车辆的牵引性能、动力性能和燃料经济性

1、第五章 车辆的牵引性能、动力性能和燃料经济性    一般来说，施工机械的工作过程有两种典型工况：牵引工况和运输工况。机器在牵引工况下工作时，需要克服由铲土而产生的巨大工作阻力，因而要求机器能发挥强大的牵引力。当机器在运输工况下工作时，需要克服的仅是数值不大的行驶阻力，此时主要要求机器在越野条件下能具有高的速度性能：加速性能、运行稳定性和机动性。但是，对于运行速度较低的铲土运输机械来说，最主要的工况乃是牵引工况。    机器的牵引性能和牵引工况下的燃料经济性是指机器在牵引工况下的工作能力和燃料消耗的多少。为了有效地完成牵引工况，必须使机

2、器在低档工作时保证发动机的功率高效率地转换成作业用的牵引功率，并发挥出必要的牵引力，同时所消耗的燃料则应尽可能的低。    车辆的牵引性能和燃料经济性通常是用机器的牵引特性来评价的。本章将着重讨论工业车辆的牵引特性及其计算与绘制方法。 第一节 牵引力平衡和牵引功率平衡推动履带车辆前进的驱动力是地面作用在履带上的切线牵引力。产生这一切线牵引力的原动力是由发动机传至驱动轮上的驱动力矩，而驱动力矩本身又需依靠履带与土壤之间的附着作用才能得以充分发挥。因此，车辆的切线牵引力可按两种限制条件来计算：即按发动机的功率和地面的附着条件。发动机的特性和地面的附着条件是牵引力平衡和

3、牵引功率平衡计算的基础。一、驱动力的确定(一机械直接传动的车辆驱动力的确定发动机的功率在输入变速器之前，必须分出一部分来驱动机器的辅助装置。对装载机一类的机械，还需分出相当大的一部分功率来驱动工作机构。因此在计算驱动力矩时应将这一部分转矩(功率从发动机的转矩Me (功率Pe中扣除。设MBa和MPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的发动机转矩，PBa和PPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的发动机功率，则输入变速器的发动机自由转矩Mec和自由功率Pec可按下式计算：Mec = MeMBa MPTO        

4、;                              (5-1         Pec = PePBa PPTO          

5、                              (5-2对履带推土机,这种辅助装置主要是操纵主离合器、转向离合器和工作装置用的工作油泵和润滑油泵。在推土机作业时，操纵系统只有短暂性的工作，因此辅助装置的消耗可按液压系统的空载回路(阻力消耗来计算。此时，转矩的损失可近似地认为与发动机转速成正比。当发

6、动机在额定转速工作时，这种损失约占发动机额定转矩的35，亦即：                 MBa = (0.030.05 MeH (                         （5-3）式

7、中：MeH 发动机的额定转矩；neH 发动机的额定转速；ne 发动机转速。对于轮式装载机，驱动工作机构消耗的转矩MPTO可按发动机额定转矩的2040%来考虑。在等速稳定运转的工况下，驱动轮上的力矩MK可按下式计算：             MK = Mec imm                   

8、0;                    (5-4式中：im 传动系总传动比(自发动机至驱动轮；m 传动系总效率。在一般情况下，           im = ig×io×is =  =       

9、;                           (5-5式中：ig 变速器各档的传动比；io 主减速器传动比；is 侧减速器传动比；、 发动机转速和角速度； 、 驱动轮转速和角速度。传动系的总效率则可按下式计算：m =          &#

10、160;                                (5-6式中： 圆柱齿轮的传动效率(=0.985； 圆锥齿轮的传动效率(=0.97；m1 传动系中圆柱齿轮的对数；m2 传动系中圆锥齿轮的对数。根据式(1-20和式(5-4，切线牵引力FK可按下式计算：

11、60;                                           (5-7式中： 驱动轮动力半径；    履带驱动段效率(=

12、 0.960.97。当工作阻力突然减小或增大时，机器处于减速或加速的不稳定过程。此时由于发动机飞轮、传动系以及整车质量惯性力的作用，驱动力矩和切线牵引力都会发生变化。尤其是在减速过程中，此种惯性力可用来增大车辆的驱动力，以克服铲掘阻力的短时增大(即所谓冲击铲掘。此点对机械传动的工业拖拉机是有实用意义的。在不稳定工况下，履带车辆的切线牵引力FK可按下式计算：     FK               

13、0;              (5-8式中：G 机器重力；g 重力加速度；J发动机运动质量换算至曲轴上的转动惯量(传动系的转动惯量很小，通常忽略不计； 机器前进的减速度或加速度。由附着条件决定的最大有效牵引力F(附着力可按下式确定：              FG      &

14、#160;                                      (5-9由附着条件决定的最大切线牵引力(最大附着力F可按下式计算：      

15、60;   F(+ f G                                          (5-10式(5-9和(5-10中：G 机器重力；履带与地面

16、的附着系数；f 由履带行走机构的滚动阻力系数。(二液力机械传动车辆驱动力的确定如前所述，在液力机械传动中可将发动机和液力变矩器看成是某种复合的动力装置。因此，对于这种传动形式的机械传动部分，只要给出了变矩器与发动机共同工作的输出特性，则驱动力计算与机械直接传动的情况并无原则的区别，但计算的原始依据应是涡轮输出轴的转矩M2。需要注意的是：当计算变矩器的输出特性时，在发动机的有效功率中必须扣除由发动机直接驱动的功率输出轴(例如装载机的驱动工作机构的油泵和辅助装置所消耗的功率。和机械直接传动的情况不同，在液力机械传动中，辅助装置的消耗不仅包括主离合器、转向等油泵的空载消耗，而且还有变矩器冷却油泵的消

17、耗，该油泵是按照工作负荷运转的。辅助装置的扭矩消耗MBa按下式计算：MBa (0.030.05MeH+MBaT                      (5-11式中：MBaT 变矩器油泵所消耗的扭矩。MBaT可按下式计算  MBaT =            

18、60;                   (5-12式中：p 油泵工作压力(MPa；qT 油泵理论排量(ml/r；  油泵机械效率，= 0.850.88。对于推土机而言，MPTO = 0。 对于装载机而言，可取MPTO = (0.200.40MeH在车辆等速稳定行驶的工况下，驱动力矩MK可按下式计算：        

19、     MK                                      (5-13式中：M2 涡轮输出扭矩；im 机械传动部分的总传动比(自变矩器输出轴至驱动轮； 

20、;   机械传动部分的总效率。im和仍可按式(5-5和(5-6进行计算，只是ne和应用相应的n2和来代替。需要注意的是，如果采用动力换档变速器，其功率损失不仅有齿轮的啮合损失，但主要的损失还是各离合器中的回转损失。对于此种损失尚无精确的计算办法，在实用计算中，动力换档变速器的转矩损失可按3050N·m来考虑(对于1020t级的机器，并将其在变速器的输出转矩中扣除。切线牵引力FK可按下式计算：       FK =        

21、0;                                (5-14由附着条件决定的最大牵引力F与最大切线牵引力F的计算公式与机械传动时相同，见式(5-9和(5-10。当液力机械传动的履带车辆在不稳定工况下工作时，由于变矩器对发动机负荷的隔离作用(不透穿性，利用发动机飞

22、轮惯性来增大切线牵引力的可能性大大降低。但变矩器的变矩作用通常能保证机器具有足够大的牵引力以克服临时增大的切削阻力。因此，利用机器在减速时的惯性来增大牵引力的问题，在这种场合，没有太大实用意义，故本文不再多作讨论。二、牵引力平衡和牵引功率平衡工业车辆的牵引力平衡和功率平衡表明了当机器工作时它的切线牵引力和发动机的有效功率是怎样分配、消耗和被利用的。机器的牵引力平衡方程和牵引功率平衡方程是计算牵引力和牵引功率的基本方程。(一牵引力平衡方程我们知道，在等速行速工况下车辆牵引力平衡方程为：FK =现在来考察在稳定行驶的牵引工况下，作用在车辆上的外部阻力，这些外部阻力包括以下各项：1.滚动阻力Ff &

23、#160;                             Ff = f G cos                   

24、      (5-15式中： 运动表面对水平面的倾角；G 机器重量。2.坡道阻力Fi                              Fi =±Gsin       &#

25、160;                  (5-16式中正号表示上坡，负号表示下坡。3.工作阻力Fx 工作阻力Fx 即作用在工作装置上的铲掘阻力。这样，作用在车辆上的外部阻力和总和即等于：                    

26、   = Ff + Fi + Fx                           (5-17于是，车辆的牵引平衡方程具有以下形式：                &

27、#160;   FK = Ff + Fi + Fx                             (5-18机器作等速运行时，有效牵引力FKP的一般表达式为：           

28、      FKP = FKG(f cos±sin                          (5-19当机在水平地面上作等速行驶时，            &#

29、160;           FKP = FKf·G                              (5-20机器在不稳定工况下运动时，对于机械直接传动的车辆，需要考虑运动质量惯性力的影响

30、，此时牵引平衡方程为：                  FK = Ff + Fi +FjFx                            (5-21

31、式中：Fj为惯性阻力，可按下式计算：                   Fj =±                         (5-22式中正号表示加速惯性力，负

32、号表示减速惯性力，其他符号意义见式（5-8）。此时机器的有效牵引力FKP的表达式为：       FKPPKG(f cos±sin±           (5-23(二牵引功率平衡方程牵引功率和牵引效率的计算1.机械传动当机械传动的车辆在等速牵引工况下工作时，发动机的有效功率Pe将按以下各部分分配。1驱动辅助装置消耗的功率PBa这部分功率主要消耗在克服操纵和润滑系统油泵的空载回路阻力中，它可按下列公式计算： 

33、;                PBa = MBa nc=(0.030.05PeH                   (5-24式中：PeH 发动机的额定功率。如用表示驱动辅助装置的效率，则      &#

34、160;          =                                    (5-25式中：Pe 发动机有效功率。2驱动功率输出轴所需的功率PP

35、TO这部分功率计算需视车辆所带工作装置的类型决定。对于推土机可认为在推土时，工作装置等操纵系统基本上是不工作的，此时PPTO = 0。对于装载机可取：PPTO =(0.200.40 PeH输入变速器的功率，亦即发动机的自由功率Pec为：                          Pec = Pe(PBa+ PPTO  &

36、#160;                    (5-263传动系中的功率损失Pm                        Pm = Pec (1  &

37、#160;                     (5-27式中： 传动系总效率。驱动轮上的驱动功率PK则可按下式计算：                    PK = PecPm = Pec  &

38、#160;                        (5-284履带驱动段上的功率损失 Pr            Pr = PK(1 = Pec (1      

39、                 (5-29履带上的理论切线牵引功率可按下式计算：             PKPr PKPec                

40、     (5-30当切线牵引力FK 和车辆的理论速度为已知时，则亦可直接按FK与计算：= FK                                      

41、0;  (5-315履带滑转引起的功率损失FKFK                                  (5-32式中：履带对地面的滑转速度；滑转率。如果用滑转效率来表示由于滑转而引起的理论切线牵引功率的损失，则：  

42、0;                 (5-33式中：车辆的实际行驶速度。上式表明，实际上代表了由于滑转而引起的理论速度的损失，所以也称速度效率。表示了切线牵引力实际产生的推动车辆前进的功率，称为实际切线牵引功率，并可接下式计算：= Pec                

43、0; (5-34也可用切线牵引力FK与机器实际行驶速度之乘积来表示：=FK                                            (5-3

44、56消耗在克服滚动阻力上的功率Ff=cos                                    (5-36式中：机械重量；工作面坡角；f滚动阻力系数。如机器在水平面上工作，则：= Ff    

45、                                           (5-37式中：Ff滚动阻力。如果用效率表示由于克服滚动阻力而造成的实际切线牵引功率之损失，则

46、=                          (5-38式中：称为滚动效率，它实际上代表了因克服滚动阻力而引起的切线牵引力之损失，所以也称力效率。为实际切线牵引功率扣除滚动阻力消耗的功率之后，所剩余的可供克服有效阻力用的功率。当机器在水平地段上工作时，它即为车辆的有效牵引功率。= Pec      &

47、#160;        (5-397消耗在克服坡道阻力上的功率Gvsin                                       

48、;(5-408消耗在克服工作阻力上的功率，即有效牵引功率Fxv                                            (5-41在上述各项

49、计算公式中，机器的理论行驶速度和实际行驶速度v用以下公式计算：0.377（kmh）                              (5-42v(1-0.377(1-（kmh）          &#

50、160;        (5-43这样，车辆的功率平衡方程可列如下：PBa PPTO Pm Pr+                (5-44从以上方程中可得有效牵引功率的一般表达式如下：=PePBaPPTOPm Pr              

51、60;  (5-45式(5-44和(5-45表达了牵引功率的物理意义，即车辆的牵引功率式发动机是发动机的有效功率中扣除了各种损失后所剩余的，可供进行有效作业的功率。由于PePBaPPTOPm Pr 则车辆在水平地面作业时有效牵引功率的基本计算公式可表达如下：= Pec                        (5-46    车辆牵

52、引功率在发动机功率中所占的百分比称为车辆的牵引效率。对于无功率分出的情况，例如推土机，可用有效牵引功率与发动机有效功率Pe之比来表示，在此情况下，车辆的总效率：                    (5-47对于有功率分出的情况，例如装载机，可用牵引功率与（PePPTO）之比来表示：          &#

53、160;              (5-48在此种情况下，车辆的总效率用机器输出的全部有效功率与发动机相应的有效功率之比来表示。总效率以下式表示：                           

54、; (5-49式中： 功率输出轴驱动系统的效率。在许多场合下，牵引效率也常常用牵引功率与发动机的额定功率PeH之比来表示，即： =                                     (5-502.液力机械传动对于液力机械传动的车辆，发动机有效功率的分配和消耗略有不同。此时除机械传动的各项损失外，还需增加液力传动中的功率损失。在这种场合下，车辆的功率平衡方程可列如下：PBa PPTO PTe + Pm Pr+         (5-51式中：PTe 液力传动部分(变矩器的功率损失；Pm 机械传动部分的功率损失。在公式(5-51中，需要注意的是，辅助装置消耗的功率PBa不仅包括各油泵回路的空载阻力耗损，而且还应包括带工作负荷的变矩器冷却油泵所消耗的功