工程机械转向理论

工程机械转向理论第1页，共58页，2023年，2月20日，星期四第一节概述按转向动力来源：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。第2页，共58页，2023年，2月20日，星期四一、偏转车轮转向及偏转履带转向(1)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。(2)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。(3)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，往往用于对机动性有特殊要求或机架特别长的机械。(4)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。(5)偏转履带的转向方式：用于超大型机械。第3页，共58页，2023年，2月20日，星期四第4页，共58页，2023年，2月20日，星期四多履带行走装置特点：履带支承面积大，接地比压小，一般为100～160kPa；转向半径大，且只要求缓慢转向；行走速度低，一般为4～12m/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向条件。多履带行走装置常用的转向机构有：螺旋、钢绳和液压三种。第5页，共58页，2023年，2月20日，星期四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：

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。第6页，共58页，2023年，2月20日，星期四第7页，共58页，2023年，2月20日，星期四三、差速(滑移)转向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：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，双履带车辆一般都采用这种转向方式。第8页，共58页，2023年，2月20日，星期四第9页，共58页，2023年，2月20日，星期四第10页，共58页，2023年，2月20日，星期四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：

1）．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，这样就能防止各车轮在转向时产生侧滑现象。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。第11页，共58页，2023年，2月20日，星期四第12页，共58页，2023年，2月20日，星期四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：

要满足上述要求，则有:式中：L——车辆的轴距，L1+L2=L第13页，共58页，2023年，2月20日，星期四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K1≠K2。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：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①K2-K1=0；②K2-K1=0.7m；③K2-K1=1.2m2）．转向时，两侧驱动轮应该以不同的角速度旋转，以避免转向时驱动轮产生纵向滑移或滑转。

第14页，共58页，2023年，2月20日，星期四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：

车辆内、外侧驱动轮的几何中心点O1和O2的速度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。第15页，共58页，2023年，2月20日，星期四（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，略去离心力不计，这时受力情况如图驱动力F’K

转向阻力矩Muc

转向阻力矩MuK

滚动阻力F’fc

驱动轮滚动阻力F’fK

转向力FZ

侧向阻力KZ第16页，共58页，2023年，2月20日，星期四驱动力1转向阻力矩滚动阻力滚动阻力转向力侧向阻力驱动力2驱动力3驱动力分解：第17页，共58页，2023年，2月20日，星期四转向力图7-3a）、b）、c）叠加起来，得图7-3d）。将各力对转向轴线O取矩得车辆稳定转向时的驱动力在等速直线行驶时可看出，当稳定转向时，驱动力就必须增加第18页，共58页，2023年，2月20日，星期四对一般的轮式车辆（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第19页，共58页，2023年，2月20日，星期四（1）牵引负荷Fx（2）离心力Fj它作用在牵引点上，转向时力Fx偏转了γ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——离心力与后桥轴线的水平夹角；G——车辆重量——后桥中点的速度第20页，共58页，2023年，2月20日，星期四（3）滚动阻力转向时各个驱动轮和导向轮的滚动阻力，可以认为分别是和一半

（4）转向阻力矩Mu驱动轮阻力矩导向轮阻力矩（5）驱动力（6）土壤对两侧导向轮的作用力Xc1和Xc2对后桥中点的矩近似相等。（7）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ZK1和ZK2作用在两侧驱动轮上。第21页，共58页，2023年，2月20日，星期四土壤对导向轮和驱动的阻力矩MucMuk

及Fj和Fx的水平分量所形成的力矩称为总转向阻力矩：转向力FZ对OT点所形成的力矩，称为转向力矩：

转向力FZ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，必须满足下列条件后桥中点力矩平衡分析第22页，共58页，2023年，2月20日，星期四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导向轮的侧向附着系数

第23页，共58页，2023年，2月20日，星期四2．转向行驶阻力矩转向时轮胎内外侧线速度不同：轮胎以角速度绕O点转动其内、外侧相对地面的滑动速度第24页，共58页，2023年，2月20日，星期四滑转率在有速度损失的情况下，O1点的实际速度为轮胎几何轴线中点O1绕转向轴线O转动角速度为此时，其内、外侧相对于地面的滑动速度为：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：第25页，共58页，2023年，2月20日，星期四轮胎滑动速度分布为ABCD，梯形。假如地面的切向反力与滑移距离成正比，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：驱动力梯形面积形心距轮胎纵向对称面的距离转向行驶时单驱动轮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：式中：Y——地面作用于该轮上的垂直反力；f——滚动阻力系数第26页，共58页，2023年，2月20日，星期四（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。第27页，共58页，2023年，2月20日，星期四2.单差速器的动力学差速器整体力矩平衡行星齿力矩平衡内、外半轴力矩平衡

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。第28页，共58页，2023年，2月20日，星期四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。此时，转向力矩增大第29页，共58页，2023年，2月20日，星期四二、铰接式轮式车辆的转向理论（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第30页，共58页，2023年，2月20日，星期四四个轮胎的线速度分别为第31页，共58页，2023年，2月20日，星期四第32页，共58页，2023年，2月20日，星期四（二）铰接轮式车辆转向力矩及阻力矩分析1．转向力矩分析

转向油缸布置简图油缸转向时的转向力矩第33页，共58页，2023年，2月20日，星期四转向力矩（正转向）转向力矩（负转向）第34页，共58页，2023年，2月20日，星期四2.转向阻力距分析第35页，共58页，2023年，2月20日，星期四第三节履带车辆的转向理论第36页，共58页，2023年，2月20日，星期四一、履带车辆的转向理论履带式车辆，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。第37页，共58页，2023年，2月20日，星期四（一）双履带式车辆转向运动学从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距离R，称为履带式车辆的转向半径。O第38页，共58页，2023年，2月20日，星期四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的转动第39页，共58页，2023年，2月20日，星期四（二）履带式车辆转向动力学1．牵引力平衡和力矩平衡在水平地段上转向半径R作低速稳定转向时的受力情况（离心力可略去不计）。图9－14转向时作用在履带车辆上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第40页，共58页，2023年，2月20日，星期四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，所以回转行驶的牵引力平衡关系为：第41页，共58页，2023年，2月20日，星期四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为：aT——牵引点到轴线O1O2的水平距离

履带车辆转向是靠内、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：力矩平衡转向力矩图9－14转向时作用在履带车辆上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第42页，共58页，2023年，2月20日，星期四稳定转向时的力矩平衡关系为：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。由上式，改写得土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，用FZ表示

作用下，第43页，共58页，2023年，2月20日，星期四还可表示为

V称为转向参数

为转向力与车辆切线牵引力之比

将v代入上式可得下式：第44页，共58页，2023年，2月20日，星期四下面就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v<0.5时，内侧履带的驱动力，（4）当v>0.5时，内侧履带的驱动力，车辆作直线行驶内侧转向离合器彻底分离，但制动器没有制动，牵引负荷完全由外侧履带承担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。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。第45页，共58页，2023年，2月20日，星期四2．转向阻力矩履带式车辆带负荷稳定转向时的阻力矩:不带负荷时转向阻力矩: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第46页，共58页，2023年，2月20日，星期四转向阻力矩计算：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）形成转向阻力矩的反力都是横向力且是均匀分布的

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），移动距离为x0

ωzL0/2L0/2X0XdXo2o1aTFxγ第47页，共58页，2023年，2月20日，星期四根据横向力平衡原理，转向轴转偏移量x0可按下式计算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：

将上式代入并积分得：转向轴线偏移量µ：转向阻力系数第48页，共58页，2023年，2月20日，星期四转向轴线偏移量x0=0表示机械重心无偏移，则转向阻力矩：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。

转向力矩：第49页，共58页，2023年，2月20日，星期四几种典型压力下转向阻矩的计算式。第50页，共58页，2023年，2月20日，星期四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。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。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，值的变化一般在0.4（硬土路面）和0.7（疏松土壤）之间。车辆作急转弯时，即R=（0.5~1）B，转向阻力系数达到最大值max。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0.6~0.7，干土路面为0.5~0.6，雪路约0.15~0.25

第51页，共58页，2023年，2月20日，星期四图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μ值可按以下经验公式计算第52页，共58页，2023年，2月20日，星期四（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。

1．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：（2）车辆绕本身的相对转动轴线OT转动所消耗的功率：（3）转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的功率：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。第53页，共58页，2023年，2月20日，星期四图9－14转向时作用在履带车辆上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第54页，共58页，2023年，2月20日，星期四履带车辆作稳定转向时，传到中央传动从动齿轮上