160～200马力拖拉机配前悬挂装置的设计 说明书

摘要

拖拉机配前三点悬挂装置构成的联合作业机组，由于在一次行驶中可完成多种作业，节省农时，提高作业效率，扩大了拖拉机的通用性，因此在国外拖拉机(特别是大功率四轮驱动拖拉机)上获得了广泛的应用。但目前国内各种功率等级的拖拉机还很少配装前悬挂装置。前悬挂装置具有不同于后悬挂装置的显著特点，本文在理论分析的基础上，进行了轮式拖拉机前悬挂装置的设计。

文中首先归纳总结目前国际上各著名拖拉机产品的前悬挂装置结构特点及前后联合作业的主要作业方式，分析前悬挂机组在不同的耕深控制方式下拖拉机前桥的受力状况，得出相应的计算公式，指出前悬挂一般应采用带支地轮的浮动控制方式。

然后分析由不同的悬挂杆件布置方式决定的机组纵向瞬心和水平瞬心位置对前悬挂犁耕机组作业稳定性、入土能力、耕深稳定性、牵引性和通过性等性能的影响，从而给出可行的瞬心范围。

最后，在理论分析的基础上进行了前悬挂机构设计。

关键词：拖拉机，后悬挂，受力分析，瞬心，联合作业

ABSTRACT

Tractor with front linkage consists of the combination of operating units, because in a driving can complete various task, save farming, raise working efficiency, expand the tractor of generality and so on foreign tractors (especially high power four wheel drive tractors) on a wide range of applications. But there is few at present domestic various power levels of tractor equipped with front suspension device. Front suspension device has the remarkable characteristics different from rear suspension, on the basis of theoretical analysis, this paper has carried on the wheeled tractor front suspension device design.

Firstly summarizes the current of each tractor products famous on the internat- ional front suspension structure characteristics and joint before and after the opera- tion the main operation mode, the analysis of front suspension unit under different tillage depth control ways of tractor front axle stress state, the corresponding calcu- lation formulas, points out front suspension generally take the ground wheel floating control mode should be adopted.

Then analysis determined by the different way of hanging bar decorate unit lon- gitudinal instantaneous center and horizontal position of instantaneous center of fr- ont suspension deep tillage unit operation stability, the grave ability, stability, tracti- onal and through sexual behavior, and gives the feasible range of instantaneous center.

Finally, on the basis of theoretical analysis for the front suspension mechanism design.

Key words: tractor, front linkages, rear linkages. force analysis instantaneous center, combination operation.

目录

第一章前悬挂概述 (1)

§1.1问题的提出 (1)

§1.2前悬挂的发展 (1)

§1.3前悬挂的评价 (2)

§1.4前悬挂的主要结构型式 (3)

§1.5前悬挂的主要作业方式 (7)

第二章前悬挂机组对拖拉机操纵性的影响 (9)

§2.1悬挂带支地轮的农机具 (9)

§2.2悬挂不带支地轮的农机具 (12)

第三章前悬挂杆件的布置方式与作业稳定性 (16)

§3.1 横向稳定性 (16)

§3.1.1水平瞬心在前 (16)

§3.1.2水平瞬心在后 (18)

§3.1.3上拉杆长度的影响 (18)

§3.1.4水平瞬心的选择 (19)

§3.2纵向稳定性 (20)

§3.2.1上拉杆用链子 (20)

§3.2.2上拉杆用刚性杆 (21)

§3.3前悬挂犁纵向瞬心的合理范围 (29)

第四章前悬挂装置的设计 (31)

§4.1设计指导思想 (31)

§4.2悬挂机构的设计 (31)

第五章结论 (38)

致谢 (39)

主要参考文献 (40)

第一章前悬挂概述

§1.1问题的提出

近年来，随着我国改革开放政策的深入实施，农业生产也得到不断发展，特别是国家现行的以联产承包责任制为基础的、统分结合的双层农业经营体制，为发展适度规模经营，实现农业集约化生产奠定了基础，也使得农业机械在农业生产和发展中的作用越来越重要。另外，拖拉机平均功率的不断增大，也使得配套农机具越来越重。目前，我国正在大力发展各种联合整地机、耕种机、播种施肥机和联合收割机与拖拉机配套，这种联合作业机组由于在一次工作行程内完成几项作业（如灭茬、施肥、耕地、耙地、播种、镇压等），从而大大地减少作业次数，也可减少机组对土壤碾压和滚动损失次数，还可减少滑动损失（由于旋耕产生推力，抵偿部分牵引阻力），农艺质量、作业效率和作业经济性较好，符合农业节本增效的要求，是发展方向。与这种趋势相适应，就要求拖拉机能够配装前悬挂及动力输出装置，但现在我国生产的各型号拖拉中，绝大多数只有后悬挂和后动力输出轴，这种联合作业机组的缺点是：由于联合耕种机重而长，受悬挂提升能力的限制，不得不采用半悬挂或牵引方式用分置油缸操纵，使机组的机动性差，转弯时地头留得很长，同时，为保证机组的操纵性和稳定性，拖拉机前都要加很多配重。又如对于联合收割机，收割台必须布置在拖拉机前部，这样就要从位于拖拉机后面的动力输出轴通过一系列的链条、齿轮、万向节、皮带轮再加上曲柄连杆机构，才能满足传动的要求，为使割台升降又要一套杠杆系，这样就使得整个机组结构复杂，可靠性下降，同时机组的总重量也上升了，从而就增加了对土壤的压实程度，而拖拉机若配有前悬挂及前动力输出装置，问题就会变得简单，可以轻而易举地满足前悬挂机组对传动和提升的要求。

§1.2前悬挂的发展

前悬挂最早是1977年由当时法国的Ferranti（现在的Uni - Drive）公司在Stoneleigh向公众展示的，当时并没有引起特别的注意，它主要用来悬挂一些型

的收割饲料和干草的收割机具，仅能满足提升和下降的要求，机具工作部分也不进入土壤。随着现代拖拉机技术的发展，特别是承载能力大的前驱动桥的出现，为充分发挥四轮驱动的效能，一些公司开始尝试在拖拉机前部悬挂多种大型机具。70年代末，法国一家公司设计了能够提升大型多行甜菜收获机的前悬挂装置，并获得成功，随后在这套装置上又进行了推式犁的实验。由于前悬挂需要专门的配套农机具，故上述尝试多是在一些专门生产农机具的公司进行的，它们给拖拉机配装前悬挂装置并提供相应的配套机具，但它们的产品互不相同。为提高互换性，方便用户，国际标准化组织(ISO)于1985年正式制订了相应的前悬挂装置标准，即IS08759/2-1985《农业轮式拖拉机——前悬挂装置和前动力输出轴第二部分：前悬挂装置》。我国也于1989年制订了相应的标准GB10916-89《农业轮式拖拉机前悬挂装置第一部分：1、2类》。几十年来，前悬挂装置在国外得到了充分的发展，各大拖拉机公司在新设计拖拉机时都考虑了装前悬挂的可能性。前悬挂的配套农机具也日渐增多，它作为一种常用的选装部件，几乎在所有国外大功率拖拉机上都可以看到。

§1.3前悬挂的评价

前悬挂装置提高了拖拉机的适应性，符合联合作业的要求，前后悬挂构成的复式作业机组同单纯的后悬挂机组相比，具有明显的优点，如：

1．前后悬挂复式作业机组具有更高的生产效率，且保证驾驶员有良好的视野，方便操作。

2．前悬挂机组可以代替前配重，机组总质量减轻，使前后桥质量分配合理，从而可减少滚动阻力和对土壤的压实，提高拖拉机的牵引效率。

3．前、后机具可独立驱动，从而可简化机具驱动机构，保证合理的动力输出轴转速配置。

4．前、后机具都可采用全悬挂，在地头转弯时顺序提升和降落，机组机动性较好，可减少地头长度等。

5．前悬挂农具可用现有后悬挂农具简单改装而成，不需要专门设计后悬挂联合作业机具，使用上比较灵活。

特别是对大功率拖拉机(功率大于75KW)，可充分利用发动机的功率，前后

犁耕机组能保证拖拉机前后桥有合理的负荷分配，降低驱动轮的滑转率，提高拖拉机的牵引效率。据德国石勒苏维格一荷尔斯泰因(Schleswig-Holstein)州的使用经验表明，在同样犁体数进行耕地作业时，前后悬挂犁机组的功率消耗比后悬挂犁机组可节省15～20%。1981年用一台DeutzDX -1拖拉机三铧前悬挂四铧后悬挂的七铧犁与一台七铧后半悬挂犁在砂壤土上耕地进行比较，前者比后者油耗节省2.2%，滑转率下降6.8%。另外，Naud公司（生产前后悬挂犁）也在多种拖拉机上进行了试验，结果表明，在悬挂同样犁体数的条件下，前后悬挂犁同后悬挂犁相比，前者可使生产率提高45～50%，单位油耗降低30~50%(见表I-I) 表1-1

在法国，前后悬挂犁耕机组使用的也很多，1982年法国有关部门对这种技术的使用情况进地了调查，主要结果如下：

(1)前悬挂的犁体数：60～70%的用户在拖拉机前悬挂3个犁，前悬挂犁体数量有减少的倾向。

(2)每个犁体所需的动力：用户中的89%认为每个犁体需要15～20马力。

(3)前悬挂犁的优点：可充分利用拖拉机的动力，节省能源和时间，使用灵活，随着条件的变化可增减犁体数。

(4)缺点：26～30%的用户认为犁沟不易耕直，也有人认为驾驶员的技术水平要求较高。

(5)总的评价：拖拉机功率为160～200马力时，采用这种技术最经济，为减少事故并预院磨损，前悬挂的犁体数量最好不超过3个。

§1.4前悬挂的主要结构型式

前悬挂目前有两种形式：一种是类似于东方红802的后悬挂装置，由提升油

缸通过提升臂带动可调提升杆，进而使下拉杆升降（见图1-1）。对不同公司的产品来说，又因提升油缸的位置不同而稍有不同。另一种是没有提升臂和提升杆，由两个提升油缸直接控制下拉杆的升降，两下拉杆铰接点刚性地固定在一起，成为框架结构（见图1 -2）。这种设计机构简单、紧凑，杆件数目少，是最常见的一种，目前国外一些著名拖拉机公司多采用这种方式。另外，由于下拉杆不能横向摆动（不像后悬挂），造成农具挂接困难，一般都采用快速挂接装置。不同机型的前悬挂型式见图1-3至图1-7。

图

1-1

Fer

ran

ti

公

司

的

前

悬

挂

示

意

图

图 1-2 Deere7410的前悬挂示

拖拉机前悬挂拖拉机前悬挂拖拉机前悬挂

图 1-6 Deere 8000系列拖拉机的前悬挂(上拉杆用油缸)

图 1-7 ZTS 16245 拖拉机的前悬挂

§1.5前悬挂的主要作业方式

前悬挂机组一般不单独作业，它总是与后悬挂构成联合作业机组一起工作。从收集到的资料看，主要有以下几种作业方式：

1)悬挂前配重，可根据需要快速更换配重（见图1 -8）

2)前整地起垄、后直接播种（见图1-9）

3)前旋耕灭茬、后深松播种(见图1-10)

4)前收割牧草、后打捆（见1 - Il）

5)前后犁耕作业（见1- 12，1- 13）

图 1-8 Laforge 公司的前悬挂配 Deere8000系列拖拉机悬挂前配重

图 1-9 Deere7810 前整地起垄后播种作业

图 1-10 Deere 前旋耕灭茬后深松播种图 1-11 Fiat 110-90前收割后打捆

图1-12 Deere 8100 配 Naud 公司4+5前后悬挂犁作业

图 1-13 Fiat180-90配4+5前后悬挂犁作业

第二章前悬挂机组对拖拉机操纵性的影响

前悬挂机组显著地改变了拖拉机运动时质量在前后桥上的分配，使前转向轮上的土壤反力减小或增大，从而影响拖拉机的操纵性。一般情况下要使拖拉机不失去操纵性，前桥分配质量不小于拖拉机最小使用质量的20%或前桥使用质量的60%。前桥受力状况又随前悬挂机具的形式及悬挂杆系位置的不同而有很大同。下面分两种情况分析机组在纵垂面内的受力状态。

§2.1悬挂带支地轮的农机具（即浮动控制）

当采用浮动控制悬挂装置进行作业时，液压悬挂系统处于浮动位置，提升油缸内没有压力作用，可以认为悬挂农具与拖拉机液压系统之间没有约束力的联系，这时上拉杆都可看作二力杆，则作用在上、下拉杆的力的方向必然沿着该杆件的方向，分别取农具及拖拉机为分离体，受力分析见图2-1:

图2-1拖拉机带前悬挂农具受力图（Ⅰ一Ⅰ下拉杆向下Ⅱ一Ⅱ下拉向上）

图中：——悬挂机具支地轮垂直反力

——农具重力

——拖拉机的使用质量

——悬挂机具支地轮水平分力

——下拉杆水平分力

——下拉杆垂直分力

——上拉杆水平分力

——上拉杆垂直分力

——地面对前轮的支反力

——地面对后轮的支反力

——土壤反力的水平分力

——土壤反力的垂直分力

对机具在垂直方向上从力的平衡方程式中可得：

=±±＋ (2-1)

根据机具类型，下拉杆可能向下倾斜，也可能向上倾斜（见图2-1中位置Ⅰ一Ⅰ，Ⅱ一Ⅱ），第一种情况分力以为正，方向向下，而第二种情况则为负，方向向上。

水平方向：

+ =－=cos－cos (2-2)

使拖拉机前桥减载的翻倾力矩为，可从相对于O点的力矩平衡方程式中求出：

＋(L＋－)－=0 (2-3) 由式(2 -3)可求得，并进一步求得。

在下拉杆向上的情况下，式(2 -3)依然能成立，只是合力的力矩要小（因其力矩臂短了，

式(2-1)可以通过已知角来表达，这些角可用将机具降至静止状态的方法来确定。

=±± (2-4)

将式(2 -2)中机具轮子的滚动阻力用轮子上的反作用力及滚动阻力系数f来表达并代人式(2 -4)得：

= ± (2 -5) 上拉杆中的水平分力可从相对于合成阻力的作用点的力矩方程式中求出：

= (2 -6)

将此式代人式(2 -5)可得：

=±

a-(a+b)=(a+b)f()+

= (a+b)[+]

∴=(2 -7)

如下拉杆向下，此处分母中第三项的符号为负，如向上则为正。

则悬挂杆中的垂直分力亦可求得：

== (2-8)

这样，式(2 -1)和式(2-2)即可解。

当下拉杆处于水平而上拉杆又与之平行时，瞬心在无限远处，此时角、都等于零，则=，=。而翻倾力矩：

=(b ) (2-9) 因为合力的力臂m未知，方程(2-3)和(2-9)可以用图解法求解，但如果已给出牵引阻力，机具和悬挂系统的主要几何尺寸以及拖拉机的各种直线尺寸，则确定支反力、可不用式(2-3)，而用各已知力相对于O点的力矩方程式比较方便，同时，工作部件上的土壤的合成反力以及支地轮的反力应代之以作用于悬挂杆件中的实际的力和及它们的分力、和、：

由此，运动时拖拉机前轮的反力：

(2 - 11)

此处化前的符号的选择取决于下拉杆是向下倾斜(+)，还是向上倾斜（一），式(2-1)、(2-2)和(2- 11)中分力和的值，以及拖拉机支反力的偏移距和的值，由以下式子求得:

(2- 12) 式中——按式(2 -1)或(2-4)求取

=tgα (2- 13)

式中：α为土壤阻力与水平线所成的倾角

上式中垂直分力的大小和方向，取决于工作部件的种类，刃口的税利程度以及土壤的坚实度，并取决于与水平所成倾角α的正切值。

=

式中：和——分别为拖拉机前、后轮的滚动阻力系数。

和——拖拉机前、后轮的动力半径。

§2.2悬挂不带支地轮的农机具（位置控制）

在这种情况下液压悬挂系统处于中立位置，而机具的全部重量、±及挂接点上作用力的垂直分力和完全由拖拉机前轮承受。工作部件阻力合力，其作用力臂为n，形成入土力矩．n使拖拉机前桥增重。故在式(2 -3)和(2 - 10) 中应加[]一项，此时式(2-3)可写成：

(2- 14)而式(2 - 10)可写成：

(b )()()

(2- 15)由此，运动时拖拉机前轮的反力：

()此处符号的选择，也取决于该力是向下（），还是向上()。

带支地轮和除草铲的中耕机前悬挂于LF80 - 904 WD轮式拖拉机上，下拉杆向下倾斜（图2-1中Ⅰ一Ⅰ），中耕机和拖拉机具有下列数据：

中耕机重量；幅宽B =3m；耕深h =12cm；单位幅宽土壤比阻K= 2400N/m；角α=，=，=；滚动阻力系数(f = 0.12；a = 0.66m；b= 0.46m；拖拉机的重量= 42800N；轴距 L = 2.314m；前后轮间的质量分配为42%，58%；坐标= 0.972m；前轮胎11.2- 28， = 0.566m，偏移距

=0．068m；后轮胎13.6 - 38，=0.736m，偏移距=0.074m;农具悬伸距l=1．230m。

要求确定悬挂杆件中的作用力和拖拉机运动时的支反力。

利用公式(2 -1)～(2- 13)，并代入原始数据，可得悬挂杆中的总作用力：

在下拉杆中：

= = 13674N

在上拉杆中：

= = 5637N

按式(3 - 11)计算拖拉机前轮上的法向反力：

= 15400N (36%)

相应拖拉机后轮上的法向反力：

== 27400N (64%)

不带悬挂机具前后轮上的静载荷：

= 0. 42 = 17980N

= 0.58 = 24820 N

相应的前桥减载和后桥增重为：

△=- = 2580N

△=- = 2580N

由计算可看出，在本例中前轮减载量达其静负荷的14. 4%，若再带上后悬挂机具，有可能影响拖拉机的性能。

在本例中，下拉杆向上倾斜，原始数据除以下几项外均相同：，=：，：0.63m。在这种情况下，挂接点的分力值变了，因此机具支地轮上的压力也变了，将原始数据代入公式(2-1)～(2- 13)，类似可解得：

上拉杆力：=7372N

下拉杆力：=14050N

相应前轮上的法向反力：=15900N

后轮上的法向反力：= 26360N

前桥减载和后桥增重分别为：

△= 2080N，

△= 2080N

这样，在下拉杆向上的情况下，悬挂杆件中的作用力明显增大，但同时却减小了作用在机具支地轮上的作用力和机具的阻力，拖拉机前桥的减载量减少了，只占前桥静载荷的11. 57%。

与上例中一样，下拉杆向上倾斜，但机具没有支地轮，液压悬挂系统锁闭（位置控制），因此作用在机具上的垂直力（，，，）完全传到拖拉机前轮上，在这种情况下，按式(2 - 15)拖拉机前轮上的法向反力将是=23020N。

由于前轮上的反力大于静载荷，则前轮的增重和后轮的减载量为

△== 5040N

△== 5040N

由此例可看出，机具没有支地轮使拖拉机前轮的载荷急剧增加。与前述情况不同，此时，前轮的增重约为其静载荷的280%，前轮承重超过后轮，影响整个拖拉机的驱动力的发挥，降低牵引效率。

上述算例的计算结果列表如下（表2—1）：

牵引阻力（N）下拉杆力

（N）

上拉杆力

（N）

工作时重量在前轮（分子），

后轮（分母）上的分配

（N）%

机具有支地轮下拉杆向下

倾斜

8244 13674 5637 15400/27400 36/64

下拉杆向上

倾斜

7324 14050 7372 15900/26900 37.2/62.8

机具无支地轮下拉杆向上

倾斜

7200 23020/19780 54/46

：在所有情况下为保持牵引效率，拖拉机前桥的载荷均应在40%左右。

从上表，可得出以下结论：

(1)悬挂机具工作部件的种类，有无支地轮以及悬挂杆件的位置，一对作用在拖拉机上的力以及工作时重量在前后桥上的分配有较大影响。

(2)当拖拉机配有支地轮的机具工作且下拉杆向下倾斜时，比下拉杆向上倾斜时前桥减载相对较多，特别是悬挂杆件设计不合适或农机具选配不当时，差别

会很太，甚至导致前桥失去操纵性（由于本设计悬挂杆件位置较合适，故在下拉杆同上向下倾斜时，前桥减载量差别不大）。

(3)当拖拉机配没有支地轮的悬挂类入土工作机具作业时，无论悬挂杆件的位置如何，前桥载荷均急剧增加，其结果可能使其牵引——动力性能变坏，并使松软土壤上形成的轮辙加深，并有可能造成前桥损坏。故前悬挂单独作业时，一定要避免这种工况。因此，无论是从安全性或是保持牵引效率考虑，一般情况下，前悬挂机组单独作业时不宜采用位置控制方式工作，必须采用带支地轮的浮动控制方式。而当拖拉机同时后悬挂能使前桥相对减载的机具联合作业时，前悬挂机组也可考虑使用位置控制方式作业。

(4)前悬挂机组作业时，悬挂杆件中的作用力很大，特别是下拉杆向上倾斜时，可达到牵引阻力的几倍上。因此在设计时，要考虑到这一点，尽可能把悬挂杆件设计的结实一些（从第一章的图片中，可以清楚地看到这一点）

第三章前悬挂杆件的布置方式与作业稳定性

前悬挂杆件的不同布置方式对机组作业的稳定性影响很大。悬挂不同的农具对悬挂机构的要求是不同的，这里参考后悬挂装置也以铧式犁为例，探讨不同的杆件布置方式对铧式犁作业稳定性的影响，为前悬挂装置的设计提供指导。

§3.1 横向稳定性

前悬挂装置的基本机构同后悬挂一样，也是三点悬挂杆件机构。两下拉杆的水平汇交点，即下拉杆的水平瞬心，影响机组的耕宽稳定性和直线行驶性。这里以下拉杆为研究对象，对下拉杆的延长线在农具前方相交和后方相交（水平瞬心在前和在后）进行分析。

§3.1.1水平瞬心在前

对于后悬挂机构，为保持机组的直线行驶性和耕宽稳定性，水平瞬心需布置在悬挂轴之前，当农具出现横向偏移时，如图3-1所示，农具受到的土壤阻力及横向反力对点产生逆时针力矩，促使点移向O点，即农具能够自动回正。也就是说，只要瞬心在农具之前，后悬挂机组就一定能够保持稳定。但是，对于前悬挂机构，当瞬心在农具之前时，如图3-2所示，土壤阻力D对点之矩()是逆进针方向，它使农具更加偏离平衡位置，而横向反力F对，点之矩（）是顺时针方向，支地轮的横向摩擦力对点之矩（）也是顺时针方向，它们使农具回位。因此农机具能否稳定取决于顺时针和逆时针力矩是否相筹。若>+则农具不平衡，若≤+。则农具可保持平衡。

国外P．A．Cowell等人以振动分析的观点对前悬挂的横向稳定性进行分析。首先使农具瞬心偏移一段距离，然后释放（似单摆），使农具产生往复运动，在一定土壤阻尼的作用下求得迅速衰减的条件，从而可得出前悬挂瞬心在前时农具稳定的条件，并进行了试验验证。

当前悬挂瞬心在前时，犁耕机组由偏移位置迅速衰减（指数衰减）至平衡位