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1、牵引性能,牵引平衡、牵引特性匹配问题、动力特性,太原科技大学 连晋毅,牵引工况：工作阻力大，要求机械发挥大的牵引力。运输工况：无工作阻力，行驶阻力小，要求机械具有高的速度性能、加速性能、运行稳定性和机动性。,工程机械运行的两种工况,牵引工况下的工作能力和燃料消耗量称为机械的牵引性能和牵引工况下的燃料经济性。要求机械在低挡工作时保证发动机的功率高效地转换为牵引功率，并发挥出必要的牵引力，同时消耗的燃料尽可能少。,基本术语,滚动半径、动力半径 理论行驶速度、实际行驶速度滑移率、滑转率,驱动轮中心到切线牵引力的垂直距离。,rd=d/2+H/B(1-)B,滚动阻力、行驶阻力、坡度阻力、空气阻力、作业阻
2、力牵引力、切线牵引力、有效牵引力、额定牵引力、附着力,a）轮式机械,b）履带机械,牵引系数、附着系数、功率利用系数、牵引效率、滑转效率,牵引力平衡和牵引功率平衡,一、驱动力的确定机械直接传动的车辆驱动力的确定液力机械传动车辆驱动力的确定二、牵引力平衡和牵引功率平衡牵引力平衡方程 牵引功率平衡方程,两种典型工况：牵引工况、运输工况,铲土运输机械的阻力,滚动阻力坡度阻力惯性阻力空气阻力作业阻力 Fx,道路阻力,牵引工况的牵引力平衡方程：FK=Ff Fi Fj Fx,运输工况的牵引力平衡方程：FK=Ff Fi Fj Fw,有效牵引力 FKP=FK(Fi Fj Ff),牵引力平衡,机械直接传动的车辆驱
3、动力的确定 等速稳定运转的工况 不稳定工况液力机械传动车辆驱动力的确定 自由扭矩应是涡轮输出轴的扭矩M2 变矩器所消耗的功率,驱动力的确定,等速稳定运转的工况,rK驱动轮动力半径；r履带驱动段效率(r=0.960.97)；im传动系总传动比(自发动机至驱动轮)；m传动系总效率；Mec发动机自由扭矩。,不稳定工况,G机器重量；g重力加速度；Je发动机运动质量换算至曲轴上的转动惯量；dVdt机器前进的减速度或加速度。,驱动力,功率损失,对液力传动为M2,发动机的功率分配,发动机自由扭矩和自由功率驱动辅助装置的功率、扭矩；输出轴上的发动机的扭矩和功率；,短暂性工作的辅助装置MF=(0.030.05)
4、MH(ne/nH)NF=(0.030.05)MH(ne/nH)2,经常性工作的辅助装置M”F=103PQT/(2nbb)N”F=PQT/(60b),MeZ=Me-MF-MPTONeZ=Ne-NF-NPTO,发动机功率的分配：（机械传动）,1、驱动辅助装置消耗的功率,对应效率,2、驱动功率输出轴所需的功率NPTO,到此，发动机的自由功率为：Nez=Ne-(NF+NPTO),3、传动系中损耗的功率,驱动轮上的驱动功率 NK=Nez-Nm=Nezm,4、履带驱动段上的功率损失,5、行走机构滑转引起的功率损失,滑转效率,6、滚动阻力消耗的功率,滚动效率,7、坡道阻力消耗的功率,8、工作阻力消耗的功率，
5、即有效牵引功率NKP,牵引功率平衡（机械传动）,Ne发动机有效功率 NPTO驱动功率输出轴所需功率 Nba驱动辅助装置消耗的功率Nf滚动阻力消耗的功率 Nkp车辆的有效牵引功率Nm传动系的功率损失Ni克服坡道阻力消耗的功率 Nr克服惯性阻力消耗的功率N滑转引起的功率损失,牵引工况,滑转效率（1-）滚动效率（1-Nf/Nk）牵引效率(Nkp/Ne),V=VT(1-),牵引功率平衡（液力机械传动）,注意：1、NTe为液力传动部分(变矩器)的功率损失。2、在NBa计算中还应包括变矩器冷却油泵消耗的功率。,牵引效率：,牵引特性,牵引特性以图解曲线的形式表示了机器在一定的地面条件下，在水平地段以全油门作
6、等速运动时，机器各档的牵引功率Nkp、实际速度v、牵引效率kp、小时燃油耗Gkp、比油耗gkp、滑转率和发动机功率Ne(或曲轴转速ne)随牵引力Pkp而变化的函数关系，亦即：Nkp=Nkp(Pkp)，V=V(Pkp)，kp=kp(Pkp)，Gkp=Gkp(Pkp)，gkp=gkp(Pkp)，=(Pkp)，Ne=Ne(Pkp)。,在车辆的设计过程中，用牵引特性研究和检查发动机、传动系、行走机构和工作装置各参数之间匹配的合理性；在使用过程中，有助于合理地使用机械，有效地发挥他们的生产率。,履带底盘牵引特性,1.最大有效牵引功率工况；2.最大牵引效率工况；3.发动机额定功率工况；4.额定滑转率工况；
7、5.发动机扭矩决定的最大牵引力工况；6.附着条件决定的最大牵引力工况；对于液力机械传动的机器还应补充：7.变矩器最大输出功率工况；8.变矩器工作扭矩决定的最大牵引力。,表征机器特性的工况,牵引性能参数的确定,机械传动系统的参数匹配（1）切线牵引力与发动机调速特性之间的配置（2）工作阻力与行走机构滑转曲线之间的配置液力机械传动系统的参数匹配（1）发动机特性与变矩器特性之间的配置（2）发动机与变矩器共同工作特性与行走机构滑转曲线、工作阻力之间的配置,切线牵引力在发动机调速特性上的配置,指导原则：（1）应该保证工作循环中可能出现的最大阻力矩不超过发动机的最大输出扭矩，否则将导致发动机熄火。（2）为了
8、获得较大的平均输出功率，应该使发动机在工作循环的大部分时间处在调速区段上工作。实现方法：正确配置发动机功率在行走机构滑转曲线上的位置。,发动机功率在滑转曲线上的配置,滑转曲线 牵引元件的滑转率与输出的牵引力之间的关系。效率曲线 牵引效率与滑转率之间的关系曲线牵引效率 P牵引元件输出的牵引力；Pf行走机构的滚动阻力。,当=max时，应满足 得：,结论：当发动机的最大输出功率Nemax与行走机构的最大效率xmax相匹配时，机器获得最大的有效牵引功率。,最大效率工况：轮式机械在=10%左右，履带机械在=5%左右。,又由于：,工程机械的两类作业方式：连续作业、循环作业连续作业机器的生产率,机器生产率在
9、滑转曲线上的配置,结论之一：（连续作业机器）最大生产率工况与最大效率工况相一致。,循环作业机器：,机器生产率在滑转曲线上的配置,结论之二：（循环作业机器）最大生产率工况与最大效率工况不一致。轮式机械在=20%25%左右，履带机械在=10%15%左右。,牵引性能参数合理匹配的条件,连续作业机器 PkpNemax=PH=Px PkpPemax发动机的最大平均输出功率所对应 的有效牵引力；PH与行车机构额定滑转率H相对应的额定 牵引力；Px工作装置在连续作业过程中的平均工作 阻力。,循环作业机器 1、由发动机扭矩决定的最大牵引力PMemax应大于地面附着条件所决定的最大牵引力(即附着力)P，亦即：P
10、Memax P、由发动机额定功率决定的有效牵引力PkpNH与由行走机构额定滑转率决定的额定牵引力PH应相等。亦即：PkpNH=PH、铲土过程末尾的平均最大工作阻力Px应等于机器的额定牵引力PH。此条件可用下式表示：Px=PH,牵引性能参数合理匹配的条件,牵引特性参数的合理匹配,a-a发动机额定功率工况b-b行走机构额定滑转率工况c-c平均最大工作阻力工况d-d最大牵引效率工况e-e由发动机扭矩决定的最大牵引力工况f-f行走机构最大附着能力工况,速度档位数与各档传动比,必须保证各档速度曲线有适当重叠，且每一档位的最大有效牵引力点应位于下一档位的速度曲线之下，以避免发动机熄火。必须保证机器在各档工
11、作时发动机的扭矩、转速和功率都能在同一范围内变化，以使发动机功率在各档工作范围内能获得同等程度的利用，对轮式机械也是为了获得最大的加速度。,牵引参数的确定过程,1.选择最低档和最高档理论行驶速度VTmin、VTmax；2.计算理论切线牵引功率NezMq；3.计算额定切线牵引力PKH=NPK/VTmin；4.绘制以相对牵引力x（x=P/G）为横坐标的无因次滑转率曲线=Ax+Bxn；5.确定机器的使用质量GS=PKH/(H+f)；6.确定最低档传动比iMmin=2rdneH/VTmin;7.确定最高档传动比iMmax=2rdneH/VTmax;8.确定分配传动比的几何级数公比q;9.校核发动机功率
12、NPK=fGSVTmax(1-)+KwFVTmax3(1-)310.校核牵引力PMemax P（由发动机最大扭矩决定的牵引力PMemax=MemaxMqiMmin/rd,由附着条件决定的牵引力P=G）11.校核铲土过程的平均最大工作阻力Px，应满足PxPH,理论牵引性能曲线的绘制,1）发动机调速外特性 Me=Me(ne)，Ne=Ne(ne)，Ge=Ge(ne)或 ge=ge(ne)2）车辆使用质量Gs和附着质量G3）地面条件和滑转率曲线=（FKP）可用经验公式或类比试验数据曲线。4）传动系统简图和各挡机械传动比iM5）驱动链轮啮合齿数ZK和链轨节销孔中心距(履带节距)lt 或轮胎动力半径rk,
13、1、原始资料,2）计算扣除辅助装置和功率输出轴消耗后发动机外特性Mec=Mec(ne),Nec=Pez(ne),Gec=Gec(ne),1）计算以下参数：传动系总效率m 履带驱动段效率r 驱动轮动力半径rk 滚动阻力Pf,2、计算步骤,4）根据以上计算结果，选取合适的坐标比例，以有效牵引力PKP为横坐标，其余参数为纵坐标，依次绘制各曲线。,3）计算驱动力(切线牵引力)FK、有效牵引力FKP、理论速度vT和实际速度v、牵引功率PKP和牵引效率KP等。,单位：长度:m，速度:km/h，力:N，转速:rpm，转矩:N.m，功率:kW，小时燃油耗:kg/h，比油耗:g/kW.h,液力传动的主要特点：自
14、动适应性防振隔振作用良好的起动性限矩保护性简化操纵、提高舒适性效率低、成本高,液力机械传动,变矩器的主要性能参数,穿透性 变矩器的效率，即：变矩比 K=M2/M1，即动力学传动比；转速比 i=n2/n1，即运动学传动比。,变矩器的无因次特性,1.变矩器的起动变矩系数K0；2.变矩器泵轮的起动扭矩系数10；3.变矩器的工作效率p，一般取p=0.754.变矩器的工作变矩系数Kp；5.变矩器的工作传动比ip；6.变矩器的最大效率max；7.变矩器的最大效率变矩系数Kmax；8.变矩器的最大效率传动比imax；9.变矩器的偶合器工况传动比iM；10.变矩器在偶合器工况下的泵轮扭矩系数1M；11.变矩器
15、透穿性系数。,液力变矩器的输入特性,变矩器与发动机共同工作的输出特性,1.涡轮轴上最大输出扭矩M2max；2.最大和最小工作扭矩M2pmax，M2pmin；3.动力学工作范围d=M2pmax/M2pmin；4.最大和最小工作转速n2pmax，n2pmin；5.运动学工作范围dr；6.最大输出功率N2max；7.最大功率转速n2p2max；8.最高空转转速n2max；9.最低比油耗ge2min。,液力变矩器与发动机的匹配,与液力变矩器共同工作发动机功率的确定 1、全功率匹配 2、部分功率匹配 3、即考虑全功率匹配又考虑部分功率匹配匹配原则 1.保证涡轮轴上有最大的输出功率 2.发动机额定点与变矩
16、器高效区中点相一致 3.保证涡轮轴输出最大的平均功率燃料经济性,装载机设计,由发动机与变矩器共同工作的最大输出扭矩M2pmax所决定的牵引力PM2pmax应大于由附着条件决定的牵引力，即：PM2pmax P由发动机与变矩器共同工作的最大功率工况应与行走机构的最大生产率工况相一致，即：PkpN2max=PkpH=PH机器在铲土过程末尾的平均最大工作阻力应等于额定有效牵引力，即：Px=PH另外，为避免负荷突然减小时车速猛然增高，应有：VTmax/VTN2MAX1.5,液力机械传动牵引性能参数的合理匹配,铲土运输机械的牵引特性图,理论牵引特性试验牵引特性,根据牵引特性曲线分析铲土运输机械的牵引性能,
17、图 三台试验履带推土机的主要参数,循环作业机器 1、由发动机扭矩决定的最大牵引力应大于地面附着条件所决定的最大牵引力(即附着力)：PMemax P、由发动机额定功率决定的有效牵引力与由行走机构额定滑转率决定的额定牵引力应相等：PkppeH=PH、铲土过程末尾的平均最大工作阻力应等于机器的额定牵引力：Px=PH连续作业机器 PkpPemax=PH=Px,图1、2 二台机械传动履带推土机的试验牵引特性,a-a发动机额定功率工况PkppeHb-b行走机构额定滑转率工况PHc-c平均最大工作阻力工况Pxd-d最大牵引效率工况PkpHe-e由发动机扭矩决定的最大牵引力工况PMemaxf-f行走机构最大附
18、着能力工况P,分析1)首先可按下表的形式列出各特征工况下机器牵引性能和燃料经济性的基本指标。根据这些基本指标和牵引特性图即可对机器的牵引性能和燃料经济性作出初步的评价，对比表中数据可以看到图1所示的推土机各项牵引指标普遍较高，而图2所示的推土机则普遍较低。对于后者来说，一档的最大有效牵引功率只有61.8千瓦，从牵引特性上可以看到二、三档的有效牵引功率更低，而四档的最大有效牵引功率只有24.3千瓦；在发动机额定转速下的有效牵引力只有90千牛顿，而牵引效率仅为49；在10的滑转率下，虽然有效牵引力可增大到140千牛顿，但有效牵引功率只有42千瓦，此时推土机速度下降到1.1公里/小时。因此可以得出初
19、步结论，即图2所示推土机的牵引性能和燃料经济性欠佳，而图1则较好。,分析2)其次可根据各档有效牵引功率曲线和行驶速度曲线的分布情况来考察各档传动比的分配和牵引力、行驶速度的适应性能。应检查各档有效牵引功率曲线之间不应有深谷存在，同时应注意速度曲线上高一档的最大有效牵引力点应在低一档速度曲线之下。对于牵引力则应有适当的储备，以便有可能克服阻力的短时增大。对于上述要求，两台推土机均能较好地满足。分析3)根据各特征工况下的牵引效率、滚动效率和滑转效率对发动机额定功率的分配和牵引效率的组成作出分析。对于图1所示的推土机，各部分消耗和相应的效率都处在正常范围内。而在图2中却显示出明显的不正常情况，如在发
20、动机额定功率工况下，辅助装置和机械传动部分的消耗高达41.7千瓦，其相应的效率只有63.5%，而滚动阻力的损失达13.4千瓦，其相应效率仅为80.5%。当机器在额定滑转率工况下工作时，虽然有效牵引力尚不能满足满铲作业的要求，但由于发动机转至最大扭矩附近工作，它在调速特性上的输出功率已下降到64千瓦，额定功率的利用系数仅为57%，此时机器的有效牵引功率只有42千瓦，亦即发动机的额定功率只有37.3%被转化为完成有效作业的有效牵引功率。,分析4)进一步考察牵引性能参数匹配的合理性，在牵引特性图上标出各特征工况的位置，首先检查发动机额定功率工况、行走机构额定滑转率工况和工作装置满铲作业工况是否接近或
21、吻合，其次应检查各工况之间的相互关系。从图1中可看到上述三种工况都很接近，这表明当推土机铲满土时，行走机构将在最大生产率的工况下工作，而发动机则将在额定功率附近工作，此时合理匹配的条件均能很好满足。图2则是匹配较差的实例。从图上可看出发动机额定功率工况远偏于额定滑转率工况和满铲作业工况之左方，这表明在牵引性能参数之间存在着严重失调的情况。从图1上可看到的条件可获得很好满足，且有5%左右的储备。因此，当推土机在作业中发生突然超载时，履带将完全滑转，而不可能使发动机熄火。图2的情况则恰恰相反，位于履带打滑界限以内，因此当发生突然超载时，发动机有强制熄火的可能。分析5)进一步分析牵引性能和燃料经济性
22、良好或欠佳的原因，并对机器的动力性和经济性作出更为全面的评价。对图1所示推土机，由于将发动机的额定功率和工作装置满铲作业时的工作阻力配置在滑转率较高的区域，因而整个牵引特性向右扩展。从动力性的角度看，一方面当铲掘阻力增大时，行走机构将在额定滑转率的范围内工作，因而可以输出较大的有效牵引力，而发动机则将在额定功率附近工作，因而可以提供较大的输出功率，另一面当铲掘阻力超过这一范围时，履带将迅速滑转，从而起到保护发动机不使过份超载的作用。这样在铲土和运土过程的大部分时间内，发动机将基本上在调速区段工作。此时发动机转速不致发生急剧的变化，因而它的功率和比油耗偏离静载调速特性较小，而发动机的动力性和经济
23、性将获得较好的发挥。从经济性的角度看，牵引特性向右扩展将使行走机构最大效率工况(它和最大牵引效率工况大体上是一致的)到满铲作业工况之间的区域相应扩展。由于在最大效率点右方的行走机构效率曲线进展比较平缓，因而机器高效率区的工作范围也随之扩大。从图1可以看到牵引效率在有效牵引力等于80千牛顿至160千牛顿的区问内变化十分平缓，因而高效率区的范围就比较大。与这种情况相一致，比油耗曲线在这一区间的变化必将同样比较平缓，低油耗区的范围也相应较大。上述情形意味着机器在铲土和运土工序的大部分时间内将在较大牵引效率和较低的比油耗下工作。,综述：图1所示的推土机具有良好的牵引指标，不仅各总成本身的性能较好，而且
24、它们之间能相互协调地进行工作，各总成的工作性能可得以充分发挥。第二台推土机各项牵引指标偏低的原因时，首先可以指出此台推土机各总成性能，与第一台相比普遍较差，首先是由于液压系统的空载损失和传动齿轮的搅油损失过大引起的，其次更归结为牵引参数之间匹配关系的严重失调。这种参数匹配的不合理性反映在牵引特性图上，则表现为整个牵引特性呈现向左方压缩的趋势，从而将发动机的额定功率配置在滑转率很低之区域，这样配置发动机额定功率的后果，首先表现为在铲掘较硬的土质时必然会感到牵引力严重不足，而在牵引特性图上就会出现工作装置的满铲作业工况远离发动机额定功率工况的情况。这将意味着迫使发动机经常转至非调速区段上工作，而且
25、还可能造成发动机的熄火。另一后果是迫使发动机调速特性的调速区段完全配置在牵引效率很低的部位上。此外，各档牵引功率曲线向左方压缩的结果还必然会因滚动效率之迅速降低而导至高档牵引功率之急剧下降，必然会大大恶化机器在高档工作的动力性和经济性。所以，由于参数匹配不合理而造成各总成不能协调地工作，将十分严重地影响着机器动力性和经济性的充分发挥。,液力机械传动与机械传动的比较,1、由发动机与变矩器共同工作的最大输出扭矩所决定的牵引力 应大于由附着条件决定的牵引力，即：PM2pmax P2、由发动机与变矩器共同工作的最大功率工况应与行走机构的 最大生产率工况相一致，即：PkpN2max=PkpH=PH3、机
26、器在铲土过程的平均最大工作阻力应等于额定有效牵引力，即：Px=PH4、另外，为避免负荷突然减小时车速猛然增高，应有：VTmax/VTN2MAX1.5,分析1)从速度特性来看，它没有明显的转折点，而呈现为一条柔软而能随牵引负荷的变化而自动调节机器速度和牵引力的特性曲线。速度特性的这种“柔性”反映了液力传动扭矩特性的自动无级调节的性能。分析2)速度特性的上述特点反映到有效牵引功率特性上，使得有效牵引功率曲线看起来比较平滑而饱满。从图3与图1的对比中可看出，液力机械传动的最大牵引功率和最大牵引效率都明显地低于机械传动，尤其是最大牵引效率只有62%。这是因为在变矩器中存在着功率损失的缘故，这也是液力机
27、械传动不可避免的缺点。但图3上的有效牵引功率曲线却由于比较饱满，而且可以在较宽的范围内保持高的有效牵引功率，从而将大大地提高发动机额定功率的利用程度。这表明工作阻力变化的情况下，液力机械传动能输出最大的平均有效牵引功率。分析3)液力机械传动有效牵引功率曲线比较饱满的特点还可显著地减小各档功率曲线之间的波谷面积。由此表明，机器在全部速度段和负荷范围内发动机的额定功率将获得充分的利用，另一方面也说明比起单纯的机械传动来，机器的变速箱档位可减少。分析4)从燃料经济性的角度来看，除了最低比油耗较机械传动显著增高外液力机械传动比油耗曲线的另一个明显的特点是当负荷增大而车速下降时，比油耗可剧增至无限大。这
28、一点显然是由变矩器的效率特性引起的。由于随着涡轮转速的减小，变矩器的效率会迅速下降，因而机器单位有效牵引功率的小时油耗量必然会急增。当车速下降到零时，变矩器效率变为零，而比油耗则可无限增大。此时，变矩器输入的功率全部转变为热能，从而将导至变矩器严重发热。,在分析液力机械传动系统参数匹配的合理性时，可检查以下几点：1)检查发动机与变矩器最大工作扭矩相应的牵引力是否大于由附着条件决定的牵引力。2)检查发动机与变矩器共同工作输出特性上的最大功率工况与额定滑转率工况以及铲土过程的平均最大工作阻力工况在牵引特性上的位置是否接近或吻合。应该指出，由于共同工作输出特性的功率曲线比较饱满，这一匹配条件可不必象
29、机械传动那样严格要求。3)为了避免当机器负荷突然减小时车速猛然增高的缺点(如当铲掘阻力增大到极限值车辆即将停止时，突然提升工作装置，车速迅速增高)，必须限制机器一档的理论空载行驶速度相对于在涡轮最大输出功率时所对应的理论速度之比值，应小于1.5，亦即：对于图3所示的推土机来说，上述各项匹配要求大体上均能较好地满足，唯有在工况下的有效牵引力尚感不足时，这说明发动机的功率尚可适当增大。,动力特性,1、速 度 性 能2、加 速 性 能3、爬 坡 能 力,运输工况下的牵引平衡方程：Ff滚动阻力F坡道阻力惯性阻力 切线牵引力 风阻力,动力因数D：道路阻力系数：速度性能、加速度性能,爬 坡 能 力,机器的爬坡能力 受限于：发动机动力、地面条件、机器的稳定性。最大爬坡角：,思考题,解释下列名词术语：动力半径、滚动半径；滑移、滑转；实际速度、理论速度；切线牵引力、牵引力、有效牵引力、附着力；滚动效率；滑转效率、牵引效率？说明牵引性能匹配的指导原则？针对循环型作业机器和连续型作业机器，解释其合理匹配的条件？液力机械传动的机器与机械传动的机器相比，合理匹配条件有何变化？如何获得平均较大的有效牵引功率？牵引性能曲线向右扩展有何好处？解释动力因子的概念和用途？学会对牵引性能曲线进行匹配合理性的分析。,再见,
