第三章--轮式工程机械行驶原理解读

第三章轮式工程机械行驶原理本章的主要内容是轮式机械行走机构的运动学、动力学、轮式机械的滚动阻力和附着性能、轮式机械总体受力分析以及双桥驱动轮式机械的运动分析和受力分析。第一节轮式机械行走机构的运动分析轮式机械车轮行走时，根据其产生运动的力学原因不同，其车轮可分为从动轮和驱动轮，驱动轮的运动是在驱动力矩的作用下产生的，而从动轮是在轮轴上水平推力的作用下产生的。根据车轮承受载荷后是否变形，车轮又可分力刚性车轮和弹性车轮两种。本节将分别讨论刚性车轮和弹性车轮在刚性地面和弹性地面上的滚动情况。一、刚性车轮在刚性地面上的滚动1、车轮的三种滚动情况设车轮与地面相切于O1点（实际为一条线），以角速度ω滚动，设车轮前进的速度为v，v就是轮心的速度，v等于轮心O相对于O1的速度再加上O1相对于地面的速度vj。joovvv11、履带行走机构在水平地面的直线运动，可以看成是台车架相对于接地链轨的相对运动和接地履带对地面的滑转运动(牵连运动)合成的结果。履带相对地面车架相对履带车vvv（1）车轮纯滚动纯滚动时，接地点O1相对于地面的速度vj为零，即vj＝01OOvT因此O1点即为瞬时运动中心，如上图所示。（2）滚动中带有滑移，从动轮经常有此情况。接地点O1相对于地面的速度vj不为零，具有与前进方向相同的滑移速度vj。车轮直线运动的速度为：jjTvOOvvv1此时瞬时运动中心下移至O1’点，相当于以一个半径较大的车轮作纯滚动。（3）滚动中带有滑转，驱动轮经常出现。接地点O1相对于地面具有与前进方向相反的滑移速度vj，车轮直线运动的速度为：jjTvOOvvv1此时瞬时运动中心上移至O1’’点，相当于以一个半径较小的车轮作纯滚动。2、有效滚动半径：车轮的几何中心O到瞬时转动中心的距离称为车轮的有效滚动半径re。有效滚动半径re是一个假想的半径，其大小随车轮的滑移程度而变化。根据车轮滚动时是否伴有滑移或滑转，re可以大于或小于OO1。（1）纯滚动时，有效滚动半径等于OO1，称为滚动半径rg。（2）滚动中带有滑移，re大于OO1，从动轮以及制动时会出现滑移。（3）滚动中带有滑转，re小于OO1，驱动轮经常出现。3、理论行驶速度与实际行驶速度（1）理论行驶速度vT：车轮作纯滚动时，其几何中心的速度称为车轮(即轮式机械)的理论行驶速度。车轮的角速度。—车轮的滚动半径；—式中：ggTrsmrv)/(rg可由试验测得，可使车辆在S距离长的试验路段上以纯滚动作稳定的直线行驶，同时测得驶过该路段车轮的转数n，即得rg。（2）实际行驶速度：车轮相对地面有滑转或滑移时其几何中心水平移动的速度称为车轮(即轮式机械)的实际速度v，用下式表示：车轮的角速度。—车轮的有效半径；—式中：eerrv4、滑转率：车轮的理论速度减去实际速度与理论速度之比。TgeTTTvvrrvvvvv111关系为：实际速度与理论速度的或：二、充气轮胎在刚形地面上滚动运动学充气转胎在刚性地面上滚动，以轮胎变形为主，不像刚性车轮在刚性地面滚动那样是线接触，而是面接触，因而是较大面积的摩擦传动。它必然体现出摩擦传动的特点，轮胎和地面之间存在着弹性滑动。这种弹性滑动宏观上不易看出，但可以测出。当轮胎以角速度ω旋转时，轮胎接地线上A点相对于轮心的运动速度为vA，其方向沿该点滚动表面的切线方向。车轮的实际速度v等于轮心O相对于A点的速度与A点相对于地面的速度之和。joAvvv设v1是A点的切向分速度，v2是A点的法向分速度：。轮心至地面的垂直距离—点）到轮心的距离。轮胎接地线上任一点（—式中：rArrvvkkkA21coscoscoscoscos当车轮以实际速度v沿滚动表面行驶，则：vrvvvkA2cos三、刚性车轮在变形地面上滚动运动学刚性车轮在变形地面上行驶时，地面的变形是主要的。当车轮以角速度ωk转动时，车轮接地面上任意一点A相对于轮心的速度vA为：kArv0kjjkjOArvvvrvvvv00coscos四、弹性车轮在变形地面上滚动运动学轮胎与滚动表面同时发生变形是铲土运输机械最常见的现象，轮胎与滚动表面变形对车轮运动的影响也最为复杂。当弹性轮胎在软土上滚动时，由于轮胎和土壤都发生变形，当垂直载荷一定时，在软土上滚动的弹性轮胎的变形是由轮胎刚度和土壤强度所决定的，所谓轮胎刚度是指胎压和转换为胎压的胎壁刚度。若保持胎压不变，而增加土壤的强度，轮胎变形将相应增大；若降低土壤强度，则轮胎变形将减小。另外，在同一土壤条件下，胎压降低，轮胎变形将增大；一种极端情况是地面为刚性，另一种极端情况是刚性轮在软土上运行。综上所述，除了刚性车轮对刚性地面是线接触之外，其余几种车轮对地面都以面接触方式进行滚动。后者由于车轮的行驶速度不同，宏观上车轮可能产生所谓滑转滚动、滑移滚动和纯滚动，但实际上车轮同一接地表面的不同位置，将出现滑转、滑移或纯滚动，且滑移和滑转程度也不同。第二节轮式机械行走机构的动力学一、驱动轮力矩平衡方程式在驱动力矩Mk的作用下，驱动轮以等角速度ω向前滚动，车轮承受垂直的载荷为Q，轮心受到车桥的反推力FR，地面作用到车轮的切向反力为F。在垂直载荷Q和驱动力矩Mk的作用下，驱动轮以等角速度ω向前滚动，轮胎单元体22’与33’对于过轮心的铅垂线是对称的，它们沿半径方向的变形是相同的，但22’处于加载过程中，33’处于减载过程中，故2’处受到的地面垂直反力比3’处大，使轮胎接地处地面垂直反力的分布呈现前大后小状，因而总的垂直反力R向前偏移了距离a，R=Q。力矩平衡方程式为：0000fKKfKKKKKKKKKKKKKKFFFFraQfraFrMraQFrMrFaQMrFaRM表示。是滚动阻力，用表示。，用是驱动轮滚动阻力系数，切线牵引力圆周力，在数值上等于是驱动轮转矩所产生的上式说明，驱动轮的牵引力F是切线牵引力Fk与滚动阻力Ffk之差。二、从动轮的力矩平衡方程：从动轮被机架推着前进从动轮的滚动阻力。—机架对从动轮的推力；—；从动轮的滚动阻力系数—式中：fCCCfCCKCKCFFfFfQraRFaRrF0前述计算中rK是车轮的动力半径，是动力学参数，它等于车轮几何中心到牵引力力线的距离。一般计算时可取rK＝r，r为静力半径，即车轮在静止状态下受法向载荷、轮胎有径向变形时，车轮的几何中心到地面的垂直距离。第三节轮式机械的滚动阻力及附着性能一、滚动阻力与滚动阻力系数（一）车轮的滚动阻力车轮滚动时，轮胎地面的接触区域会产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和支撑路面的变形，这些变形引起滚动阻力。因此滚动阻力一般包括土壤变形的滚动阻力Ffl及轮胎变形引起的滚动阻力Ff2。轮胎与支撑面的相对刚度决定了变形的特点，当弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，车轮的滚动阻力主要来自轮胎内部摩擦而产生的弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。当车轮在软路面上滚动时，软路面在车轮滚动过程中形成车辙而发生永久性的塑性变形，使支撑路面发生变形而做的功几乎全部不能回收，从而形成滚动阻力。1、轮胎压实土壤引起的滚动阻力（1）刚性车轮的滚动阻力，此时车辆的滚动阻力主要是由于压实土壤形成车辙而消耗的能量所致。设：车轮为刚性，车轮宽度为b，轮辙深度为z0，则压缩单位土壤所做的功w为：00zpdz采用贝克的压力与变形关系的公式得：nczkbkp)(1)()(100000nzkbkdzzkbkdzpwncnzcz设轮胎的作用仅仅是在垂直方向上压实土壤，则当宽度为b的车轮滚过长度为L的距离时，克服滚动阻力Ff1所做的功为：1)(101nzkbkbLLbwLFncf可得出滚动阻力Ff1：1)(101nzkbkbFncf（2）充气轮胎的行驶阻力：充气轮胎在地面上行驶时，其变形量与轮胎的刚度及地面条件有关，而轮胎刚度取决于胎压和胎壁刚度。为分析方便，将胎壁刚度转换为气压pc，胎压为pi，根据pc和pi，可将充气轮胎近似看成刚性轮或弹性轮。1)充气轮胎的分类：a：pi＋pc≥pg时，看成刚性轮，可用前已推导的刚性轮公式计算滚动阻力。b：pi＋pcpg时，看成弹性轮，轮胎的一部分将被压平，压平部分的法向应力为（pi＋pc）。式中pg为直径相同且每个车轮负荷Qg相同的刚性轮下接地面积上的最大应力。一般轮式机械有4个车轮，每个车轮的负荷Qg为车重的1/4。2)弹性车轮的滚动阻力：有两种计算方法，一是仍用刚性车轮的公式，但用假想的较大的轮径代替。由于采用的轮径较大，计算出的弹性轮胎的外部行驶阻力小于相同直径的刚性车轮的外部行驶阻力，且未考虑弹性轮胎还有由于轮胎弹性变形引起的的行驶阻力。二是用贝克公式近似计算轮胎的行驶阻力。所谓近似主要是在确定土壤的变形时，承载面积只考虑了轮胎与土壤接触面的平面部分，认为其曲面不承受垂直载荷。即得接触比压为：cigppbLQp式中：Qg——轮胎荷载；L——接地平面长度；b——轮胎接地平面宽度。土壤变形是在轮胎接地比压p作用下产生的。由土壤承载后的沉陷公式可知，土壤变形z0为：nCgnCnCbKKlQKbKpzzKbKp1100)(根据功能转换原理，可通过计算得：11111111nnbKCKnncpipbfFcpipblcpippblgQlQnbKKFnngnCf胎壁刚度换算的气压。—轮胎气压；—式中：又因为：注意：对于宽基轮胎，若其接地平面的长度L小于轮胎宽度b，则承载面的短边不是b而是L，在上式中用L代替b，另外，若轮胎与土壤接触的曲面部分较大时，则不应忽略曲面部分所承受的垂直载荷。标准胎：H/b≈98%宽基胎：H/b≈82%超宽基胎：H/b≈65%b—胎面宽度；H—轮胎断面高。2、轮胎变形引起的滚动阻力弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形是主要的，轮胎的每一微小的弹性体的工作状态的变化，均可以看成依次地进行径向加载和卸载的过程。整个轮胎可看成为无数的截取面连续不断的进行加载（压缩）与卸载（恢复）的过程，轮胎在路面上滚动时的能量损失就是在这一过程中的弹性迟滞损失。当车轮不滚动时，地面对车轮的法向反作用力的分布是对称的，但当车轮向前滚动时，由于轮胎单元体22’与33’对于过轮心的铅垂线是对称的，它们沿半径方向的变形是相同的，但22’处于加载过程中，33’处于减载过程中，故2’处受到的地面垂直反力比3’处大，使轮胎接地处地面垂直反力的分布呈现前大后小状，因而总的垂直反力R向前偏移了距离a，R=Q。R与Q构成一力偶，即：QfraQrMFaQaRMfff22式中：f2——由轮胎变形引起的滚动阻力系数。f2的数值由实验确定，它与轮胎气压、路面类型、行驶速度等有关系。（书159页图9-6）(二)滚动阻力系数1、对于单个车轮而言，滚动阻力＝地面变形引起的＋轮胎变形引起的即：Ff＝Ff1+Ff22、对整台机械而言：滚动阻力＝驱动轮滚动阻力＋从动轮滚动阻力即：Ff＝Ffk+Ffc＝Q1fk+Q2fc式中：Q1、Q2——驱动轮及从动轮载荷；fk、fc——驱动轮及从动轮的滚动阻力系数。当f=fk＝fc，且Q=Q1＋Q2时，Ff＝fQ式中：f——综合的滚动阻力系数，可由试验测得，作为机械设计或性能预测时使用；一般轮胎，气压在0.1～0.5MPa时，滚动阻力系数与地面状况的关系见下表。表中φ为附着系数。二、附着性能及其影响因素驱动轮在地面上滚动时，在驱动力矩的作用下，车轮与地的接触面上各微小单元都产生微观滑转，亦即地面各微小单元面上都产生抗滑转反力，这些抗滑转反力的水平合力就是切线牵引力Fk。车轮在坚硬地面上滚动时，切线牵引力主要由轮胎与地面之间的摩擦所产生；车轮在松软地面上