人。该计划采纳了共 30 多项建议，项目为期5 年。参加者包括大学、公司和国立研究所，研发内容包括用于观察灾难环境的机器人系统、传感技术、人类接口技术和系统集成。川崎市为该项目建立了公用试验场地，并建立了国际救援系统研究所。国际救援研究机构在“ 灾害应对战略研究” 中，把本研究计划作为核心内容全部包含在内，目的是实现在非常困难的大
9、规模灾害救援活动中，即使是在混乱中也能对进行情报收集和判断，根据灾害状况进行最优的救助。计划中主要研究工作有: 对机器人、智能传感器、携带终端装置和人机接口等进行研究开发，进行能动地、智能地情报收集，用网络进行情报的传递、汇总和归纳等。日本东京工业大学的广漱是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广獭研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM“，“ GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机，在仿生机械及灾难救援应用研究方面，广漱教授及其学生做出了卓著的贡献。考虑到灾害现场的援助作业最重要的是确定受灾害者的位置，必须依靠能够在像瓦砾那样狭小的场所移动的机器人来探
10、察，为此他们研制了 SOURYU-I 和 SOURYU-iI:针对火灾现场的消防，有软管的搬运、放水及被害者的探查等作业，他们研制出水压驱动的多车轮机器人 GENBU-I，GENBU-iI 和 GENBU-III，以消防用的高压水为动力源，进行放水和驱动。日本东京工业大学的 KAMEGAWA 等提出一种新的救援机器人平台，该机器人由多节履带车连接而成，能够进入狭窄的空间，相邻单元之间由 2 主动自由度关节连接或 3随动自由度关节连接，所以具有很好的越障能力和地面适应能力。在日本京都大学，OSUKA 等研制出一种四节四面履带救援机器人“MOIRA “，该机器人采用电动机同时驱动四周履带，使得它在
11、废墟中有很好的穿梭能力和抗倾翻能力。日本独立行政法人消防研究所天野久德等研制出的四周履带结构能够舒张的变形机器人“CUBIC-R “，在收缩状态下可以变成一个立方体形状，在伸张情况下可以变成多种模式。日本电气通信大学松野文俊研究室研制出的信息搜集用机器人“MA-1 “ f91。冈山大学大学院自然科学研究科永谷圭司等研制出的不平整地面移动救援机器人“RESDOG“，它底部的履带支撑为多个从动三角形辊架，具有较好的灵活性以适应地形。为日本神户大学高森年等研制的 UMRS(Utility Mobile Robot for Search UMRS)系列机器人，旨在将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业:日本
12、原子力本部研制出的在原子核辐射场所执行作业的机器人 RESQ 系列和RoBOT.RESQ 系列可以进行初期情报收集 (RESQ-A)，详细情报收集(RESQ-B)及试样收集(RESQ-C)等作业，所有的作业在遥控的情况下进行 ;ROBOT 为日本原子力研究所、那坷研究所和核融合工学部等联合研制出的耐放射性机器人，它上下楼梯自如，具有很强的运动能力。在日本，一些大公司也介入了救援机器人的研究和开发，他们通常采用与研究所或和大学进行合作的形式进行研究，一方面企业为研究所提供必要的研究资金和试验场地，中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页同时企业还为研究成果的产品化提供通往市场的桥
13、梁。0SMERT-M 是东芝公司研发的一种用于狭窄空间进行检测和危险现场搬运作业的机器人，可以搬运 5 kg 左右的重物;MARS-A 是日立公司研发的形状可变机器人，它可以进行阀门开关、试料取样等作业，可以搬运 5 kg 左右的重物;SWAN 是三菱重工研制出的一种具有地形适应能力，可以进行中等重载搬运作业的机器人，可以搬运 10 kg 左右的重物;MENHIR 是日商岩井公司研发的一种用于放射性环境中可以进行各种重载作业的机器人，该机器人具有有力的双腕，可以搬运 25-80 kg 左右的重物;T-52 援龙是 Tmsuk 公司研发的一种巨型救援机器人，该机器人有两只胳膊，高 3.45 m，
14、宽 2.4 m.质量约 5t，每只胳膊能拿起 500 kg 的重物，两只胳膊可拿起 1t 的重物，它在发生灾害时可以进行清除瓦砾，完成推土机或铲车无法承担的精细作业。美国“9.11”事件后，灾难救援机器人技术在美国日益受到重视。 “9.11”事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心遭到恐怖袭击发生后几小时，退役中校约翰布莱彻任主任的美国“机器人辅助搜救中心 ”应纽约市紧急事务管理办公室要求，立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可供使用的机器人，赶赴世贸中心废墟现场，向救援行动提供技术支持，其中投入使用的 8 种机器人，分别为 Inukt
15、un 公司的三种机器人 :Micro VGTV、Micro Traces 和 Mini Traces，它们在废墟堆上用的最多，因为它们体积小，质量轻。三种机器人之中，Micro VGTV 和 Micro Traces 被证明更有用于救援作业， Mini Trace 本想用于废墟堆中，但受到空间的限制而不能有效的利用。Foster-Miller 公司也使用了三种机器人系统:Talon,SOLEM和 Urbot，三种机器人与 Inuktun 公司的机器人相比体积较大，但具有更好的传感和承载能力，因为它们来源于 NASA 军方背景的研究，具有较大的速度。SOLEM 被用于废墟堆中的作业，Talon
16、和 Urbot 被用于建筑物的内部检测。iRobot 公司在救援行动中也使用了两种机器人:Packbot 和 ATRV o Packbot 采用履带驱动具有非凡的牵引力和自调整能力，ATRV 为大型轮式移动机构，体形高大。在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心 MURPHY 等研制出安装有医学传感器的救援机器人 Bujold，这种机器人底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。明尼苏达州大学 STOETER 等研制出的一种特殊的机器人 SCO
17、UT，可用于多机器人收集信息等并行作业，具有简单的传感单元、运动单元和专门的作业工具，该机器人外表的弹性防护轮具有保护作用;该校 LARSON 等还研制出一种兼具作业和运动功能的双臂探测机器人TerminatorBot，它的肢体结构设计十分巧妙。所示。加利福尼亚工业大学 HELMICK 等研制出的多传感器救援机器人，该种机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。卡内基梅隆大学 WOLF 等研制出的可移动像鼻子救援机器人，该机器人以移动小车为底部，扩大了运动空间和探测范围。南加利福尼亚大学 SHEN 等研制出的一种模块化可重构的救援机器人 CONRO，它可以根据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形
18、及环行等多种构形。美国航空航天局 HAITH等研制出一种具有三维运动的蛇形机器人 Snakebot，它在非结构环境具有较强的运动能力。PARC 研究中心 YIM 等设计的一种模块化可重构的机器人 PolyBot，因机器人的模块具有互换性而具有很强的变形能力，机器人不同的构形可以适应于不同的地形。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页救援机器人 Urbi e 系列是美国 DARPA 高技术办公室支持的战术移动机器人计划中，由 JPL. iROBT, CMU. USC 多家单位共同研制的灾难救援机器人。Urbie 研制的初衷是用于城市的军用和普用，但是它同样能够用于城市灾难环境的
19、探测和救援作业，特别是采用轮、腿、履带复合式的移动机构使机器人具有更强的运动能力在美国，用于灾难救援和探测的无人自主直升机同样得到研究者们的重视，自主直升机具有高空探测和投掷等作业能力，非地面移动机器人所能够代替。CMU 研制的无人自主直升机，该视觉导航机器人能够迅速和系统的大面积地进行搜查，以便准确的判断灾情和发现事故或灾难后受害者的位置，指导救援队伍的行动方向，特别适应在森林火灾、海难、污染地区和放射性地区的救援作业是美国自主机器人计划中，美国航空航天局 Ames 研究中心 FREED 等用来研究人机交互用 J 立救援探测作业的的一种机器人平台。空中搜寻救援组织提供的一种救援机器人飞机，该
20、机构是一种非赢利机构，他们的机器人飞机用于人道、慈善和教育事业方面的紧急救援。1.2.2 国内发展状况在我国，一些专家学者也意识到了灾难救援等危险作业机器人技术研究的重要性，国内的许多高校和研究所在海难救援机器人、自主救援无人机和地面移动特种作业机器人等救援机器人技术方面开展了研究。我国机器人研发始于 80 年代，已有二十余年的历史，在 863 计划多年资助下取得丰硕成果，与世界水平的差距有所缩小，但基本上属于闭关式研究，国际合作较少。我们应该争取更广阔的国际合作机会，来提升研究的水平。“日本国际救灾系统研究中心” 负责开展形式多样的国际合作研究和学术交流活动，也许能为中日机器人合作研究提供一
21、个平台。对灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。2002 年 6 月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同承担的国家 863 项目“履带式、轮式消防灭火机器人” 研制成功并顺利通过国家验收。消防灭火机器人，又称自行式水一泡沫消防炮，是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。上海强师消防装备有限公司(公安部上海消防研究所控股)提供的消防机器人产品。灭火机器人从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装各的分屏汁入了新鲜血滴。为了更好地完成国家“ 十五 ”863 计划“危险、恶劣环境作业机器人，仿向的课题和满足国家反恐、防攀与处理突发应急事件
22、对特种机器人的迫切需要，机器人技术主题专家组先后召开了“ 危险、恶劣环境作业机器人技术研讨会”(2003 年 3 月)和“突发应急特种机器人战略研讨会”(2003 年 8 月) ，并于 2003 年 10 月在北京协助召开了科技部、公安部、武普总部和国家“ 十五”863 计划自动化领域间的首次 “反恐防暴机器人协调会”，进一步加快发展我国的危险作业机器人技术，更好地完成国家“十五”863 计划制定的战略任务。特别是在 2003 年 10 月 30 日北京召开的科技部、公安部、武替总部和国家“十五”863 计划自动化领域间的首次“ 反恐防攀机器人协调会 ”上，提出了围绕 2008 年奥运会和 2
23、010 年世博会的安保工作，研发我国的立体安全保卫装备(系统)的建议，具体是: 研究开发适用于地面、墙面、涵道的先进探测机器人、超小型飞行器、浅水潜游探测机器人，形成能对奥运会的运动场馆、世博会的会展现场以及重要设施和场所进行全方位立体的危险品探测以及对重要场所进行立体应急处理安全保卫装备(系统)。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页国防科技大学 2001 年研制出一种蛇形机器人，长 1. 2 米、直径 0. 06 米、重 1. 8 公斤，能像蛇一样扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒运动，可前进、后退、拐弯和加速，其最大运动速度每分钟可达 20 米。头部是机器人的控制中心，安装有
24、视频监视器，在其运动过程中可将前方景象实时传输到后方的电脑中，科研人员可根据实时传输的图像观察运动前方的情景，向蛇形机器人发出各种遥控指令。在 863 计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分。蛇形机器人样机，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。在蛇形机器人研究的基础上，从模块化、可重构和自动变形的角度研制出了一种履带式灾难救援可变形模块机器人样机，该
25、三模块机器人具有 9 种运动构形和 3 种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态，它能够通过多种形态和步态来适应环境和任务的需要。研制的水面救援机器人，可以在1Km 范围内，对其进行无线控制。由沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出具有自主知识产权、能完成反恐、防暴等综合任务的“ 危险作业机器人”产品样机 ;他们正在研制的新一代反恐、防机器人; 沈阳自动化研究所最近研制出的基于复合机构的非结构环境移动机器人，它能够在高低不平、障碍物和楼梯等复杂多变的环境中使用，适用于探测、排查、搬运、消和销毁等危险作业。2005 年 9 月 12 日， “中日救援及安全机器人技术
26、研究中心”在沈阳揭牌成立，该中心由中国科学院沈阳自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院合作成立，旨在实现强强联合，推动机器人技术在灾难救援中的应用。1.2.3 目前救援勘察机器人所面临的主要问题1.目前救援机器人动力有限，以小型为主的救援机器人续航能力不足，越障能力差。这主要是由于目前的救援机器人都是小型的，主要以蓄电池作为动力源。受到电池技术的限制，续航能力及动力都不能满足井下勘察救援的需要。2.无线遥控井下信号可靠性差，一定距离后无法进行信号发送和接收遥控。通过查阅相关文献了解到目前的救援机器人大都采用无线信号进行控制。最大操控范围在 1Km 以内，无法满足远距离的操控要求。针对井下勘察
27、救援，这类的救援机器人进入井下，无线控制的信号可靠性差。超出一定范围就无法进行控制操作。针对上述问题我们本次设计的井下防暴发动机勘察车采用防暴发动机作为动力源以柴油为燃料。以此来解决续航能力不足和越障能力差的问题。同时采用了发动机为动力，勘察车的承载能力会得到极大的提高，可以携带更多设备进入矿井等受灾现场进行勘察，按照人们的意愿获取各种信息。采用无人控制的方式避免次生事故引起对人体的伤害提高救援的安全性和工作效率，为救援赢得时间。对于控制信号的问题，我们采用有线控制，通过电液系统对勘察车进行操作。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页1.3 本课题研究的内容本课题的研究内容，
28、是井下防暴勘察车勘察车的一个子课题，是在井下勘察车的具体参数要求下进行井下防暴发动机勘察车的结构设计。由于勘察车是在 BJ212 的基础上进行改装而成的，原有的传动系无法满足井下勘察车的功能需要。针对井下勘察车的具体参数要求，在原有 BJ212 越野车传动系的基础上，结合当前该方面比较先进的技术，利用自己所掌握的知识，对井下防暴发动机勘察车的传动系统进行设计，使其符合井下勘察车的功能要求。1.3.1 传动系的各主要组成部分及功能汽车的传动系统通常为机械式，它主要由离合器、变速器、分动器（多轴驱动） 、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥中的主减速器、差速器和半轴等组成，发动机发出
29、的动力经过传统系统传给驱动轮，驱动汽车行驶。离合器处于传动系的首端，用来切断和实现对传动系的动力传递，以保证：在起步时将发动机与传动系平顺地结合，使汽车能平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中齿轮之间的冲击，便于换挡；在工作中受到大的动载荷时保护传动系，防止其受过大的载荷。本次设计采用 BJ212 原有自带的离合器，所以论文不对该方面进行涉及。变速器的功用是：在不同的使用条件下，改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，使汽车得到不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作；保证汽车能倒退行驶和在滑行或停车时使发动机和传动系保持分离；需要时还应有动力输出的功能。多轴驱动汽车
30、上设有分动器，用于将变速器输出的动力分配给各驱动桥。万向传动装置主要由万向节和传动轴组成，将变速器或者是分动器发出的动力输送给驱动桥。驱动桥位于汽车传动系统的末端，主要由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成。其功用是将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴等传到驱动车轮，实现降低转速、增大转矩；通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向。1.3.2 井下勘察车车传动系统方案的确定 井下勘察车有自己的特点，主要体现在工作速度较低，而对越障能力和爬坡能力要求很高。同时在井下工作环境恶劣，对传动系的抗冲击与可靠性要求较普
31、通汽车高，但对车的燃油经济性，运动平稳性，噪声等要求较低。一开始就对井下勘察车传动系统进行整体设计，这将是个工作量巨大的工程，也会面临很多困难。所以我们将采用模块化的设计思想，将井下勘察车车传动系统分解为变速器、分动器（多轴驱动） 、万向传动装置和驱动桥等几大模块。按照各个模块所要完成的功能，分别对其进行设计。最后将各个模块组成为一个整体，完成整个系统所要求的功能，从而确定最终的传动系统方案。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页1.3.3 传动系统的具体结构设计在确定了传动系统方案后，下一步就是结合井下勘察车的具体参数要求，结合部分BJ212 越野车的原始数据，展开各个模块
32、具体结构的设计。本次设计的具体难点重点是使传动系统满足勘察车的工作速度要求。因为井下勘察车工作的工作速度较普通汽车低，传动系统的传动比要大。在综合考虑动力要求，越障能力，勘察车离地间隙，结构强度等因素对传动比进行合理分配。对具体结构进行设计。然后结合上一步结构设计中所得的数据，用 AutoCAD 绘制部分零件的装配图和部分零件图。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页第二章 动力装置的选择本文所设计的井下防暴发动机勘察车是以越野车 BJ21 为基础改装而成的。按照毕业设计任务书所给的参数，以通用汽车底盘为参考标准。设定勘察车车满载重量为1800Kg，驱动形式为发动机前置纵向布
33、置，4 轮驱动，勘察车有两个工作档位 2.5Km/h，最高工作速度不超过 5 Km/h。具体设计指标：1、车辆高度小于 1.2m；整车长度 2.5m；宽度6 kW；3、发动机采用经过防爆处理后的柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载；4、工作档位：工作档位速度 2.5Km/h，最高工作档位不超过 5Km/h。动力装置的选择主要确定以下三个方面的参数:1.发动机的确定2.变速箱扭距、档位、速比的确定3.驱动桥主减速比的确定2.1 发动机的确定在汽车设计过程中发动机必须有适当的功率和扭距。功率过大且形成大马力拉小车，油耗过大。功率过小，造成整车动力不足。因此选择适当的发动
34、机非常重要。2.1.1 发动机功率估算根据汽车设计及GB7258的规定，三轮汽车，低速载货汽车及拖拉机运输的比功率不小于 4.0kw/t，除无轨电车外的其他机动车的比功率应不小于 5.0kw/t。注：比功率为发动机最大净功率（或 0.9 倍的发动机额定功率或 0.9 倍的发动机标定功率）与机动车最大允许总质量之比。本次设计的越野车 BJ212，总质量为 1.8T根据上述规定：P e=1.84.0/0.9=8kw Pe=1.85.0/0.9=10kw 根据现有发动机的功率档次。勘察车要求的工作速度较低所以取 Pe 为 8.8kw 为宜。2.1.2 发动机最大功率汽车在平路等速行使时Pe=Ua/3
35、600T（F f+Fw ）Pemax= Uamax/3600T（Gf+ C DAUamax2/21.15）载货车一般情况下，f=0.02，C D=0.8，A= 轮距车高，所以主要取决于 G、U amax。其中，G 可以根据大箱容积和同类车型的整备质量来估算， Uamax 可根据设计要求来估算。中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页2.1.3 最大爬坡度及装载质量的校核根据汽车功率平衡方程（kw）：Pe=1/T（GfU a/3600+CDAUa3/76140+mUadu/3600dt） 在计算载货车发动机最大功率时，一般是整车满载用一挡来爬最大的坡度时所需功率最大，此时 Ua
36、 一般只有 10-14km/h，速度较低，克服空气阻力所需功率较少，可忽略不计 T=0.85则：P e=GUa/(3600T)(f + i) (kw) G=3600TPe/( Ua(f + i) 1. 这里 Pe 有时因变速箱和后桥能承受的额定扭距的原因，不一定取最大值，但若这两者均能满足要求可能额定值。2. i 指爬坡度，即 i=sina I 可以取值 i1=0.28（16.5）i2=0.18（10）i3=0.10（6）3. f 指滚动阻力系数，见表七表七 汽车在各种路面上行驶时的滚动阻力系数 f地面类型 f 地面类型 f良好的沥青或水泥路 0.010-0.018 冰路面 0.015-0.0
37、30一般的水泥路面 0.018-0.020 压紧的雪路 0.030-0.050碎石路 0.025-0.035 卵石路面 0.025-0.030干燥土路 0.025-0.035 干砂路 0.100-0.300潮湿土路 0.050-0.150 潮砂路 0.060-0.150根据公式可知：Pe=GUa/(3600T)(f + i) 由于勘察车的工作环境主要在煤矿井下条件较为恶劣所以 f 取为潮湿土路f + i= 3600TPe/( UaG)，U a1 =0.377nr/ （igi0 ） =2.5km/hi=3600TPe/( UaG)- f =36000.858/( 18009.82.5)-0.15
38、=0.555-0.15=0.405a=arcsin0.405=23.89最大可以爬 23.89的坡度，可以满足国标坡度要求，矿井巷道坡度为 140 所以该车的爬坡度满足要求。计算所需功率过小主要是应为设计要求的最多车速较低。但考虑到矿井实际情况，路况差工作环境恶劣，所以要采用比理论功率大很多的发动机才能满足要求。选用 195 风冷单缸柴油机，具体技术参数如下。195 风冷单缸柴油机技术参数中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页型式: 单缸、水冷、卧式、四冲程缸径冲程 (mm): 95115活塞总排量(L):0.815压缩比:19-20最大功率/标定转速(kW/r/min):
39、8.8/2000 最大扭矩/转速(Nm/r/min): 47/1600a润滑方式:压力飞溅复合式起动方式: 电起动旋转方向(面对输出轴): 逆时针燃油牌号:0 号、10 号、-20 号机油牌号:CD 级或 SAE10W-30、15W-40外形尺寸（长宽 高）(mm): 752528593净质量(kg): 160具有 SAE 标准接口立轴、水平轴两种输出发动机在安装前进行防暴处理，发动机采用经过防爆处理后的柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载。2.2 轮胎的选择轮 胎 的 尺 寸 和 型 号 是 进 行 汽 车 性 能 计 算 和 绘 制 总 布 置 图 的 重 要
40、原 始 数 据 之 一 ， 因此 ， 在 总 体 设 计 开 始 阶 段 就 应 选 定 ， 而 选 择 的 依 据 是 车 型 、 使 用 条 件 、 轮 胎 的 静 负 荷 、轮 胎 的 额 定 负 荷 以 及 汽 车 的 行 驶 速 度 。 当 然 还 应 考 虑 与 动 力 传 动 系 参 数 的 匹 配 以及 对 整 车 尺 寸 ： 参 数 (例 如 汽 车 的 最 小 离 地 间 隙 、 总 高 等 )的 影 响 。轮 胎 所 承 受 的 最 大 静 负 荷 与 轮 胎 额 定 负 荷 之 比 ， 称 为 轮 胎 负 荷 系 数 。 大 多 数 汽 车的 轮 胎 负 荷 系 数 取
41、 为 0.9 1.0， 以 免 超 载 。 轿 车 、 轻 型 客 车 及 轻 型 货 车 的 车 速 高 、 轮胎 受 动 负 荷 大 ， 故 它 们 的 轮 胎 负 荷 系 数 应 接 近 下 限 ； 对 在 各 种 路 面 上 行 驶 的 货 车 ， 其轮 胎 不 应 超 载 小 对 在 良 好 路 面 上 行 驶 且 车 速 不 高 的 货 车 ， 其 轮 胎 负 荷 系 数 可 取 上 限 甚至 达 1.1； 对 车 速 不 1 高 的 重 型 货 车 、 重 型 自 卸 汽 车 ， 此 系 数 亦 可 偏 大 些 。 但 过 多 超载 会 使 轮 胎 早 期 磨 损 ， 甚 至 发
42、 生 胎 面 剥 落 及 爆 胎 等 事 故 。 试 验 表 明 ： 轮 胎 超 载 20时 ， 其 寿 命 将 下 降 30 左 右 。为 了 提 高 汽 车 的 动 力 因 数 、 降 低 汽 车 及 其 质 心 的 高 度 、 减 小 非 簧 载 质 量 ， 对 公 路用 车 在 其 轮 胎 负 荷 系 数 以 及 汽 车 离 地 间 隙 允 许 的 范 围 内 应 尽 量 选 取 尺 寸 较 小 的 轮 胎 。采 用 高 强 度 尼 龙 帘 布 轮 胎 可 使 轮 胎 的 额 定 负 荷 大 大 提 高 ， 从 而 使 轮 胎 直 径 尺 寸 也 大 为缩 小 。 例 如 装 载 量
43、4t 的 载 货 汽 车 在 20 世 纪 50 年 代 多 用 的 9.0020 轮 胎 早 已 被8.2520； 7.5020 甚 至 8.2516 等 更 小 尺 寸 的 轮 胎 所 取 代 。 越 野 汽 车 为 了 提 高 在 松软 地 面 上 的 通 过 能 力 常 采 用 胎 面 较 宽 、 直 径 较 大 、 具 有 越 野 花 纹 的 超 低 压 轮 胎 。 山 区使 用 的 汽 车 制 动 频 繁 ， 制 动 鼓 与 轮 辋 之 间 的 间 隙 应 大 一 些 ， 以 便 散 热 ， 故 应 采 用 轮 辋尺 寸 较 大 的 轮 胎 。 轿 车 都 采 用 直 径 较 小
44、、 断 面 形 状 扁 平 的 宽 轮 辋 低 压 轮 胎 ， 以 便 降 低中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页质 心 高 度 ， 改 善 行 驶 平 顺 性 、 横 向 稳 定 性 、 轮 胎 的 附 着 性 能 并 保 证 有 足 够 的 承 载 能 力 。我 国 各 种 汽 车 的 轮 胎 和 轮 辋 的 规 格 及 其 额 定 负 荷 可 查 相 应 的 国 家 标 准 。 根 据BJ212 的 标 准 配 置 为 225/75/R15 轮胎。原有的子午线轮胎不能满足井下工作要求根据GB/T2978-2008 采用 5.00-12 的斜交轮胎，轮胎的花纹采用越野
45、花纹，滚动半径为253mm。2.3 传动系速比的分配2.3.1 后桥主减速比 i0的确定对于主减速比 i0 的确定，则按照设计要求决定，若整车技术要求以动力性为主要目标，则尽可能选用较大的传动比；若以燃油经济性为主，则选用较小的传动比。整车传动系最小传动比的选择，可根据最高车速及其功率平衡图来确定。在普通的载货汽车上，变速器的最高档大都取 1.0，则传动系的最小总传动比即为驱动桥的主减速比 io，若有超速档或副变速器、分动器时，最小传动比则为它们的速比和 i的乘积。根据具体的设计要求本次设计并没有设置直接挡而且最小传动比为主减速器和变速箱的乘积。从图 21 中可以看出，有三条不同 io 值的功
46、率曲线与平直路上的行驶阻力功率曲线，从两方面对该图进行分析。首先分析最高车速。图 21 中可以看出图 2-1 汽车的理想牵引与 各类传动系的传动效率特性实际牵引特性（当变速器有三个前进挡时） 功率曲线 2 与阻力曲线相交在最大功率点上，即最高车速等于最大功率点的车速。而功率曲线 1 和 3 与阻力曲线的交点所确定的最高车速均在曲线 2 的交点之前，这说明只有交点在最大功率点上时，最高车速才是最大的。但从后备功率角度考虑，曲线 1 的后备功率小，而燃料经济性比较好，发动机功率利用率高。曲线 3 则相反，造成汽车有劲而跑不快，经济性较差。过去由于道路条件较差，最高车速不易太高，所以都选择曲线 2
47、或曲线 3，而近代汽车越来越选择曲线 2 至曲中国矿业大学 07 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页线 1 这一范围，即注重高速和节能。当然在高速行驶时，也要有一定的动力性，既保证最高档的动力因数 ，同时也要考虑最高档时的最低稳定车速不要太高，否则在市区max0D行驶时会造成经常换档。在前面我们已经谈到发动机的选择，发动机选定以后，则发动机的参数就已确定，第二章谈到前后桥的初步选定，那么选同的轮胎等参数也确定了，接下来的问题是具体的传动比分配：越野车为了避免在松软地面上行驶时，土壤受冲击剪切破坏而损害地面附着力，要求车速很低，此时的最大速比为最大总传动比为 min0.37pkriv式中发动
48、机额定定转速，2000r/min；pn汽车最低稳定车速，2.5kmh。miv传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。目前，轿车变速器的传动比范围为 3.04.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为 5.08.0；越野车与牵引车为 10.020.0。勘察车是以 BJ212 为基础改装而成的变速箱的传动比在 10.0-20.0。主减速器采用二级减速，查阅汽车设计可知，主减速器采用二级时传动比在 7-12，所以主减速器的传动比设为 7.63。2.校核直接档最大动力因素 DomaxDomax=（F t-Fw）/
49、G=（T tqmax*io*ig*T/r-CD*A*Ua2 /21.15）/G；其中 Ua=0.377r*n/ig*io *if =12.15（i g=1）为期望速度。对于 195 发动机而言：P emax=8.8KW/2000r/minTtqmax=47N*m /1600r/minDomax=（F t-Fw）/G=（T tqmax*io*ig*T/r-CD*A*Ua2 /21.15）/G=（47*7.63*0.95/0.253-0.8*1.56*12.152/21.15 ） /1800*9.8=0.070.05一般 Domax0.04，最好 Domax0.05，否则调整加大 io，要加大 io。所以满足要求。3.i0 对动力性、经济性的影响a
