工程機(jī)械轉(zhuǎn)向理論

工程機(jī)械轉(zhuǎn)向理論第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述按轉(zhuǎn)向動力來源：機(jī)械轉(zhuǎn)向動力轉(zhuǎn)向：液壓式、氣動式、電動式、和復(fù)合式按車輛獲得轉(zhuǎn)向力矩的方式：偏轉(zhuǎn)車輪和偏轉(zhuǎn)履帶轉(zhuǎn)向。鉸接車架轉(zhuǎn)向。差速（滑移）轉(zhuǎn)向。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向及偏轉(zhuǎn)履帶轉(zhuǎn)向(1)前輪偏轉(zhuǎn)：前外輪的變道行駛半徑最大，駕駛員易于用前外輪是否避過障礙來估計整機(jī)的行駛路線。(2)后輪偏轉(zhuǎn)：適用于前方安裝有工作裝置機(jī)械，前輪轉(zhuǎn)角受限，輪壓增大。后輪轉(zhuǎn)向半徑大于前輪。(3)前后輪同時偏轉(zhuǎn)：前后輪轉(zhuǎn)向半徑相同，轉(zhuǎn)向半徑小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往用于對機(jī)動性有特殊要求或機(jī)架特別長的機(jī)械。(4)多橋偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向：用于總重和長度特別大的輪式工程機(jī)械，如大型汽車式起重機(jī)多采用這種方式。(5)偏轉(zhuǎn)履帶的轉(zhuǎn)向方式：用于超大型機(jī)械。第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日多履帶行走裝置特點：履帶支承面積大，接地比壓小，一般為100～160kPa；轉(zhuǎn)向半徑大，且只要求緩慢轉(zhuǎn)向；行走速度低，一般為4～12m/min;承載能力大；轉(zhuǎn)向阻力矩大。一套獨立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以便將轉(zhuǎn)向履帶組拉偏所需的角度；兩套以上的驅(qū)動裝置，以保證各條履帶的受力及轉(zhuǎn)向速度適應(yīng)于轉(zhuǎn)向條件。多履帶行走裝置常用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有：螺旋、鋼繩和液壓三種。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日利用前后車架相對偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，輪式車輛和履帶車輛都可以采用。二、鉸接車架轉(zhuǎn)向方式特點：

1有利于迅速對準(zhǔn)作業(yè)面，減少循環(huán)時間，提高生產(chǎn)率；

2鉸接車架相對偏轉(zhuǎn)時，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡化；

3特別全輪驅(qū)動時，不必采用昂貴的驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋。

4但鉸接車架轉(zhuǎn)向時抗傾翻的穩(wěn)定性降低。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、差速(滑移)轉(zhuǎn)向差速轉(zhuǎn)向方式的車架是整體的(沒有相對偏轉(zhuǎn)的車架)，依靠改變左右兩側(cè)車輪或履帶的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來操縱行駛方向，主要用于全橋驅(qū)動的車輛或雙履帶車輛。特點：其結(jié)構(gòu)比較簡單，轉(zhuǎn)向半徑較小，但轉(zhuǎn)向時車輪的滑動較為嚴(yán)重，雙履帶車輛一般都采用這種轉(zhuǎn)向方式。第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)輪式轉(zhuǎn)向理論一、偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向理論 （一）、偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向運動學(xué)輪式車輛轉(zhuǎn)向應(yīng)滿足的三個條件：

1）．轉(zhuǎn)向時，通過各個車輪幾何軸線的垂直平面都應(yīng)相交于同一直線上，這樣就能防止各車輪在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象。輪式車輛轉(zhuǎn)向基本要求：車輪純滾動，不發(fā)生側(cè)滑、縱向滑移或滑轉(zhuǎn)。第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日對于前后輪同時偏轉(zhuǎn)時，如果前橋兩主銷之間距離K1等于后橋兩主銷之間距離K2時，即K1=K2=K時有：

要滿足上述要求，則有:式中：L——車輛的軸距，L1+L2=L第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)前后橋兩主銷之間距離K1與K2不相等而L1與L2相等時，即K1≠K2。要滿足轉(zhuǎn)向時，通過各個車輪幾何軸線的垂直平面都應(yīng)相交于同一直線上，則：可以看出K1與K2的差值越大，a1與a2相差也越大。其變化規(guī)律如圖

a1與a2關(guān)系曲線①K2-K1=0；②K2-K1=0.7m；③K2-K1=1.2m2）．轉(zhuǎn)向時，兩側(cè)驅(qū)動輪應(yīng)該以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，以避免轉(zhuǎn)向時驅(qū)動輪產(chǎn)生縱向滑移或滑轉(zhuǎn)。

第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日車輛轉(zhuǎn)向時的平均速度可以用車輛幾何中心L線速度表示，其轉(zhuǎn)向角速度為：

車輛內(nèi)、外側(cè)驅(qū)動輪的幾何中心點O1和O2的速度兩側(cè)驅(qū)動的幾何中心點轉(zhuǎn)向的速度是不相等的3）．轉(zhuǎn)向時，兩側(cè)從動輪應(yīng)能以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，以避免轉(zhuǎn)向時從動輪產(chǎn)生縱向滑移或滑轉(zhuǎn)。

這個條件比較容易滿足，因為從動輪是不驅(qū)動的，能在軸上自由旋轉(zhuǎn)。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向動力學(xué)1．轉(zhuǎn)向行駛受力分析假定兩輪車在水平地段上以等角速度作低速穩(wěn)定轉(zhuǎn)，略去離心力不計，這時受力情況如圖驅(qū)動力F’K

轉(zhuǎn)向阻力矩Muc

轉(zhuǎn)向阻力矩MuK

滾動阻力F’fc

驅(qū)動輪滾動阻力F’fK

轉(zhuǎn)向力FZ

側(cè)向阻力KZ第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日驅(qū)動力1轉(zhuǎn)向阻力矩滾動阻力滾動阻力轉(zhuǎn)向力側(cè)向阻力驅(qū)動力2驅(qū)動力3驅(qū)動力分解：第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向力圖7-3a）、b）、c）疊加起來，得圖7-3d）。將各力對轉(zhuǎn)向軸線O取矩得車輛穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時的驅(qū)動力在等速直線行駛時可看出，當(dāng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時，驅(qū)動力就必須增加第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日對一般的輪式車輛（帶有牽引負(fù)荷）在水平地段上作穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時的受力情況進(jìn)行分析第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日（1）牽引負(fù)荷Fx（2）離心力Fj它作用在牽引點上，轉(zhuǎn)向時力Fx偏轉(zhuǎn)了γ角，其縱向分為橫向分為式中：Rm——車輛質(zhì)心至軸線O的距離；b——車輛質(zhì)心至后橋中線的縱向水平距離——離心力與后橋軸線的水平夾角；G——車輛重量——后橋中點的速度第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日（3）滾動阻力轉(zhuǎn)向時各個驅(qū)動輪和導(dǎo)向輪的滾動阻力，可以認(rèn)為分別是和一半

（4）轉(zhuǎn)向阻力矩Mu驅(qū)動輪阻力矩導(dǎo)向輪阻力矩（5）驅(qū)動力（6）土壤對兩側(cè)導(dǎo)向輪的作用力Xc1和Xc2對后橋中點的矩近似相等。（7）轉(zhuǎn)向力FZ它是兩側(cè)導(dǎo)向輪的側(cè)向作用力FZ1、FZ2的向量和。力FZ的作用方向近似地認(rèn)為作用在OOc平面內(nèi)。（8）側(cè)向反作用ZK1和ZK2作用在兩側(cè)驅(qū)動輪上。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日土壤對導(dǎo)向輪和驅(qū)動的阻力矩MucMuk

及Fj和Fx的水平分量所形成的力矩稱為總轉(zhuǎn)向阻力矩：轉(zhuǎn)向力FZ對OT點所形成的力矩，稱為轉(zhuǎn)向力矩：

轉(zhuǎn)向力FZ作用線與驅(qū)動輪軸線之間的夾角

為了使車輛能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向，必須滿足下列條件后橋中點力矩平衡分析第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)車輛作穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時土壤對導(dǎo)向輪的總的側(cè)向反作用力不能超過導(dǎo)向輪的側(cè)向附著力導(dǎo)向輪的側(cè)向附著系數(shù)

第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2．轉(zhuǎn)向行駛阻力矩轉(zhuǎn)向時輪胎內(nèi)外側(cè)線速度不同：輪胎以角速度繞O點轉(zhuǎn)動其內(nèi)、外側(cè)相對地面的滑動速度第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日滑轉(zhuǎn)率在有速度損失的情況下，O1點的實際速度為輪胎幾何軸線中點O1繞轉(zhuǎn)向軸線O轉(zhuǎn)動角速度為此時，其內(nèi)、外側(cè)相對于地面的滑動速度為：將滑動速度合成，得到車輪內(nèi)、外側(cè)接地點相對地面的滑動速度：第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日輪胎滑動速度分布為ABCD，梯形。假如地面的切向反力與滑移距離成正比，則切向反力的分布與梯形ABCD相似，切向反力的合力FK必通過梯形的形心。這樣該輪胎轉(zhuǎn)向行駛時的阻力矩為：驅(qū)動力梯形面積形心距輪胎縱向?qū)ΨQ面的距離轉(zhuǎn)向行駛時單驅(qū)動輪相對地面的阻力矩為：對于從動輪，轉(zhuǎn)向行駛時相對地面的阻力矩為：式中：Y——地面作用于該輪上的垂直反力；f——滾動阻力系數(shù)第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日（三）單差速器對輪式車輛性能的影響1.單差速器的運動學(xué)行星輪公轉(zhuǎn)角速度自轉(zhuǎn)角速度一側(cè)半軸的角速度減少值與另一側(cè)半軸的角速度增加值相等，而差速器殼的角速度永遠(yuǎn)等于兩個半軸角速度的平均值。這一特性符合車輛轉(zhuǎn)向時兩側(cè)車輪角速度不等的要求。第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.單差速器的動力學(xué)差速器整體力矩平衡行星齒力矩平衡內(nèi)、外半軸力矩平衡

差速器永遠(yuǎn)將傳給它的力矩平均分配到兩側(cè)半軸，或者說作用在其兩側(cè)半軸上的力矩總是相等的。第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)兩側(cè)附著力差距過大時，可鎖死差速器以提高整機(jī)附著性能。通過單邊制動內(nèi)側(cè)半軸增加轉(zhuǎn)向力矩，以實現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎。此時，轉(zhuǎn)向力矩增大第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、鉸接式輪式車輛的轉(zhuǎn)向理論（一）鉸接式輪式車輛轉(zhuǎn)向的運動學(xué)車輛四個輪胎的運動半徑分別為第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日四個輪胎的線速度分別為第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）鉸接輪式車輛轉(zhuǎn)向力矩及阻力矩分析1．轉(zhuǎn)向力矩分析

轉(zhuǎn)向油缸布置簡圖油缸轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向力矩第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向力矩（正轉(zhuǎn)向）轉(zhuǎn)向力矩（負(fù)轉(zhuǎn)向）第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.轉(zhuǎn)向阻力距分析第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)履帶車輛的轉(zhuǎn)向理論第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、履帶車輛的轉(zhuǎn)向理論履帶式車輛，都是依靠改變兩側(cè)驅(qū)動輪上的驅(qū)動力，使其達(dá)到不同時速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的。第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）雙履帶式車輛轉(zhuǎn)向運動學(xué)從轉(zhuǎn)向軸線O到車輛縱向?qū)ΨQ平面的距離R，稱為履帶式車輛的轉(zhuǎn)向半徑。O第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日機(jī)體上任一點的運動分解成兩種運動的合成：（1）牽連運動，即該點以O(shè)T的速度v所作的直線運動；（2）相對運動，即該點以角速度Z繞OT的轉(zhuǎn)動第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）履帶式車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)1．牽引力平衡和力矩平衡在水平地段上轉(zhuǎn)向半徑R作低速穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時的受力情況（離心力可略去不計）。圖9－14轉(zhuǎn)向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向行駛時的牽引平衡可作兩點假設(shè)：（1）在相同地面條件下，轉(zhuǎn)向行駛阻力等于直線行駛阻力，且兩側(cè)履帶行駛阻力相等（2）在相同的地面條件和負(fù)荷情況下，F(xiàn)xcos

相當(dāng)于直線行駛的有效牽引力FKP，所以回轉(zhuǎn)行駛的牽引力平衡關(guān)系為：第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日設(shè)履帶車輛回轉(zhuǎn)行駛時，地面對車輛作用的阻力矩為M，在負(fù)荷Fx作用下總的轉(zhuǎn)向阻力矩為：aT——牽引點到軸線O1O2的水平距離

履帶車輛轉(zhuǎn)向是靠內(nèi)、外側(cè)履帶產(chǎn)生的驅(qū)動力不等來實現(xiàn)的，所以回轉(zhuǎn)行駛時的轉(zhuǎn)向力矩為：力矩平衡轉(zhuǎn)向力矩圖9－14轉(zhuǎn)向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時的力矩平衡關(guān)系為：牽引力矩平衡關(guān)系已經(jīng)表示出內(nèi)、外側(cè)驅(qū)動力、轉(zhuǎn)向阻力矩和結(jié)構(gòu)參數(shù)B之間的關(guān)系。為了進(jìn)一步研究回轉(zhuǎn)行駛特性，對內(nèi)、外側(cè)驅(qū)動力分別加以討論。由上式，改寫得土壤對履帶行駛所增加的反力，亦即轉(zhuǎn)向力，用FZ表示

作用下，第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日還可表示為

V稱為轉(zhuǎn)向參數(shù)

為轉(zhuǎn)向力與車輛切線牽引力之比

將v代入上式可得下式：第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日下面就v值的變化來討論一下履帶車輛轉(zhuǎn)向情況：

（1）當(dāng)v=0時，轉(zhuǎn)向阻力矩（2）當(dāng)v=0.5，內(nèi)側(cè)履帶的驅(qū)動力，（3）當(dāng)v<0.5時，內(nèi)側(cè)履帶的驅(qū)動力，（4）當(dāng)v>0.5時，內(nèi)側(cè)履帶的驅(qū)動力，車輛作直線行駛內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向離合器徹底分離，但制動器沒有制動，牽引負(fù)荷完全由外側(cè)履帶承擔(dān)說明內(nèi)側(cè)離合器處于半分離狀態(tài)，內(nèi)外側(cè)履帶都提供驅(qū)動力。說明內(nèi)側(cè)離合器不僅完全分離，且對驅(qū)動鏈輪施加了制動力矩，履帶產(chǎn)生了制動力。第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2．轉(zhuǎn)向阻力矩履帶式車輛帶負(fù)荷穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時的阻力矩:不帶負(fù)荷時轉(zhuǎn)向阻力矩:轉(zhuǎn)向阻力矩

引起轉(zhuǎn)向阻力矩的因素：（1）履帶板的支承面、側(cè)面和履刺表面與土壤的相對摩擦；（2）履帶轉(zhuǎn)動時對土壤的擠壓和剪切；（3）履帶轉(zhuǎn)動時對堆積在它旁邊土壤的推擁；（4）轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦阻力第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向阻力矩計算：兩點假設(shè)：

1）機(jī)重平均分布在兩條履帶上，且單位履帶長度上的負(fù)荷為2）形成轉(zhuǎn)向阻力矩的反力都是橫向力且是均勻分布的

由于牽引負(fù)荷橫向分力的影響，車輛轉(zhuǎn)向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至O1O2（見圖），移動距離為x0

ωzL0/2L0/2X0XdXo2o1aTFxγ第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日根據(jù)橫向力平衡原理，轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)偏移量x0可按下式計算在履帶支承面上任何一微小單元長度dx，分配在其上的機(jī)器重力為?？偟霓D(zhuǎn)向阻力矩可按下式進(jìn)行計算：

將上式代入并積分得：轉(zhuǎn)向軸線偏移量μ：轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向軸線偏移量x0=0表示機(jī)械重心無偏移，則轉(zhuǎn)向阻力矩：上式是在壓力均布條件下求得的，而大多實際情況下履帶接地長度上的壓力分布是不均勻的，所以轉(zhuǎn)向阻力矩的計算法也不盡相同。

轉(zhuǎn)向力矩：第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日幾種典型壓力下轉(zhuǎn)向阻矩的計算式。第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)表示作用在履帶支承面上單位機(jī)器重量所引起的土壤換算橫向反力。試驗表明：履帶車輛的轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)與土壤的物理機(jī)械性質(zhì)、履帶板的結(jié)構(gòu)、履帶對土壤的單位壓力、履刺插入土壤的深度、機(jī)器行駛速度等有關(guān)。車輛的轉(zhuǎn)向半徑對系數(shù)的影響很大，當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑減小時，由于履帶的掘土現(xiàn)象使土壤擠壓反力增大，的數(shù)值隨之增大。當(dāng)車輛急轉(zhuǎn)彎時，值的變化一般在0.4（硬土路面）和0.7（疏松土壤）之間。車輛作急轉(zhuǎn)彎時，即R=（0.5~1）B，轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)達(dá)到最大值max。地面條件不同，最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)也就不同，通常松軟土壤地面最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)約0.6~0.7，干土路面為0.5~0.6，雪路約0.15~0.25

第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖9-17在兩種土壤上轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)隨轉(zhuǎn)彎半徑而變化的關(guān)系曲線當(dāng)車輛以任一轉(zhuǎn)向半徑R進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μ值可按以下經(jīng)驗公式計算第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日（三）影響履帶車輛轉(zhuǎn)向能力的因素穩(wěn)定轉(zhuǎn)向條件：Mz=M∑。轉(zhuǎn)向影響因素：發(fā)動機(jī)功率、土壤的附著條件。1．轉(zhuǎn)向能力受限于發(fā)動機(jī)功率的條件履帶式車輛在水平地段上作穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時所消耗的功率則由下列三部分所組成：（1）車輛作基本直線運動所消耗的功率：（2）車輛繞本身的相對轉(zhuǎn)動軸線OT轉(zhuǎn)動所消耗的功率：（3）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或制動器的摩擦元件所消耗的功率：轉(zhuǎn)向離合器或制動器上的摩擦力矩及主從動片間的相對角速度。第五十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖9－14轉(zhuǎn)向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第五十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日履帶車輛作穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時，傳到中央傳動從動齒輪上的功率可分為