第8章 行走式機械動力學(xué)-20121231

1、第8章 行走式機械動力學(xué)行走式機械:指在地面行走的自行式和拖式機械，例如各種汽車、拖拉機、工程機械以及軍用車輛。工程機械的種類很多，包括輪胎式和履帶式的裝載機、推土機、挖掘機、汽車起重機、鏟運機等。8.1概 述 （1）傳動系受到周期性激勵的作用，將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動，而且可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象。（2）受到?jīng)_擊載荷激勵，將產(chǎn)生受迫振動。例如起步、換擋和制動時產(chǎn)生傳動系的扭轉(zhuǎn)振動和工作裝置鋼結(jié)構(gòu)的振動。（3）輪胎和懸架等彈性支承的機架，產(chǎn)生單質(zhì)體的二自由度振動。（4）路面不平引起的隨機激勵，使機械行駛系產(chǎn)生隨機振動。（5）液壓系統(tǒng)在沖擊載荷作用下，影響整機動態(tài)特性。行走式機械振動的基本形式行走式機械

2、的動載荷1sdsivivssssFFFFFFFFFFF 動載荷大小通常用動力系數(shù)表示，是指最大載荷（靜、動載荷）與靜載荷的比值，或最大應(yīng)力與靜應(yīng)力的比值，即sFdFiFvF為動載荷為慣性載荷為振動載荷 為靜載荷行走式機械的非穩(wěn)定工作過程 1、啟動一般分為有載啟動和空載啟動（2）空載啟動）空載啟動：機構(gòu)在無外阻力情況下啟動，然后再加載（1）有載啟動）有載啟動：啟動前已作用有外阻力例如：例如：挖掘機、裝載機的鏟斗和拖拉機的犁在阻塞情況下啟動二個階段：空載加速；突然或平穩(wěn)地加載于工作裝置平穩(wěn)加載：動應(yīng)力可減小突然加載：與有載啟動的情況相似特點：特點：啟動時機構(gòu)不存在間隙，工作裝置無空行程。工作物質(zhì)量

3、（或轉(zhuǎn)動慣量）和原動機啟動轉(zhuǎn)矩愈大，啟動時傳動機構(gòu)的動載也愈大。當(dāng)外阻力矩大于啟動轉(zhuǎn)矩時，不能實現(xiàn)啟動2、制動 )(122211kTTJTTJTTrrt )(122211kTTJTTJTTrrt )(122211kTTJTTTJTrrt 1 12221()rtrTJTTTJTTktJJJTTJJJTJTTnrttrcos)(2122121tJJJTTJJJTJTTnrttrcos)(2122121tJJJTJTJJJTTTnrttrcos)(2121211tJJJTJTJJJTTTnrttrcos)(21212112maxmin122(),trrrTT JTTTTJJ2maxmin122(),

4、trrrTT JTT TTJJ1maxmin122(),trrrTT JTT TTJJ 1maxmin122(),trrrTT JTT TTJJ式中)()(2121JJkJJn 發(fā)動機離合器變速器萬向節(jié)驅(qū)動橋主減速器差速器傳動軸半軸8.2傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動 一般傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、離合器、液力變矩器、變速器、傳動軸、主傳動、輪邊減速器及輪胎（或履帶驅(qū)動輪）等主要部件組成。一、汽車傳動系統(tǒng) 后輪驅(qū)動卡車41 JJiceT5J67JJ1c56cc12JrT發(fā)動機各缸的等效轉(zhuǎn)動慣量發(fā)動機各缸上周期性激勵轉(zhuǎn)矩飛輪等效轉(zhuǎn)動慣量離合器主動盤和從動盤的等效轉(zhuǎn)動慣量變速器主、從動輪的等效轉(zhuǎn)動慣量傳動軸等效轉(zhuǎn)動慣

5、量主傳動、車輪和車體等效轉(zhuǎn)動慣量行駛阻力矩 發(fā)動機各缸上阻尼離合器主動盤和從動盤之間有內(nèi)阻尼89JJ變速器主、從動輪外阻尼1011JJ如圖為汽車傳動系統(tǒng)簡圖（不含液力變矩器） FKCM 12111098765432100JJJJJJJJJJJJM111111111010101099998888777766665555444433332222111100kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkK000000006514321ccccccccccCreeeeTTTTTF000000004321運動微分方程為根據(jù)第2、3章介紹的內(nèi)容，可以求出系統(tǒng)的固有

6、特性和系統(tǒng)的響應(yīng)（8-14）M、K和和C均為對稱陣均為對稱陣二、越野汽車傳動系統(tǒng) 四輪驅(qū)動越野車傳動系統(tǒng)簡圖分支系統(tǒng)（三個單元）11 11101110111112141114611()()()0Jkkkc11J分支系統(tǒng)與單支系統(tǒng)不同，在分支點處的質(zhì)量上，作用的彈性力矩不是二個，而是三個。圖中，除分支圓盤以外，所有圓盤的運動微分方程式與單支系統(tǒng)相同的運動微分方程為11J（8-15）系統(tǒng)的剛度矩陣為非對稱陣： 16161616151515151414131313131212121211111411141110101010999988887777666655554444333322221111000

7、000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk

8、kK分支系統(tǒng)傳遞矩陣法求系統(tǒng)的固有特性42244144111RRBBBBnnkTTJJkBAn分支轉(zhuǎn)速為主支轉(zhuǎn)速的倍B分支狀態(tài)向量關(guān)系為分支系統(tǒng)（只有1個單元）這里忽略了A、B齒輪轉(zhuǎn)動慣量，只有一個軸盤單元（8-16）忽略兩者連接處的齒輪轉(zhuǎn)動慣量對于前面的分支系統(tǒng)11121314_JJJJ，有四個軸盤單元 RRTTTTTT111112131414則分支系統(tǒng)的傳遞矩陣為式（8-16）求逆，得RBBnnRBBTJkkJT44244421111（8-17）40RBT由邊界條件，得注意：40LBT241442144(1)RRnBBRRBnBJkTJRBnnRBkJJT14424211則（8-18）（8

9、-19）A2241112441RLRnAAAnJTTnJk111RLRAABTTnT下面分析主支系統(tǒng)A在連接點1處左右狀態(tài)向量之間的關(guān)系 RBLARAn1111或11RRBAn （8-20）（8-21）將式（8-19）（8-20）代入式（8-21），得（8-22）將式（8-20）（8-22）寫成矩陣，得224241141011RLAAnAAnnJTTJk （8-23）224241141011RLAAnAAnnJTTJk （8-23）討論點傳遞矩陣，請比較式（2-75）（1）該點傳遞矩陣反應(yīng)了整個分支對主支（一個圓盤）得影響，主支其余的單元仍用第二章的方法求出單元的傳遞矩陣（2）注意：為了簡化，

10、推導(dǎo)中忽略了A、B齒輪轉(zhuǎn)動慣量，也就是忽略了兩個點矩陣。如果不能忽略，同學(xué)們可以自己推導(dǎo)！三、扭振的動載荷 n穩(wěn)定工況的共振驗算n非穩(wěn)定工況的動載荷穩(wěn)定工況的共振驗算 n發(fā)動機的激勵n萬向節(jié)的激勵n齒輪傳動所產(chǎn)生的激勵n行駛阻尼矩的激勵非穩(wěn)定工況的動載荷 n動力裝置啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩n離合器和制動器結(jié)合的啟動和制動轉(zhuǎn)矩n鏟土運輸機械和拖拉機的作業(yè)阻力發(fā)動機的激勵 發(fā)動機曲軸連桿機構(gòu)往復(fù)慣性力和燃?xì)鈮毫λa(chǎn)生的干擾轉(zhuǎn)矩是由許多簡諧成分組成的周期函數(shù)，其周期決定于發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速、沖程數(shù)和氣缸數(shù)。 一個氣缸產(chǎn)生的氣體壓力激振轉(zhuǎn)矩為1)sin(vvgvmtvwtTTT式中 Tm一個氣缸產(chǎn)生的氣體壓力

11、所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩； v 發(fā)動機激振頻率的諧波階次； Tgv 氣體力所產(chǎn)生的第v階簡諧轉(zhuǎn)矩幅值； w 發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)角速度； v 第v階簡諧轉(zhuǎn)矩的初相位；萬向節(jié)的激勵 十字軸萬向節(jié)由于夾角引起的激振轉(zhuǎn)矩包括彈性激振轉(zhuǎn)矩Ts和慣性激振轉(zhuǎn)矩Ti。tkTs12221sin)44(式中 k萬向節(jié)和傳動軸的剛度； J 傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量； 1 、1前一萬向節(jié)夾角和角速度； 2 后一萬向節(jié)夾角tJTi11212sin齒輪傳動所產(chǎn)生的激勵 應(yīng)防止傳動系統(tǒng)固有頻率接近齒輪的回轉(zhuǎn)頻率、嚙合頻率和它們的整數(shù)倍，以避免產(chǎn)生共振。行駛阻尼矩的激勵 由實驗測得，驅(qū)動輪行駛阻力矩的激勵為。)2sin(1miiittrtfFF

12、RT式中 Rt驅(qū)動輪半徑； Ft切線牽引力的平均值； Fi力的波動振幅； fi 力的波動頻率動力裝置啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩 行走式機械在起步、換擋、制動時以及在工作阻力發(fā)生變化時，有非周期性的外載荷作用，從而引起瞬時振動。其機械傳動系統(tǒng)的非周期性激勵主要有動力裝置產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩、離合器和制動器的摩擦轉(zhuǎn)矩、工作裝置的阻力矩等非穩(wěn)定工況的動載荷 動力裝置啟動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系稱為該動力裝置的機械特性，是行走式機械傳動系統(tǒng)的外部激勵之一。由于行走式機械具有多種原動機和傳動方式，其機械特性也有很多差異 傳動系統(tǒng)中離合器和制動器結(jié)合時的摩擦轉(zhuǎn)矩是逐漸上升的，通常以Tf=Tmaxt/t0或T

13、f=Tmaxsint/2t0規(guī)律變化離合器和制動器結(jié)合的啟動和制動轉(zhuǎn)矩 作業(yè)阻力是指推土機鏟土?xí)r切削土壤的阻力，裝載機鏟斗插入料堆的阻力或拖拉機耕作時土壤對犁的作用力。作業(yè)阻力的增長時一種非穩(wěn)定的過程鏟土運輸機械和拖拉機的作業(yè)阻力 iRaLTtcr25. 1 作業(yè)阻力轉(zhuǎn)化到傳動系統(tǒng)并形成阻力矩，其經(jīng)驗公式為8.3傳動系統(tǒng)的彎曲振動 將一個實際傳動系統(tǒng)簡化為彎曲振動的動力學(xué)模型，可歸結(jié)為各類邊界約束梁的振動模型的組合，即把傳動系統(tǒng)各部件按質(zhì)心不變的原則分別離散成若干個集中質(zhì)量，各集中質(zhì)量之間以無質(zhì)量的彈性梁相聯(lián)接。梁的物理參數(shù)由梁段的長度、截面特性及彈性模量確定。（P148，圖8-7）一、彎曲振

14、動的數(shù)學(xué)模型 行走式機械在行走和作業(yè)時，由于外部激勵力或慣性力的作用，其傳動系統(tǒng)會產(chǎn)生彎曲振動，甚至出現(xiàn)共振現(xiàn)象。當(dāng)傳動系統(tǒng)中軸的跨度較大時，彎曲振動將對軸、軸承、齒輪和密封件等重要零件的正確嚙合和工作產(chǎn)生不良影響，從而降低其使用壽命。 無鉸點系統(tǒng)二、彎曲振動特性計算及鉸點處理 傳遞矩陣法inimP1000100001000012 在彎曲振動系統(tǒng)中，第i個質(zhì)量的點矩陣Pi為LiinRiQMymQMy1000100001000012RiiiLiQMylEIlEIlEIlEIllQMy12321000100210621第i個質(zhì)量點場矩陣第i個質(zhì)量左側(cè)至第i-1個質(zhì)量右側(cè)的場矩陣EImlEImlml

15、mlEIlEIlEIlEIllFPUnnnniii61210021062132222223第i個質(zhì)量右側(cè)至第i-1個質(zhì)量右側(cè)的傳遞函數(shù)無鉸點系統(tǒng)二、彎曲振動特性計算及鉸點處理 傳遞矩陣法 當(dāng)某質(zhì)量i上作用有剛度ki的彈簧支座時（圖8-8），其點矩陣為LiiniiiRiLiRiLiRiLiRiQymykQMMyy2inimkP1000100001000012無鉸點系統(tǒng)二、彎曲振動特性計算及鉸點處理 傳遞矩陣法 根據(jù)已求得的各單元傳遞矩陣，可建立梁從最左端到最右端之間的傳遞關(guān)系LLnnRiiiRnUzzUUUzFPz00011LoRnQMyuuuuuuuuuuuuuuuuQMy4443424134

16、3332312423222114131211根據(jù)傳動系統(tǒng)實際工況確定兩端點處的邊界條件（表8-1）后，就可以利用上式求得傳動系統(tǒng)彎曲振動固有頻率以及主振型（包括該頻率下振動的彎矩，剪力的分布等重要數(shù)據(jù)）。有鉸點系統(tǒng)二、彎曲振動特性計算及鉸點處理 在實際的車輛動力學(xué)模型中，由于萬向節(jié)的存在，萬向節(jié)點3、7（圖8-7）相當(dāng)于一個鉸接點。由于鉸接點兩側(cè)轉(zhuǎn)角不連續(xù)，而且彎矩M=0，因此，在應(yīng)用傳遞矩陣法求解系統(tǒng)振動特性時，要根據(jù)上述條件對鉸點作必要的處理（分段寫出傳遞矩陣）（圖8-9）11UUUAii11ijjUUUBi點o點j點i點n點j點11jnnUUUDRLiAzz0RiLjBzz RjnDzz

17、 iLiRijLjRj在i、j點左側(cè)和右側(cè)之間分別有附加轉(zhuǎn)角有鉸點系統(tǒng)二、彎曲振動特性計算及鉸點處理 1000000000/100001LiiiULiiRizUzi的點矩陣為j的點矩陣為LjjRjzUz1000000000/100001LjjjU 按照從左到右的順序及傳遞矩陣法，最終可求得固有頻率。帶有鉸點的系統(tǒng)，只需求出相應(yīng)的傳遞矩陣，可使不連續(xù)系統(tǒng)變?yōu)榈刃У倪B續(xù)系統(tǒng)。8.4行駛系統(tǒng)的振動 行駛式機械行駛系統(tǒng)的振動給機械帶來兩種影響。一是動載荷引起零部件的損壞，使安全性和可靠性降低；另一方面是振動使駕駛員產(chǎn)生疲勞，從而降低工作效率。前者需要通過疲勞載荷的計算確定疲勞強度和疲勞壽命；后者常用平

18、順性予以評價。 行駛系統(tǒng)由車架、車橋、車輪和懸架等組成。行駛系統(tǒng)的振動激勵主要來源于地面。由于地面不平度產(chǎn)生的激勵是隨機的，因此，需要統(tǒng)計的方法來研究行駛系統(tǒng)的振源和振動載荷。 行走式機械行駛系統(tǒng)分為輪式和履帶式兩種一、行駛系統(tǒng)的動力學(xué)模型 懸架又有彈性和剛性兩種 從整機振動來看，可以簡化成類似的動力學(xué)模型?？紤]到行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上橫向的對稱性特點，且左右兩側(cè)地面的統(tǒng)計特性無大差別。 1.豎直振動一、行駛系統(tǒng)的動力學(xué)模型 2.俯仰振動 在多數(shù)情況下，行走式機械前后橋所承受的質(zhì)量，在豎直方向上的振動是相互獨立的。于是可對前后橋上的機體部分質(zhì)量的振動分別進(jìn)行討論。它們的振動模型簡化成二自由度（圖8-10），當(dāng)行駛系統(tǒng)無彈