履带车辆转向时最大驱动力矩的计算-迟媛

第25卷第3期农业工程学报Vol.25No.3742009年3月TransactionsoftheCSAEMar.2009履带车辆转向时最大驱动力矩的计算迟媛1，蒋恩臣2※（1．东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2．华南农业大学工程学院，广州510642）摘要：履带车辆转向时不仅要克服行走阻力，还要克服转向阻力，该文对不考虑车体重心偏移时的转向驱动力矩进行了研究，并在此基础上着重研究了考虑重心偏移时的转向驱动力矩的计算方法，进行了实例计算和比较分析，可知横向偏心距对总的转向阻力矩没有影响，而纵向偏心距对其有影响，且随纵向偏心距的增加转向阻力矩减小；只考虑纵向偏心距，而不考虑横向偏心距时，转向时驱动力矩小于不考虑重心偏移时的驱动力矩；当只考虑横向偏心距，而不考虑纵向偏心距时，转向驱动力矩最大。当履带车辆原地转向，且只存在横向偏心距时靠近偏心一侧的履带的驱动力矩最大。关键词：履带车辆，驱动力矩，计算，重心偏移中图分类号：TB122，S219文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-3-0074-05迟媛，蒋恩臣．履带车辆转向时最大驱动力矩的计算[J]．农业工程学报，2009，25(3)：74－78.ChiYuan,JiangEnchen.Methodforcalculatingmaximumtractivetorqueoftrackedvehiclewhilesteering[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(3)：74－78.(inChinesewithEnglishabstract)0引言履带车辆具有减小下陷深度、降低接地比压的优点，大大提高车辆的通过性能。对于履带式车辆的各种转向机构就其基本原理来说是相同的，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同转速来实现转向的。履带车辆的最大驱动力的计算关系到驱动半轴和转向机构等的设计和参数的确定，很多文献资料驱动力矩的计算都是以车体重心与履带接地面积几何中心重合时确定的，而往往履带车辆的重心不在接地面积的几何中心上即会有重心偏移，如果采用不考虑重心偏移的方法来计算，则误差很大[1-4]。1转向驱动力矩的计算1.1不考虑重心偏移时转向驱动力矩的计算1.1.1转向阻力矩转向阻力矩是履带绕其本身转动中心O1（或O2）作相对转动时，地面对履带产生的阻力矩，如图1所示，O1、O2分别为两条履带的瞬时转向中心。为便于计算转向阻力矩M的数值，作如下两点假设：1）机体质量平均分配在两条履带上，且单位履带长度上的负荷为：LGq2收稿日期：2008-05-22修订日期：2009-01-20基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20060564009）；教育部优秀博士学位论文作者专项资金（199940）作者简介：迟媛（1974－），女，黑龙江依安人，博士，从事农业机械装备研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:[e-mail]※通讯作者：蒋恩臣，教授，博士生导师。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:[e-mail]式中G——车体质量；L——履带接地长度。图1履带式车辆转向阻力的分布Fig.1Assumedlateralforcedistributionontwotracks2）形成转向阻力矩M的反力都是横向力且是均匀分布的。履带拖拉机牵引负荷在转向时存在横向分力，在横向分力的影响下，车辆的转向轴线将由原来通过履带接地几何中心移至O1O2，移动距离为x0。根据上述假设，转向时地面对履带支承段的反作用力的分布为矩形分布。在履带支承面上任何一点到转动中心的距离为x，则微小单元长度为dx，分配在其上的车体重力为qdx，总转向阻力矩可按下式进行计算[5,6]：0022002ddLLxxMqxxqxx（1）式中——转向阻力系数。将式LGq2代入上式并积分得：第3期迟媛等：履带车辆转向时最大驱动力矩的计算7520214LxGLM（2）式中Lx02——转向轴线偏移系数。上式说明，转向阻力矩随转向轴线偏移量的增大而增大，然而转向轴线的偏移量x0相对履带接地长度L是较小的。如果设0220Lx，此时转向阻力矩M可表示为：4GLM（3）转向阻力系数表示作用在履带支承面上单位机器质量所引起的土壤换算横向反力。的值是用试验方法测定的，这样实际上就已经校正了由于推导上式所作的一些假设而带来的误差。当车辆以转向半径R进行转向时，转向阻力系数值可按以下经验公式计算：BR15.085.0max（4）式中max——车辆作急转弯时的转向阻力系数；B——履带轨距。1.1.2转向驱动力矩假设机器重心与履带行走装置几何中心相重合。把转向半径2BR和20BR分别考虑。当转向半径2BR，如图2所示，两侧履带都向前运动，此时两侧履带受地面摩擦阻力朝同一方向（即行驶的反方向），外侧、内侧履带受力分别为：BMFFBMFFfqfq1122（5）当转向半径20BR，如图3所示，此时两侧履带受地面摩擦阻力朝反方向，外侧、内侧履带受力分别为：BMFFBMFFfqfq1122（6）式中2fF，2qF——分别为外侧前进阻力和驱动力；1fF，1qF——分别为内侧前进阻力和驱动力。考虑机体的重心在中心位置，所以履带的前进阻力为：GfFFff2121式中f——履带滚动阻力系数。转向时的最大驱动力矩为：rFFMqq21max,max式中r——驱动轮节圆半径。根据文献“履带车辆行驶力学”（W.Merhof.E.M.Hackbarth，1989）[7]，得到大半径区2BR转向行驶时主动轮上的力：)2(2)2(212fGFfGFqq（7）小半径区20BR转向行驶时主动轮上的力：)2(2)2(212fGFfGFqq（8）式中——转向比，=BL/。转向时的最大驱动力矩为：rFFMqq21max,max图22BR时两侧履带同向运动Fig.2Twotracksrotatetothesamedirectionwhile2BR图302BR时两侧履带反向运动Fig.3Twotracksrotatetotheoppositedirectionwhile02BR1.2考虑重心偏移时转向驱动力矩的计算上述有关驱动力矩的计算是以车体重心与履带行走装置几何中心相重合为条件推导的，但实际的车体在相应工况下却具有较大的横向和纵向偏心距，其纵向偏心76农业工程学报2009年距最大约为履带接地长度的1/6，横向偏心距最大可达履带轨距的1/2，按上述理论公式计算的数据与实际情况存在很大差异。假定车体重心位于履带接地平面核心域以内（即纵向偏心距-L/6≤e≤L/6，横向偏心距-B/2≤C≤B/2，如图4所示），计算车体重心位于不同位置时的转向驱动力矩。履带接地平面核心域是履带车辆两条履带接地区段几何中心周围的一个区域，只要车体重心作用在这个区域以内，履带接地区段沿长度都能承受一定的载荷，车体重心越出这个区域时，则履带接地区段沿长度方向只有一部分接地面积承受载荷，这种情况下，最大接地比压必然大幅增加，影响履带车辆的行驶通过性和工作稳定性[8-15]。图4履带接地平面核心域Fig.4Centerregionoftrackedvehicle’sgravity1.2.1转向阻力矩由转弯时的平衡条件求得：)21(2)21(212BCfGFBCfGFff（9）式中2fF、1fF——为外侧、内侧履带转向阻力，kN；C——横向偏心距，m。分别得外侧、内侧履带转向阻力矩：22122221)21(821)21(8LeBCGLMLeBCGLM（10）式中2M、1M——为外侧、内侧履带转向阻力矩，kN·m；e——纵向偏心距，m。履带行走装置的转向阻力矩为：2221214LeGLMMM（11）可见横向偏心距C对履带行走装置的总转向阻力矩没有影响，而随着纵向偏心距e的增加，总转向阻力矩减少，当e=0时式（11）变成了式（3）。1.2.2转向驱动力矩当履带车辆内侧履带制动时：若车体重心偏于外侧履带一边时：221222214214)21(2LeBGLFLeBGLBCfGFqq（12）若车体重心偏于内侧履带一边时：221222214214)21(2LeBGLFLeBGLBCfGFqq（13）由上述公式可知，若内侧履带制动，则纵向偏心距的偏离方向与两侧驱动力的大小无关，且纵向偏心距增加，两侧驱动力减小；而横向偏心距的偏离方向只与外侧驱动力的大小有关，当重心偏于外侧履带一边时，外侧驱动力随横向偏心距的增加而增加，当车体重心偏于内侧履带一边时，外侧驱动力随横向偏心距的增加而减少。当履带车辆原地转弯时，两条履带转动方向不同：若车体重心偏于外侧履带一边时：221222214)21(2214)21(2LeBGLBCfGFLeBGLBCfGFqq（14）若车体重心偏于内侧履带一边时：221222214)21(2214)21(2LeBGLBCfGFLeBGLBCfGFqq（15）当0C，0e时，式（14）、（15）就变成了式（6）或（8）。由式（14）、（15）可知，当车体原地转向时，两侧驱动力随纵向偏心距的增加而减小；横向偏心距对两侧驱动力有影响，若车体重心偏于外侧履带一边时，外侧驱动力随横向偏心距的增加而增加，内侧驱动力反之；若车体重心偏于内侧履带一边时，内侧履带驱动力随横向偏心距的增加而增加，外侧驱动力减小。综上所述，纵向偏心距增加，则转向时两侧履带驱动力减小，横向偏心距偏于哪一侧，哪一侧的驱动力增加或不变，同时另一侧减小或不变。2计算和验证已知参数：车体质量G=3000kg，轨距B=1.35m，履带宽b=0.35m，履带接地长度L=1.75m，驱动轮节圆第3期迟媛等：履带车辆转向时最大驱动力矩的计算77半径r=0.128m，转向阻力系数取5.0，滚动阻力系数取f=0.11。2.1不考虑重心偏移时的最大驱动力矩可以借鉴经验公式（3）：将数值代入计算得：mN6431M分别计算转向半径2BR和20BR的情况，得到N6381maxqF则最大转向驱动力矩为：mN8172maxrFMq根据文献“履带车辆行驶力学”，得主动轮上的最大的驱动力及力矩为：)2(22fGFq6381NmN817maxmaxrFMq所得结果相同。2.2考虑重心偏移时的最大驱动力矩若6Le代入上述转向阻力矩公式（11）得：M6098N·m若不考虑横向偏心距，只考虑纵向偏心距，且C=0，6Le时，比较式（12）～（15），而且根据式（4）可知，原地转向即转向半径0R时，转向阻力系数最大，所以履带车辆在原地转弯时，履带驱动轮上的驱动力最大。maxqF6134NrFMqmaxmax785N·m若不考虑纵向偏心距，只考虑横向偏心距，且2BC，0e时，比较式（12）～（15），而且原地转向时，转向阻力系数最大，所以履带车辆原地转向时且靠近偏心一侧的履带驱动轮上的驱动力最大。maxqF7998NrFMqmaxmax1023N·m若既考虑纵向偏心距，又考虑横向偏心距，且6Le，2BC时，得：maxqF6998NrFMqmaxmax896N·m通过以上计算比较可知，当履带车辆原地转向，且只存在横向偏心距时靠近偏心一侧的履带的驱动力