第九章工程机械转向理论

1、第七章第七章 工程机械转向理论工程机械转向理论第一节 概述第二节 轮式车辆转向理论第三节 履带式车辆转向理论第一节 概 述v按转向动力来源：机械转向动力转向：液压式、气动式、电动式、和复合式 v按车辆获得转向力矩的方式：偏转车轮和偏转履带转向。铰接车架转向。差速（滑移）转向。一、偏转车轮转向及偏转履带转向v(1)前轮偏转前轮偏转：前外轮的变道行驶半径最大，驾驶员易于用前外轮是否避过障碍来估计整机的行驶路线。v(2)后轮偏转后轮偏转：适用于前方安装有工作装置机械，前轮转角受限，轮压增大。后轮转向半径大于前轮。v(3)前后轮同时偏转前后轮同时偏转：前后轮转向半径相同，转向半径小，结构复杂，往往用于

2、对机动性有特殊要求或机架特别长的机械。v(4)多桥偏转车轮转向多桥偏转车轮转向：用于总重和长度特别大的轮式工程机械，如大型汽车式起重机多采用这种方式。v(5)偏转履带的转向方式偏转履带的转向方式：用于超大型机械。c)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图v多履带行走装置特点多履带行走装置特点：履带支承面积大，接地比压小，一般为100160kPa；转向半径大，且只要求缓慢转向；行走速度低，一般为412m/min;承载能力大；转向阻力矩大。一套独立的转向机构，以便将转向履带组拉偏所需的角度；两套以上的驱动装置，以保证各条履带的受力及转向速度适应于转

3、向条件。v多履带行走装置常用的转向机构有：螺旋、钢绳和液压三种。v利用前后车架相对偏转来实现转向，轮式车辆和履带车辆都可以采用。二、铰接车架转向方式特点：特点： 1 有利于迅速对准作业面，减少循环时间，提高生产率； 2 铰接车架相对偏转时，使转向机构简化； 3 特别全轮驱动时，不必采用昂贵的驱动转向桥。 4 但铰接车架转向时抗倾翻的稳定性降低。v三、差速(滑移)转向差速转向方式差速转向方式的车架是整体的(没有相对偏转的车架)，依靠改变左右两侧车轮或履带的转速和转矩来操纵行驶方向，主要用于全桥驱动的车辆或双履带车辆。特点：特点：其结构比较简单，转向半径较小，但转向时车轮的滑动较为严重，双履带车辆

4、一般都采用这种转向方式。第二节 轮式转向理论一、偏转车轮转向理论（一）、偏转车轮转向车辆的转向运动学轮式车辆转向应满足的三个条件轮式车辆转向应满足的三个条件： 1）转向时，通过各个车轮几转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一何轴线的垂直平面都应相交于同一直线上，这样就能防止各车轮在转直线上，这样就能防止各车轮在转向时产生侧滑现象向时产生侧滑现象。22KLctgRKLctgaR轮式车辆转向基本要求轮式车辆转向基本要求：车轮纯滚动，不发生侧滑、纵向滑移或滑转。LKRctga5 . 0LKRctg5 . 0常数LKctgactgc)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运

5、动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图c)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图c)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图对于前后轮同时偏转时，如果前桥两主销之间距离K1等于后桥两主销之间距离K2时，即K1 =K2 =K时有： 222222221111KctgLRKctgaLRKctgLRKctgaLR要满足上述要求，则有: 1221222111LLctgactgaLKctgactgLKctgactgc)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图式中：L

6、车辆的轴距，L1+L2=L当前后桥两主销之间距离K1与K2不相等而L1与L2相等时，即K1K2。要满足转向时，通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一直线上，则 ：LKKctgactga2112可以看出K1与K2的差值越大，a1与a2相差也越大。其变化规律如图 a1与a2关系曲线K2-K1=0；K2-K1=0.7m；K2-K1=1.2m 2）转向时，两侧驱动转向时，两侧驱动轮应该以不同的角速度轮应该以不同的角速度旋转，以避免转向时驱旋转，以避免转向时驱动轮产生纵向滑移或滑动轮产生纵向滑移或滑转。转。 vz车辆转向时的平均速度可以用车辆几何中心L线速度表示，其转向角速度为： RvZZZZZB

7、vBRvBvBRv5 . 0)5 . 0(5 . 0)5 . 0(21车辆内、外侧驱动轮的几何中心点O1和O2的速度 c)前、后轮同时偏转车辆转向运动简图a)前轮偏转车辆转向运动简图b)后轮偏转车辆转向运动简图1v2v两侧驱动的几何中心点转向的速度是不相等的 3）转向时，两侧从动轮应能以不同的角速度旋转，以避免转向时从动转向时，两侧从动轮应能以不同的角速度旋转，以避免转向时从动轮产生纵向滑移或滑转。轮产生纵向滑移或滑转。 这个条件比较容易满足，因为从动轮是不驱动的，能在轴上自由旋转。 （二）偏转车轮转向车辆的转向动力学1转向行驶受力分析假定两轮车在水平地段上以等角速度作低速稳定转，略去离心力不

8、计，这时受力情况如图 LRd)zzFZcFfcMcMucfkFkZFKOTFfkFkaa)xzxzFb)kbxzzxzFc)kcxzxczFfcFzFicM+kMzkF2rOO驱动力FK 转向阻力矩Muc 转向阻力矩MuK 滚动阻力Ffc 驱动轮滚动阻力FfK 转向力FZ 侧向阻力KZ LRd)zzFZcFfcMcMucfkFkZFKOTFfkFkaa)xzxzFb)kbxzzxzFc)kcxzxczFfcFzFicM+kMzkF2rOO驱动力1 转向阻力矩 滚动阻力 滚动阻力 转向力 侧向阻力 LRd)zzFZcFfcMcMucfkFkZFKOTFfkFkaa)xzxzFb)kbxzzxzF

9、c)kcxzxczFfcFzFicM+kMzkF2rOOLRd)zzFZcFfcMcMucfkFkZFKOTFfkFkaa)xzxzFb)kbxzzxzFc)kcxzxczFfcFzFicM+kMzkF2rOO驱动力2 驱动力3 驱动力分解： kckbkaKFFFFcosfcKbFFcKZMMLFcosfkKaFFsinzKcFF转向力 cosLMMFucukZ图7-3a）、b）、c）叠加起来，得图7-3d）。将各力对转向轴线O取矩得 cosRFRFMMRFfcfKKcKLRd)zzFZcFfcMcMucfkFkZFKOTFfkFkaa)xzxzFb)kbxzzxzFc)kcxzxczFfcF

10、zFicM+kMzkF2rOOcosfcfKKcKFFRMMF车辆稳定转向时的驱动力 KFfKfcKFFF 在等速直线行驶时 可看出，当稳定转向时，驱动力就必须增加 对一般的轮式车辆（带有牵引负荷）在水平地段上作稳定转向时的受力情况进行分析对一般的轮式车辆（带有牵引负荷）在水平地段上作稳定转向时的受力情况进行分析 （1）牵引负荷）牵引负荷Fx（2）离心力）离心力FjgRvGRgGRRRgGFZmmZj222cosbgGRbRgGFZmmZj22sincosxFsinxF它作用在牵引点上，转向时力Fx偏转了角，其纵向分为横向分为式中：Rm车辆质心至轴线O的距离；b车辆质心至后桥中线的纵向水平距离

11、 离心力与后桥轴线的水平夹角；G车辆重量 v后桥中点的速度 （3）滚动阻力）滚动阻力 转向时各个驱动轮和导向轮的滚动阻力，可以认为分别是 fKFfcF和一半 （4）转向阻力矩）转向阻力矩MuuKucuMMM驱动轮阻力矩导向轮阻力矩（5）驱动力）驱动力 KFKKKFFF5 . 021（6）土壤对两侧导向轮的作用力）土壤对两侧导向轮的作用力Xc1和和Xc2对后桥中点的矩近似相等。对后桥中点的矩近似相等。（7）转向力）转向力FZ它是两侧导向轮的侧向作用力FZ1、FZ2的向量和。力FZ的作用方向近似地认为作用在OOc平面内。 （8）侧向反作用）侧向反作用ZK1和和ZK2作用在两侧驱动轮上。 土壤对导向

12、轮和驱动的阻力矩Muc Muk 及Fj和Fx的水平分量 所形成的力矩 sincosTXjKcaFbFMMM称为总转向阻力矩转向阻力矩： 转向力FZ对OT点所形成的力矩，称为转向力矩：转向力矩： cosLFMZZ转向力转向力FZ作用线与驱动轮轴线之间的夹角作用线与驱动轮轴线之间的夹角 为了使车辆能够实现转向，必须满足下列条件 MMZsincoscosTXjKcZaFbFMMLF后桥中点力矩平衡分析后桥中点力矩平衡分析当车辆作稳定转向时当车辆作稳定转向时 土壤对导向轮的总的侧向反作用力不能超过导向轮的侧向附着力 ZMMcossincosLaFbFMMFTXjKcZZFcZZcczzGFZZFF12

13、21导向轮的侧向附着系数导向轮的侧向附着系数 2转向行驶阻力矩转向时轮胎内外侧线速度不同： 2)2(01bvbRvTTTT2)2(02bvbRvTTTT轮胎以角速度 绕O点转动TTbv2其内、外侧相对地面的滑动速度Tvv0RvvTT滑转率 在有速度损失的情况下，O1点的实际速度为 )1 (0TTRvvv轮胎几何轴线中点O1绕转向轴线O转动角速度为 )1 (/0TRv此时，其内、外侧相对于地面的滑动速度为： )1 (2Tbv将滑动速度合成，得到车轮内、外侧接地点相对地面的滑动速度： )1 (201TTbRvvv)1 (202TTbRvvv轮胎滑动速度分布为ABCD，梯形。假如地面的切向反力与滑移

14、距离成正比，则切向反力的分布与梯形ABCD相似，切向反力的合力FK必通过梯形的形心。这样该轮胎转向行驶时的阻力矩为 ：aFMKR驱动力 梯形面积形心距轮胎纵向对称面的距离 02212112)1 ()()(Rbvvbvvba转向行驶时单驱动轮相对地面的阻力矩为转向行驶时单驱动轮相对地面的阻力矩为： 0212)1 (RbFMKK对于从动轮，转向行驶时相对地面的阻力矩为：对于从动轮，转向行驶时相对地面的阻力矩为： 0212)1 (RbYfMc式中：Y地面作用于该轮上的垂直反力；f滚动阻力系数 （三）单差速器对轮式车辆性能的影响1. 单差速器的运动学行星轮公转角速度自转角速度0 x110110BAvB

15、Avxbxa1101211011ABAvABAvxbxa一侧半轴的角速度减少值与另一侧半轴的角速度增加值相等，而差速器壳的角速度永远等于两个半轴角速度的平均值。这一特性符合车辆转向时两侧车轮角速度不等的要求。2. 单差速器的动力学差速器整体力矩平衡210MMM行星齿力矩平衡ixbaMBFBF11baFF 内、外半轴力矩平衡221111MMAFMMAFibia21MM 差速器永远将传给它的力矩平均分配到两侧半轴，或者说作用在其两侧半轴上的力矩总是相等的。当两侧附着力差距过大时，可锁死差速器以提高整机附着性能。通过单边制动内侧半轴增加转向力矩，以实现急转弯。21MM 此时，转向力矩增大BFFLFM

16、KKZZ125 . 0cos二、铰接式轮式车辆的转向理论v（一）铰接式轮式车辆转向的运动学 车辆四个轮胎的运动半径分别为 2sin1BLR2sin2BLR21BLctgR22BLctgR四个轮胎的线速度分别为 01)2sin(BLv01)2(BLctgv02)2sin(BLv02)2(BLctgv2sincos)(2sincos)(2sincos2sincos2121BrrLRBrrLRBrrLRBrrLR020102012sincos)(2sincos)(2sincos2sincosBrrLvBrrLvBrrrLvBrrLvv（二）铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析1转向力矩分析 转向油缸布置

17、简图 油缸转向时的转向力矩 )cos(2)(02201iiaaRrrRaainrRPMs)cos(2)sin()1 (202202iiaaRrrRaaRrKPM21MMM转向力矩（正转向）)cos(2)sin()cos(2)sin()1 (02202022021iiiiRrrRPRrMRrrRRrKPM转向力矩（负转向）21MMMsincoscos1210LFFFFMMMTfKfCKCC2. 转向阻力距分析第三节 履带车辆的转向理论一、履带车辆的转向理论v履带式车辆，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。（一）双履带式车辆转向运动学v从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距

18、离R，称为履带式车辆的转向半径。图716 转向时作用在履带车辆上的外力图715 履带式车辆转向运动简图2OOT2BR1O1ZK2FTO2FXFf2ROK1FTOO1f1MBFZORvzZZZZBvBRvBvBRv5 . 0)5 . 0(5 . 0)5 . 0(21机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：（1）牵连运动，即该点以OT的速度v所作的直线运动；（2）相对运动，即该点以角速度Z绕OT的转动 BRBRRBRRBRvvvvvv5 . 05 . 0 5 . 0 5 . 02121（二）履带式车辆转向动力学1牵引力平衡和力矩平衡v在水平地段上转向半径R作低速稳定转向时的受力情况（离心力可略去不

19、计）。 图914 转向时作用在履带车辆上的外力K2FTO2FXFf2ROK1FTOO1f1MBFZ转向行驶时的牵引平衡可作两点假设 ：（1）在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻力，且两侧履带行驶阻力相等（2）在相同的地面条件和负荷情况下，Fxcos 相当于直线行驶的有效牵引力FKP， fffFFF5 . 021cosxKPFF所以回转行驶的牵引力平衡牵引力平衡关系为 ：KKPfKKxffKKFFFFFFFFFF212121cos 或设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为M， 在负荷Fx作用下总的转向阻力矩转向阻力矩为： sinxTFaMMaT牵引点到轴线O1O2的水平距离 履带

20、车辆转向是靠内、外侧履带产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为 ：力矩平衡力矩平衡转向力矩转向力矩)(5 . 012KKZFFBM图914 转向时作用在履带车辆上的外力K2FTO2FXFf2ROK1FTOO1f1MBFZ稳定转向时的稳定转向时的力矩平衡关系力矩平衡关系为为 ：MFFBMMKKZ)(5 . 012或牵引力矩平衡关系已经表示出内、外侧驱动力、转向阻力矩和结构参数牵引力矩平衡关系已经表示出内、外侧驱动力、转向阻力矩和结构参数B之间之间的关系。的关系。为了进一步研究回转行驶特性，对内、外侧驱动力分别加以讨论。 BMFFBMFFKKKK5 . 05 . 021由上式，改写得

21、 土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，用土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，用FZ表示表示 BM作用下， MKKKFFF21ZKKZKKFFFFFF5 . 05 . 021还可表示为 KZFFv V 称为转向参数转向参数 为转向力与车辆切线牵引力之比 将v代入上式 可得下式 ：)5 . 0()5 . 0(21vFFvFFKKKK下面就v值的变化来讨论一下履带车辆转向情况： （1）当v=0时，转向阻力矩 （2）当v=0.5，内侧履带的驱动力， （3）当v0.5时，内侧履带的驱动力， KKKFFFM5 . 0, 021车辆作直线行驶 01KFKKFF2内侧转向离合器彻底分离，但制动器没有制

22、动，牵引负荷完全由外侧履带承担 01KF21KKFF说明内侧离合器处于半分离状态，内外侧履带都提供驱动力。 01KFKKFF2说明内侧离合器不仅完全分离，且对驱动链轮施加了制动力矩，履带产生了制动力。 v2转向阻力矩履带式车辆带负荷稳定转向时的阻力矩: sinxTFMM不带负荷时转向阻力矩: MM转向阻力矩转向阻力矩 引起转向阻力矩的因素：（1）履带板的支承面、侧面和履刺表面与土壤的相对摩擦；（2）履带转动时对土壤的挤压和剪切；（3）履带转动时对堆积在它旁边土壤的推拥；（4）转向行走机构内部的摩擦阻力 转向阻力矩计算： 两点假设： 1）机重平均分布在两条履带上，且单位履带长度上的负荷为 2）形

23、成转向阻力矩M的反力都是横向力横向力且是均匀分布均匀分布的 02LGqst由于牵引负荷横向分力的影响，车辆转向轴线将由原来通过履带接地几何中心移至O1O2（见图），移移动距离动距离为x0 zL0/2L0/2X0XdXo2o1aTFx根据横向力平衡原理，转向轴转偏移量x0可按下式计算 2sin00LGFxsx在履带支承面上任何一微小单元长度dx，分配在其上的机器重力为。总的转向阻力矩可按下式进行计算： )2(0)2(000002XlxlttxdxqxdxqM将上式 代入 并积分得 ：)2(1 42000LxLGMs转向轴线偏移量dxqt：转向阻力系数转向轴线偏移量x0=0 表示 机械重心无偏移，

24、则转向阻力矩：40LGMs上式是在压力均布条件下求得的，而大多实际情况下履带接地长度上的压力分布是不均匀的，所以转向阻力矩的计算法也不尽相同。 )(5 . 012KKZFFBM转向力矩：几种典型压力下转向阻矩的计算式。转向阻力系数转向阻力系数v转向阻力系数转向阻力系数表示作用在履带支承面上单位机器重量所引起的土壤换算横向反力。v试验表明试验表明：履带车辆的转向阻力系数与土壤的物理机械性质、履带板的结构、履带对土壤的单位压力、履刺插入土壤的深度、机器行驶速度等有关。v 车辆的转向半径对系数的影响很大，当转向半径减小时，由于履带的掘土现象使土壤挤压反力增大，的数值随之增大。当车辆急转弯时，值的变化

25、一般在0.4（硬土路面）和0.7（疏松土壤）之间。v车辆作急转弯时，即R=（0.51）B，转向阻力系数达到最大值max。v地面条件不同，最大转向阻力系数也就不同，通常松软土壤地面最大转向阻力系数约0.60.7，干土路面为0.50.6，雪路约0.150.25 2 4 6 8 10 12 14 160.80.60.40.2=(R/B)12图9-17 在两种土壤上转向阻力系数随转弯半径而变化的关系曲线当车辆以任一转向半径R进行转向时，转向阻力系数值可按以下经验公式计算 BR15. 085. 0maxv（三）影响履带车辆转向能力的因素稳定转向条件：Mz=M。转向影响因素： 发动机功率、土壤的附着条件。

26、 1转向能力受限于发动机功率的条件转向能力受限于发动机功率的条件 履带式车辆在水平地段上作稳定转向时所消耗的功率则由下列三部分所组成：（1）车辆作基本直线运动所消耗的功率）车辆作基本直线运动所消耗的功率：vFFvFfxK)cos(（2）车辆绕本身的相对转动轴线）车辆绕本身的相对转动轴线OT转动所消耗的功率转动所消耗的功率：ZTXSzaFLGM)sin4(0（3）转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的功率：）转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的功率：rrrMP转向离合器或制动器上的摩擦力矩 及主从动片间的相对角速度。 图914 转向时作用在履带车辆上的外力K2FTO2FXFf2ROK1FTOO1f1M

27、BFZ履带车辆作稳定转向时，传到中央传动从动齿轮上的功率可分为三部分： rrzKMMvFM00当车辆在相同条件下作等速直线运动时，传到中央传动从动齿轮上的功率等于： vFMK00履带式车辆在水平地段上作稳定转向时，与它在相同土壤条件下作等速直线运动时发动机功率发动机功率的增长倍数增长倍数 vFMMvFMMMMKrrzKeeee0000如果将车辆稳定转向时与等速直线运动时发动机转矩之比称为发动机载荷比发动机载荷比，并用系数来表示 ：vFMMvFMMMMKrrzKee00由于车辆转向时的驱动力KF所以发动机载荷比发动机载荷比也可以表示为： )1 (vFMRFMvvKrrK该式表示了在相同的土壤和载荷条件下，履带式车辆稳定转向时与直线运动时相比，其发动机功率的增长情况。系数值越大，表明发动机的荷载就越大， 车辆在急转弯时功率增长尤为显著。为了使发动机不致熄火，转向时的发动机扭矩应小于发动机最转向时的发动机扭矩应小于发动机最大输出扭矩大输出扭矩 maxeeMM 在相同条件下与直线运动时驱动力FK相等，v2转向能力受限于附着力的条件为了确保履带式车辆能稳定