工程机械理论与设计12

1、单元标题 第五章 工程机械牵引性能 单元学时 3 教学目标使学生认识工程机械的牵引特性，牵引性能参数的合理匹配，牵引特性的绘制以及动力特性。学会建立牵引力平衡和牵引功率平衡方程。教学重点牵引特性、动力特性的概念，牵引性能参数的合理匹配的条件。教学难点牵引特性的绘制，牵引力平衡和牵引功率平衡方程的建立。教学方式方法 采用ppt，以文档、图片等形式引导学生建立起对工程机械牵引特性、动力特性的认识。教学手段采用ppt，以面授通过文档，图片等形式讲解教学过程回顾及导引新课第一节 工程机械工况第二节 工作阻力计算第三节 工程机械的驱动力第四节 牵引力平衡和牵引功率平衡第五节 牵引特性第六节 理论牵引特性

2、的绘制第七节 试验牵引特性第八节 牵引性能参数的合理匹配第九节 动力特性讲课内容（转讲稿页）讲 课 内 容 备 课 札 记第四章 工程机械牵引性能第一节 工程机械工况工况的概念：系指整机的工作状态或机器与作业环境相互作用的状态之简称。n 铲上运输机械的运用条件多变可能形成许多不同的工况。（1）典型工况典型工况:在众多可能的工况中,机器在运用时经常出现的,对机器的设计和评价其性能有决定形响的工况称为典型工况。工程机械工作过程有两种典型工况：牵引工况和运输工况n 牵引工况时，工程机械需要克服工作装置作业而引起的巨大工作阻力，需要发动机和底盘系统发挥强大的牵引力。此时，工程机械以低挡工作。n 运输工

3、况时，工程机械仅需克服车辆的行驶阻力，此时，运输距离较大，为提高生产率，工程机械在高挡工作。 （2）牵引工况对机器的设计要求牵引工况对机器的设计要求是：1机器的适应性较强确保在变化较大的工作阻力下稳定工作；2机器在低档工作时应能发挥足够大的牵引力，以便克服短时最大工作阻力；而且牵引效率较高；3发动机的功率应能较好地发挥和利用；4整机布置合理、整机性能匹配且最大圆周牵引力大于附着牵引力。（3）运输工况对机器总体设计的一般要求运输工况对机器总体设计的一般要求如下：1速度性能好即运行速度快，变速方便、迅速机器加速性能好，而月在各种速度下运行发动机功率利用充分；2机器的机动性好、能适应各种运用情况的转

4、向、调度要求转向半径小；3机器的通过性好，既能通过松软、泥泞的路面，又具力较大的爬坡能力；4机器的稳定性好，对于各种复杂的工作情况,机器有足够的纵向、横向稳定性。(4)工程机械牵引性能工程机械牵引性能是指工程机械依靠其行走机构和地面的相互作用所发挥的牵引力来完成作业过程的能力。第二节 工作阻力计算一、牵引工况阻力计算1机器在牵引工况下的工作阻力2回转质量换算系数x回转质量换算系数x：考虑了发动机、传动系、行走机构各回转零件在机器加速或减速过程中产生的对机器直线运行的惯性力。n 对于机械传动的机器来说，传动系各轴上的回转零件换算到驱动轮轴上的等效转动惯量与该轴至驱动轮轴之间的传动比之平方成正比。

5、n 变速箱各轴零件的转动惯量较小，而传动系末端的传动零件的转动惯量虽大，但转速低，因此，在计算系数x时，可近似地仅考虑发动机和行走机构回转零件的惯件影响。x可按下式计算n 对于履带式行走机构则可按下式近似估算； 二、运输工况的阻力计算当铲土运输机械在运输工况下工作时，作用于机器的阻力应包括滚动阻力Pf、坡道阻力P，和惯性阻力Pjn 它们的计算方法同牵引工况。对于运行速度较高的轮式机械还应包括风阻力PW，PW按下式计算空气阻力n 运输工况的工作阻力： 第三节 工程机械的驱动力工程机械的驱动力:是地面作用在其行走机构上的切线牵引力，它是发功机传至驱动轮上的驱动转矩，并依靠行走机构与地面之间的附着作

6、用才得以充分发挥。1工程机械的驱动力计算机械传动式工程机械的驱动力计算(一)稳定运行时的驱动力计算工程机械在等速稳定运转条件下，传至驱动轮上的转矩MK为式中，Mea-发动机的自由力矩im-传动系的总传动比 m-传动系的总效率传动系总效率 辅助装置n 发动机的功率在输入变速箱之前，必须分出一部分来驱动车辆的辅助装置。有的工程机械还需分出相当大的部分功率来驱动工作装置。 n 因此，在计算发动机自由驱动转矩和功率时，应将这部分转矩从发动机的转矩中扣除。 n 辅助装置主要是操纵主离合器、转向离合器和工作装置的工作油泵和润滑油泵。n 按液压系统的卸荷状态(即空载)计算 n 功率输出轴驱动工作机构消耗的力

7、矩：n 对于轮式装载机由功率输出轴驱动工作机构消耗的力矩Mout可按发动机额定力矩的2040来考虑。切线牵引力PKn 在驱动转矩MK作用下，行走机构切线牵引力PK为：n 对轮式工程机械:n 式中rc轮式行走机构的动力半径切线牵引力n 履带式行走机构：n 式中t履带驱动段效率，t=0.960.97不稳定运行时(二)工程机械作不稳定运行时的驱动力计算n 当机器的工作阻力突然减小或增大时机器将处于加速或减速的不稳定运行状态。由于发动机飞轮、传动系的旋转零件及整机质量的惯性力(或力矩)的影响驱动力矩和圆周牵引力都会发生变化。 加减速对驱动力矩Mk的影响：1 若为加速运行时，发动机的部分能量用于加速飞轮

8、和传动系中与飞轮刚性连接的其它旋转零件则驱动力矩Mk将减小。2 当机器减速运行时。惯性影响作用相反。增大了驱动力矩，可以帮助机器克服短时作用的工作阻力。 n 对于轮式行走机构，在不稳定运行时，驱动轮的驱动力矩第四节 牵引力平衡和牵引功率平衡铲土运输机械的牵引平衡是指在各种工况下的驱动力与工作阻力的平衡以及驱动功率与克服各种阻力所消耗的功率之间的平衡。一、铲土运输机械的牵引力平衡方程n 机器在牵引工况下工作时，其牵引力的平衡方程为：n 当机器在水平地面上等速运行时n 当机器在运输工况下工作时，其牵引力的平衡方程为：二、铲土运输机械的功率平衡方程(一)机器采用机械传动时的功率平衡方程n 考虑机器的

9、功率平衡时，应以输入变速箱的功率，即发动机的自由功率Nea为依据来建立功率平衡方程。发动机的自由功率Nea为：辅助装置消耗的功率计算n NF由辅助装置空载消耗的功率NF和受工作载荷时所消耗的功率N”F构成第五节 牵引特性牵引特性是反映工程机械牵引性能和燃料经济性最基本的特性曲线。n 牵引特性以图解的形式表示了工程机械在一定的地面条件下，在水平地段以全油门作等速运行时，工程机械各挡的牵引参数随有效牵引力P而变化的函数关系。这些牵引参数包括：有效牵引功率，实际速度V，牵引效率，小时燃油耗GP，比油耗，滑转率，和发动机功率Ne，(或转速ne)，亦即：以上各量的图解形式。牵引特性可分为理论特性和试验特

10、性两种。n 理论牵引特性是根据工程机械的基本参数，通过牵引计算来绘制的。由于计算时不可避免地要引入某些假设，所以理论牵引特性与实际情况总会有某些出入。n 试验牵引特性：是通过牵引试验测得的牵引特性，较能真实地表明工程机械实际牵引性能和燃料经济性。n 作用：在牵引特性图上可以标出工程机械在最低挡的某些特征工况下各项牵引参数的具体数值,作为表征工程机械牵引性能和燃料经济件的基本指标(见图41)。特征工况为：1)最大有效牵引功率工况：2)最大牵引效率工况:3)发动机额定功率工况:4)额定滑转率工况:5)由发动机转矩决定的最大牵引力工况:6)由附着条件决定的最大牵引力工况:n 对于液力机械传动还应补充

11、：7)变矩器最大输出功率工况；8)变矩器工作转矩决定的最大牵引力工况。 牵引特性的作用1.在机械的设计过程中，牵引特性被用于：研究和检查发动机、传动系、行走机构和工作装置的参数之间的匹配是否合理；2.比较、评价各总体方案的动力性能和经济性能，并择优确定设计方案；3.评价、判别设计方案与现有同类机器相比较的优劣；通过牵引特性全面量化地描述机器的牵引性能、速度性能和经济性。4.在机器使用过程中，牵引特性有助于合理地使用机器，合理地组织机械化施工中各种机型的配合，充分发挥机器的性能，提高生产率。第六节 理论牵引特性的绘制(i)已知的原始资料1)发动机调速外特性，包括以下曲线：2)工程机械使用重量Gs

12、和附着重量Gn 使用重量:变应包括工程机械净重，全部液体重量(燃料，容量的23以上，冷却水、润滑油、按规定量注入的工作油)，随车工具及驾驶员重量(按75kg计算)。n 附着重量: 指作用在驱动元件上的部分使用重量。显然，履带车辆的使用重量等于附着重量。3)传动系各挡总传动比i m及传动效率m。4)驱动轮动力半径rd 。5)地面条件和滑转率曲线。轮式工程机械n 对于工程机械的典型地面条件，自然密实的粘性新切土按以下经验公式绘制：n 对于轮式工程机械(轮胎气压在0203MPa范围)对于履带式工程机械(在00.5范围内)液力机械传动n 对液力机械传动的工程机械，可将发动机和液力变矩器看成是复合动力装

13、置，两者共同工作的输出特性可视为复合动力装置的外部特性，其牵引特性的绘制方法与上述并无原则差别。第七节 试验牵引特性试验牵引特性:通过牵引试验实际测定的牵引特性称为机器的试验牵引特性。作用：利用试验牵引特性可以全面地评价机器牵引性能和燃油经济性，也可检验机器总体设计的合理性。n 牵引试验是机器的主要试验之一。一、牵引试验方法的基本原理(一)基本试验方法牵引试验可以分为：1 专用的试验台架试验试验台试验：是根据相对运动的可逆性原理制造的。2 跑道试验：场地试验n 加载方式：试验负荷由专用的负荷车来加载。或采用大功率的拖拉机加载。n 试验应测定的数据为：有效牵引力P、试验机器的行驶距离L，通过这距

14、离的时间t、相应的燃油消耗量Ge ， 左右驱动轮的转速nk 和力矩MKL 、MKR ， 发动机转速ne 。 n 有时为了进一步分析牵引效率的组成还可附加测定发动机的输出转矩和左右驱动轮的驱动转矩。目前在牵引试验中广泛采用着各种电测仪器，大大提高了测定的真实性和测试效果。(二)试验地段土壤条件的测定n 为了明确表示牵引试验的路面条件，可用土壤的颗粒级配、密实度、含水量与强度来评价试验地段的土壤的物理机械性能。二、试验数据处理n 根据牵引试验所获得的测量数据，经整理后，可按下述公式确定绘制特性的各项数值。1应取牵引负荷稳定的区段的每次试验有效牵引力p之读数的平均值，作为P的标准值。2实际运行速度v

15、可根据在相应区段(即确定有效牵引力的同一区段)，由五轮仪测定的行驶距离L和相应的试验持续时间t来计算.第八节 牵引性能参数的合理匹配牵引特性是评价工程机械的牵引性能和燃料经济性的基本依据。牵引特性图的作用为：1 在牵引特性图上可以看到不同挡位下工程机械动力性和经济性各项指标的具体数值;2 可以从各挡特性曲线的形状、走向和分布中获知在不同牵引负荷下工程机械牵引性能和燃料经济性的变化情况、各挡传动比的分配情况和牵引力、速度的适应性能。3.可以根据各特征工况下的功率平衡来分析发动机额定功率的分配情况4 从各特征工况在牵引特性图上的位置和相互关系中来分析牵引性能参数匹配的合理性。n 通过这些分析将进一

16、步表明各总成的工作性能是否获得充分发挥，并表示出工程机械牵引性能和燃料经济性良好或欠佳的原因。牵引性能参数的合理匹配 牵引性能参数是指机器总体参数中直接影响机械牵引性能的发动机、传动系、行走机构、工作装置的基本参数。由于牵引性能是车辆的基本性能，这些参数的确定也就决定了所没计机器的基本性能指标； 施工机械在作业时发动机、传动系、行走机构、工作装置既相互联系又相互制约。机器的整机性能不仅取决于总成本身的性能，而且也与各总成间的工作是否协调有着密切的关系；因此，在机器的总体参数之间存在着相互匹配是否合理的问题。只有正确地选择发动机、传动系、行走机构、工作装置的参数，并保证它们之间具有合理的匹配，才

17、能充分发挥各总成本身的性能，从而使整机获得较高的技术经济指标。对机械传动的车辆来说，机器的作业是通过发动机机械传动系、行走机构和工作装置的共同工作来完成的，在这种共同工作过程中，机器每个总成性能的充分发挥都将受到其他总成性能的制约，而机器的牵引特性则将以机器外部输出特性的形式显示出各总成共同工作的最终结果，因此，在选择各总成的参数时，必须充分注意到它们之间相互的制约关系，这种制约关系主要反映在切线牵引力与发动机调速特性之间的相互配置，以及发动机的最大输出功率和工作阻力与行走机构滑转曲线之间的相互配置上。下面将着重讨论上述配置关系对各总成和整机性能的影响以及如何保证机器牵引性能参数之间合理匹配的

18、问题。 一、切线牵引力在发动机调速特性上的配置 铲土运输机械的工作对象大多是较为坚硬的土石方，其中常常还有巨大的石块、树根、土的均质性也比普通耕地差得多。因此，在作业过程中工作阻力会发生急剧变化，并常常出现短时间的高峰载荷以及行走机构完全滑转等情况。这是大部分铲土运输机构负荷工况的显著特点。工作阻力的急剧变化使得机器的切线牵引力也随之发生急剧的变化，后者通过传动系反映到发动机曲轴上来，就形成了曲轴急剧波动的阻力矩。许多研究表明，这种急剧波动的负荷对发动机的性能将产生很大的影响；因此，在变负荷工况下发动机的实际平均输出功率和平均比油牦会大大偏离它们的额定指标。平均输出功率和比油耗的数值与曲轴阻力

19、矩MC在凋连特性上的配置位置有关。对于同样变化的切线牵引力，当选择不同的传动系传动比时，可以在发动机曲轴上获得一系列相似的负荷循环。因此，通过调节传动比的方法就可以改变发动机负荷循环在调速特性上的位置，这就产生了应该如何配置曲轴阻力矩在调速特性上的位置，以获得最大的平均输出功率(图1-2-16)因此，发动机只有在稳定工况下工作时才能输出额定功率。而平均阻力矩的工作点才能配置得等于其额定转矩。当阻力矩发生波动时，发动机的最大平均输出功率总是小于它的额定功率。只有适当配置阻力矩在发动机调速特性上的位置，才能获得最大的平均输出功率。n 在分析牵引性能参数的匹配时，可从以下几方面考虑：1) 牵引参数合

20、理匹配的第一个条件：由发动机转矩决定的最大牵引力Pmax应大于地面附着条件所决定的最大牵引力(即附着力)P满足第一个条件的原因牵引性能参数的匹配必须保证工程机械在突然超负荷时，首先发生行走机构的滑转，而不应导致发动机熄火，此时由发动机扭矩所决定的最大牵引力应留有适当的储备(相对于地面的附着力而言)。n 此时，行走机构的滑转起着一种自动保护作用。它一方而减轻了司机的操作，另一方面自动地保护了发动机不致严重超载。2）牵引性能参数合理匹配的第二个条件当发动机在额定工况下工作时，机器的行走机构将在额定滑转率工况下工作，此时由发动机额定功率决定的有效牵引力与行走机构额定滑转率决定的额定牵引力PH应相等，

21、亦即 满足第二个条件的原因n 工程机械在这样的匹配条件下工作时，有效牵引力稍大于额定牵引力 PH (例如大10左右)，即会引起行走机构完全滑转。这样，便于司机在作业过程中掌握作业参数，使工程机械尽可能在接近额定牵引力的范围内作业。作用1) 由于行走机构滑转的自动保护作用将防止发动机在作业过程中产生严重超载2)使发动机在工作循环的大部分时间内将在调速区段上工作,从而可保证发动机在变负荷工况下能获得较好的动力性经济性。3）牵引性能参数合理匹配的第三个条件工程机械工作过程中的平均最大工作阻力Px应等于行走机构的额定牵引力PH，原因n 为了使工程机械获得较高的生产率，应保证工程机械作业过程中发生的最大

22、工作阻力应在行走机构的额定滑转率工况附近n 从而保证工作装置的容量与额定牵引力相适应。（四）速度档位数的选择和各档传动比的分配n 机械上采用多挡变速器的目的，主要是为了满足不同工况（运输工况和牵引工况）、不同作业条件以及工作循环中不同工序对牵引力和速度的要求。选择档位数和分配传动比时，通常都遵循着一些共同的原则 ：n 第一：必须保证机器牵引特性图上各档速度曲线有适当的重叠，并且高一档的最大有效牵引力点应该处于低一档的速度曲线之下（见图47）目的：当工作阻力大到必须换至低一档时，机器的车速仍然接近换档前的速度，发动机也不易熄火。 n 第二：为了使发动机的功率在各档工作范围内均获得同等程度的利用（

23、具有相同的平均功率），必须保证机器在各档工作时发动机的扭矩、转速和功率都能在同一范围内变化。 n 对轮式机械来说，也为了获得最大的起步加速度。n 这一要求可通过按几何级数分配各档传动比的方法来实现。 证明：由于，又有，从上式中消去，.，则.由此可得：传动比公比:n 这就是说，根据上述分配原则所得的各档传动比为一几何级数。第九节 动力特性一、动力特性的概念及动力因数动力特性：是机器在运输工况下的动力性能的基本特性。可以用于评价机器的以下三个方面能力：1.车辆的速度性能（最高行驶速度）2.加速性能（加速时间）3.爬坡能力（最大爬坡角度）它们与以下阻力有关：n 滚动阻力： （影响车速）n 坡道阻力：

24、 （爬坡能力）n 惯性阻力： （加速时间）以上阻力皆与机重有关，为便于比较不同机器重量的动力性能，引入动力因数概念。n 根据运输工况下的牵引力的平衡方程即将上式变换后得： 动力因数：数值（PK-PW）/G称为动力因数D，表示了扣除风阻力后，单位机重所能提供的用来克服滚动阻力、坡道阻力和惯性阻力的切线牵引力（圆周牵引力）。 则动力因数可按下式计算：显然上式是机器在运输工况下的牵引力平衡方程的另一种表示形式。 上式中右边前两项之和主要与道路状况有关，称之为道路阻力系数 ，即这样，式D可改写为： n 由于PK和PW都是实际行驶速度v的函数，因此动力因数是机器速度的函数，即可表示为D=fD(v)，若以v作为自变量，采用图解形式表示机器在各档的动力因数随速度v而变化的曲线，该曲线称为机器的动力特性。 动力特性曲线总结：利用动力特性，可以较方便地比