大“行”其道——行走机械设计师工作指南

本书内容不仅涵盖行走机械的性能要求、功能装置、运动特色，操控技术等，而且涉及环境因素对行走机械的影响以及应对特殊环境的措施，还专门阐述了产品实现过程中的重要节点和工作内容，以此可比较全面地了解整个产品实现过程以及设计在其中的作用。本书共分八章，每章均由十节构成，每节都独立成篇可单独阅读，选择单节阅读不需前后章节关联即可读懂。其中前九节是以本章的装置、特性等为主线的九个独立专题，第十节是该章全部内容的概括与凝练。读者可以根据自己的需要通览或有选择地阅读，通读全书不仅可以对行走机械结构原理等全面了解，更能明白产品设计以及产品实现过程。本书可供行走机械相关专业的本科生、研究生、研发设计人员阅读，适合从事行走机械科研与生产的技术负责人、设计总师、项目经理等有关人员查阅参考。

当今时代的人们离不开行走机械，每种行走机械的产生都脱不开研发设计这一环节，现代行走机械设计既要有传统内涵的继承，又要有具备时代气息的创新。设计人员是产品设计的实施者，要设计出一款适宜的行走机械产品，设计人员既要有丰富的专业知识、充足的技术储备，也要对产品实现的过程与方法等有所了解。工作中接触到不同教育背景、工作经历的研究生、研发人员、产品设计人员，发现他们的行走机械知识储备、对产品设计的理解、对设计过程的掌控能力与最终的设计输出存在一定的相关性，因而头脑中也时常萦绕一个问题，就是如何引导承担设计任务的技术人员掌握相关知识与技术，使他们提高技术水平，具备设计出优秀行走机械产品的能力。为此产生了撰写此书的想法，以便将笔者在行走机械研发与设计方面的心得分享给他人，期望能对有志于从事行走机械研发设计的新人予以入门引导与启示。
本书内容不仅涵盖行走机械的性能要求、功能装置、运动特色、操控技术等，而且涉及环境因素对行走机械的影响以及应对特殊环境的措施，还专门阐述了产品实现过程中的重要节点和工作内容，以此可比较全面地了解整个产品实现过程以及设计在其中的作用。本书共分八章，每章均由十节构成，每节都可单独阅读，不需前后章节关联即可读懂。其中前九节是以本章的装置、特性等为主线的独立专题，第十节是该章全部内容的概括与凝练。读者可以根据自己的需要通览或有选择地阅读，通读全书不仅可以对行走机械结构原理等全面了解，更能明白产品设计以及产品实现的过程。阅读本书可以根据自己的需要，采用纵、横、选三种阅读方式。如果只对其中的某专题感兴趣则单章纵深阅读，依次阅读该章内的十篇文章。如果期望概略了解行走机械设计，阅读绪论后再横向通览每章的最后一节即可。如果查阅资料、聚焦专题，则通过目录查找选定某节后再仔细阅读该篇文章内容即可。
前期出版的《行走机械产品纲要》一书与本书均以行走机械为对象，但审视的角度与关注点不同。《行走机械产品纲要》以行走机械个体整机为对象，分别展示某种或某类已有产品、典型机器的个性特点。本书则以行走机械的系统构成、装置功能等为主要内容，解读行走功能实现的共性特征与需求。如果将前者视为横向审视比较，本书则是从另一角度纵向剖析，两本书通过纵横两条主线分别以不同视角解析行走机械。本书期望能以专业的水准、通俗的语言解读行走机械，限于水平有限，书中难免存在不当之处，敬请读者批评指正。

著者 

王志，1963年生人，研究员/博士生导师。长期从事收获机械与特种车辆的研发与设计工作，参与过多个国家重大项目的实施，承担其中行走机械相关装备的研制任务。主持设计了我国目前保有量最大的无杆飞机牵引车产品，研制出多型可以在特殊环境作业的舰载车辆。开发出我国第一款量产并实现批量出口的纵向轴流联合收割机，是中国收获机械经典产品“新疆-2联合收割机”的设计者。已有4项成果获奖，20余种产品在用。获国家专利50余项，发表论文80余篇。

行走是行走机械的共有特征，实现行走功能是行走机械设计必须完成的任务。本书以行走功能实现为主线，将行走机械设计相关的内容概括为功用特性、行走装置、能量转化、动力传递、运动操控、人机关系、环境制约、产品实现八个主题。每个主题又分为九个与主题关联密切的专题，每个专题内容独立、自成一节。全书共分八章，对行走机械设计关联内容予以揭示。其中第1章主要是基本原理与功能特性等内容；第2~6章汇集了与实现行走功能直接关联的各类装置、系统以及操控技术等内容；第7章聚焦特殊环境条件对行走机械的影响；第8章阐述了产品特性以及产品实现过程不同阶段的主要任务。全书章节结构统一、文章篇幅整齐、内容查阅方便，读者可以根据自己需要，灵活选择使用方式，既可以通读全书，也可按主题阅览相关部分，更可以独选专题阅读单篇文章。
本书可供行走机械相关专业的师生、研发设计人员阅读，适合从事行走机械科研与生产的技术负责人、设计总师、项目经理等相关人员查阅参考。

绪论001
0.1　行走机械进化与发展001
0.2　行走机械基本功能解析002
0.3　行走机械设计003

第1章 功用特性005
1.1　行走机械功用与类型005
1.1.1　行走机械功用拓展005
1.1.2　行走机械驱动演化006
1.1.3　行走机械工作任务008
1.2　机器行走的功能装置009
1.2.1　机器行走功能的实现009
1.2.2　机器行走的关联功能需求010
1.2.3　行走传动与基础装置012
1.3　机器行走的基本原理013
1.3.1　车轮滚动与滚动阻力013
1.3.2　车轮附着力与驱动015
1.3.3　机器自驱动行走实现条件017
1.4　机器行走的运动特性019
1.4.1　机器行走的阻力019
1.4.2　机器行走的运动状态020
1.4.3　机器行走的动力性能021
1.4.4　行走机械的多向运动023
1.5　行走运动状态可控性024
1.5.1　机器行走操控与实现024
1.5.2　行走转向操控性025
1.5.3　制动操纵性027
1.6　动力匹配与经济运行028
1.6.1　动力输出与功率匹配028
1.6.2　动力传递方式与意义030
1.6.3　动力装置匹配经济性031
1.7　行走机械的通过能力033
1.7.1　机器形态与行走的关系033
1.7.2　几何通过性033
1.7.3　越过障碍能力035
1.7.4　支承通过性036
1.7.5　倾斜行走能力037
1.8　行走机械的振动特性038
1.8.1　行走机械的振动系统038
1.8.2　行走激励与机械振动039
1.8.3　行走机械上的减振措施040
1.8.4　行走机械的宜人性设计042
1.9　行走机械工作安全性043
1.9.1　行走机械的安全特性043
1.9.2　主动安全性045
1.9.3　被动安全防护046
1.10　总结： 行走机械功用与特性048
1.10.1　机器行走的基础048
1.10.2　行走机械的功用049
1.10.3　行走机械的评价050

第2章 行走装置052
2.1　车轮的变迁与橡胶轮胎轮052
2.1.1　车轮的产生与进化发展052
2.1.2　轮胎组合车轮053
2.1.3　橡胶轮胎055
2.1.4　轮胎的特征057
2.2　轮桥结构行走装置的类型058
2.2.1　轮桥行走装置形式059
2.2.2　车桥结构的变化061
2.2.3　机体铰接车桥065
2.3　轮式行走机械的悬挂装置066
2.3.1　悬挂装置构成与元件特点066
2.3.2　独立悬挂结构068
2.3.3　非独立悬挂结构070
2.4　主动悬挂系统组成与特点072
2.4.1　主动悬挂的形式与特点073
2.4.2　空气悬挂系统073
2.4.3　气液悬挂系统075
2.4.4　液压均衡悬挂系统077
2.5　履带行走原理与装置形式079
2.5.1　履带行走原理与特点079
2.5.2　履带行走装置布置形式080
2.5.3　履带行走装置支承结构形式082
2.5.4　半履带行走装置083
2.6　履带行走装置的基本构成084
2.6.1　履带装置中的轮履匹配084
2.6.2　金属履带087
2.6.3　橡胶履带结构089
2.7　弹性悬挂结构的履带装置090
2.7.1　履带行走装置弹性悬挂结构特点091
2.7.2　独立悬架形式与结构特点091
2.7.3　平衡式弹性悬架特点095
2.8　传统轨道车辆的行走装置097
2.8.1　转向架的组成与功用特点097
2.8.2　转向架的结构形式099
2.8.3　转向架与车体连接101
2.9　非常规行走与非传统装置103
2.9.1　连续轨迹非常规行走装置103
2.9.2　悬浮行走装置107
2.9.3　仿生行走装置108
2.10　总结：机器行走的功能装置109
2.10.1　机器行走功能需求109
2.10.2　行走功能装置的构成与功用111
2.10.3　行走装置的形式111

第3章 能量转化114
3.1　热机形式及其应用114
3.1.1　热机类动力装置114
3.1.2　涡轮式内燃机115
3.1.3　活塞往复式内燃机117
3.2　活塞往复式内燃机118
3.2.1　发动机组成与特点119
3.2.2　发动机的基础构成119
3.2.3　系统匹配与配套装置121
3.2.4　发动机配套辅助装置123
3.3　汽油发动机的特性125
3.3.1　汽油机的点火系统125
3.3.2　传统汽油机供给特点127
3.3.3　汽油机电喷系统128
3.4　柴油发动机的特性131
3.4.1　柴油发动机供给系统131
3.4.2　调速器与调速特性132
3.4.3　电控喷射柴油机134
3.5　行走驱动电力系统135
3.5.1　电力驱动能量供给135
3.5.2　车载蓄电池供电系统137
3.5.3　电动行走驱动系统139
3.6　行走驱动电机特性140
3.6.1　电机的种类140
3.6.2　行走驱动电动机141
3.6.3　分布式电机驱动与轮毂电机144
3.7　车载电池电源系统146
3.7.1　储能装置与电源146
3.7.2　蓄电池与蓄电池组147
3.7.3　车载电源的管理149
3.8　燃料电池驱动系统152
3.8.1　燃料电池原理152
3.8.2　燃料电池装置153
3.8.3　车载燃料电池动力系统155
3.8.4　燃料电池驱动示例156
3.9　混合动力驱动系统157
3.9.1　联合动力与混合动力技术157
3.9.2　动力混合方式与策略158
3.9.3　混合动力装置示例160
3.10　总结：动力装置及工作特性162
3.10.1　能量来源与能量存储162
3.10.2　动力与动力装置164
3.10.3　行走机械动力装置的发展165

第4章 动力传递167
4.1　机械传动基础装置167
4.1.1　机械传动形式与特点167
4.1.2　行走机械传动基础168
4.1.3　动力输出装置170
4.1.4　行走驱动力输入172
4.2　动力通断实现装置173
4.2.1　离合器的工作原理与功用173
4.2.2　摩擦离合器的应用174
4.2.3　自动离合器176
4.3　手动换挡变速装置178
4.3.1　机械变速传动178
4.3.2　变速传动装置基本结构179
4.3.3　换挡执行装置181
4.3.4　换挡操纵机构182
4.4　动力换挡变速装置183
4.4.1　动力换挡变速装置工作原理183
4.4.2　定轴式动力换挡变速装置184
4.4.3　行星式动力换挡变速装置185
4.4.4　双离合器变速装置186
4.4.5　动力换挡与自动变速187
4.5　液力传动与变矩器188
4.5.1　液力变矩器结构与传动特点189
4.5.2　液力变矩器特性190
4.5.3　变矩器与动力装置匹配192
4.5.4　液力传动装置的应用192
4.6　行走无级变速装置194
4.6.1　传动无级变速原理194
4.6.2　带传动无级变速装置195
4.6.3　液压无级变速系统与装置198
4.7　行走驱动力分配199
4.7.1　行走驱动中的分动与差速199
4.7.2　普通齿轮差速器200
4.7.3　普通差速器限滑与锁止201
4.7.4　其它限滑差速器203
4.8　机液双流复合传动205
4.8.1　机液复合双流传动基本形式205
4.8.2　机液复合双流传动在轮式拖拉机上的应用207
4.8.3　机液双流传动在履带行走传动上的应用208
4.8.4　机液复合传动其它应用209
4.9　行走驱动液压系统211
4.9.1　行走驱动液压系统的组成211
4.9.2　驱动液压系统的匹配特性212
4.9.3　行走驱动液压系统的形式213
4.9.4　全液压行走驱动系统214
4.10　总结：动力传递与传动系统216
4.10.1　传动系统的任务功能216
4.10.2　传动基本形式与特点218
4.10.3　行走驱动力的传递219

第5章 运动操控222
5.1　行走机械的转向操控222
5.1.1　基本机械转向系统222
5.1.2　方向操控装置224
5.1.3　转向系统的动力匹配225
5.2　转向装置与助力转向227
5.2.1　机械转向器227
5.2.2　液压助力转向器229
5.2.3　液压助力转向系统230
5.2.4　电动助力转向系统231
5.3　转向机构与随动转向232
5.3.1　转向机构基本形式与工作原理232
5.3.2　双轴协同转向235
5.3.3　多轴随动转向237
5.4　全液压动力转向系统239
5.4.1　全液压转向系统组成形式239
5.4.2　全液压转向器242
5.4.3　流量放大转向系统243
5.4.4　双转向器转向系统244
5.5　履带行走转向及装置245
5.5.1　履带行走装置转向原理246
5.5.2　单功率流机械传动中转向实现机构246
5.5.3　双功率流转向实现方式249
5.6　行走机械的制动系统251
5.6.1　制动系统组成与配置251
5.6.2　助力制动253
5.6.3　全液压动力制动255
5.7　制动装置形式与应用256
5.7.1　制动器类型与安装位置256
5.7.2　鼓式制动器258
5.7.3　盘式制动器260
5.8　气动制动与主从系统262
5.8.1　气压制动系统及主要元件262
5.8.2　道路车辆主从制动系统264
5.8.3　轨道列车气动制动系统266
5.9　再生制动与防滑技术267
5.9.1　辅助制动与动力制动的应用267
5.9.2　防滑制动269
5.9.3　再生制动270
5.10　总结：行走操向与制动技术271
5.10.1　行走装置状态控制271
5.10.2　转向原理与实现方式272
5.10.3　制动原理与实现方式274

第6章 人机关系276
6.1　操纵装置与人机工程276
6.1.1　行走机械基本操作需求276
6.1.2　行走机械操作方式的选择277
6.1.3　人机工程的体现281
6.2　操控液压技术与应用282
6.2.1　液压系统的功用与组成282
6.2.2　控制阀与操纵方式284
6.2.3　行走机械常用的液压操纵装置286
6.3　液压控制基础与原理288
6.3.1　液压控制回路构建289
6.3.2　液压伺服与比例控制290
6.3.3　行走驱动液压系统自动控制示例292
6.4　车载电器与控制基础294
6.4.1　车载电器与电气系统294
6.4.2　基本电气系统组成295
6.4.3　电控与电气系统的关系298
6.5　电动行走的驱动控制299
6.5.1　电动行走机械的特性299
6.5.2　电机控制器300
6.5.3　多电机行走驱动控制系统302
6.5.4　多电机驱动的差速协调控制303
6.6　常规机动行走的控制304
6.6.1　机动行走控制需求304
6.6.2　电控发动机的需求与特点305
6.6.3　传动装置自动控制307
6.6.4　行走驱动控制308
6.7　行走机械的自动控制310
6.7.1　控制器的基本构成310
6.7.2　控制系统的结构311
6.7.3　控制系统硬件组成312
6.7.4　控制软件的生成314
6.8　车载网络与信息传输315
6.8.1　车载控制网络的类型315
6.8.2　网络协议与多网络连接316
6.8.3　车载网络CAN 总线317
6.8.4　无线信息传输319
6.9　自动驾驶实现之基础320
6.9.1　自动驾驶与人和环境的关系320
6.9.2　自动驾驶的技术基础321
6.9.3　循迹与识别322
6.9.4　定位与自动导引324
6.10　总结：行走机械操纵与控制325
6.10.1　行走机械的操控需求325
6.10.2　操控与人机关系326
6.10.3　行走机械控制与关联技术328

第7章 环境制约329
7.1　机器功用与形态适宜329
7.1.1　行走机械形态的基础329
7.1.2　行走装置与形态331
7.1.3　作业工艺与装置的影响332
7.1.4　工作环境与对象的影响334
7.2　路况条件与应对措施335
7.2.1　非常规路况行走的应对措施336
7.2.2　支承条件变化与应对336
7.2.3　支承面几何特征影响与应对337
7.2.4　空间支承特性339
7.3　在多向运动载体上行走340
7.3.1　载体运动环境中的行走机械340
7.3.2　摇摆路面行走特性341
7.3.3　稳定与预防措施343
7.4　安全与防护结构设计345
7.4.1　运动碰撞防护结构设计345
7.4.2　安全作业驾驶室结构设计346
7.4.3　主动安全设计347
7.5　机器系统热平衡设计349
7.5.1　无效热量的来源349
7.5.2　散热与热量平衡350
7.5.3　装置的散热冷却351
7.5.4　整机系统热平衡352
7.6　低温环境作业适应性353
7.6.1　低温环境下的行走机械354
7.6.2　行走机械低温适应性设计354
7.6.3　动力装置冷起动措施356
7.7　防爆设计与防爆改装358
7.7.1　易燃易爆环境与防爆358
7.7.2　柴油发动机防爆360
7.7.3　电气系统防爆362
7.8　电磁兼容设计与验证364
7.8.1　电磁环境与电磁干扰364
7.8.2　干扰耦合与抑制365
7.8.3　电磁兼容应对措施366
7.9　环境意识与环保措施368
7.9.1　发动机燃烧原理与尾气成分368
7.9.2　排放控制措施369
7.9.3　柴油机的尾气处理370
7.9.4　汽油机的气体处理371
7.9.5　宏观环保意识372
7.10　总结：环境对行走机械的影响373
7.10.1　行走机械的机器环境系统373
7.10.2　自然地理气候条件影响374
7.10.3　行走支承面条件影响374
7.10.4　作业环境与工况影响375
7.10.5　人文社会与行走机械376

第8章 产品实现377
8.1　产品设计及影响因素377
8.1.1　产品设计者的任务与要求377
8.1.2　产品设计方式379
8.1.3　产品设计影响因素380
8.2　总体方案与设计要点381
8.2.1　功能分解模型与总体设计方案381
8.2.2　系统构建与装置匹配383
8.2.3　主体结构设计要点384
8.3　外观形态产生与承载386
8.3.1　产品形态与外观设计386
8.3.2　产品外观的表达特性387
8.3.3　行走机械外观形态的形成与优化388
8.4　遵循规则及产权保护391
8.4.1　专利保护与避让391
8.4.2　标准的运用392
8.4.3　产品认证与许可393
8.5　通用质量特性及设计394
8.5.1　产品的通用质量特性394
8.5.2　寿命与可靠性设计395
8.5.3　维修与测试性设计397
8.6　生产制造与质量控制398
8.6.1　生产组织与工艺准备399
8.6.2　行走机械制造流程400
8.6.3　生产过程质量控制402
8.7　整机验证及试验设施403
8.7.1　产品试验内容403
8.7.2　试验的节点与性质404
8.7.3　试验室内台架试验406
8.7.4　实况试验与场地试验407
8.8　使用保障与技术支持408
8.8.1　产品选择与使用注意事项408
8.8.2　产品使用保障410
8.8.3　使用手册411
8.9　产品修复与后期处理413
8.9.1　产品修理413
8.9.2　产品维修保障414
8.9.3　产品大修415
8.9.4　报废后处理415
8.10　总结：行走机械产品的生命过程417
8.10.1　产品规划418
8.10.2　产品设计419
8.10.3　产品生成与功能实现420
8.10.4　产后支持与后续生产421

参考文献422