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1、第一章 工程机械底盘,行驶理论,行驶理论主要研究内容:,行驶理论主要研究工程机械行走机构的附着牵引性能、牵引计算，研究牵引功率、牵引效率、行驶速度、滑转率、燃油消耗量和牵引力之间的关系。,1、对于现有的工程机械，通过牵引计算可以进行牵引性能和经济性的比较。,2、对于正在设计的工程机械，通过牵引计算可确定发动机功率、传动系统的基本参数，并可预计所设计机械的牵引性能和经济性。,主要研究目的:,工程机械的行驶原理,主 要 内 容,第一节 轮式底盘行驶原理第二节 行驶阻力第三节 附着性能第四节 工程机械的整机性能,第一节 轮式底盘行驶原理,驱动轮,从动轮,一、行驶原理,装载机、推土机、汽车起重机、翻斗
2、车等这类作业机械，都是利用发动机的动力，经传动系传到车轮或履带上以后，借助于对地面作用所产生的牵引力PK行驶的。如图所示为后轮驱动的轮胎式推土机在水平地面上作等速直线运动时的受力。,1、驱动力PK和行驶阻力Pf,作用在推土机上的外力有重力G、推土阻力PT及地面作用于车轮的诸反作用力。由传动系统传到后轮的驱动力矩MK对推土机整体来说是内力矩，所以在图上以虚线表示,推动轮式机械运动的力，是通过车轮对地面的作用而由 地面产生的。车轮上受有和运动方向一致的地面反作用力时称为驱动轮、受有和运动方向相反的地面反作用力时称为从动轮。,驱动力也可称为切线牵引力。,1、驱动力PK和行驶阻力Pf,式中:rd动力半
3、径,为车轮中心到驱动力PK之间的距离;传动系统效率，对机械传动为机械效率;对液力机械传动，应包含液力变矩器的效率；对液压传动，应包含液压系统的效率；i 传动系统(从发动机到驱动轮)的总传动比。,轮式机械,(1)驱动力PK,履带式机械,1、驱动力PK和行驶阻力Pf,式中:q履带驱动段的效率，通常取0.950.96；rK履带机械驱动轮节圆半径,可按下式近似计算：,式中：ZK 围绕驱动链轮一周的履带板数目，对于非间齿啮合，即驱动链轮的齿数，对间齿啮合，则为驱动链轮齿数之半；lt 履带板节距，即每块履带板两端销孔中心线间的距离。,对于轮式机械,行驶阻力应为所有车轮所承受阻力的总和,1、驱动力PK和行驶
4、阻力Pf,(2)行驶阻力Pf,(3)有效牵引力PKP,轮式机械,履带机械,2、附着力P,驱动力PK的值受限于发动机功率及传动系统传动比。而推动机械运动的驱动力是地面的反作用力,因此PK的最大值又受到地面附着性能的限制。在车轮（履带）结构与地面条件给定时，存在一个机械所能产生的最大驱动力（即附着力）P，无论发动机和传动系的参数怎样变化，PK是不能大于P的。所以车辆在水平地面上行驶的充分必要条件是：,if,then,if,then,二、轮式行走机构运动学,1、车轮滚动的三种情况,（1）纯滚动,（2）滑移,（3）滑转,问题：车轮运动时何种状态下会出现滑转？何种状态下会出现滑移？,2、行驶速度,（1）
5、理论行驶速度,车轮在地面上无滑动的滚动时，其中心的平移速度为理论行驶速度。,（2）实际行驶速度,车轮在地面上有滑动的滚动时，其中心的平移速度为实际行驶速度。,式中：r车轮的滚动半径，是一个变量，与车轮滚动情况有关，通常由试验方法确定，可测取行驶距离S和驱动轮转过的圈数。,3、车轮滑动特性的评价,（1）滑转率,定义：机械理论行驶速度与实际速度之差对理论速度的比值。,（2）滑移率S,定义：,滑转率表示因滑转而损失的行驶速度的百分率。其大小与路面条件、轮胎状态、垂直载荷及驱动力大小有关。,滑移率主要用于衡量车轮制动时的滑动情况。例如，汽车的ABS系统，滑移率设计在20%左右。,二、轮式行走机构动力学
6、,1、从动轮动力学,根据试验数据，受有垂直载荷作用的车轮在水平地面上滚动时，地面对轮胎支承面上反作用力的分布如图所示。其分布形式与轮胎结构、充气压力、土壤性质和作用在车轮上的载荷大小有关，但是全部反作用力的合力作用点必然向滚动方向前移一个距离。,从动轮在水平地面上作等速直线滚动时，其受力如图所示。,1、从动轮动力学,忽略从动轮轴承的摩擦力矩。将R分解为垂直分力和水平分力，根据从动轮的受力平衡，可得：,Pf为滚动阻力，令：,滚动阻力系数,a滚动摩擦系数,2、驱动轮动力学,驱动轮在水平地面上作等速直线滚动时，其受力如图所示。MK驱动转矩,驱动轮驱动车辆前进的条件为：,铲土运输机械行驶作业时，在机械
7、上作用有以下几种阻力，如图所示。,第二节 行驶阻力,风阻力,工作阻力,滚动阻力,加速阻力,坡道阻力,第二节 行驶阻力,一、滚动阻力,1、产生滚动阻力的原因,滚动阻力,轮式作业机械行驶时，由于轮胎与路面的变形，引起路面对车轮的反作用力偏离车轮纵轴线一个距离（如图）。反力与偏心距a的乘积构成了与车轮转动方向相反的一个滚动阻力矩，所以车轮滚动时要消耗能量。,1、产生滚动阻力的原因,车轮在地面上滚动时，可以看到以下现象：,（1）地面在垂直方向被压实而形成轮辙；,（2）轮胎的弹性轮缘部分周期性地发生变形。使得弹性轮缘各组成部分之间（如帘布层之间、内外胎之间、衬带和轮辋之间等）产生摩擦，轮胎材料内部各质点
8、之间也产生摩擦；,（3）轮胎侧面和轮辙侧面相互摩擦；,（4）车轮把土向前推移，即所谓“拥土”现象。,在坚实路面上，滚动阻力主要由轮胎变形引起；在松软地面上，滚动阻力主要由地面变形，形成轮辙引起。,2、影响滚动阻力的因素,（1）土壤的性质 土壤的种类，它的含水量和密实程度对车轮的滚动阻力有显著的影响。土壤越松软则轮辙越深，滚动阻力也越大。（2）轮胎的充气压力 车轮在土壤上滚动时，其滚动阻力由轮胎和土壤两者的变形所引起。在松软土壤上，土壤变形起主要影响，这时，降低轮胎充气压力可增大轮胎支承面积，从而降低对土壤的比压减小轮辙深度，最终减小滚动阻力。当轮胎充气压力降到一定数值后，滚动阻力反随压力的降低
9、而增大。这是因为增大了的轮胎变形对滚动阻力起主要影响的缘故。因此，在一定条件下有一个对应最小滚动阻力的最佳充气压力。在坚实地面上滚动时，滚动阻力主要是轮胎变形引起的，这时，增加轮胎的充气压力将减小轮胎的变形，从而减小滚动阻力。,2、影响滚动阻力的因素,（3）作用在车轮上垂直地面的载荷 当作用在车轮上的垂直载荷增大时，轮胎变形和轮辙深度都要增加，因此滚动阻力也增大。（4）轮胎的尺寸 在松软土壤上，增大轮胎的宽度和直径都能增大轮胎支承面积、减小轮辙深度，从而减小滚动阻力。,3、整机滚动阻力计算,目前，在工程机械设计中广泛采用基于试验数据的简单公式来计算滚动阻力：,式中：Q车轮上垂直地面的载荷；f
10、滚动阻力系数，由试验确定，试验方法（P14图1-11）,滚动阻力,表1-1 常见工况下的滚动阻力系数,二、坡道阻力,坡道阻力是作业机械爬坡行驶时，车辆自重产生的沿路面方向的阻力。如图1-12所示。,式中 Gs 整机使用重量；坡度角。,Pi=Gssin（1-29）,道路坡度概念：,道路经常用坡度表示路面倾斜的程度。,三、空气阻力,机械加速行驶时，需克服机械平移加速的惯性力和回转零件加速回转的惯性力矩。,机械高速行驶时，由于风力及机械与空气之间的相对运动而产生摩擦和形成涡流，造成能量的损耗。其大小主要与空气密度、机械外形尺寸以及行驶速度等有关。,（N）,式中:v 行驶速度（km/h）;S 机械迎风
11、面积（m2），K 空气阻力系数，N/(m2km2h-2），一般取0.045。,四、加速阻力Pj和工作阻力,第三节 附着性能,由车轮运动学，用滑转率来表示驱动轮的滑转程度：,由以上两式可得,用滑转效率来反映滑转引起的功率损失，则,因此，滑转率不但反映了滑转的程度，而且还反映了滑转时的功率损失。,一、驱动轮的滑转率和滑转效率,第三节 附着性能,机械行走装置与地面之间的抗滑转能力。地面与行走装置之间的抗滑转力主要由两部分组成：,（1）车轮（或履带）与地面之间的摩擦力；（2）轮胎的花纹对土壤的挤压、剪切所产生的反力。,由驱动轮的动力学知道，驱动轮在土壤上运动时，驱动PK是地面对驱动轮的反作用力。可以把
12、PK看作由两部分组成，一部分是由于轮胎胎面花纹插入土壤表层后，在与驱动轮运动相反的方向上，以花纹侧面挤压剪切土壤而产生的反作用力PK;另一部分是轮胎和土壤的摩擦反力PK，PK=PK+PK,二、附着力及附着系数,实验表明：轮胎与地面的摩擦系数值 1、随摩擦面相对速度的增大而增大，对驱动轮来说即随的增大而增大。故当轮胎支承面及垂直载荷一定时，PK增大则亦增大。2、随比压的增大而减小。所以，切线牵引力PK 将随滑转率的增大而增大。一般可以认为当=100%，达到“打滑界限”时，PK值达到最大。,二、附着力及附着系数,第三节 附着性能,二、附着力及附着系数,为讨论方便，规定以下符号：,1）由于PKP=P
13、KPf，由地面附着条件决定的最大牵引力 PKPmax=PKmaxPf，称为附着力，用P表示。,2）驱动轮上垂直地面的载荷Q称为附着重量。,3）PKP/Q=称为附着重量利用系数。,4）最大的附着重量利用系数,称为附着系数，用表示。,由以上讨论可知，由于地面附着条件的限制，牵引力：PKPP,表1-2 不同路面的附着系数,1、土壤性质2、轮胎的充气压力 降低轮胎充气压力可以增大轮胎支承面积，同时降低轮胎支承面上的比压。过分降低轮胎充气压力会增加滚动阻力（尤其在坚实地面上）及降低轮胎使用寿命，因此在确定驱动轮轮胎充气压力时必须全面加以考虑。,三、影响附着性能的因素,3、附着重量 增加驱动轮的附着重量能
14、够改善驱动轮的附着性能，但是，对于一般土壤，只有当附着重量不超过某一极限时才是正确的。对于整台机械，采用全轮驱动能利用机械的全部重量作为附着重量，使全部车轮都产生牵引力，从而大大改善机械的附着性能。4、轮胎尺寸 增大轮胎直径不仅可以增大轮胎支承面的面积，而且可以增加轮胎支承面的长度，因此能较有效地改善附着性能。但增大轮胎直径受到机械成本、传动系统的总传动比及整机的稳定性的限制。,三、影响附着性能的因素,第四节 工程机械的整机性能,3、加速性能,1、行驶速度,2、爬坡能力,一、动力性能,动力特性反映的是作业机械在不同坡度的道路上行驶时，所具有的加速性能、所能达到的最大车速以及爬坡性能。动力性能影
15、响到作业机械的作业生产率与适用性，尤其是对以运输车辆为主的作业机械，如铲运机、翻斗车等。,提高工作速度可以提高机械的生产率，但受限于机械的传动形式和作业性质，工作速度过高会使操纵困难。例如采用机械传动系统的履带式推土机在切土作业时，速度大于4km/h时操纵就很困难，对于液力机械传动的推土机，由于适应载荷变化的性能较好，故其工作速度可比机械传动的提高11.5km/h。,（1）牵引工况最低档理论工作速度,1、行驶速度,自行式铲运机由于牵引工况时的操纵比较简单，可取4.57 km/h，而当采用自动变速装置时可取8 km/h。,履带式机械：2.33 km/h,轮式机械：3 4km/h,1、行驶速度,（
16、2）运输工况最高理论行驶速度,履带式机械运输工况的最高行驶速度，是指由一个工作地点转移到另一工作地点时的最高行驶速度，一般其距离不远。当距离远时，往往用拖车运输更为经济。故其最高行驶速度较低，一般取1012 km/h（半刚性悬架）或1520 km/h（弹性悬架）。,时，其最高行驶速度仅为3050 km/h，而目前已出现采用弹性悬架、自动变速的自行式铲运机，其最高行驶速度可达7090 km/h。提高行驶速度只有在一定的运距以上才能提高生产率。例如自行式铲运机，当行驶速度大于4050 km/h时，仅在运土距离大于22.5公里时才能提高生产率。,对轮式机械，其运距较长而且运输工况往往是主要作业工况，
17、因此最高行驶速度较高。轮式机械的最高行驶速度往往受悬架和操纵形式的限制，如自行式铲运机未采用弹性悬,1、行驶速度,（2）运输工况最高理论行驶速度,2、爬坡能力,爬坡性能主要用于检验作业机械挂最低档等速上坡时能否爬限定的最大坡度。,最大坡度角还受到稳定性、发动机功率、附着性能等因素的影响。对推土机、装载机等，最大坡度角通常取25 30。城市货车要求能在坡度为30%的坡道,上以37km/h的速度行驶。稳定性较差的机械，如转子后置式稳定拌和机，最大坡度角取15左右。,在30坡度角时，要求作业机械在空档滑退情况下，能在1m内实现制动，作为制动能力是否合格的依据之一。,3、加速性能,机械加速行驶时，需克
18、服机械平移加速的惯性力和回转零件加速回转的惯性力矩。,（1）平移加速的惯性阻力 Pj1,（2）回转零件加速回转引起的惯性阻力Pj2 在机械各回转零件中，发动机的飞轮和车轮的转动惯量远较其他零件为大；故在计算Pj2时，其他回转零件的影响一般忽略不计。（履带式机械则还要考虑履带作回转运动的惯性）。,3、加速性能,发动机飞轮,所有车轮,将Mje换算到驱动轮上，并把各车轮的惯性力矩除以各车轮的动力半径即得Pj2的计算式：,因为e=iK，K为驱动轮的角速度，又当忽略车轮的滑转和滑移时v=rKl，故得：,加速阻力为：,3、加速性能,发动机的动力经传动系传递到驱动轮，传动系各零部件总成消耗的功率。在实际设计
19、中，传动效率只计算由齿轮啮合在传动中产生的摩擦损失。一般对每对直齿轮传动取m1=0.98，对每对斜齿轮传动取m2=0.97，对每对锥齿轮传动取m3=0.96，对于履带式作业机械，还应包括驱动效率，q=0.960.97，因此传动效率为：,二、行驶过程的功率损失,在水平地段等速行驶时，作业机械的功率损失由两部分组成：1、传动损失；2、行走损失。,传动效率,1、传动损失,在水平地段等速行驶时，作业机械的行走损失由两部分组成：（1）滚动阻力引起的功率损失；（2）由轮胎或履带的滑转引起的功率损失。,由滚动阻力造成的功率损失，用滚动效率f表示：,由滑转引起的功率损失，用滑转效率表示：,滚动效率,滑转效率,
20、2、行走损失,3、牵引效率,作业机械发动机功率的有效利用程度，可以用牵引效率kp表示：,因此，牵引效率是传动效率、滚动效率和滑转效率、驱动效率四者的乘积，它的数值大小，反映了所设计作业机械传动与行走性能的好坏，这一性能通常是以牵引特性来表示的。,三、牵引力平衡和牵引功率平衡,研究牵引力平衡和牵引功率平衡，是为了分析机械在行驶作业过程中，其牵引力是怎样利用的以及发动机的功率是怎样消耗的。牵引力平衡和牵引功率平衡，是指机械在行驶作业过程中的任何瞬间，其牵引力恒等于所有阻力之和，发动机输出功率恒等于所消耗的功率。根据牵引力平衡可以分析机械的动力性能，根据牵引功率平衡可以选定铲土运输机械发动机的功率及
21、分析牵引效率。,铲土运输机械的工作过程一般有两种不同的工况，牵引工况和运输工况。为了使铲土运输机械具有较好的使用性能，应该使它兼有牵引机械和运输机械的特点。在牵引工况工作时能以尽可能高的效率把发动机的功率转换成牵引功率。这就要求正确地选择行走机构和传动系统的类型、参数及发动机的功率和特性。在运输工况，对于运距不长的循环作业的机械，为了提高生产率，要求具有良好的加速性能。对于运距较长的机械（如铲运机），还要求具有较高的行驶速度。,三、牵引力平衡和牵引功率平衡,上节课内容总结,滚动阻力、坡道阻力、空气阻力、加速阻力,第二节 行驶阻力,第三节 附着性能,1、驱动轮的滑转率和滑转效率,2、附着力及附着
22、系数,第四节 工程机械的整机性能,1、动力性能：行驶速度、爬坡能力、加速性能,2、行驶过程的功率损失：传动损失、行走损失、牵引效率、牵引力平衡和牵引功率平衡,一、牵引工况,在牵引工况，行驶速度低，可忽略风阻力。,1、牵引力平衡,牵引力平衡没有反映牵引工况的全部能量消耗形式，因此不能评定发动机的负荷程度。例如牵引力平衡，并不能反映车轮滑转的能量损失。故在确定发动机功率和讨论牵引效率时，就要用牵引功率平衡的概念。,2、牵引功率平衡,三、牵引力平衡和牵引功率平衡,式中：NK驱动功率，,Nf滚动阻力消耗功率，,N克服坡道阻力所需功率，,Nj克服加速阻力所需功率，,NT克服工作阻力所需功率，,N驱动轮（
23、履带）滑转所 需功率。,运输工况下没有工作阻力，而行驶速度较高，故风的阻力不可忽略。由于没有工作阻力，牵引力比较小，故可忽略滑转引起的功率损失。,二、运输工况,牵引力平衡和牵引功率平衡,1、牵引力平衡,2、牵引功率平衡,四、牵引特性,牵引性能反映的是作业机械在一定的土质条件下，在水平地段上以各档稳定速度工作时的牵引性能与经济性能，它通常用牵引功率NKP、实际行驶速度、整机的耗油率gKP随牵引力PKP变化的曲线来表示，也就是用各档的（NKP、v、gKP）=f（PKP）的关系曲线来表示。,对于正在设计的机械，可通过计算求得理论牵引曲线，作为对机械牵引性能的预测。,对于已有的机械，可通过试验绘制实验
24、牵引曲线，用以评价机械的牵引性能并作为合理使用机械的参考。,理论牵引特性曲线绘制方法,在绘制理论牵引特性曲线前，应该已知下列各参数：,1）柴油机的调速特性曲线（机械传动系统）或柴油机和变矩器的联合工作输出特性曲线（液力机械传动系统）；,4）传动系统图及各档机械总传动比i及效率M；,2）机械使用重量G及附着重量G；,5）驱动轮的动力半径 rk；,3）工作场地的地面性质，滑转率曲线；式1-42,1-43,理论牵引特性曲线绘制方法,理论牵引特性曲线可按以下程序绘制：牵引工况的牵引特性曲线(机械传动系统)1、在直角座标系的第二象限，根据柴油机的调速特性，以柴油机力矩Me为纵座标，柴油机功率Ne、转速n
25、e、小时耗油量Ge为横座标作出曲线。2、在第一象限仍以Me为纵座标，PK为横座标作出某一档位的Me=f（PK）曲线，为一通过原点O1的直线。,3、根据工作场地地面的性质确定滚动阻力系数f，算出滚动阻力Pf=fG。将纵座标平移一距离Pf得新原点O。由于有效牵引力PKP=PKPf，故O为Me=f（PKP）的座标原点。,4、根据工作场地地面的性质作出滑转曲线=f（PKP）。5、作出实际行驶速度v及小时耗油量Ge和PKP的关系曲线。6、用下式求得牵引功率NKP和PKP的关系曲线：,7、用下式求得单位牵引功率每小时的耗油量gKP和PKP的关系曲线：,理论牵引特性曲线绘制方法,本章小结,本章主要讨论了轮式底盘行驶理论。1、车轮运动学和动力学。车轮滚动的三种情况：纯滚动、滑移、滑转；滑转率和滑移率的概念；驱动轮和从动轮的受力；附着力的概念。2、行驶阻力。滚动阻力、坡道阻力、空气阻力。3、附着性能。滑转效率的概念；附着重量利用系数的概念；最大驱动力的确定。4、工程机械的整机性能。动力特性；牵引力平衡和牵引功率平衡；理论牵引特性曲线绘制方法。,Thanks for yourattention,
