工程机械底盘理论

工程机械底盘概述•概述•一、分类•在我国，通常把用于各类基本建设工程施工作业的机械和设备统称为工程机械。我国工程机械的产品范围较宽，除了国外所指的建筑机械、筑路机械及施工设备外，还包括军工专用工程机械、铁道线路机械和其它专用工程机械（如高空作业车、电杆工程车、高空消防车）等。•现代工程机械的使用范围已越来越宽，产品类组划分范围也在不断延伸和扩展。我国工程机械行业面广，品种繁多，产品类组经多次划分和补充，已扩充划为16大类：•1挖掘机械2铲土运输机械•3工程起重机4压实机械•5桩工机械6钢筋机械•7混凝土机械8装修机械•9路面机械10凿岩机械与气动工具•11军工专用工程机械•12叉车与工业车辆•13铁道线路机械•14基建与市政设施机械•15建筑仪器•16其它个用工程机械1挖掘机械斗轮挖掘机2.铲土运输机械轮式铲运机拖式铲运机拖式铲运机施工推土机装载机平地机自卸汽车3工程起重机4压实机械5桩工机械6钢筋机械7混凝土机械混凝土输送车混凝土泵车8装修机械9路面机械摊铺机10凿岩机械与气动工具凿岩台车11军工专用工程机械12叉车与工业车辆13铁道线路机械清筛机捣固车14基建与市政设施机械15建筑仪器16其它个用工程机械架桥机盾构•二、工机组成•动力、底盘、工作装置、控制系统。•如装载机。•三、底盘组成•传动系：将动力传至驱动轮，使机械行驶。•行走系：支撑机械，动力传来时可行驶。•操纵系：使机械按驾驶人员的要求正确转向、减速和停车。如自行车底盘第0章行驶理论•行驶理论主要研究工程机械行走机构的附着牵引性能、牵引计算，研究牵引功率、牵引效率、行驶速度、滑转率、燃油消耗量和牵引力之间的关系。•对于现有的工程机械，通过牵引计算可以进行牵引性能和经济性的比较，•对于正在设计的工程机械，通过牵引计算可确定发动机功率、传动系统的基本参数，并可预计所设计机械的牵引性能和经济性。第0章行驶理论•第一节轮式底盘行驶理论•一、轮式底盘行驶原理•后轮驱动的轮胎式推土机在水平地面上作等速直线运动时的受力，如图所示。•作用在推土机上的外力有重量G、推土阻力PT及地面作用于车轮的诸反作用力。•由传动系统传到后轮的驱动力矩MK对推土机整体来说是内力矩，所以在图上以虚线表示•推动轮式机械运动的力，是通过车轮对地面的作用而由地面产生的。•车轮上受有和运动方向一致的地面反作用力时称为驱动轮、受有和运动方向相反的地面反作用力时称为从动轮。•二、车轮运动学•先讨论刚性车轮在刚性水平地面上运动的情况，如图所示。车轮和地面的接触部分是轮缘圆周与地面的切线，在图中用O1表示，ω为车轮的角速度。•当车轮作纯滚动时，地面和车轮接触处没有相对运动，O1即为车轮运动的瞬心，这时车轮的运动速度，即其几何中心轴线O的移动速度称为理论速度。•当O的移动速度＞理论速度时，设其瞬心为O2，在Ol之下。这时车轮上和地面接触的线Ol相对地面沿着车轮运动方向向前滑动，这种滑动称为车轮的滑移。当车轮滑移时，地面对车轮的作用力方向和车轮的运动方向相反，因此这时的车轮为从动轮。•当O的移动速度＜理论速度时，瞬时转动轴线O3将在OI和O之间，车轮上和地面接触的线O1将相对地面沿着车轮运动的反方向滑动，这种滑动称为车轮的滑转。车轮滑转时，地面对车轮的作用力方向和车轮的运动方向相同，因此这时的车轮为驱动轮。•车轮的几何中心轴线到瞬时转动轴线之间的距离称为车轮的滚动半径。•车轮的滚动半径和车轮的运动状态有关。•实际上，充气轮胎在软的土壤上运动时，在垂直和切线载荷的作用下，轮胎和土壤都要变形，轮胎和土壤相接触的部分不是一条直线而是一个面，称为轮胎支承面，如图所示。•图中z为土壤在垂直方向的总变形量。•z1为土壤的弹性变形量、z2为土壤的塑性变形量、λ为轮胎在垂直方向的弹性变形量。•由于影响土壤和轮胎变形的因素很多，例如：载荷的大小、轮胎的结构和充气压力的大小、土壤的性质等，因此轮胎支承面的形状很难确定。•车轮在水平地面上运动时，其几何中心轴线O的速度方向平行地面，其瞬时转动轴线在通过OOI的垂直平面上。•为便于讨论，把弹性车轮在土壤上的运动看作半径为OOI的刚性车轮（图中点划线所示），在变形后的路面（也看作刚性）上的运动。OOI称为车轮的动力半径用，rK表示。•当车轮的几何中心轴线O的速度V=rKω时，看作车轮作纯滚动，OI为其瞬时转动轴线，这时的速度称为理论速度用VT表示。•当O的速度VVT时，瞬时转动轴线在O1之下。滚动半径r=v/ωvT，车轮滑移，为从动轮。•当O的速度V＜VT时，瞬时转动轴线在OI与O之间，车轮滑转，为驱动轮。•计算时，动力半径可按下面公式求得其近似值：rK=ro-Δb•式中ro——轮胎的自由半径，即轮胎不受任何载荷时的半径，•b——轮胎断面宽度；•Δ——系数，对于铲土运输机械用的低压胎，在松软土壤上：Δ=0．08～0．10；在密实土壤上Δ=0．12～0．15；对于载重汽车用的高压胎Δ=0．10～0．12。•三、车轮动力学•根据试验数据，受有垂直载荷作用的车轮在水平地面上滚动时，地面对轮胎支承面上各点反作用力的分布情况，如图所示。轮胎支承面上反作用力分布的形式，虽和轮胎的结构、充气压力、土壤性质、作用在车轮上的力和力矩的大小有关，但是全部反作用力的合力作用点必然向滚动方向前移一个距离。•（一）从动轮的动力学•从动轮在水平地面上作等速直线滚动时，作用在从动轮上有以下一些力，如图所示。•Qn——通过从动轮轴作用在从动轮上的垂直于地面的载荷与从动轮的自重之和，•Fn——通过从动轮轴作用在从动轮上的水平推力；•Rn——地面作用在轮胎支承面上全部反作用力的合力，其作用点在轮胎支承面的圆柱面部分的某一点上。•从动轮轴承的摩擦力矩可忽略。把Rn分解成垂直分力Zn和水平分力Xn，写出平衡方程式•Fn=Xn；Qn=Zn；Xn·rn=Znan•将最后等式两边各除以rn可得：•Xn=Znan/rn•式中rn——力Xn到车轮几何中心O的距离；•an——力Zn到车轮几何中心O的距离，称滚动摩擦系数。•Zn·an为从动轮的滚动阻力矩。令an/rn=fn称为从动轮的滚动阻力系数,Pfn=Qnfn称为从动轮的滚动阻力。有Pfn=Xn•（二）驱动轮的动力学•驱动轮在水平地面上作等速直线滚动时，作用在驱动轮上的力和力矩，如图所示。•QK——通过驱动轮轮轴作用在驱动轮上的垂直地面的载荷与驱动轮自重之和；•FK——通过驱动轮轴作用在驱动轮上的水平阻力。•RK——地面作用于轮胎支承面上全部反作用力的合力。•MK——由传动系统传到驱动轮上的驱动力矩。•把RK分解成垂直分力ZK和水平分力T，可以写出下列平衡方程式：•FK=T；QK=ZK；MK=XK·rK’+ZKaK•将最后等式两边各除以rK’可得：•MK/rK’=T+ZKaK/rK’•式中：rK’——力T到车轮几何中心O的距离；•aK——力ZK到车轮几何中心O的距离，即滚动摩擦系数。•ZKaK为驱动轮的滚动阻力矩。•令fK=aK/rK’称驱动轮的滚动阻力系数，•Pfk=QKfK称为驱动轮的滚动阻力。•MK/rK’=Pk称切线牵引力。Pk=T+Pfk•T即为在Mk作用下，地面作用在驱动轮上用以克服水平阻力FK的力，称为牵引力。•在计算时，近似取rK’=rK’。•四、影响滚动阻力的因素•车轮在地面上滚动时，可以看到以下现象：•1）地面在垂直方向产生残余变形而形成轮辙；•2）轮胎侧面和轮辙侧面相摩擦；•3）车轮把土向前推移，即所谓拥上现象；•4）轮胎的弹性轮缘部分周期性地发生变形。这使弹性轮缘各组成部分之间（如帘布层之间、内胎和外胎、衬带和轮辋之间等）产生摩擦，而轮胎材料（帘布，橡胶等）内部各质点之间也产生摩擦。•在坚实地面上，滚动阻力主要是轮胎变形引起的。•在松软地面上，滚动阻力主要是地面变形，形成轮辙引起的。•影响滚动阻力的主要因素有•1．土壤的性质•土壤的种类，它的含水量和密实程度对车轮的滚动阻力有显著的影响。土壤越松软则轮辙越深，滚动阻力也越大。•2．轮胎的充气压力•车轮在土壤上滚动时，其滚动阻力由轮胎和土壤两者的变形所引起。在松软土壤上，土壤变形起主要影响，这时，降低轮胎充气压力可增大轮胎支承面积，从而降低对土壤的比压减小轮辙深度，最终减小滚动阻力。当轮胎充气压力降到一定数值后，滚动阻力反随压力的降低而增大。这是因为增大了的轮胎变形对滚动阻力起主要影响的缘故。因此，在一定条件下有一个对应最小滚动阻力的最佳充气压力。•车轮在坚实地面上滚动时，滚动阻力主要是轮胎变形引起的，这时，增加轮胎的充气压力将减小轮胎的变形，从而减小滚动阻力。•3．作用在车轮上垂直地面的载荷•当作用在车轮上的垂直载荷增大时，轮胎变形和轮辙深度都要增加，因此滚动阻力也增大。•4．轮胎的尺寸•在松软土壤上，增大轮胎的宽度和直径都能增大轮胎支承面积、减小轮辙深度，从而减小滚动阻力。•目前，在工程机械设计中广泛采用基于试验数据的简单公式来计算滚动阻力：•Pf=fQ•式中：Q——车轮上垂直地面的载荷，•f——滚动阻力系数，•以上讨论的是单个车轮的滚动阻力，当轮式机械在松软地面上行驶时，如果前、后轮沿同一轮辙滚动，由于后轮是在已被前轮压实的轮辙上滚动，其滚动阻力应比前轮小•五、驱动轮的滑转和附着性能•（一）驱动轮的滑转率和滑转效率•由车轮运动学可知，驱动轮的理论速度为:•实际速度为:•用滑转率来表示驱动轮的滑转程度，则有KKTrvrvKKTTTrrvvvvv11•用滑转效率ηδ来反映滑转引起的功率损失，则•由以上两式可得•因此，滑转率不但反映了滑转的程度，而且还反映了滑转时的功率损失。kTTkTkTkrrvvvPvvPvP)(1•（二）滑转曲线、附着力及附着系数•由驱动轮的动力学知道，驱动轮在土壤上运动时，切线牵引力PK是地面对驱动轮的反作用力。可以把PK看作由两部分组成，一部分是由于轮胎胎面花纹插入土壤表层后，在与驱动轮运动相反的方向上，以花纹侧面挤压剪切土壤而产生的反作用力Pkτ、另一部分是轮胎胎面花纹表面和土壤的摩擦反力Pkμ，•PK=Pkτ十Pkμ•土壤抗剪能力主要由土壤质点间的内摩擦力决定。•轮胎胎面花纹表面和土壤的摩擦力则与轮胎与地面的摩擦系数有关。•轮胎与地面的摩擦系数值经实验证明：•1．随摩擦面相对速度的增大而增大，对驱动轮来说即随δ的增大而增大。故当轮胎支承面及垂直载荷一定时，Pkμ增大则δ亦增大。•2．随比压ρ的增大而减小。•故可确定，切线牵引力PK将随滑转率δ的增大而增大。一般可以认为当δ=100%时PK值达到最大。•为讨论方便，规定以下符号：•1）由于T=Pk-Pfk，由地面附着条件决定的最大牵引力Tmax=Pkmax-Pfk称为附着力用Pφ表示。•2）驱动轮上垂直地面的载荷QK称为附着重量。•3）T/QK=ψ称为附着重量利用系数。•4）最大的附着重量利用系数•称为附着系数，用表示。•由以上讨论可知，由于地面附着条件的限制，牵引力T≤PφKQPmax•（三）影响附着性能的因素•1．土壤性质•2．轮胎的充气压力•降低轮胎充气压力可以增大轮胎支承面积，同时降低轮胎支承面上的比压。•过分降低轮胎充气压力会增加滚动阻力（尤其在坚实地面上）及降低轮胎使用寿命，因此在确定驱动轮轮胎充气压力时必须全面加以考虑。•3．附着重量•增加驱动轮的附着重量能够改善驱动轮的附着性能，但是，对于一般土壤，只有当附着重量不超过某一极限时才是正确的。•对于整台机械，采用全轮驱动能利用机械的全部重量作为附着重量，使全部车轮都产生牵引力，从而大大改善机械的附着性能。•4．轮胎尺寸•增大轮胎直径不仅可以增大轮胎支承面的面积，而且可以增加轮胎支承面的长度，因此能较有效地改善附着性能。但增大轮胎直径受到机械成本、传动系统的总传动比及整机的稳定性的限制。•5．车轮的布置•六、多桥驱动的循环功率•采用全轮驱动，是提高轮式工程机械牵引附着性能的最有效方法之一，因为它能利用全部机重作为附着重量。以最常见的四轮前后桥驱动的轮式机械为例，多桥驱动的牵引特点如图所示。•考虑vT1＜vT2的