1、大功率拖拉机悬挂机构有限元分析大功率拖拉机悬挂机构有限元分析任务书1设计的主要任务及目标本课题将Pro/E软件与ANSYS软件结合起来，应用于工程实际中。针对拖拉机悬挂机构设计中存在的问题，以及实际工程情况，运用Pro/E软件构建拖拉机悬挂机构的三维模型，并将悬挂机构的下拉杆和提升杆三维模型导入ANSYS中。根据获得的有限元分析结果，提出相应的解决措施，以期提高工程应用安全度。2设计的基本要求和内容（1）主要设计内容： 针对拖拉机悬挂机构设计中存在的问题，以及实际工程情况，运用Pro/E软件构建拖拉机悬挂机构的三维模型。（2）工作要求：1）在调研及多方搜集资料及毕业设计实习基础上，明确所设计题
2、目及内容，熟悉拖拉机液压悬挂系统的工作原理，对拖拉机悬挂机构进行受力分析，计算给定参数下的各杆件受力情况；并撰写开题报告一篇。2）利用三维软件Pro/E建立悬挂机构三维模型及仿真模型；3）利用ANSYS对悬挂机构下拉杆进行有限元分析，获得应力应变云图，分析结论，给出建议，并完成中期答辩报告一份。4）撰写毕业设计论文一篇。 3.主要参考文献1)娄秀华，大功率拖拉机液压悬挂机构作业机组虚拟样机技术研究D， 20092)董鸿柏，悬链式链斗卸船机主体结构的有限元分析D，华中科技大学，20063)李丹，周志鸿，刘瑞华，基于ANSYS液压挖掘机动臂的有限元分析J,建筑机械，2008（9）4)孙恒，陈作模，
3、葛文杰，机械原理M，北京，高等教育出版社，2006，55)刘申全，黄璟，工程力学（上册）M，北京，兵器工业出版社，2007，24进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1完成论文选题和论文资料收集工作2014年12月30日-2015年1月5日2学习ANSYS软件及确定悬挂机构测量方法fa案2015年1月6日-1月20日3学习PROE三维软件并进行初步建模2015年1月21日-3月20日4对悬挂机构进行静态分析2015年3月21日-4月15日5完成初稿，论文中期答辩2015年4月16日-4月28日6修改论文，绘制模型图2015年4月29日-5月30日7论文定稿，准备终期答辩2015年5月31日-答辩
4、结束审核人： 年 月 日 功率拖拉机悬挂机构有限元分析摘要：ANSYS是一种专用的有限元分析工具。目前，有限元求解算法已经比较成熟,因此，本技术的应用将有助于对机构的载荷与边界条件做出恰当校核，预测机构的强度与刚度上存在的致命缺陷。目前，我国的拖拉机制造水平相对较低，相比于国外的产品在质量和性能上都有较大差距。对于拖拉机的一些关键性技术问题还缺乏了相当多的系统性和深入的研究，没有形成可行的方案来解决问题。本文根据拖拉机悬挂机构的设计尺寸数据，对拖拉机悬挂机构进行静力学分析后绘制受力分析图，并按照具体的数据进行一些必要的数据计算。同时用PROE软件对拖拉机悬挂机构各个部件进行三维模型的绘制。最后
5、，利用ANSYS软件对悬挂机构的下拉杆和提升件进行有限元分析，获得其在工作状态下的应力应变分布云图，给出合理解释。根据有限元的分析结果，提出对应的解决方法。关键字：拖拉机，悬挂机构，Pro/e，有限元分析High-power tractor hitch system finite element analysisAbstract: ANSYS is a special tool for finite element analysis. Currently, the finite element algorithm has more mature, therefore, the applicat
6、ion of this technology will help to make appropriate check for the load and boundary condition of mechanism, forecasting the fatal flaw that according to the Strength and stiffness of mechanism .At present, the manufacturing level of tractor is relatively low, compared with foreign products that has
7、 a large difference in the quality and in performance . For some of the key technological problem of the tractor, we lack of quite a number of systematic and in-depth research, and has not formed a feasible scheme to solve the problem.Based on the design of tractor hitch system size data, This paper
8、 draws the stress analysis diagram after analyzing the static force of the suspension mechanism ,and calculated some necessary data according to the specific data. At the same time, By using the Pro/e software , the article build 3D model of tractor suspension mechanism.Using ANSYS software to analy
9、sis the upper pull rod and lifting lever of suspension mechanism by finite element analysis. To obtain the contour map of its work in a state of stress and strain, make a reasonable explanation. According to the analysis of the finite element, this paper puts forward the corresponding solutions.Key
10、words: tractor ，suspension mechanism，Pro/e，the finite element analysis1 绪论 拖拉机悬挂机构的主要用途就是用来把农用机械与拖拉机连接起来，并且它还保证了农机具能在正确的位置上进行工作。由于农具的特点及其在拖拉机上的悬挂机构位置的不同，悬挂机构的结构也是不同的。目前国产的拖拉机几乎所有的都是采用后悬挂的方式。这种悬挂机构是附属于拖拉机的，可以悬挂各种配套的作业机具，如犁、耙、播种机等等。悬挂机构是由提升臂、提升杆、上拉杆、下拉杆和侧向调节杆等主要部件组成。拖拉机的悬挂机构，都是采用四杆铰链连接的形式。它与拖拉机的连接，在大多
11、数情况下是采用三点悬挂，但是也可以采用两点悬挂。两点悬挂的方式，使作业机具在土壤中相对于拖拉机有摆动的可能性，从而避免机具和悬挂机构过载或损坏，同事也不破坏拖拉机的操纵性。轮式拖拉机的悬挂机构，为了增加驱动轮的附着力，在结构上还设有专用的加载装置，这种机械式加载装置，是使上拉杆在拖拉机上的固定点能够沿着垂直方向移动，以便固定在不同的位置上，从而对拖拉机的驱动轮加载。本文就是通过运用ANSYS软件对拖拉机悬挂机构主要杆件进行有限元分析，从而得出杆件的应力及应变分布情况，并对获得的应力、应变分布图进行分析，然后给出建议，最后就可以根据分析结果对悬挂机构进行优化设计了。本文将PROE与ANSYS两个
12、软件相互结合起来，应用在机械的制作和优化中。首先运用PROE软件建立拖拉机悬挂机构的三维简模，按照实物的外形特点对其进行合理的简化。然后将简模进行装配，最后将所建立的简模导入ANSYS软件中，对其进行有限元分析，得到想要的结果。这个所得的结果就可以为悬挂机构的优化给出重要的理论依据。1.1 设计目的及意义 拖拉机悬挂机构是拖拉机与农用作业机具相连接的一套杆件结构，主要由提升臂、提升杆、上拉杆、下拉杆和侧向调节杆等几部分杆件组成。拖拉机液压悬挂机构的作用就是把拖拉机所发出的提升力和牵引力传递给农机具。通过对拖拉机悬挂机构进行相关的静力学和运动学等等一系列的相关分析，仔细观察分析结果，逐渐熟悉拖拉
13、机悬挂机构的整个提升过程内的一些相关的变化规律，这有这样才能对拖拉机液压悬挂机构进行合理的设计和优化评估。 拖拉机是通过液压悬挂装置与农机具相互连接来进行田间作业的,对拖拉机的悬挂机构进行相关的分析是非常的重要的。根据分析的结果，得到一些相关的变化规律。只要掌握了这些变化规律，便可以对悬挂机构进行合理的设计和优化评估。 对于大功率拖拉机悬挂机构进行有限元分析的意义就是通过对拖拉机悬挂机构进行有限元分析，得到拖拉机在提升过程中的一些重要变化规律，我们便可以依照这些变化规律来对拖拉机悬挂机构进行合理的设计和更好的优化评估。从而使拖拉机悬挂机构达到最理想的工作状态。 本文就是通过运用ANSYS软件对
14、拖拉机悬挂机构主要杆件进行有限元分析，从而得出杆件的应力及应变分布情况，并对获得的应力、应变分布图进行分析，给出建议。 本文将Pro/E软件与ANSYS软件结合起来，应用于工程实际中。针对拖拉机悬挂机构设计中存在的问题，以及实际工程情况，运用Pro/E软件构建拖拉机悬挂机构的三维模型，并将悬挂机构的下拉杆和提升杆三维模型导入ANSYS中。根据获得的有限元分析结果，提出相应的解决措施，以期提高工程应用安全度。 本论文的主要研究对象是拖拉机悬挂机构，然后对悬挂机构进行静力学分析，再通过功能强大的工业三维制图软件Pro/E对悬挂机构进行三维简化模型的创建。最后，将三维模型图导入ANSYS软件中，对其
15、进行有限元分析。1.2 国内外背景研究1.2.1 国外对拖拉机悬挂机构的研究进展 伴随着全球在科技方面的不断进步，特别是在电子信息和网络通信等高新领域的飞速发展，对拖拉机制造业的发展产生了相当巨大的影响。在国外，对拖拉机悬挂机构的研究和发展相对于国内来说已经相当的成熟。而且在比较早的就把拖拉机机组的机-电-液一体化的控制系统逐渐代替了传统的液压控制系统，并且国外的一些公司还在拖拉机的液压系统中安装了可以调节耕深和控制拖拉机驱动轮转率的控制系统，在根本上大大降低了油耗，提高了工作的速度和效率。伴随着全球在科技方面的不断进步，特别是在电子信息和网络通信等高新领域的飞速发展，对拖拉机制造业的发展产生
16、了相当巨大的影响。从上世纪70年代开始，随着电子和微机技术产生日趋成熟，在国外掀起了一股对机-电-液一体化的研究狂潮。这种现象推动了电-液控制系统对传统控制系统的取代的大趋势。从而为提高拖拉机机组性能开辟出一条新的道路，在根本上提高了拖拉机工作机组的工作速率。对传统的机械式的拖拉机液压悬挂系统的研究，在国外已经非常成熟。目前，机-电-液一体化技术在国外所生产的拖拉机上得了相当广泛的应用，并有取代传统机械式悬挂系统的趋势。目前，机-电-液一体化技术已经广泛应用在了拖拉机上，例如，麦塞福格森、雷诺、萨姆、约翰迪尔、菲亚特、钮荷兰、道伊兹等拖拉机生产公司正在销售的大功率拖拉机基本上都装备了电-液悬挂
17、系统，这就意味着电-液控制系统已经进驻世界主流中了。还有一些拖拉机上还采用了基于CAN总线的多路传输网络系统，使得电-液控制系统在拖拉机上的应用达到很高的水平。但是，需要进一步深入研究的问题也还有许多。其中悬挂系统最主要的问题在灵敏度、可靠性和实用化等方面。1.2.2 国内对拖拉机悬挂机构的研究进展 相比于国外的研究我多对于悬挂机构的研究起步时间比较晚。目前，我国的拖拉机制造水平相对较低，相比于国外的产品在质量和性能上都有较大差距。就国内拖拉机作业机组的生产条件和在实际中的应用而言，我国对于机-电-液一体化的控制技术的研究工作还处于起步阶段，对于一些关键性技术问题还缺乏了相当多的系统性和深入的
18、研究，没有形成可行的方案来解决问题。液压悬挂机构的应用还不是很广泛，并且国内大多数对于液压系统的研究还主要是对传统液压系统的研究，并且仅仅停留在仿真和实验阶段，一直没有在实际运用阶段进行深入研究。 近年来，国内对于拖拉机的研究已经取得了相当大进步，但是于国外的先进技术相比我国还是存在着很大的差距，特别是在拖拉机悬挂机构这方面。我国的拖拉机悬挂系统存在的主要问题主要分为以下几方面：1）对于力、位调节系统的动态性能仍然没有形成一个合理的评价方法和合理的评价指标体系。2）在对系统的研究方面，更多的研究只是注重于构成一个系统、控制方法的实现和系统动态性能的分析，但是一直没有从实际出发深入研究其技术方案
19、的合理性以及综合考虑对拖拉机其他的性能所带来的影响，如液压系统构成中没有很好的考虑到液压系统本身的功率损耗和发热问题，使得所构成的系统很难在实际的工作中得到广泛应用。在对系统的动态性能的分析方面，往往只是注重着消扰性能和响应特性的提高，而对系统调节时，由于重量的转移对于驾驶员舒适性所带来的影响以及实际在田间耕作中真正需要的响应能力等的研究是相当缺乏的。3）还没有开发出性能可靠的，适用于电-液悬挂系统控制的液压控制阀和力位控制传感元件。4）在控制信号的传输方面相对于国外来说缺乏系统、深入的研究。 从2000年开始，国内很多大学都开始对拖拉机悬挂系统进行了深入研究，取得了显著的成就，其中以中国农业
20、大学为首，除此之外他们还对传统控制器进行了改进和优化创新，研制出了比传统控制器更好的电-液控制器。其他的高校和研究机构也进行了很多相关的研究工作。 总体来说，我国对液压悬挂系统的研究主要还是放在传统液压悬挂系统上，但是其中的缺陷还是很多的。目前来说，我国的主要研究对象还是传统的机-液控制系统。就当前的发展来讲，机-电-液一体化技术已经逐步走向主流，成为国内研究的焦点，但是就当前对于机-电-液一体化技术的研究而言还处于刚刚起步阶段，对于一些关键性技术问题国内还缺乏系统性的和深入的研究，而且没有形成具有可行性的解决方案。国内外对于拖拉机悬挂机构的研究，大部分的研究成果都是针对悬挂机构的外形设计以及
21、对悬挂机构的优化设计，但是对于悬挂系统进行有限元分析的研究很少很少。可是，随着拖拉机本身的工作功率不断提升，悬挂机构的作用也随之变得更加明显，以至于悬挂机构在工作状态下的应力分布、应变分布以及安全系数等相关数据都得到了相当的关注。随着有限元分析方法的日益完善，有限元分析会逐步推动其在悬挂机构方面作用，为悬挂机构的生产校核提供必要的技术支持和数据支持。1.3 应用软件介绍1.3.1 实体建模软件Pro/ENGINEER简介 Pro/ENGINEER是3D产品设计软件，是当今世界上最先进的机械设计软件之一。它集成的参数化3D CAD/CAM/CAE解决方案，让使用者能更快的操作，最大限度的提高了工
22、作质量和速度。 Pro/ENGINEER的功能特点和优势如下：1.强大、参数化的设计功能可实现卓越的产品差异化和可制造性。2.完全集成的应用程序可让用户在一个应用程序中完成从概念设计到制造的所有工作。3.将设计变更自动传播到所有下游交付件的能力可让用户满怀信心的进行设计。4.完整的虚拟仿真功能可让用户提升产品性能和超越产品质量目标。5.自动生成关联的模具设计和制造交付件。 1.3.2 Pro/E的典型设计思想 Pro/E的典型设计思想主要分为三种。 特征的划分有以下3个主要依据：特征创建的原理：如拉伸实体特征和混合实体特征； 特征的用途：如实体特征和基准特征；特征的结构特点：如圆孔特征和筋特征
23、。参数化设计的原理：使用者在设计过程中不必太在意零件的尺寸，只需要抓住零件的特点来绘制零件。在绘制完成后再统一修改尺寸。 单一数据库思想：单一数据库思想就是在装配途中所用到的所有零件，都可以随意修改，而最终的装配图也会随着修改而更新。1.4 ANSYS软件简介1.4.1 ANSYS软件功能介绍 ANSYS软件应用范围广而且功能强大，其主窗口主要由五个部分组成，分别为：（1）Utility菜单这部分菜单主要通过ANSYS相关功能组件其作用，比如文件控制、参数选择、图像参数控制及参数输入等。（2）InputWindows（命令输入窗口）命令输入窗口（也称为命令栏）显示程序提示信息并允许用户直接输入
24、命令，简化分析过程。（3）Toolbar（工具栏）工具栏主要由单击按钮组成，这些按钮都是ANSYS中非常常用命令。用户可以根据自己工作类型定义自己的工具栏以提高分析效率。（4）MainMenu（主菜单）主菜单包括了ANSYS最主要的功能，分为前处理器(Preprocessor)、求解器(Solution)、通用后处理器(GeneralPostprocessor)、设计优化(DesignOptimizer)。（5）GraphicWindows（图形窗口）图形窗口显示分析过程的图形，在图形窗口中实现图形的选取。在这里可以看到实体建模各个过程的图形并察看到随后分析的结果。1.4.2 ANSYS软件的
25、主要功能和用途 ANASYS是一种综合性的CAE有限元分析软件，在各个行业中都被广泛应用。其基本功能可分为：（1）结构静力分析：结构静力分析主要是处理一些对结构响应影响不明显的问题；（2）结构动力学分析：结构动力学分析主要用于求解随时间变化的载荷对结构产生的影响，与静力学分析不同的是，这个过程需要注意载荷的变化和惯性等影响；（3）结构非线性分析：结构非线性分析包括材料非线性分析、几何非线性分析和单元非线性分析，是结构的非线性导致结构或部件的响应随载荷不成比例的变化关系。 除了上述功能之外还有一些其他的基本功能，在此不做介绍。 本课题主要是利用有限元软件对拖拉机液压悬挂机构进行有限元分析，并得出
26、相应的结果。 本章内容主要介绍了PROE和ANSYS两个软件的主要发展过程、用途、使用方法等等一系列关于这两个软件的介绍。2 液压悬挂系统2.1 液压系统的类型2.1.1 分置式液压系统 油泵、油缸、分配器和油箱不是安装在拖拉机的同一位置上，他们之间用油管连接。具有布置灵活、保养检修方便、液压元件易于实现标准化等优点。但是，由于各元件分开安装，管路较多、较长，外漏的机会增加。 （典型应用有:东方红802、铁牛55C600L） 分置式液压系统中都采用容积式齿轮油泵，按照技术性能的不同分为CB46、CB32、CB10等型号（数字表示每转理论供油量，单位是）。这些油泵的结构相似，大部分零件是可以通用
27、的。这种油泵和其他类型的油泵相比较，具有结构简单、体积小、使用可靠、耐久、设有轴向间隙自动补偿装置、不需要专门润滑、维护修理方便等优点。因此，被广泛应用在拖拉机的液压系统中。如图2.1.a所示2.1.2 半分置式液压系统 半分置式液压系统是相对于整体式和分置式液压系统来说的。在半分置式液压系统中，除油泵单独布置外，其他液压元件（油缸、分配器）和操纵机构都安装在后桥壳上，使用传动箱中的油液。半分置式液压系统具有管路短，工作可靠，性能比较完整，便于实现力的调节等优点，所以广泛应用于中小马力的拖拉机上。 （代表应用有:铁牛650、东风50）半分置式液压系统液压系统中，大部分采用的是CB3系列齿轮油泵
28、。因为齿轮模数为3，所以称之为3系列齿轮油泵。3系列齿轮油泵根据排量的不同分为CB306、CB310、CB314三种规格，这三种规格的齿轮泵，它们的大部分零件是通用的。由于3系列齿轮油泵具有结构简单、体积小、重量轻、性能良好、使用可靠、制造和维修方便等特点，所以得到了广泛的应用。图2.1.b所示2.1.3 整体式液压系统 整体式液压系统将油泵、油缸和分配器等全部液压元件以及操纵机构都安装在后桥壳内。所有工作用油都是传动箱中的齿轮油。整体式液压系统的特点是结构紧凑，系统管路短，工作较可靠。但是，结构复杂，拆装不方便，液压元件无法通用，不易于标准化，在拖拉机上的布置受到限制。 （代表应用有:上海5
29、0、丰收35）图2.1.c所示a.分置式 b.半分置式 c.整体式1.油缸 2.分配器 3.油泵 4.油箱 5.提升器 6.油泵图2.1拖拉机液压系统分类 小结：本章的主要内容是介绍目前主要应用在拖拉机上的液压系统。并介绍出这三个系统的主要应用对象和优点等等2.2 液压悬挂装置的使用2.2.1 液压系统的用油 分置式液压系统均有独立油箱，用以加注液压油。具有结构简单、体积小、使用可靠、耐久、设有轴向间隙自动补偿装置、不需要专门润滑、维护修理方便等优点。半分置式液压系统一般与传动箱润滑油共用，加注柴油机油，具有结构简单、体积小、重量轻、性能良好、使用可靠、制造和维修方便等特点。整体式液压系统采用
30、齿轮油，要注意检查油面高度，保持液压油清洁，定期清洗滤清器，具有结构紧凑，系统管路短，工作较可靠等优点。2.2.2 油泵的结合分置式液压系统：在发动机起动前将油泵接合装置的手柄扳到结合位置，半分置式、整体式：应分离离合器，扳动接合套使动力与油泵轴接合。2.2.3操纵手柄位置的选用 分置式液压系统分为提升、中立、压降和浮动四个工作档位。压降档位只能在将工作部件强制压进土中的时候使用，进入以后要换到浮动档位，在作业时不能用中立档位。不可以将手柄强制固定在提升档位，以免对对系统造成损坏。 半分置式液压系统分为力调节和位调节两个操作手柄，在其中一个被使用时另一个必须要固定；在悬挂农具作短距离运输时，应
31、将下降速度调节阀手轮拧到底。 整体式液压系统在牵引作业时，应将力、位调节手柄置固定在扇形板下方并锁定。在悬挂农具运输时需调节位置调节手柄于最高位，力调节手柄于最低位；在田间作业时，力调节手柄固定在所需的耕深位置；位调节手柄的主要作用是调节作业机具的升降速度；用液压输出作业时，将力调节手柄置于最上位置，位调节置于反应控制区段的任意位置。本章节的主要内容是介绍液压系统的使用方法：是否有独立的液压油箱、液压系统于拖拉机机体的连接方法和液压操作手柄的位置的确定等。从而确定液压系统与拖拉机机体的连接方法。2.3 液压悬挂装置的功用与类型 液压悬挂系统是利用液体压力来维持农具运动的悬挂装置，还可以输出液压
32、功率。悬挂式连接还可以改变拖拉机的受力状态，有利于改善拖拉机的牵引性能。当今世界，液压悬挂系统已成为拖拉机不可缺少的组成部分。2.3.1液压悬挂装置的功用与组成2.3.1.1 液压悬挂装置的功用1.连接和牵引农机具；2.操纵农机具的升降；3.控制农机具的耕作深度或提升高度；4.给拖拉机驱动轮增重，改善附着性能；5.输出液压能。2.3.1.2 液压悬挂系统的组成（1）液压系统：提升农机具的动力装置。由液压泵、油缸、分配器等液压元件和附属装置组成。（2）操纵机构：用来操纵分配器的主控制阀，控制油流的方向。由手柄操纵机构和自动控制机构两部分组成。（3）悬挂机构：连接农具，传递液压升降力和拖拉机对农具的牵引力，并保持农具的正确工作位置。 悬挂装置又分为
