第二章-底盘行驶理论

中南大学杨忠炯中南大学杨忠炯第二章底盘行驶基本理论车辆底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。中南大学杨忠炯第一节作业机械的行驶原理装载机、推土机、汽车起重机、翻斗车等这类作业机械，都是利用发动机的动力，经传动系传到车轮或履带上以后，借助于对地面作用所产生的牵引力pk行驶的（如下图）。中南大学杨忠炯一、驱动力、牵引力与附着力驱动力PK：作用在作业机械驱动轮上的与行驶方向相反的主动力。轮胎式作业机械，驱动力PK可按下式计算)11(dkrMpK式中Mk—作用在驱动轮上的驱动力矩；rd—驱动轮的动力半径。动力半径rd的值，在计算中通常取轮胎滚动时由轮胎中心到地面支承面的值，它可用试验方法测定。三个条件:①作用在主动轮上;②与行驶方向相反;③车辆产生的主动力.中南大学杨忠炯对于履带式作业机械，驱动力PK（下图）可按下式计算：)21(kkkrMP)31(2kkklZr式中Mk—作用在驱动链轮上的驱动力矩；rd—驱动链轮的节圆半径。驱动链轮的节圆半径，可近似取为式中Zk—围绕驱动链轮一周的履带板数目，对于非间齿啮合，即驱动链轮的齿数，对间齿啮合，则为驱动链轮齿数之半；lt—履带板节距，即每块履带板两端销孔中心线间的距离中南大学杨忠炯驱动力PK的值受限于发动机功率及传动系统传动比。额定附着力Pφ：根据许用的滑转程度，可以确定出轮式或履带式作用机械的牵引力，对应这一牵引力的附着力。它限定了作业机械在作业中许用的经济工作的牵引力值。随着滑转程度的提高，牵引力是可以增加的，当轮胎或履带100%滑转时，达到“打滑界限”，这时牵引力达到最大值而不再增加，这时相应的附着力称为最大牵引Pφmax。附着力：路面对车轮的反作用力的极限值.它表示车轮与路面的接触情况，其值取决于路面与车轮间的镶嵌状况及路面的抗剪切强度。牵引力P:作用在作业机械驱动轮上的与行驶方向相同的地面反作用力。中南大学杨忠炯额定附着力通常用下式表示：)41(GP式中φ—附着系数，按许用滑转试验测得，不同路面的附着系数见表1-1，也可以从有关资料上查取。Gφ—作用在驱动轮上的重量，对全轮驱动或履带式作业机械，即整机的使用重量Gs。影响附着系数的因素：a路面的物理机械性质；b表面状态；Ｃ轮胎或履带结构及尺寸；ｄ使用条件中南大学杨忠炯驱动力Pk、牵引力P、附着力PФ三者的关系:kIFPPTHENPPkkIFPPTHENPPkkIFPPTHENPPP中南大学杨忠炯表1-1不同路面的附着系数φ机型路面条件轮胎式履带式机型路面条件轮胎式履带式混凝土0.90.45松散砾石0.360.50干粘土0.550.90压实雪地0.200.25湿粘土0.450.70冰0.120.12压实粘土0.400.70坚实土路0.550.90干沙土0.200.30松散土路0.450.60湿沙土0.400.50煤场0.450.60岩石坑0.650.55中南大学杨忠炯二、滚动阻力)51(dfrNeP)61(fGPf轮胎式作业机械行驶时，由于轮胎与路面的变形，引起路面对车轮的反作用力N偏离车轮纵轴线一个距离（图1-3）。反力N与偏心距e的乘积构成了与车轮转动方向ω相反的一个滚动阻力矩，它除以轮胎的动力半径rd，称为滚动阻力Pf，式中N—地面对车轮的反作用合力；e—由车轮中心垂线至地面反作用力N的距离；rd—车轮的动力半径。e/rd的值称为滚动阻力系数，用f表示，因此滚动阻力可表示为：式中f—滚动阻力系数，查有关资料；G—作用在驱动车轮上的重量中南大学杨忠炯轮胎式作业机械的滚动阻力:反映的是作业机械行驶时，因轮胎变形与路面变形所消耗的能量。滚动阻力系数的值与轮胎胎内压力和土质有关，通常通过试验确定。履带式作业机械的滚动阻力：反映了两部分的能量消耗：一是路面变形；二是当卷动履带时，由导向轮张紧力引起的履带销与销套间的摩擦损失，以及拱曲的履带与托轮间、各轮轴与轴套间的摩擦损失。中南大学杨忠炯当履带式作业机械行驶时，在导向轮压上履带板1时，将受到路面的反作用力R（图1-4a）。土壤的变形：虽然主要是由导向轮下面的履带板造成的，但是导向轮后面的全部支重轮与驱动轮也压履带造成土壤的变形。因此，如果把这部分土壤变形的作用移到导向轮上，则反作用力R将明显地由左向右倾斜，而变成R1（图1-4b），因而滚动阻力Rc为Rc=R1cosβ（1-7）中南大学杨忠炯当履带式作业机械行驶时（图1-5），驱动链轮卷动履带，使支重轮带着机体沿履轨向前滚动。履带式作业机械的滚动阻力Pf’可用下式表示：Pf’=a1Gs+a2Gs（1-8）式中a1—与土壤性质有关的阻力系数；a2—与履带行走部分速度有关的阻力系数；Gs—整机使用重量中南大学杨忠炯由于无法精确确定a1、a2的值，因此在实际计算中，履带式作业机械也是按轮式车辆滚动阻力公式Pf=fG计算的，并用试验方法确定相应的滚动阻力系数f的值。滚动阻力系数f的测定方法如图1-6所示。中南大学杨忠炯空气阻力的合力Pw通常假定作用在车辆重心位置上，其值可用直式计算：Pw=KSv2(1-9)式中K—空气阻力系数，与车辆外形有关，由试验测定S—车辆正面的投影面积；V—车辆的行驶速度。履带式作业机械，由于行驶速度较慢，空气阻力通常忽略不计。对于汽车起重机、翻斗车等，在高速行驶时，空气阻力系数可取K=0.045Ｎ.h2/m2.Km2。三、空气阻力空气阻力：当作业机械高速行驶时，由于风力以及车辆与空气之间有相对运动的摩擦和涡流损失造成的。它的大小主要与空气密度、车辆外形、以及行驶速度等有关。中南大学杨忠炯四、坡道阻力Pi坡道阻力是作业机械爬坡行驶时，车辆自重产生的沿路面方向的阻力。如下图1-7所示。Pi=Gssinα（1-10）式中Gs—整机使用重量；α—坡度角。中南大学杨忠炯道路坡度常用每百米水平距离内坡道升高h米的百分比来表示，即：)111(%100tghi图1-8为坡度角α与坡度iα的换算图表。当α100～150时，sinα≈tgα，因此，坡道阻力可近似用下式计算)121(siniGtgGGPsssi应当注意：当作业机械下坡行驶时，Gssinα的方向与行驶方向相同，这时Pi已经不是阻力而是动力。中南大学杨忠炯)131(kdTrv五、行驶速度在作业机械行驶时如果不考虑履带或轮胎相对地面的滑转损失，则作业机械的理论行驶速度可以用下式表示：式中rd—轮胎的动力半径或驱动链轮的节圆半径（rk）；ωk—驱动轮的的旋转角速度中南大学杨忠炯轮胎或履带相对地面的滑转程度，可以用滑转率δ来表示：)141(%vvvT)151()1(Tvv它表示因滑转而损失的速度的百分率。滑转率的大小，与路面土质、轮胎或履带结构、作用在轮胎或履带上的垂直载荷、以及驱动力矩的大小等因素有关。对于一定土质与车辆，其滑转率可以用试验方法来测定，其结果如右图2-9所示。作业机械在通常行驶条件下，δ的值不超过3～5%。最大滑转率δ0：轮式装载机为30%，履带推土机为15%或稍大一点。并以该值作为轮胎或履带的“打滑界限”，限定许用的额定牵引力PKPH。这样作业机械的实际行驶速度可以表示为中南大学杨忠炯六、作业机械的传动损失与行走损失)161(332211nmnmnmm1、传动损失在实际设计中，传动效率只计算由齿轮啮合在传动中产生的摩擦损失。一般对每对直齿轮传动取ηm1=0.98，对每对斜齿轮传动取ηm2=0.97，对每对锥齿轮传动取ηm3=0.96，因此传动效率为：式中n1—直齿轮啮合对数；n2—斜齿轮啮合对数；n3—锥齿轮啮合对数。中南大学杨忠炯对于履带式作业机械，传动效率还应计入履带驱动区段的驱动效率ηq，因此传动效率ηm‘为：)171(332211'qnmnmnmm)181(111kmkkkmkkqMMMMM驱动效率ηq表示的是驱动力矩转化为驱动力时，驱动区段中因第一组摩擦损失而损失掉的那部分功率的百分率，因此驱动效率ηq可以用下面的式子表示：式中Mk—驱动力矩；Mm1—转化到驱动轮上的第一组摩擦损失力矩,即驱动区段销1、2和3三个铰销位置所引起的摩擦损失；ωk—驱动轮角速度。履带推土机的驱动效率ηq一般在0.96～0.97之间。中南大学杨忠炯2．行走损失)191(1kfkkpkkpfPPPPvPvP)201(1TTkkvvvPvP在水平地段等速行驶时，作业机械的行走损失由两部分组成：一是由滚动阻力引起的功率损失；二是由轮胎或履带的滑转损失引起的功率损失。式中Pkp—牵引力；Pk—驱动力。由轮胎或履带滑转引起的功率损失，用滑转效率ηδ表示：式中v—实际速度；vT—理论速度；δ—滑转率由滚动阻力造成的功率损失，用滚动效率ηf表示：中南大学杨忠炯作业机械发动机功率的有效利用程度，可以用牵引效率ηkp表示：)211(''qfqmkkpekekpkpNNNNNN式中Nkp—牵引功率；Ne‘—传动系输入功率；Nk—驱动效率。因此，牵引效率是传动效率、驱动效率、滚动效率和滑转效率四者的乘积，它的数值大小，反映了所设计作业机械传动与行走性能的好坏，这一性能通常是以牵引特性来表示的。中南大学杨忠炯第二节作业机械的牵引性能牵引特性曲线：牵引性能反映的是作业机械在一定的土质条件下，在水平地段上以各档稳定速度工作时的牵引性能与经济性能，它通常用牵引功率Nkp、实际行驶速度v、整机的耗油率gkp随牵引力Pkp变化的曲线来表示，也就是用各档的（Nkp、v、gkp）=f（Pkp）的关系曲线来表示。中南大学杨忠炯一、机械传动型作业机械的理论牵引特性在机械传动型作业机械中，传给变速箱输入轴的扭矩与转速，是扣除油泵、水泵、风扇等附件消耗的功率后的发动机扭矩和转速。因此在作理论牵引特性曲线以前，必须取得所用发动机的调速特性或外特性曲线如下图2-10。中南大学杨忠炯绘制理论牵引特性曲线步骤1、绘制出与各档牵引力相对应的发动机特曲线。绘制这组曲线的目的：为了取得不同档位下牵引力与发动机转速、功率、油耗量的关系曲线，以便由它求出理论牵引特性曲线。在这组曲线图上，还应参考已有资料，绘出滑转率δ=f（Pkp）的曲线。具体方法如下：⑴按所取比例尺绘制曲线图座标如右图2-11所示，以O点为原点，横坐标代表牵引力Ｐkp。在O点左方加线段OO1，其值相当于滚动阻力Pf而得原点O1。显然以新原点O1计算的横座标值，表示驱动力Pk中南大学杨忠炯⑵确定驱动力Pk与发动机扭矩Me的比例关系)221(kieqmkiriMP作业机械在某一档位的驱动力Pki与发动机扭矩Me的关系式如下：式中ηm—传动效率；ηq—驱动效率；rk—驱动链轮节圆半径或驱动轮动力半径；Me—扣除附件消耗功率后的发动机扭矩（净扭矩）；iΣi—某一档位的总传动比。由此可见，某一档位的驱动力Pki与发动机扭矩Me有一定的比例关系，从而可以从原点O1开始画一条与该档位驱动力Pki查适应的发动机扭矩Me的横坐标。中南大学杨忠炯工程机械传动系：工程机械发动机动力与行走机构负载之间的动力传递装置。三点基本要求：1、保证工程机械在各种工况条件下所必需的牵引力变化范围；2、保证工程机械在各种工况下对速度的变化要求；3、在满足上述基本要求的同时，应保证工程机械具有良好的动力性和燃料经济性。中南大学杨忠炯传动系统的功能和类型1、传动系统定义：动力装置和驱动轮之间所有传动部件的总称。传动系统包括离合器或变矩器、分动箱或变速箱、传动轴、主传动器、差速器、半轴及轮边减速器等部件。2、传动系统的功能将动力按需要传给驱动轮或其它操作机构。中南大学杨忠炯3、传动系统的类型前面已讲过，传动系统的功能是将动力装置输出的功率传给驱动轮，使动力装置功率输出特性尽可能满足机械行走机构的使用要求。因此，不同的动力装置和不同类型的机械对传动系统有不同的要求。目前，工程