第六章 工程機械的轉向理論

1、第一節(jié) 履帶式機械的轉向理論一、履帶式機械轉向運動學履帶式機械的行走機構相對于機體不能發(fā)生偏轉，其轉向方式與輪式機械不同，它是依靠轉向機構（有時利用制動器）調節(jié)兩側驅動輪上的驅動力矩，使兩側履帶在不同的驅動力矩作用下產生不同的速度實現轉向。 履帶式機械的轉向系統(tǒng)由轉向機構和轉向操縱機構兩部分組成，其轉向機構的形式有離合器式、行星齒輪式和雙差速器式三種，通常采用的是離合器式轉向機構和液壓式轉向操縱機構。 當履帶式機械直線行駛時，兩側的轉向離合器處于完全結合狀態(tài)，均等的向左右兩側的驅動鏈輪傳遞扭矩，當向某一側緩慢轉向時，將該側轉向離合器分離，使其驅動力減小，直至為零，則機械就會沿較大的轉向半徑緩慢

2、轉向；若將一側轉向離合器徹底分離，并將該側制動器加以制動，直至完全制動使驅動輪不轉，則機械以較小的轉向半徑轉向，甚至以一側履帶的接地中心為圓心作原地轉向。 設履帶車輛不帶負荷，在水平地段上繞轉向軸線O作穩(wěn)定轉向，如下圖所示：從轉向軸線O到車輛縱向對稱平面的距離R，稱為履帶式車輛的轉向半徑。 以O T代表軸線O在車輛縱向對稱平面上的投影，O T的運動速度v代表車輛轉向時的平均速度。則車輛的轉向角速度z為: RvZ 轉向時，機體上的任一點都繞轉向軸線O作回轉，其速度為該點到軸線O的距離和角速度z的乘積。所以慢、快速側履帶的速度v1和v2分別為：履帶車輛的軌距。式中：BBvBRvBvBRvZZZZ5

3、 . 05 . 05 . 05 . 021 根據相對運動原理，可以將機體上任一點的運動分解成兩種運動的合成：(1)牽連運動，即該點以轉向時的平均速度作直線運動；(2)相對運動，即該點以角速度z繞O T點的轉動。 所以，慢、快速側履帶上Ol、O2點的速度v1和v2就是牽連速度v和相對運動速度0.5Bz的向量和。由上式可以得出以下關系式,即履帶車輛的轉向運動學方程式：BRBRvvRBRvvRBRvv5 . 05 . 05 . 05 . 02121二、履帶式機械轉向動力學1、牽引平衡和力矩平衡1) 牽引平衡：下圖給出了帶有牽引負荷的履帶式車輛，在水平地段上以轉向半徑R作低速穩(wěn)定轉向時的受力情況(離心

4、力可略去不計)。轉向行駛時的牽引平衡可作兩點假設： (1)在相同地面條件下，轉向行駛阻力等于直線行駛阻力，且兩側履帶行駛阻力相等，即：fffFFF5 . 021 (2)假設牽引負荷為Fx（工作阻力），在相同的地面條件和負荷情況下，Fxcos相當于直線行駛的有效牽引力Fkp，即：cosXKPFF所以回轉行駛的牽引平衡關系為：平衡相似。上式與直線運動的牽引或：KKPfKKXffKKFFFFFFFFFF212121cos2）力矩平衡：設履帶車輛回轉行駛時，地面對車輛作用的阻力矩為M，在負荷Fx作用下總的轉向阻力矩為：的水平距離。牽引點到軸線式中：21sinOOaFaMMTXT 由上式可知，將轉向阻力

5、矩分為兩部分，一是轉向行駛時地面對車輛作用的阻力矩，二是工作阻力形成的阻力矩。 如前所述履帶車輛轉向是靠內、外側履帶產生的驅動力不等來實現的，所以回轉行駛時的轉向力矩為：125 . 0KKZFFBM穩(wěn)定轉向時的力矩平衡關系為：TXKKZaFMFFBMMsin5 . 012或： 牽引力矩平衡關系表示出了內、外側驅動力、轉向阻力矩和結構參數B之間的關系。 3)轉向力： 為了進一步研究車輛回轉行駛特性，分別對內外側驅動力加以討論，由牽引平衡可得出：BMFFBMFFKKKK5 . 05 . 021方向相同。驅動力的反力，其作用方向與土壤對履帶行駛所增加的作用下，于在，稱為轉向力，它相當令：MBMFZ所

6、以上式又可表示為： ZKKZKKFFFFFF5 . 05 . 0214）轉向參數：的轉向阻力矩的大小。值的大小可以反映機械切線牽引力之比。的含義：轉向力與車輛為轉向參數；，令：KZKZFFFF5 . 05 . 021KKKKFFFF代入轉向力公式得： 下面使用轉向參數值的變化來討論履帶車輛轉向情況：表明車輛作直線行駛；，轉向阻力矩時：）當（KKKFFFM5 . 000121徑轉向。帶承擔。能實現較大半牽引負荷完全由外側履制動，底分離，但制動器沒有說明內側轉向離合器徹，外側履帶的驅動力內側履帶驅動力時，）當（KKKFFF2105 . 02向。驅動力，能實現緩慢轉履帶都提供于半分離狀態(tài)，內外側說明

7、內側轉向離合器處，外側履帶的驅動力內側履帶驅動力時，）當（12105 . 03KKKFFF現小半徑轉向。帶產生了制動力，能實施加了制動力矩，使履動鏈輪僅完全分離，而且對驅說明內側轉向離合器不，外側履帶的驅動力內側履帶驅動力時，）當（KKKFFF2105 . 04三、轉向阻力矩 前面已經討論了履帶式車輛帶負荷穩(wěn)定轉向時的阻力矩為： MM+ FxsinaT， 顯然，不帶負荷時轉向阻力矩M就是M，也稱為轉向阻力矩，它與牽引負荷的橫向分力所引起的轉向阻力矩不同，它是履帶繞其本身轉動軸線Ol(或O2)作相對轉動時，地面對履帶產生的阻力矩。1、轉向阻力矩M產生的原因：(1)履帶板的支承面、側面和履刺表面與

8、土壤的相對摩擦；(2)履帶轉動時對土壤的擠壓和剪切；(3)履帶轉動時對堆積在它旁邊土壤的推擁；(4)轉向行走機構內部的摩擦阻力。 實驗表明，當土壤條件和轉向半徑一定時，這些力與車輛重力大體成正比，且對履帶相對轉動軸線Ol(或O2)形成阻力矩。所有作用在履帶上單元阻力矩之和，就是履帶式車輛的轉向阻力矩M。2、轉向阻力矩M的計算：為便于計算M的數值，作如下兩點假設：(1)機重平均分布在兩條履帶上，且單位履帶長度上的負荷為：02LGqst(2)形成轉向阻力矩M的反力都是橫向力且是均勻分布的。 在牽引負荷橫向分力的影響下，車輛轉向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至OlO2 (見下圖)，移動距離為x0

9、。履帶式車輛轉向阻力的分布根據橫向力平衡原理，轉向軸線偏移量x0可如下計算：引起的橫向反力。履帶支撐面上單位機重用在轉向阻力系數，表示作式中：2sin244sin2222sin000000000LGFxLGxxqFxLqxLqFsxstxttx 根據上述假設，轉向時地面對履帶支承段的反作用力的分布如上所示，為矩形分布。在履帶支承面上任何一微小單元長度dx，分配在其上的機械重力為： qtdx?？偟霓D向阻力矩可按下式進行計算：200020_2021420000LxLGMqdxxqdxxqMstxLxLtt：的計算式代入并積分得將4220000000LGMLxLxLxs很小，可忽略，較小，即相對履帶

10、接地長度由于偏移量的增加而增加。轉向阻力矩隨轉向軸線由上式可知，為轉向軸線偏移系數，令 上式是在壓力均布條件下求得的，而大多實際情況下履帶接地長度上的壓力分布是不均的，所以轉向阻力矩的計算方法也不盡相同。3、轉向阻力系數： 轉向阻力系數表示作用在履帶支承面上單位機器重量所引起的土壤換算橫向反力。它綜合考慮了土壤的橫向和縱向的摩擦和擠壓等因素的作用。試驗表明，履帶車輛的轉向阻力系數與土壤的物理機械性質（含水量、密實度、粘著性、抗剪強度、塑性等）、履帶板的結構、履帶對土壤的單位壓力、履刺插入土壤的深度、機器行駛速度等有關。 車輛的轉向半徑對系數的影響很大，當轉向半徑減小時，由于履帶的掘土現象使土壤

11、擠壓反力增大，的數值隨之增大。當車輛急轉彎時，值的變化一般在0. 4(硬土路面)和0.7(疏松土壤)之間。 系數的值是用試驗方法測定的。這樣實際上就已經校正了前面推導公式時所作的一些假設而帶來的誤差。 下圖給出了兩條試驗曲線，橫坐標為回轉半徑相對值。從圖中曲線可以看出，轉向半徑對系數的影響。（1）轉向半徑減小時，系數增加； 因為，轉向半徑減小，履帶的擠壓反力增加，因此增加；車輛作急轉彎時達到最大值。（2） 地面條件不同，則轉向阻力系數也不同；圖中1曲線為松軟土壤，其的最大值為0.60.7；圖中2曲線為干燥土壤，其的最大值為0.50.6；冰雪路面的的最大值為0.150.25。（3）當車輛以任一轉

12、向半徑R進行轉向時，轉向阻力系數可按以下經驗公式計算：履帶軌距。式中：BBR15. 085. 0max 按以上公式計算出轉向阻力系數，再計算出各種接地比壓下的轉向阻力矩（空負荷），若再知道牽引負荷，即可計算出總的轉向阻力矩。sin2142000 xTsFaMMLxLGM 履帶式車輛轉向時，必須要有足夠的轉向力矩克服總轉向阻力矩，才能使車輛按規(guī)定的轉向半徑回轉。車輛轉向時可能獲得的最大轉向力矩受發(fā)動機功率和土壤的附著條件兩方面的制約。下面將分別討論。1、發(fā)動機輸出功率對轉向能力的影響： 這一方面的內容，主要是將履帶車輛在穩(wěn)定轉向時和它在相同條件下作等速直線運動時進行比較。四、影響履帶車輛轉向能力

13、的因素： 由于傳動系和行走系的功率損失變化不大，所以為了便于說明穩(wěn)定轉向時發(fā)動機功率的增長情況，在以下分析中略去了在這種情況下所共有的一些功率損失。履帶式車輛在水平地段上作穩(wěn)定轉向時所消耗的功率則由下列三部分所組成：1、履帶式車輛在水平地段上作穩(wěn)定轉向時所消耗的功率：由轉向運動學可知：履帶車輛的軌距。式中：BBvBRvBvBRvZZZZ5 . 05 . 05 . 05 . 021 根據相對運動原理，可以將機體上任一點的運動分解成兩種運動的合成：(1)牽連運動，即該點以轉向時的平均速度作直線運動；(2)相對運動，即該點以角速度z繞O T點的轉動。因此履帶式車輛在水平地段上作穩(wěn)定轉向時所消耗的功率

14、則由下列三部分所組成：（1）車輛作基本直線運動所消耗的功率： vFFvFfxK cos（2）車輛繞本身的相對轉動軸線轉動所消耗的功率：ZTxsZaFLGMsin40（3）轉向機構或制動器的摩擦元件所消耗的功率：對角速度。離合器主從動片間的相制動器的角速度或轉向的摩擦力矩；轉向離合器或制動器上式中：rrrrrMMP由此可知，履帶車輛作穩(wěn)定轉向時，總的功率消耗為：rrZKMMvF（2）發(fā)動機輸出功率的分配：rrZKeMMvFMMM 000000eM轉向時的功率平衡為：功率為：則傳遞到從動錐齒輪的度為從動錐齒輪的旋轉角速，矩為動器的從動錐齒輪的扭，經變速箱傳遞到主傳為，其曲軸的旋轉角速度扭矩為設轉向

15、時發(fā)動機的輸出（3）直線行駛時發(fā)動機的功率分配：vFMMMKe000000eM為：直線行駛時的功率平衡功率為：則傳遞到從動錐齒輪的度為從動錐齒輪的旋轉角速，矩為動器的從動錐齒輪的扭，經變速箱傳遞到主傳為，其曲軸的旋轉角速度輸出扭矩為設直線行駛時發(fā)動機的（4）發(fā)動機的載荷比： 將兩個運動的功率平衡式相比，即可得到履帶車輛在水平地段上作穩(wěn)定轉向時，與它在相同土壤條件下作等速直線運動時發(fā)動機的功率增長倍數，即：vFMRFMvvvFMMvFFFFFFFFvFMMvFMMMMvFMMvFMMMMKrrKKrrZKKxffKKKKrrZKeeeeKrrZKeeee1cos212100000000，則為簡化

16、分析，假設：載荷比的含義：在相同的土壤和載荷條件下，履帶式車輛穩(wěn)定轉向時與直線行駛時相比較，發(fā)動機功率增長的情況，越大，表明發(fā)動機在轉向時的載荷就越大，尤其是急轉彎時，功率增長更為顯著。 的大小與轉向機構的型式有關，是評價履帶車輛轉向機構性能的一項指標（5）車輛穩(wěn)定轉向應具備的條件： 為了不使發(fā)動機熄火，轉向時發(fā)動機扭矩應小于發(fā)動機最大輸出扭矩，即：maxeeMM 2、地面附著條件對轉向能力的影響： 車輛行駛時的驅動力首先來自于發(fā)動機，但是發(fā)動機動力的充分發(fā)揮還取決于地面的附著性能。因此，車輛轉向時用以克服轉向阻力矩的轉向力矩首先受制于發(fā)動機的輸出扭矩，其次轉向能力還受制于土壤的附著條件。 履

17、帶式車輛轉向時，由土壤附著條件所決定的轉向能力受快速側履帶與土壤間附著力的限制，它與轉向機構的型式無關。當車輛在松軟潮濕或冰雪地面上轉彎時，有時會出現快速側履帶嚴重打滑而不能進行急轉彎的現象。 滾動阻力系數；著系數；快速側履帶與土壤的附式中：ffGFsK5 . 02 為了確保履帶車輛能穩(wěn)定的進行轉向，快速側履帶的驅動力應滿足以下不等式：（1）履帶車輛空車轉向的判斷：25 . 045 . 05 . 045 . 0)0(5 . 0sin5 . 05 . 00002BLfGBLGFFFFFFFfGBLGFFBMFBaFMFBMFFssffxfKPfKssKxKTxKKK即：又空車時以上為空車轉向的判

18、斷式。 上式是履帶式車輛在給定的值和不同土壤條件下空車轉向的判斷式。該式表明，履帶式車輛的轉向能力不僅與土壤條件和履刺結構(如系數、f及)有關，同時還與車輛的結構參數有關。 增加履帶接地段長度L0會使轉向阻力矩增大，于轉向不利； 增加軌距B，可加大轉向力矩，對轉向有利。不帶負荷轉向的要求。，故一般能滿足數現代履帶車輛的結構參則轉向附著條件為：，轉向阻力系數數如在松軟地面的附著系5 . 12 . 1227 . 07 . 000BLBL（2）履帶車輛空負荷急轉彎的判斷：若車輛內側離合器被動轂不制動，其轉向條件為：急轉彎行駛。所以不帶制動難以實現，遠大于構參數由于現代履帶車輛的結，則轉向附著條件為：

19、滾動阻力系數，阻力系數如果去松軟地面的轉向即：有：面上作穩(wěn)定轉向時，則當車輛空負荷在水平地3 . 03 . 021 . 07 . 02045 . 05 . 00000011BLfBLffBLBLGfGBMFFFssfKK五、履帶式車輛的轉向性能（轉向離合器式） 履帶式車輛的轉向是利用轉向機構來調節(jié)傳至兩側履帶上的驅動力，使左、右驅動輪上的驅動力不等來實現的。 下圖給出了裝有轉向離合器的履帶式車輛后橋的結構簡圖(假定沒有最終傳動，但這不影響討論問題的實質)。 當車輛作直線運動時，兩側離合器是結合的，而制動器則是完全松開的。此時兩側驅動輪以相同的角速度旋轉，其轉向參數為零。 車輛需要轉向時，可以有

20、下列兩種情況： 第一種轉向情況是：將兩側制動器完全松開，部分地或全部分離慢速側離合器。此時兩側履帶上的驅動力為正值，因此兩側半軸都傳遞驅動力，在這種情況下轉向參數小于或等于0.5。 第二種轉向情況是：除了將慢速側離合器徹底分離外，還對慢速側加以制動，此時慢速側履帶上的驅動力為負值。因此慢速側半軸和慢速側履帶是在機體帶動下運動的，在這種情況下的轉向參數大于0.5。 1、履帶式車輛穩(wěn)定轉向時的平均行駛速度 假定發(fā)動機的轉速不變，具有轉向離合器的履帶式車輛穩(wěn)定轉向時由于快速側離合器未分離，故該側履帶的速度就等于車輛直線行駛時的速度：vvBRRvRBRvvvvvv5 . 05 . 022由轉向運動學可

21、知： 這表明：具有轉向離合器的履帶式車輛穩(wěn)定轉向時，其平均速度比等速直線行駛時的速度要低。 2、當車輛在第一種情況下(0.5)穩(wěn)定轉向時，如下圖所示： 兩側履帶上的驅動力均為正值，慢速側離合器所傳遞的力矩M1比快速側離合器所傳遞的力矩M2要小。設此時傳到中央傳動從動錐齒輪上的驅動力矩為M0，則：驅動輪的動力半徑。式中：的驅動力為：失忽略，則兩側履帶上若將兩側履帶驅動段損KKKKKKrrMMrMFrMFMMM102121021履帶車輛轉向動力學可知，車輛的轉向力矩為：1025 . 05 . 012MMrBFFBMKKKZ 上式說明，如0.5的情況下，具有轉向離合器的履帶式車輛的轉向力矩可以靠慢速

22、側離合器的摩擦力矩來調節(jié)，慢速側離合器分離程度越大，則摩擦力矩M1 越小，車輛轉向力矩就越大。當慢速側離合器全部分離時M1 0，轉向力矩達到不施加制動器時的最大值，此時=0.5 。 下圖給出了車輛在這種情況下轉向時，作用在機械后橋上的所有力矩：1cos0000212121 MMMrFrFrFMFFFFFFFFFKKKKKKKKPfxffKKK：此時發(fā)動機的載荷比為由轉向動力學可知： 上式表明，具有轉向離合器的履帶式車輛在第一種轉向情況下(0.5)作穩(wěn)定轉向時的發(fā)動機載荷，就等于車輛在相同條件下作等速直線行駛的發(fā)動機載荷。 發(fā)動機載荷之所以沒有增加，是因為車輛在轉向時的平均速度較它在作直線行駛時

23、的速度要低，使轉向時消耗在車輛作基本直線運動的那部分功率減小了，從而抵償了車輛作圓周運動所消耗的功率。2、當車輛在第二種情況下(0.5)穩(wěn)定轉向時，如下圖所示： （1）在這種轉向情況下，履帶的驅動力完全發(fā)生在快速側，于是發(fā)動機的載荷比可按下式計算：。大于時，發(fā)動機載荷比將恒上式表明，當轉向參數由轉向動力學可知：15 . 05 . 05 . 05 . 02200KKKKKKKKKKrFrFFFrFrFMM 在這種情況下進行轉向，所引起的功率損失要比前一種轉向情況大一些。這時雖然車輛作基本直線運動所消耗的功率有所減少，但由于轉向阻力矩增大和慢速側制動器所消耗的功率增加，所以總消耗功率還是增加的。

24、下圖實線表示了車輛轉向時，發(fā)動機載荷比隨轉向參數而變化的關系線圖：（2） 轉向參數0.5時，轉向力矩的計算：rKKrKZKrKKKKKKZrKMMBrMrMBMrMFrMrMFFFBMMF0002r5 . 05 . 05 . 005 . 012121，動力矩為，慢速側履帶制動，制時， 上式說明，在第二種轉向情況下，車輛的轉向力矩，可以利用調節(jié)制動器摩擦力矩的方法來達到。（3）轉向參數0.5時，制動力矩的計算：KssKKKrXfKXKKKKrrBLGLGBrrBMrBMMFFFFrBMFrFM440, 05 . 0001且此時滾動阻力極小，當機械空負荷時，為：動器上所需的摩擦力矩車輛在穩(wěn)定轉向時

25、，制（4）由土壤附著力決定的制動器最大摩擦力矩：KsKsKrZsKKZZrfGrBfBGBrMMMMfBGFFBMM5 . 05 . 0)25 . 05 . 0112即：矩，向力矩恒等于轉向阻力當車輛穩(wěn)定轉向時，轉應為：時，轉向力矩）當車輛受限于附著力矩。定的最大制動器摩擦力即可得到由附著條件決或用以下方法：KsrsfKrKrfGMfGFFrMF5 . 05 . 013、轉向時發(fā)動機載荷比隨轉向半徑R變化的特點：vFMRFMvvMMKrrKee1 由于轉向離合器式履帶車輛轉向時外側快速履帶的行駛速度與直線行駛時相等，所以行駛速度有如下關系：BRRvvvv5 . 02車輛轉向時發(fā)動機載荷比的表達

26、式可改寫如下：vFMBRFMBRRKrrK)5 . 0(5 . 0 上式表明，發(fā)動機載荷比由三部分組成，它們分別表示車輛在不同轉向半徑時各部分功率消耗的比值。之比。消耗的功線運動耗的功率或制動(離合器車輛轉向時慢速3消耗的功率之比；線運動消耗的功率動時車輛繞本身轉動軸線轉2消耗的功率之比；線運動轉向前消耗的功率線運動基本向時1321率所與直器）消側轉向所與直所所直與所直用于轉vFMBRBBRRFBMFFBMFKrrKKZZ5 . 05 . 0比公式得：將上式代入發(fā)動機載荷轉向參數的定義為：由轉向力的定義知：上式即為發(fā)動機載荷比隨轉向參數及轉向半徑變化的關系式。2、載荷比與轉向參數的關系在轉向半

27、徑變化范圍內的曲線（1）履帶車輛的最小轉向半徑： 在內側履帶完全制動時，車輛將以最小轉向半徑轉向，此時的轉向半徑為：半。半徑等于履帶軌距的一此時，車輛的最小轉向，全抱死，由于內側履帶驅動輪完BRRvBvvvZZ5 . 005 . 00minmin11此時的載荷比為：5 . 05 . 05 . 005 . 05 . 0minminmin321BRBBRRvFMBRBBRRrKrr，故由于內側履帶完全抱死05 . 03min線，此時曲線為最上邊的一條實時，當BR（2）R=B時的發(fā)動機載荷比：值。就代表了直線間到垂直距離為一條斜直線，此線與是一條水平線：圖上有關，在值無關，僅與轉向半徑，與32111

28、215 . 03232325 . 05 . 05 . 05 . 0BRBBRRBRRBRBBRR.5 . 015 . 015 . 02115 . 03211值代表了各轉向半徑的直線間到垂直距離就值，與斜線表示各轉向半徑的值，各轉向半徑的）點，其水平線代表個，所有的射線均過（，時，）當。荷比時，為直線運動，其載）之間的射線組。從同理，可以做出BRRBR（3）任意轉向半徑R的發(fā)動機載荷比：（4）由圖可知，1+2代表的斜線的斜率是隨轉向半徑的不同而變化的，它使1、2、3之間的比例發(fā)生改變。在轉向半徑R相同時，隨著轉向參數的變化， 2、3之間的比例也會發(fā)生相應的變化。 當 0.5時，隨著值增加，代表車

29、輛相對轉動和和制動器摩擦所消耗的功率比值就會相應增大。3、轉向參數變化時車輛的功率流：（1） 0.5時：（） 0.5時，說明慢速側離合器已徹底分離，由發(fā)動機傳來的功率不再傳給該側履帶而全部傳給快速履帶。如果慢速側制動器完全制動，車輛以最小轉向半徑轉向，則制動器中的摩擦功率Pr。六、對履帶式車輛轉向機構的簡單評價：履帶式車輛的使用壽命和生產率在一定程度上取決于它轉向機構的性能情況。為了保證車輛在任何使用條件下都能轉向，對轉向機構提出以下基本要求：、轉向機構應保證車輛能平穩(wěn)地、迅速地由直線運動轉入沿任意轉向半徑的曲線運動；2、轉向機構應使車輛在轉向時具有較小的發(fā)動機載荷比，以免發(fā)動機熄火；4、轉向

30、機構應保證車輛具有穩(wěn)定的直線行駛性，不應有自由轉向的趨勢。3、轉向機構應使車輛具有較小的轉向半徑，以提高車輛的機動性；目前在履帶式車輛上采用的各種轉向機構，都不能滿足上述第一條要求。因為當車輛結構和土壤、載荷條件都一定時，轉向阻力矩值都隨著轉向半徑而變化。要使車輛能平穩(wěn)地沿任意轉向半徑轉向，駕駛員必須使車輛的轉向力矩恰好等于任意轉向半徑時的轉向阻力矩。這一點是不容易做到的。因而要使車輛以任意轉向半徑平穩(wěn)地轉向是十分困難的。一、概述：與履帶式機械相似，為使車輛實現轉向行駛，必須在車輛上產生一個與轉向方向一致的轉向力矩，用來克服轉向阻力矩，車輛的轉向力矩可用以下方法獲得：、偏轉車輪轉向：（）偏轉前

31、輪轉向：（）偏轉后輪轉向：（）前后輪同時偏轉：偏轉前輪轉向偏轉后輪轉向、鉸接轉向：、差速（滑移）轉向前后輪同時偏轉鉸接轉向本節(jié)只研究偏轉前輪轉向的車輛的轉向理論。二、轉向運動學 下圖為偏轉前輪轉向車輛在水平地段上繞轉向軸線O作穩(wěn)定轉向時的簡圖。 輪式車輛在轉向或直線行駛過程中，經常要求左右車輪以不同的角速度旋轉，其理由是：1、轉向時，在相同時間內外側車輪所走過的路程較內側車輪長；2、左、右車輪的實際滾動半徑不相等， 因為左、右車輪的輪胎、載荷、氣壓可能不等或磨損不均；3.在高低不平的道路上行駛時，兩側車輪實際走過的路程不同。 因此，為了減少轉向和直線行駛時的功率消耗、輪胎磨損及地面阻力，改善操

32、縱性，對輪式車輛轉向所提出的基本要求是：盡可能保證車輪在地面上只有滾動，而不產生滑動(包括側滑、縱向滑移和滑轉)。為此，輪式車輛轉向必須滿足下列三個條件： 1、轉向時，通過各個車輪幾何軸線的垂直平面都應相交于同一直線上，這樣就能防止各車輪在轉向時產生側滑現象。 上圖中，O為轉向軸線，OT為驅動橋中心，兩者之間的距離為轉向半徑R,內外側轉向輪的偏轉角為、，B為后輪輪距，L為前后軸的軸距，K為轉向橋兩主銷間的距離。常數它們滿足以下公式：相等的，外轉向輪的偏轉角是不為了滿足上述要求，內或：轉向半徑的計算：LKctgctgKLctgRKLctgR22 上面討論表明，不論車輛的轉向的形式如何，內外轉向輪

33、相對于機體的偏轉角度應該滿足一定的條件。一般輪式車輛上所采用的轉向梯形機構、雙拉桿機構等，在選擇合適的參數后，可以比較接近地滿足上述要求。2、轉向時，兩側驅動輪應該以不同的角速度旋轉，以避免轉向時驅動輪產生縱向滑移或滑移。（1）車輛轉向時的平均速度：RvRvOZZT或：的線速度表示：用后橋中心車輛轉向的平均速度可（2）轉向時，機體上任一點都繞轉向軸線O回轉，其速度為該點到軸線O的距離和角速度的乘積。車輛內、外側驅動輪的幾何中心點O1和O2的速度分別為：ZZZZBvBRvBvBRv5 . 05 . 05 . 05 . 021 上式說明，兩側驅動輪的幾何中心點轉向的速度是不相等的，外側驅動輪速度大

34、于內側驅動輪的速度。因此，兩側驅動輪的角速度應不相等。為了滿足這一需求，就需要在驅動橋內裝設差速器。3、轉向時，兩側從動輪應能以不同的角速度旋轉，以避免轉向時從動輪產生縱向滑移或滑轉。這個條件比較容易滿足，因為從動輪是不驅動的，能在軸上自由旋轉。 與履帶式車輛相似，轉向時機體上的任一點的運動都可分解為以下兩種運動：ZZZZBvBRvBvBRv5 . 05 . 05 . 05 . 021(1)牽連運動，即該點以轉向時的平均速度作直線運動；(2)相對運動，即該點以角速度z繞O T點的轉動。三、轉向動力學 偏轉車輪轉向的車輛無論是偏轉前輪，偏轉后輪，還是前后輪同時偏轉，其轉向力矩最終是由轉向輪與地面

35、相互作用產生的。其分析方法基本相同，僅對偏轉前輪轉向的車輛在轉向時的受力進行分析討論。1、轉向行駛的受力分析：（1）在了解輪式車輛轉向受力情況以前，先來討論一下兩輪車轉向時的受力情況。假定兩輪車在水平地段上以等角速度作低速穩(wěn)定轉向，略去離心力不計，這時受力情況如下圖所示。兩輪車轉向時的受力簡圖 為了便于討論，將上圖各力分解后分別表示在下圖上，并將轉向時的驅動力也人為地分解成三部分：KcKbKaKFFFF第一部分驅動力用以克服驅動輪的滾動阻力。第二部分驅動力用以克服轉向輪的滾動阻力。 由于轉向輪相對于機體偏轉了角度，驅動力的方向與轉向輪的滾動方向（XX方向)不一致，引起地面對轉向輪沿ZZ方向產生

36、了側向反作用力Zc。在一般情況下，側向附著力要比滾動阻力大得多。因此，轉向輪會沿著阻力小的XX方向滾動，而在ZZ方向上不產生側向滑移。當轉向輪沿xx方向作穩(wěn)定運動時，驅動力應和滾動阻力與Zc的合力相平衡，因此：cosfcKbFF 上式說明如果其他條件相同時，當轉向輪偏轉了角度以后，克服轉向輪的滾動阻力所需的驅動力要比轉向輪在轉向前作穩(wěn)定滾動時所需的驅動力要大。 第三部分驅動力用以克服轉向輪和驅動輪的轉向阻力矩。轉向阻力矩都通過輪胎傳到機體上。 轉向阻力矩對機體的作用可以看成一個力偶，如上圖中F1，F2組成的力偶?？梢婒寗恿Σ荒芎蜕鲜隽ε枷嗥胶猓仨毚嬖谥怪庇谲囕啙L動方向的力Fz和Zk。Fz

37、在前進方向上的分力用驅動力去克服，而Fz的水平方向分力與Zk組成力偶克服轉向阻力矩。coscosLMMFMMLFFcKZcKZZ即：的值為：，得將各力對后輪中心取矩 FZ稱為轉向力，其方向通過轉向軸線O，并促使車輛繞OT點相對轉動。實際上，轉向力FZ是在驅動力的推動下產生的。而且還必須有條件，即轉向輪應有足夠的附著力，使轉向輪不沿驅動力方向向前滑移。將以上三個圖疊加起來，可得右圖：將圖中各力對轉向軸線O取矩得：力。車輛穩(wěn)定轉向時的驅動式中：KfcfKKcKfcfKKcKFFFRMMFRFRFMMRFcoscos就要增加。不降低，發(fā)動機的載荷增加，若此時車輛速度輪滾動，驅動力也應，另一方面為了使

38、轉向一方面克服轉向阻力矩加，所增加的驅動力定轉向時驅動力必須增之和，由上式可知，穩(wěn)和驅動輪的滾動阻力時，驅動力等于轉向輪由于兩輪車在直線行駛（2）一般的輪式車輛(帶有牽引負荷)在水平地段上作穩(wěn)定轉向時的受力分析1、牽引負荷FX裝置的布置。取決于牽引的距離的作用點與后橋中心線，橫向分力為：其縱向分力為：角，偏轉了時作用在牽引點上，轉向牽引負荷TrxxxxxaOFFFFFsincos2、離心力輛轉向的平均速度。后橋中點的速度，即車平夾角。離心力與后橋軸線的水縱向水平距離；車輛質心至后橋中線的的距離；車輛質心至軸線式中：為：其橫向和縱向分力分別作用在車輛的質心上，離心力vbORbgGRbRgGFgR

39、vGRgGRRRgGFFmZmmZjZmmZjj22222sincos3、滾動阻力 轉向時各個驅動輪和轉向輪的滾動阻力，可以認為分別是總的滾動阻力的一半。4.轉向阻力矩McKKcMMMMM，驅動輪的阻力矩為轉向輪的阻力矩為5、驅動力FKKKFFF5 . 021是相等的，即：輪上的驅動力速器，可認為內外驅動由于驅動橋采用了單差6.土壤對兩側轉向輪的作用力Xc1和Xc2可認為近似相等。矩對后橋中點所產生的力、內外轉向輪的作用力的合力。、側向反作用力引起的地面對轉向輪的和由于偏轉轉向輪而阻力這實際是轉向輪的滾動21215 . 0CCCCfcXXZZF7、轉向力FZ平面內。作用在的作用方向近似的認為的

40、向量和。、作用力是兩側轉向輪的側向反轉向力cZZZZOOFFFF218、側向反作用力Zk1和Zk2它作用在兩側驅動輪上。（3）在分析上述外力的基礎上，下面討論各力對后橋中點OT的力矩平衡關系。sincossincosTXjKcXjKcaFbFMMMMFFMM，即：稱之為總轉向阻力矩力矩之和所形成的力矩，將這些和以及和的阻力矩土壤對轉向輪和驅動輪的力矩為：由上圖可知，阻礙轉向轉向力FZ對OT所形成的力矩稱為轉向力矩MZ：2cos的夾角，作用線與驅動軸線之間轉向力式中：ZZZFLFM為了使車輛能夠實現轉向，必須滿足下列條件：cossincossincoscosLaFbFMMFMMaFbFMMLFM

41、MTXjKcZZTXjKcZZ，由上式可得：當車輛作穩(wěn)定轉向時，即：（4）車輛的轉向能力：車輛在轉向過程中，如果轉向阻力矩很大，則能否按所要求的轉向半徑回轉，還取決于車輛的轉向能力。與履帶車輛一樣，轉向能力受發(fā)動機最大力矩和土壤附著條件兩方面的制約。1）從發(fā)動機輸出性能考慮： 由轉向動力學可知，車輛轉向時發(fā)動機載荷要比直線行駛時大。對于輪式車輛來說，轉向時為了減小發(fā)動機負荷，一般都要降低行駛速度，故轉向時發(fā)動機因超載而熄火的現象較少。所以輪式車輛的轉向能力一般是由土壤附著條件限制的。2）從土壤附著條件考慮：車輛轉向時土壤對轉向輪的總的側向反作用力不能超過轉向輪的側向附著力，即：。轉向輪的側向附

42、著系數；后橋質量轉移的影響）（應考慮機械工作時前重量，分配到轉向橋上的機械式中：ZccZZccZZGGFZZFF2121 車輛在松軟潮濕土壤上工作時，往往由于附著情況不良，前面的條件式一般不易得到滿足。此外，當牽引負荷很大時，由于分配到前橋上的重量減輕而使轉向輪與土壤間的側向附著力降低。當不能產生足夠大的側向附著力時，前面的條件式也有可能得不到滿足。此時，車輛不再按原來的轉向半徑回轉，而是在比某一轉向半徑更大的軌跡上運動。此時轉向阻力值都將隨轉向半徑增大而減少，并使總轉向阻力矩減小，直到恰和轉向力矩相平衡為止。車輛在這種實際轉向半徑增大的過程中，轉向輪的運動還伴隨有側向滑移，有時會使車輛失去操

43、縱性。3）提高轉向能力的措施：提高地面對轉向輪的附著力可以改善前橋負荷，增加附著重量；轉向輪上應有縱向導向花紋。增大轉向力矩：如采用單邊制動相減少總轉向阻力矩如降低轉向時的行駛速度、增大轉向半徑等。四、單差速器對輪式車輛性能的影響： 1、差速器運動學：02121022nnn或： 上式說明了單差速器一個重要的運動學特性，如果一側半軸的角速度減少了某一數值，則另一側半軸的角速度必然將增加相應的數值。而差速器殼的角速度永遠等于兩個半軸角速度的平均值。這一特性符合車輛轉向時兩側車輪角速度不等的要求，并使轉向時車輛仍保持直線行駛的平均速度。單差速器的這一特性，對車輛的轉向十分有利，裝置了差速器的車輛驅動

44、輪的轉向阻力矩將大大小于不裝差速器的車輛，并可減少轉向時輪胎的磨損和地面的阻力，從而改善了車輛的操縱性。 但是差速器的這一運動學特性，對車輛保持直線行駛是不利的。例如，由于某種因素的影響造成兩側驅動輪與土壤的附著條件不同時，或牽引力偏離了車輛縱向對稱平面時，或車輛在橫坡上作業(yè)時，當一側驅動輪的轉速減少或增加，則另驅動輪的轉速也就會相應增加或減少同一數值。此時，車輛就可能偏離直線行駛，為此駕駛員就必須經常操縱方向盤，以免車輛偏離正常行駛路線。2、差速器動力學： 上式說明單差速器的一個重要力學特性：它近似的將傳給它的力矩平均分配到兩側半軸；或者說作用在其兩側半軸上的力矩總是相等的。 單差速器的動力

45、學特性，對輪式車輛牽引附著性能是十分不利的，如下圖，當一側驅動輪陷入較滑的地段(如泥濘、水坑、冰、雪、沙地等)時，由于單差速器不能根據路面(或土壤)條件情況來分配給左、右半軸以不同的轉矩，而是將轉矩以幾乎相等的份額傳給內、外側半軸，使得兩側的驅動力始終相等：差速鎖結合一、輪胎側偏特性 車輛行駛方向的改變是外力作用的結果，外力的來源有兩個，一個是空氣作用力；二是地面給與車輛的作用力，對車輛來說，地面作用力更重要，而所有地面作用力都是通過輪胎作用到車輛上的，所以輪胎的力學特性對車輛的操縱穩(wěn)定性意義重大。本節(jié)主要討論輪胎在滾動時的側偏特性。側偏特性是指側偏力與側偏角的關系，它是研究車輛操縱穩(wěn)定性的基

46、礎。1、輪胎的坐標系：輪胎的坐標系與地面作用于輪胎的力和力矩原點O：為車輪平面和地面的交線與車輪旋轉軸線在地面上投影線的交點。X軸：車輪平面與地平面的交線取為x軸，規(guī)定向前為正。z軸：z軸通過與地平面垂直，規(guī)定指向上方為正。Y軸：通過原點，在地平面上并垂直于x軸，規(guī)定面向車輪前進方向時指向左方為正。地面作用于輪胎的力有：（1）地面切向反作用力Fx、（2）地面?zhèn)认蚍醋饔昧Y、（3）地面法向反作用力Fz、地面作用于輪胎的力矩有：地面反作用力繞z軸的力矩 回正力矩Mz、地面反作用力繞x軸的力矩翻轉力矩Mx、地面反作用力繞y軸的力矩滾動阻力矩My等。它們均按輪胎坐標系規(guī)定的方向確定正、負方向。圖中還

47、畫出了側偏角。2、輪胎的側偏現象和側偏力側偏角曲線：2式中：為：，則轉向半徑若前軸轉角為tgLRR（1）側偏現象：輪式機械行駛過程中，由于路面的拱度、側向風力或曲線行駛時的離心力等的作用，車輪中心沿y軸方向將作用有側向力Fy，當有側偏力作用時，1）若車輪是剛性的，則可能發(fā)生兩種情況：其一：側偏力小于側向附著力時，車輪不發(fā)生橫向滑動，仍沿其本身平面CC的方向行駛：其二：側偏力大于側向附著力時，車輪發(fā)生側向滑動，若滑動速度為v，車輪便沿合成速度方向行駛，偏離CC方向。2）當車輪有側向彈性時，即使側向力沒有達到側向附著力，車輪行駛方向也將偏離車輪平面的方向，這就是輪胎的側偏現象。下面討論具有側向彈性

48、的車輪在垂直載荷為W的條件下，受到側向力后的兩種情況：車輪靜止不動：由于有側向彈性，輪胎發(fā)生側向變形，輪胎與地面接觸印跡的長軸線aa與車輪平面不再重合，錯開一定的距離，但兩者仍平行。車輪滾動時，輪胎印跡不僅與車輪平面錯開一定距離，而且不再與車輪平面平行，而呈一定的夾角，與的夾角即為側偏角。車輪就是沿著方向滾動。3、側偏特性：指側偏力與側偏角的關系。由于輪胎與路面相互作用很復雜，而且影響因素很多，側偏特性多由試驗測得，下圖為測得的輪胎側偏特性曲線，曲線表明，側偏角不超過3度4度時，隨著側向力的增大，側偏角大致呈線性增加。當側向力增大到一定程度時，輪胎在地面上印痕的后部產生滑移，此時，側偏角增大的

49、很快，當側向力達到側向附著力時，車輪處于側向滑移狀態(tài)。即為側偏剛度。上式中的斜率側偏角成線性關系：，因此可認為側偏力與不超過，側偏角一般加速度一般不超過車輛正常行駛時，側向kkFgY00544 . 03 . 0、影響側偏特性的因素：輪胎的側偏剛度越大，車輛的操縱性越好，保持直線行駛的能力好。（）輪胎尺寸、型式和結構參數對側偏剛度到影響：）輪胎尺寸：尺寸較大的輪胎，側偏剛度較大；）型式：尺寸相同的子午線輪胎與普通輪胎相比，子午線輪胎因其接地面寬，側偏剛度大；而且鋼絲子午線胎比尼龍子午線胎的側偏剛度更大一些。）同一尺寸的輪胎，簾布層愈多，氣壓愈高，側偏剛度愈大。）扁平率減小，則側偏剛度增加。扁平率

50、：輪胎斷面高與斷面寬之比的百分數。（）垂直載荷對側偏剛度到影響：一般而言，垂直載荷增加，側偏剛度加大。但若垂直載荷過大，輪胎產生過大的徑向變形，側偏剛度反而下降。（）輪胎的切向反力（驅動力或制動力）：實驗表明，輪胎的切向反力的加大，會使側偏剛度減小，承受側向力的能力降低。二、車輛的轉向特性：、剛性車輪車輛轉向的幾何關系：常數LKctgctgLRtgtgLRR若前軸轉角不大時，式中：為：則轉向半徑稱為前軸轉角，車輛縱向軸線的夾角，為前軸中點速度方向與2、彈性車輪車輛的穩(wěn)態(tài)轉向特性：（1）穩(wěn)態(tài)轉向特性： 車輛是由若干部件組成的物理系統(tǒng)，具有慣性、彈性、阻尼等動力學特性，稱為一個動力學系統(tǒng)。 若將車輛和駕駛員看做一個統(tǒng)一的整體，便構成一個閉路系統(tǒng)；閉路系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的輸出參數對系統(tǒng)的輸入控制由直接的影響。司機執(zhí)行環(huán)節(jié)車輛輸出Y輸入X司機觀測環(huán)節(jié) 如果不計入司機的反饋作用，則稱為開路系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)的輸出參數對輸入控制沒有影響，此時輸入量