第二章履带式底盘行驶理论

1、第二章 履带式底盘行驶理论第一节 履带车辆行驶原理第二节 履带车辆行走机构运动学第三节 履带车辆的滚动阻力第四节 履带车辆的附着性能T220履带推土机传动系统图1-柴油机 2-主离合器 3-联轴节 4-变速箱 5-主传动器 6-制动器 7-转向离合器 8-最终传动 9-驱动轮T220履带推土机传动系统的辅助说明 主传动器、转向离合器都装在同一壳体上，称为驱动桥。另外，在柴油机与主离合器之间通过一组传动齿轮驱动工作装置油泵P1、主离合器油泵P2以及转向泵P3。在变速箱输入轴后段也可输出动力，用来驱动附件。第一节 履带车辆行驶原理 1、驱动力矩与传动效率、驱动力矩与传动效率 驱动力矩：驱动力矩：发

2、动机通过传动系统传递到驱动轮上的力矩MK。 传动效率：传动效率：从发动机到驱动轮整个传动系统的效率。主要包括以下功率损失： 齿轮啮合摩擦阻力； 轴承间摩擦阻力； 油封和轴间摩擦阻力； 齿轮搅油阻力。传动效率的计算传动效率的计算 驱动轮的角速度； 发动机曲轴的角速度； MK驱动力矩； Me发动机的有效力矩。 eeKKeKmMMPP发动机有效功率Pe 驱动轮上的功率PK Ke履带车辆的传动系效率m 假定离合器不打滑 meKmiMMKemiim传动系总传动比，它是变速器、中央传动和最终传动 各部分传动比的乘积。 驱动力矩MK 可以表示为:memKiMM2. 履带式行驶原理履带式行驶原理图2-1 履带

3、式拖拉机行驶原理图履带式行驶原理：履带式行驶原理：KemmrtrKrMiFF履带驱动段效率驱动力矩MK驱动段内拉力FtKKtrMF 土壤对接地段的履带板产生水平反作用力 FK 在FK（驱动力、切线牵引力）作用下车辆行驶 。思考：作用在履带上的切线牵引力是如何作用到车架上的？ 驱动牵引原理履带驱动段张力：kkrMT 驱动轮分力：cosTT sinTT 支重轮分力：cosTTTsinTT 水平及竖直方向合力0coscos TTTTTTTTv水平方向合力T，为推动机械前进的牵引力，该力与驱动段倾角大小无关；vT 大小与地面条件有关；最大值受地面限制；v在驱动轮与支重轮之间，竖向力平衡，对机械，地面不

4、附加任何力;v牵引力 T 克服滚动阻力 Ff 和作业阻力FT ; T 也可以表示为 Fk ；即 Fk=Ff+FTv有效牵引力 Fkp : Fkp=Fk-Ff第二节 履带行走机构运动学图2-3 履带相对于台架的卷绕运动rjvvv车辆速度接地履带速度车辆相对于接地履带相对速度第二节 履带行走机构运动学 车辆的行驶速度带有周期变化的性质车辆的行驶速度带有周期变化的性质 Krv012cos2cos102vrvk图2-3 履带相对于台架的卷绕运动1位置履带速度最大2位置履带速度最小驱动链轮节圆半径驱动链轮角速度驱动链轮分度角 履带卷绕运动的平均速度可通过驱动轮每转一履带卷绕运动的平均速度可通过驱动轮每转

5、一圈所卷绕圈所卷绕(转过转过)的链轨节的总长来计算的链轨节的总长来计算 .设驱动链轮齿数为Zk，履带节距为lt，一周所卷绕的链轨长度为 Zk* lt ，如果驱动轮转速为nk，则链轨卷绕运动平均速度为：KtKKtKmlZnlZv260当车辆履带在地面上没有任何滑动时，车辆的平均行驶速度称为理论行驶速度理论行驶速度，它在数值上应等于履带卷绕运动的平均速度，即：mTvv 当角减小，亦即驱动轮有效啮合齿数Zk增加时，则履带卷绕运动速度的波动就减小。对于0，Zk这一极限情况，则有：)/(60smlznvtkkT)/(377. 0)/(2hkmnrsmrlzvkkkkktkT其中：2tkklzr 驱动轮（

6、滚动）动力半径动力半径mvvv21 这表明当驱动轮啮合齿数增加时，履带卷绕运动的速度趋近于其平均速度，履带就具有下 图所示的形状。 车辆的理论行驶速度 :履带与台车相对运动的简化示意图KKTr 实际工作时履带与地面间往往存在滑转，此时实际行驶速度为：TTTlllll1TTTvvvvv11tTkkvvvFvFjTvvvvj履带在地面上的滑转速度。 通常用滑转率滑转率来表示履带对地面的滑转程度，它表明了由于滑转而引起的车辆行程或速度的损失，由下式计算：滑转的存在，带来驱动功率损失，其损失大小用滑转效率滑转效率表示：第三节 履带车辆的滚动阻力 Fk=Ff+FT Fk驱动力；Ff滚动阻力；FT作业阻力

7、。滚动阻力是车辆前进运动时所必须克服的阻力，也就是说，车辆驱动力必须大于或等于滚动阻力时，车辆才能向前行驶。履带式车辆的滚动阻力，一般包括内部滚动阻力和外部滚动阻力两部分车辆的内部滚动阻力车辆的内部滚动阻力 组成组成： 驱动轮、引导轮、支重轮和托链轮转动时轴承内部产生的摩擦力； 上述各轮与履带轨链接触和卷绕时所产生的摩擦力； 卷绕履带时轨链销轴和销套之间所产生的摩擦力等。 上述各摩擦力换算成行走机构摩擦力矩Mr又可分为两组： 由不变的法向压（如履带预张紧力、车辆使用重量）力产生的摩擦力矩Mr2 ，这部分阻力矩与驱动力大小无关，相当于拖动行驶时行走机构内部摩擦阻力矩； 由履带的附加张紧力Ft产生

8、的摩擦力矩Mr1 ，该摩擦阻力矩近似与驱动力矩成正比，可以方便地用一个效率系数表示。 Mr = Mr1 + Mr2krkrMMM1 车辆作为整体考虑时，各种外部阻力的总和应与切线牵引力平衡，即：KFFKrKrKkrtrMrMMrMFF21整理以上各式，可以得到:KrKKKrKrKKrrMFrMrMFrMF222可以看出，如果将换算的摩擦力矩Mr2设想为某一作用在车辆上的等效外部阻力，将扣除了换算的摩擦力矩Mr1的后的驱动力矩看成为一等效的 驱动力矩，而地面对履带则作用一等效的切线牵引力，那么就可以认为履带行走机构中并不存在任何内部摩擦阻力。等效切线牵引力等效切线牵引力：等效外部阻力等效外部阻力

9、：KrKrMF2KrrMF2将等效切线牵引力仍旧用Fk表示，而等效外部阻力仍用F表示，这样，整体平衡关系可表示为：KFF 车辆的外部滚动阻力车辆的外部滚动阻力 所谓外部滚动阻力外部滚动阻力，主要指地面土壤由于受到履带挤压而产生的变形阻力。假设履带式车辆前进距离为L，履带板宽度为b，履带支承面单位面积上承受的压力为p，轨辙深度为z0，则一条履带因压实土壤而消耗的功为：00zpdzbLWnczKbKp00122zfpdzbLWF外部阻力为：将压力p计算公式代人并积分得：12101nzKbKbFncf内聚模量内摩擦模量变形指数假设车辆垂直载荷在两条履带上均匀分布，则土壤单位面积上承受压力为：02bL

10、Gps车辆使用重量履带接地长度则轨辙深度为：nnKbKbLGKbKpzcsc11002112212111101nLGbKKnKbKbpFnnnnnnsccf外部滚动阻力为：nczKbKp影响履带式车辆滚动阻力的主要因素影响履带式车辆滚动阻力的主要因素接地比压接地比压：履带单位接地面积所承受的垂直载荷。平均接地比压平均接地比压：当工作重量与垂直外载荷所构成的合力在水平地面上的投影同履带接地区段的几何中心相重合时，履带接地比压便呈均匀分布状态，称为平均接地比压，其表达式为：bLGPa21、土壤性质和表面状态土壤性质和表面状态：土壤越松软，滚动阻力越大，Kc 、K、n增大，滚动阻力减小。2、接地比压

11、大小及其分布接地比压大小及其分布。BCbLGPa2121BCbLGPIIa212LeBCbLGPI61212maxLeBCbLGPI61212min1max22122aIPBCbLGP0minIP)21 (232maxBCeLbGPI0minIp履带接地平面核心域履带接地平面核心域：是履带装置两条履带接地区段几何中心周围的一个区域。只要机器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；但当机器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。在此情况下，最大接地比压必然大幅度增加。履带接地平面核心域是由两条履带接地区段的纵向中心线，以及位于履带装置横向中心

12、线y轴左右各L/6的两条平行线所组成的一个矩形，其边长为L/3和B。显然，接地比压和车辆结构参显然，接地比压和车辆结构参数（数（L、b、B、C、e、G）有关，）有关， C、e和和G增大，滚动阻力增大，增大，滚动阻力增大， L、b和和B增大，滚动阻力减小。增大，滚动阻力减小。但这但这6个参数又是相互制约的。个参数又是相互制约的。3、履带张紧程度履带张紧程度。履带张紧程度过大或过松弛都会引起滚动阻力的增大。每一速度下都存在一个最佳张紧度，且最佳张紧度随速度的增大而增大。4、履带行走装置各轮轴承、履带行走装置各轮轴承、铰链的润滑和密封。铰链的润滑和密封。5、支重轮在履带上的行驶摩擦阻力。支重轮在履带

13、上的行驶摩擦阻力。支重轮直径增大，行驶摩擦阻力减小，但履带接地区段压力不均匀，履带起伏及附加转动又会增加行驶摩擦阻力；支重轮数量增大，履带上压力分布均匀，有利于减小行驶摩擦阻力。滚动阻力系数滚动阻力系数车辆外部滚动阻力计算复杂，且不准确，实际采用试验方法进行测定。试验表明，滚动阻力近似与车辆使用重量成正比，其比例常数称为滚动阻力系数滚动阻力系数。sffGF 履带式机器滚动阻力系数路面条件滚动阻力系数 f附着系数铺砌道路0.050.60.8干土道路0.070.80.9柔软砂路0.100.60.7深泥土地0.100.150.50.6细砂土地0.100.450.55开垦的田地0.100.120.60

14、.7冻结的道路0.030.040.2土壤最大允许比压：土壤最大允许比压：指履带挤压土壤沉陷深度不大于0.15m时的接地比压。只有当最大接地比压不超过土壤最大容许比压时，车辆在该地面上才能正常行驶很稳定工作。各种常见土壤的抗陷系数(单位沉陷量接地比压)和最大容许比压 表2-2 土壤种类P0 kpa/mpmax kpa沼泽490.33980.6729.2356.84沼泽土1 176.801 471.0078.4598.07湿粘土、松砂、耕过的土地1 961.332 942.00196.13392.27大粒砂、湿的中等粘土2 942.004 412.99392.27588.40中等粘土和湿实粘土4

15、903.335 883.99784.40686.47中等湿度的实粘土、湿泥灰土、湿黄土6 864.669 806.65784.53980.67干实粘土、干泥灰土、干黄土10 787.3212 748.651 078.731 471.00第四节 履带车辆的附着性能1、切线牵引力与土壤剪切应力的关系 附着性能附着性能：指车辆提供最大切线牵引力的能力。图2-9 土壤剪切位移沿履带支承段的变化AKdAFLKdxbF02KjetgC/1)(xj土壤内聚力垂直压强剪切模量dxetgCbFLKxK0/)1)(2LKxKdxetgbLGCbF0/)1 (22dxedxtgbLGCbLLKx00/22LKeLK

16、tgGbCLKL/122切线牵引力：定义最大切线牵引力为：tgGbCLFK22max则切线牵引力可表示为：)1 (1/maxKLKKeLKFF2、切线牵引力与滑转率的关系 切线牵引力与滑转率的关系滑转曲线特点滑转曲线特点：开始阶段切线牵引力增加时，滑转率大致与其成比例的增加，但切线牵引力达到某一值后，对切线牵引力的微小增量，滑转率都有一个很大的增量与之对应。切线牵引力达到某一最大值时不再增加，这是由于土壤被剪切破坏的缘故。 滑转曲线滑转曲线：切线牵引力与滑转率的关系曲线称为滑转曲线，它表示行走机构与地面之间的附着性能。 对于两条滑转曲线，当滑转率相同时，显然切线牵引力较大者附着性能好；或者在地

17、面能够提供相等的切线牵引力时，滑转率较小者附着性能较好。 为了使不同重量的机械具有可比性，引出无因次滑转曲线无因次滑转曲线的概念。 无因次滑转曲线无因次滑转曲线：单位附着重量的切线牵引力(或相对切线相对切线牵引力牵引力)与滑转率的关系曲线。附着重量附着重量：作用在驱动原件上的那部分车辆使用重量。对于双履带车辆，附着重量就等于使用重量。相对切线牵引力相对切线牵引力 ：GFKx显然，切线牵引力和相对切线牵引力随滑转率的增大而增大，当滑转率达到允许滑转率允许滑转率时，车辆能够发挥的最大切线牵引力FKmax称为理论附着力理论附着力F ， F = FKmax 。允许滑转率时的相对切线牵引力称为理论附着系

18、数理论附着系数。GFGFK max3、牵引力、试验滑转曲线 牵引力牵引力FKP ：切线牵引力减去滚动阻力后才是对外工作的有效牵引力，称为牵引力FKP。 FKP= FK-Ff 试验滑转曲线试验滑转曲线：车辆牵引试验时的牵引力实际上是FKP，牵引力FKP与滑转率的关系为试验滑转曲线 。相对牵引力相对牵引力：GFKPx附着力附着力：maxKpFF 附着系数附着系数：GFGFKPxmaxmax额定滑转率额定滑转率H：机械作业中具有最大生产率时 的滑转率。对于工业履带拖拉机 ，通常取H=1015%。 额定牵引力额定牵引力：滑转率为额定滑转率时的牵引力max)92. 086. 0(KPKPHFF额定相对牵引力额定相对牵引力：)95. 086. 0(H重要概念：允许滑转率；额定滑转率；相对切线牵引力；相对牵引力；理论附着力；附着力；额定牵引力；理论附着系数；附着系数；额定相对牵引力影响附着性能的因素影响附着性能的因素 影响履带行走机构附着性能的因素，除土壤的性质、履带支承面的长度影响