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1、铰接式车辆的结构特点及分析铰接式车辆的结构特点及分析水电部长春机械研究所乔世珊摘要奉丈招了当轮式工程车辆采用铰接转向方式时这种转向结构的特点r井与侍统的偏转车轮转向结构相对比,对比了铰接式转向结构所具有的优缺点.对采用该姑构时的车辆运动进行了分析.提供了设计铰接转向机均时的一些基太要求丑有事考侪值的T算奇圭关键词鞋式工程车辆镀接转向穗定性铰接角转向力矩特弯半径牵引力越野性一,概述为降低成本.缩短工作时间,提高效益,新型的土方机械大量采用有效,可靠的轮式底盘结构.试验表明:除了生产和维修成本外,土方机械的经济性很大程度上取决于其机动灵活性.当前,为提高机动性除采用徽电子技术,提高自动化控制程度,
2、减轻操纵人员的工作强度外,正确选择和设计转向系统也是一个重要途径.工程车辆的转向系统既应有良好的机动性和行驶稳定性,同时还应保证工作可靠,操纵轻便,转向灵敏,结构简单目前,铰接车辆多为轮式底盘,因此本文主要讨论轮式铰接车辆.铰接转向的结构特点是车架不再是一个整体,而是由前后两个或几个单独的车架组成,通过液压油缸作用使前后车架相对偏转来达到转向目的见图l.岔o-_L-囤l铰接转向简囤图2组合方式转向简图对于某些特殊用途的工程车辆(例如平地机),当采用单一的偏转车轮转向或铰接转向1一M20螺柱焊钉2压板3吊车粱圉8吊车梁与轨道的固定参考文献:陈世铭:电弧螺桂焊及其在工程技术应用,情金建筑研究总院,
3、】989年j月2j,晖麓:电孤蝶桂焊应进一步开发和应用,首都钢铣公司设汁院殴计通讯,j990年l期3国营8g【l广蝶FE焊机分厂:国产螺柱焊机及其在我国的应用简介.耐火喷涂料与电弧螺拄焊新技术座谈会女械资.f!lg!1年jf月j吴德安;垒位茸端拄焊接工艺在我厂工程建设中的应用,耐火喷涂料与电弧嘹拄扞新技术睦谈会交流资料,1989年4t.作者简介;李纪仁,男,武汉水利电力学院副教授.多年来一直从事教学与科研工作.曾参编过高校教材并在国内刊物上发表过多篇论文现为中国电力教育发展战略研究办公室截主任.?2?仍然满足不了实际需要时,为了提高机动性,出现了偏转前轮转向和铰接转向组合的转向结构(见图2).
4、其特点是不仅前桥有转向能力,而且后桥相对车体有相对转角能力,前后桥转向动作同时作用可使车辆的机动性大大提高,当铰接角固定到一定位置时,还可作蟹行转向运动,不仅改善了视野,保证了在边缘地带(河岸,堤坝边)作业的安全性,而且作业能力和作业范围得到了有效的增加.最早的铰接转向是在lg【3年的一辆四轮驱动的刚性轮拖拉机上应用的,见图3.但在相图3最早的铰接转向车辆当一段时间内并没有日【起工程车辆设计制造者的注意.随着对高性能,大功率土方机械需求的增加,尤其是现代静压传动技术的发展,使得铰接转向的研究和应用在各发达国家获得重视.现在,其应用不仅在土方机械上随时可见,在矿山,林业,农用,军用车辆上也相当普
5、遍.美国通用汽车国防研究室在登月车辆研究中,专门研制过几种模型车,采用了铰接转向的结构原理(见图4),以提高车辆适应地形的能力.这种铰接转向原理还披应用到履带车辆设计中,例如瑞典赫格隆公司研制的BV206全地面车辆(见图5),由于采用了铰接转向,?22?图4美国登月车模型图5瑞典赫格隆铰接履带车展示了良好的松软地面通过能力,提供了优越的机动性,成为装备北大西洋公约组织的军用运输车.二,铰接转向的优缺点如前所述,铰接车辆行驶方向的改变是通过车辆的折腰动作实现的.标准的铰接车辆为两节单铰点结构,如图6所示,整个底盘图6轮式铰接车示意围是用垂直前后两个车架的铰销连接起来的,车架之间可以相对转动,铰接
6、点既可提供在水平面内前后车架的偏转,以实现车辆的转向动作(转向角一般为45.,如图6(a)示),车架还可在垂直平面滚转,以保证在不平道路上车轮与地面的良好接触(滚转角一般为2O.左右,如图6(b)示)车辆地面力学的试验研究表明,铰接车辆的通过性能非常优越,国际着名地面力学专家Bekker曾在地面车辆系统导论一书中专门描述了接地面积利用系数的概念,并指出铰接车的值最高,接地比压较低.1.铰接转向车辆的优点与传统的偏转车轮转向结构相比,铰接转向车辆具有下述显着的优点:1)转弯半径小,在狭小场地作业机动灵活.以装载机为侧,在相同轴距,轮距情况下,铰接车辆转向半径约为偏转前轮转向半径的80%(见图7)
7、.圈7铰接转向与偏转车轮转向的比较2)视野良好,驾驶员易于掌握转弯临界点的位置.3)在不改变转弯半径的条件下能获得较大的轴距,提高了行驶中的纵向稳定性,减小地面不平或快速行驶时的颠簸和冲击.4)在松软地面上曲线行驶时仍能获得较大的牵引力(图8).Zj斟/i,转向半径.n11.铰接转向2.4轮转向(偏转轮)3.滑移转向4.2轮驱动和转向(偏转轮)5.履带车圈8不同转向结构车辆曲线行驶牵引力的比较5)车轮和机体在转向面内没有相对运动,有足够的空间安装大直径宽胎面的低压轮胎,从而大大降低接地比压,有利于提高车辆的附着性能,获得较好的越野性和通过性.6)由于车架滚转(摆动),使车轮可以适应不平地形,保
8、持车辆有均匀的垂直载荷和良好的接地能力,有效地利用附着力,改善了牵引性能,车架的扭转应力大大减小.7)与其他转向结构相比,在松软地面上的转向总功率最小(见图9).EZ井嚣是辩1删皋坦一/,一,/一一一转向半径,m1.铰接转向2.4轮转向(偏转轮)3.滑移转向l4.2轮驱动转向(偏转轮)j.履带车图9不同转向结构转向总功率的比较8)前后驱动桥的结构和制造工艺简单,部件可以通用,在结构上易于变型,有较好的零部件统一性和互换性.9)可获得较大的离地间隙.10)当铰接点在前后车架中间位置时,前后轮转弯半径相同,可保持在同一车辙行驶,不仅容易躲避障碍物,还能显着地降低滚动阻力,减少轮胎的磨损.2.铰接转
9、向车辆的缺点尽管铰接转向的优点比较突出,但也存在下述缺点:1)倒车时尤其是在坡路倒车时稳定性较差.转向时横向稳定性也较差.2)转向装置功率消耗较大.这是由于铰接转向的转向阻力较大,为了获得较快的转向速度,液压系统的设计流量较大而使功率增大(见图10).3)驱动轮没有定位角,高速行驶时直线性较差,行驶中会出现前后车架的游动,碰撞,偏向等情况,方向盘没有自动回正作用.4)由于车速较低,一般都没有悬架装置,故平顺性和乘坐舒适性不如常规车辆.?23?轴荷fk由)圈10转向装置能量消耗5)轴距较长也带来了纵向通过半径增大的不利因素.6)车架结构复杂,制造成本提高.三,铰接转向的结构型式和运动分析与常规的
10、运输车辆相比,铰接转向工程车辆的行驶速度较低,最高车速一般不超过40km/h.通常不设置专门的弹性悬架系统以保证其在作业时的稳定性.为使车辆在凹凸不平的粗糙地面上行驶时驱动轮保持与地面之间的良好接触,多采用一个能使车架在垂直平面相对滚转的摆动系统,这是轮式铰接车辆的一个显着结构特点.根据摆动铰销的位置,铰接转向的结构可分为前桥摆动和后桥摆动以及复合铰销三种基本型式,一般摆动铰销设在轴荷较小的车桥上.前桥摆动是整个前车架绕纵向销轴摆动(见图u)当驾驶室布置在后车架时,由于驾驶员不能随前车架一起摆动,行走时实际路面感觉性较差,因此这种型式较少采用.后桥摆动是整个后车架绕纵向销轴摆动(见图12).通
11、常有两种布置结构,一种是将与后驱动桥连接为一体的副车架用纵向销轴与车架铰接(见围l3(a);另一种是后驱动桥与车架直接用纵向销轴连接(见图】3(b).这种结构重心位置较低.?24?图11前桥摆动结掏图12后桥摆动结构(a)LbJ1一后车架2一销轴3副车架1挡铁图13摆动结构与车体的连接复合铰销是车桥与车架刚性连接绕纵向摆动,摆动铰点与铰接点设置在起(见图14).这种复合铰销具有两个自由度,既可以实现折腰,也可以实现摆动,摆动角度一般为士】2.,结构比较紧凑.图14蔓台铰销结构对轮式铰接车辆来说,铰接角的大小,铰接点和摆动点的位置,都对车轮支反力的分配与车辆稳定性有重要影响.铰接点到非浮动架车桥
12、距离越小,该桥上轮胎支反力差异就越大.铰接角越大时,这种影响就越严重,图l5为装载机试验曲线:LvLH分为铰接点到前后桥的距离,RVA,RvI,Rm,Rm分别为前后桥左右轮上的支反力.除此之外,轮式铰接车辆的坡度稳定性很大程度上取决于摇动点的位置.图15铰接点位I对轮胎支反力的孵晌前后车架绕其铰销的左右转角一般都控制在45.之内,这是因为角度过小时机动性太差,而过大时布置困难,传动轴十字轴易产生干涉.理论上讲,铰销应布鼍在前后桥轴线的中间,以利于减小橙软地面转向阻力和行驶阻力,提高通过性.铰接车辆的转向运动可以看作是由转动和移动两种运动合成的,即每个车架绕其自身桥轴中点转动,同时依靠一车架对另
13、一车架的拉紧而使两车架靠近的移动,使前后车槊均向阻力较小的方向运动.转向时每轴上两侧车轮的转动平面始终保持平行,分别过前后轴线形成垂直于地面的平面,两平面相交形成的交线为转向轴线,该线在水平面上的投影.点为瞬时转向中心,各轮绕.点作无侧滑的滚动.从图l6可知,前轴外轮转向半径为:圈16铰接车辆转向半径的计算简图Ra=B+AO(1)TAO1一k(1一cosa)(2)后轴外轮转向半径可由下式得到:导+Do(3)DO一k+(1.k)COSa(4)以上式中B轮距L轴距n转向角k=Lv/LL,r=L/2时,F,下B十L(csca+ctga)()四,铰接转向机构的设计铰接转向机构的基本设计要求是:在不同工
14、况下保证所需的转向力矩和转向速度.机构本身具有足够的使用寿命,此外,应能提供均匀的力矩和在整个铰接范围内有一致的转向速度.当前设计工作的重点是致力于减小转向力矩和速度的不均匀度,这主要通过降低转向机构内部的动载荷来实现.实现铰接转向动作的机构有多种,常见的如图l7所示.最流行的为简单框架带两个双向作用油缸的驱动方式(图?25?瞳7铰攘转向机构基奉叠式l7A1),它的优点是结构简单,传递负荷能力大,在恶劣工况下保证有较长的使用寿命,驱动部件本身可以自行润滑,且具有无级调速韵特点,运动惯量小.转向机构的主要特点不仅要体现在结构设计上,更主要的是在实际工况下满足操作要求,设计中应遵循下述原则:I.可
15、靠性高;2.制造成本低:3.功率利用合理;4.加工精度要求不能过高.为实现有效韵转向动作,在整个铰接角度范围内应满足如下公式:McMR,(6)式中Mcc转向力矩;指液压油缸能谚产生的作用于铰接点的力矩,取决于液压系统的最高压力,具体数值通过液压油缸参数和距铰接点位置参数按式(7)计算MR转向阻力矩;随着转向角增大而增大,转向角达到最大值时,其值也达到最大值?26?a)杆件结构(b)牙齿啮合(c)杆齿组台式(d)秉性连接传动()特殊传动装置计算工况按原地转向考虑,因为此时可视为最恶劣工况,具体数值由式(I1)得出.图l8是计算转向力矩的简图.翻中标出了结构参数.分析图l8不难得出:B圈18计算转
16、向力矩简图M):擘(P一P)h(y)+h(v)ry,=Stdht.d.)(7)油缸作用力臂h(Y)由下式求出:h(Y):=!;!ii(bsinYacosY+d)4-(asinY+bco3v+c)(8)油缸另作用力臂h.:1.!=!(d-bs1nacosY)4-(bcosasinY+c)(9)式中abC,d确定转向油缸位置的几何参数rk转向油缸的总效率Pm液压系统最高压力P?油缸回油腔的压力D,d油缸活塞直径和活塞杆径S*d油缸作甩力he(a,b,c,d,Y)当量有效转向力臂Uz称作传动角,其值为;巾c.su丽AzAL+丽BwBuB(1o)/A+A+B式中AL=(bsinYacosv+d)A1=
17、(bsiny-aCOSy)BL=一(c+bcosy+asinv)B1一一(boosy+asinV)如果COSU:0.那么u=arccos$;当COsU2<o时,Uz:-arccosi.转向阻力矩M可由下列经验公式计算:M:(0.1L+o.6).(0.3+0.1Y+2.6)(1l1式中G转向桥上负荷,NY偏转角,Fadf驱动轮滚动阻力系数L轴距,mn效率,一般取0.9(考虑转向机构和差速器的摩擦)按式(ID计算结果与实测结果相比,误差在8眄之内.饺接转向车辆的稳定性是一组重要的设计参数,可参照装载帆静态工况图解法进行.评价指标为最大转角时的稳定度.纵向稳定性一般计算最大转角时的装载机在其车
18、辆的前桥与坡底线相平行的坡遭上所具有的稳定度,这种情况下失稳是以前轮接地点(a)(b)田l9计算静定度的简圈B先按比饲画出车辆最大转角y嘟.的简囤(囤l9),标出该工况条件下重心在水平荷的投影a,过a点作ad的垂线,截取线段aG=h(h重心高度),再作aM上EF,如不考虑轮胎变形影响的话,纵向稳定度由下式求得:i=(12)aG,1J考虑轮胎变形因素时,纵向稳定度为:.aM&+&一t+(L-t)cos?m.(13)式中ax埽大转角,垂直铰销到前桥的距离L轴距6】一一假定机重完全由前轮承担时的前轮变形量与正常位置时的前轮变形量之差62正常位置时的后轮变形量?27?凝汽器胶球清洗装置
19、出口印尼,巴基斯坦邯郸电力修造厂生产的16套凝汽器胶球清洗装置,于今年5胃和8月份分两批出口到印度尼西亚的塞鹤(SHRANG)电厂,莫吉克托(MOJOKERT0)电厂和巴基斯坦的卡诺特(KHANOT)电站.邯郸电力修造厂是能源部设计制造胶球清洗装置的定点生产厂家.胶洗装置是和西安热工研究所舍作研制的,可提供6到600MW汽轮机凝汽器的胶球清洗装置.1980年以来,已为全国29个省,市,自治区,100多家电厂及化工.钢铁煤炭系统提供了600余套胶球清洗装置,并于1986年荣获水利电力部优质产品称号这次批量进入国际市场,标志着邯郸电力修造厂生产的胶洗装置的质量又发展到一个新的水平.(李树安)耐磨公
20、司在扬州召开全体成员会议扬州电力耐磨技术联台开发公司干5月中旬在扬州召开了第二届全体成员会议.会议总结了第一届董事会的工作;商讨了公司的发展规划及进一步提高耐磨件产品质量的措施.公司自成立以来,为电力系统解决了耐磨耐热件的备品配件1153.54吨,保证了各电站的安全运行;为电站满发,稳发做出了应有的贡献.(王鹏震)aM在图I9量取横向稳定性要计算最大转角时的一级稳定性(倾翻轴在坡道上的投影dE与坡底平行时的稳定度)和二级稳定性(倾翻轴EJ低侧前后轮接地点连线与坡底线平行时的稳定度).一级稳定度(不考虑轮胎变形)为:i._(14)(考虑轮胎变形时一级稳定度为:f=一COS(15)GA,式中6前桥
21、负荷由一例轮胎负担时的变形B轮距二级稳定度为:1=tg(1+T1)(1fi)ts=器一c.s(17)=酱os,?2R?式中6圭一个后轮负荷增加一倍时的总变形tagGABe,Bd由图l9中量得.参考文献1底盘设计,机槭工韭出颜社.i98i年2铲土运输机撤设计,机槭工业出版社,1981年3Bekker.M.G.:lnlroductiontoTer_ajVehicleSystem4(DesignCharacteristIcsofsteeringsystemforMobilewheeledEarthmOVingEqipmentPiA.DudzltlSkj.Terrariftec,hanics26,No.1.19鹕作者简介乔世珊,男,母电部长春机械研宄所党委书记,工程师.i987年5月至i988年10B赴英国农业研究院留学,此期间完成了多篇论文.现为国际车辆地面力学学会会员,中画农机协会水利机械专业协会副理事长兼秘书长.
