降低轮式车辆(工程机械)行驶阻力的方法研究

降低轮式车辆（工程机械）行驶阻力的方法研究（长安大学2504091011陕西西安710064）摘要：根据轮式车辆的行驶原理，结合工程机械车辆实际工作状况的特点，分析了轮式车辆行驶过程中行驶阻力的各组成部分，以及影响轮式车辆行驶阻力的各种因素，通过理论分析并结合实际要求，提出了解决问题的措施，得出了降低轮式车辆（工程机械）行驶阻力的有效方案。关键词：工程机械轮式车辆行驶阻力工程机械轮式车辆工作过程中，有很大一部分的功用来克服行驶阻力。研究轮式车辆的行驶阻力产生原因及影响因素，对于降低行驶阻力，提高工程机械轮式车辆的工作效率有重要意义。1.轮式车辆（工程机械）行驶阻力的产生原因及其影响轮式行走装置在行驶过程中一般有三种情况：（1）地面发生变形而行走不变形；（2）地面不变形而行走装置发生变形；（3）地面与行走装置都发生变形。从能量守恒的观点出发，地面和行走装置发生变形时所消耗的能量（或所做的功）就是产生滚动阻力的根源。对于轮胎式行走装置，当车轮滚动时，将在以下四个方面消耗能量：（1）地面因车轮的压力而形成轮辙。（2）轮胎和地面（包括轮辙侧壁）之间发生相对滑动摩擦。（3）车轮在行驶过程中将一部分土推向前方而引起的“壅土”现象。（4）因轮胎变形而引起的内部消耗。对于具体的机器和地面条件，在地面的变形和行走装置的变形之间应该有一个最优的比例，能够使得滚动阻力最小。在不同的地面条件下，以上四个方面的能量损失是不一样的。因此，对于一般的工程机械车辆来说，经常在越野条件下及松软地（如新填土）行驶，研究土体沉陷引起的车辆外部行驶阻力具有重要意义。而轮式车辆的行驶阻力的大小，对于提高发动机的燃油消耗效率具有重要意义。有效降低行驶阻力，可以带来可观的经济效益。2.轮式车辆滚动阻力的研究2.1弹性车轮的行驶阻力轮式车辆主要在松软地面上工作，而在松软土体上的外部行驶阻力，主要是由于压实土体形成轮辙而消耗能量所至。因此先假设车轮为刚性的，车轮宽度为b，轮辙深度为Z0,压缩单位面积土体所做的为P.滚动阻力为Fc.作用在车轮上的垂直载荷为Wg.则可以计算如：1)()(1000nbdzzbPZKKzKKncnc1)(10nbbZKKFncc12112221222))(1()3()3(ncnnnngcKWFbKnnD而实际中轮胎不是绝对刚性的，都是弹性轮胎。求滚动阻力时，仍用刚性车轮的公式，但用假想的较大的车轮直径D'代替D.所以：12112221222'))(1()3()3(ncnnnngcKKDWFbnn2.2轮胎弹性变形引起的滚动阻力除了由于土体被压缩引起的行驶阻力外，弹性车轮还有由于轮胎弹性变形引起的滚动阻力。轮胎充气压力为pi.作用在车轮上的垂直载荷为Wg.其中ɑ和u为经验阻力系数，由贝克的方法确定：pWFigtu2.3驱动轮的滑转阻力有些车轮滚动阻力理论只考虑由土体垂直变形产生的阻力，而并不考虑车轮下土颗粒的真实运动。其实，当车轮滚动时，土的全部变形有垂直方向的压实、水平方向的位移和车轮前形成移动的波浪状凸起等。驱动轮下土体水平方向的位移引起驱动轮滑转下陷，因此，驱动轮总的下陷量应由土体压缩变形与滑转下陷两部分组成。作用在驱动车轮上的力矩为MK.车轮半径为r.滑转率为i。车轮的圆周力为F0.则有：riiMFFKj02.4车轮的推土阻力和履带车辆一样，由于车轮前形成波浪状隆起的土，车轮推移它要消耗一部分功，从而形成附加的滚动阻力（推土阻力）。推土阻力可根据郎金被动土压力理论计算：KKKZFpcqbbHCbHqb205.0其中，H=Z0,q=0，所以：CbbKZKZFpcb0205.0若用承载能力系数N、Nc表示，则有：2cos)1tan2(NK2cos)tan(NKcpc2.5轮式车辆总的行驶阻力FR由以上可得，车辆总行驶阻力为：FFFFFbjtcR3.工程机械轮式车辆总的行驶阻力车辆行驶所需要的能量来源于储存在燃料中的化学能量。燃料被注入内燃机燃烧室，在燃烧室内燃烧、做功，通过活塞、连杆和曲轴的机械连接，将化学能转变为机械能，并传递到驱动轮，克服车辆的阻力，推动并维持车辆的正常行驶。而全面了解车辆的行驶阻力，对理解如何正确驾驶而实现节能等方面有重要意义。正常情况下，车辆在道路上行驶时，会有滚动阻力及空气阻力，当车辆爬坡时还会有额外的坡道阻力，而车辆加速过程中还会有加速阻力。3.1滚动阻力：对于滚动阻力上面已经做了具体研究，其产生原因也做了相关说明。滚动阻力一部分来自轮胎在路面上滚动时，橡胶的弹性迟滞所造成的能量损失。另一部分是车辆动力与内摩擦副之间摩擦产生的阻力。要想有效减少滚动阻力，就得从减少整车重量及降低滚动阻力系数两方面进行。如果从整车重量方面出发来减少滚动阻力、节省燃料，对于工程机械车辆来说不太合理，因而应从滚动阻力系数的减小来减少滚动阻力，一方面要正确、及时的保养、维修车辆，尽可能保证发动机、变速箱、分动箱、传动轴、前后桥内轴承、齿轮等部件工作正常并且保证最小的滚动阻力系数；另一方面要尽可能地轮胎和道路之间的滚动阻力系数。首先要定期检查轮胎胎压；其次要经常检查胎面，保证选用正确的轮胎结构和胎面花纹。3.2空气阻力：工程机械中，对于一些高速作业的运输车辆来说，还要考虑作业过程中的空气阻力。空气阻力大部分来自车辆行驶时风在车辆迎风面积上施加的冲击阻力，还有少部分空气阻力是气流流过车身，与车身表面摩擦产生的阻力。车辆外形设计确定后，正面迎风面积的投影就确定了。为了减小风阻系数，首先保证车身表面光滑，经常清洁车身；其次尽可能不要安装外部饰件，这样会增大迎风面积，导致风阻增加。3.3爬坡阻力：当车辆爬坡时，车辆为提升高度而抵抗重力沿坡道方向的分力所克服的阻力。对于工程机械车辆来说，工作时爬坡是不可避免的。降低爬坡阻力，除了在爬坡时清理车辆上不必要的重量外，还要求驾驶员在爬坡行驶时能迅速爬上坡道，而不要缓慢爬坡。3.4加速阻力：当车辆加速时，需要将额外的能量转化为车辆的动能以提高车速。要减少加速阻力，同样需要减轻车辆的重量。但更重要的是要求驾驶员学会如何平衡所需要加速的最高车速和加速到最高车速所需时间之间的关系。4.影响轮式车辆（工程机械）滚动阻力的因素及降低行驶阻力的相关方法由以上对行驶阻力的研究，可以得出一些对其有较大影响的因素。（1）土壤条件：土的种类及其含水率和密实程度对滚动阻力有很大的影响，当Kc、K值较小时，滚动阻力较大。土壤的抗剪强度越大，附着性能越好，例如，如果土壤过于软烂，则车辆就将下陷过深，滚动阻力就大。在这种情况下，可装用船体，承受部分重量，从而减少了车轮的载荷，以减少滚动阻力。土壤抗剪强度又受湿度变化的影响，土壤越潮湿，轮胎的附着性能就越越差。土壤表层强度很低、而底层强度较高时，采用的高花纹轮胎可提高附着性能。（2）路面条件：当轮式车辆进行运输作业，而在硬质路面上行驶时，其附着性能取决于轮胎和地面的外摩擦系数。而必要时，还要装设防滑链，以增加摩擦，来防止打滑。（3）附着重量：Wg值增大时，轮胎变形和轮辙深度都要增加，滚动阻力也要增加。在摩擦性土壤中，增加附着重量，可以提高附着力。但当土壤抗剪应力达到最大值后，如再增加附着重量，可能会降低驱动力。在纯粘聚性土壤中，不能仅靠增加附着重量来改善新性能。例如，在松软土壤中，如过度地增加附着重量，则轮胎下陷量增加，滚动阻力增大，挂钩牵引力反而降低。如果采用四轮驱动，使整个拖拉机重量都成为附着重量，可使附着力增加。这同时也是提高牵引附着性能的一项有效措施。（4）轮胎充气压力：当轮胎的充气压力pi从较大值开始降低时，附着力随pi降低而增加。但当pi进一步降低时，驱动轮滚动阻力就要增加。这是因为滚动阻力是由轮胎和土壤两者变形所引起的。在松软的土壤上，土体变形一般起决定性影响，因此在一定范围内降低pi，从而使土壤的垂直变形减小，也就降低了滚动阻力。但当pi降低带一定程度以后，再进一步降低pi时，由于轮胎变形对滚动阻力起了决定性的影响，反而会使滚动阻力增加。而在确定驱动轮胎的气压时，应从土壤条件、附着力和滚动阻力等多方面来考虑。然而应指出，当pi降低时，轮胎变形将增加，因而增加了轮胎内部的摩擦，从而将引起磨损和破裂。因此，为提高轮式车辆牵引附着性能而降低pi时，还要兼顾轮胎的使用期限。（5）轮胎尺寸：增大轮胎直径，可以增加轮胎支承长度，使附着力增加，滚动阻力降低。但轮胎直径的增加受到某些参数（例如机器重心高度）的限制。近年来，为了能在不加大外径的情况下提高轮胎承载能力，在适当条件下，可以装加加宽型驱动轮胎。普通车辆轮胎断面的高度比（bH）通常为1；而加宽型轮胎断面的高度比则降低到0.85左右。在增加轮胎宽度的同时，最好同时适当降低轮胎的充气压力，使轮胎的接地面积增加，否则轮胎宽度增加，轮胎刚度也要随之增加，因而径向变形较小，轮胎接地面积并不一定能增加。（6）轮胎花纹：越野轮胎的花纹多为人字形，在沙壤土上进行的模型试验表明：花纹长度相同时，适当改变花纹布置角，就可以改变车辆的滚动阻力与附着性能。我国目前多采用045花纹布置角。花纹的形状和布置会影响轮胎的压力分布，因而也将影响附着力。轮胎的设计应使接地压力能够近似于均匀分布。而同时，花纹的布置与轮胎的自洁性能有关，而轮胎的自洁性能又会影响附着力的发挥。（7）轮胎结构：轮胎的刚度、帘布层数、帘布排列方法等对附着力和滚动阻力的大小也有不同程度的影响。（8）其他：在讨论减小外部行驶阻力后，还应考虑机器内部的消耗。为了有效降低车辆的行驶阻力，应该使机器各系统都处于良好的状况。如：保证机器车辆各系统都得到良好的润滑，尽可能降低机器内部的摩擦，从而降低行驶阻力；对于发动机，降低进气系统的阻力。滤清器要及时清洁、保养，保证有足够的空气及时地进入气缸。对于发动机的气缸压力，一般柴油机应不低于原机标准压力的20%，汽油机则不低于30%。对于各缸之间的压力差，一般要求柴油机不超过8%，汽油机不超过10%。如果气缸压力达不到规定的标准，应根据需要研磨气门、更换活塞环等。还应注意的是，燃烧室内的积炭会使压缩比有自动提高的倾向，过高的压缩比及积炭易使气缸产生爆燃，引起油耗增加，因此清除积炭是非常必要的；另外，进、排气门的间隙一定要调到规定值，因为间隙的过大、过小都会引起油耗量的增加，同时都会引起内部消耗的增加。5.结语在降低轮式车辆（工程机械）行驶阻力的方法研究中，根据轮式车辆的工作特点及轮式车辆的行驶原理，分析了轮式车辆行驶阻力的产生原因及其影响因素，结合实际，对于如何降低行驶阻力给出了具体的方法建议。在实际工作场地，还要根据具体的路面和土壤条件、气候情况，以及车辆本身的各方面特点，来选取合适的方法，以减小行驶阻力。在设计轮式车辆时，还应注意经济性与实际的可操作性来选取合适的方法。参考文献【1】余小东，翟亚楠.汽车驾驶节油驾驶经济性.第六图书馆，2007.【2】杨士敏，傅香如.工程机械地面力学与作业理论.北京：人民交通出版社2010.5【3】陈波.工程机械底盘理论.北京：人民交通出版社2002