第六章车辆的牵引性能和动力性能

(6-21)
Fj ＝ ±
(6-22)
式中正号表示加速惯性力，负号表示减速惯性力，其他符 号意义见式（6-8）。 此时机器的有效牵引力FKP的表达式为：
2 G d im J e 2 m r v } cosa±sina± g d rK t
FKP＝FK－G(f
(6-23)
' G dv im (6-8) F FK J e ' η m η r g dt rK 式中：G—机器重量； g—重力加速度； Je—发动机运动质量换算至曲轴上的转动惯量(传动系的转动惯量 很小，通常忽略不计)； dV／dt—机器前进的减速度或加速度。 ' K
两种限制条件来计算：即按发动机的功率和地面的附着条件。 发动机的特性和地面的附着条件是牵引力平衡和牵引功率平衡 计算的基础。
一、驱动力的确定
(一)机械直接传动的车辆驱动力的确定 在确定驱动力矩MK时，应注意，对大多数现代工业车辆
来说，发动机的功率在输入变速器之前，必须分出一部分来驱
动机器的辅助装置。对装载机一类的机械，还需分出相当大的 一部分功率来驱动工作机构。因此在计算驱动力矩时应将这一 部分转矩(功率)从发动机的转矩Me (功率Pe)中扣除。
算的原始依据应是涡轮输出轴的转矩M2。需要注意的是：当
计算变矩器的输出特性时，在发动机的有效功率中必须扣除 由发动机直接驱动的功率输出轴(例如装载机的驱动工作机构
的油泵)和辅助装置所消耗的功率。
和机械直接传动的情况不同，在液力机械传动中，辅助装置 的消耗不仅包括主离合器、转向等油泵的空载消耗，而且还有变 矩器冷却油泵的消耗，该油泵是按照工作负荷运转的。辅助装置 的扭矩消耗MBa按下式计算：
(6-4)
式中：im— 传动系总传动比(自发动机至驱动轮)； ηm— 传动系总效率。
在一般情况下，
im = ig×io×is = (ne ÷nK) = (ω e ÷ ω K )
式中：
(6-5)
ig— 变速器各档的传动比； io— 主减速器传动比； is— 侧减速器传动比；
ne 、ω e — 发动机转速和角速度； nK 、ω K — 驱动轮转速和角速度。
im和η m仍可按式 (6-6)进行计算，只是ne和ω e应用相应的n2 和ω 2来代替。需要注意的是，如果采用动力换档变速器，其功率 损失不仅有齿轮的啮合损失，但主要的损失还是各离合器中的回 转损失。对于此种损失尚无精确的计算办法，在实用计算中，动 力换档变速器的转矩损失可按30～50N·m来考虑(对于10～20t级 的机器)，并将其在变速器的输出转矩中扣除。 切线牵引力FK可按下式计算：
工作阻力Fx 即作用在工作装置上的铲掘阻力。
这样，作用在车辆上的外部阻力的总和∑F即等于： ∑F= Ff + Fi + Fx 于是，车辆的牵引平衡方程具有以下形式：
(6-17)
FK = Ff + Fi + Fx FKP = FK－G(fcosa±sina）
当机器在水平地面上作等速行驶时，
(6-18)
对于推土机而言，MPTO = 0。对于装载机而言，可取MPTO = (0.20～0.40)MeH。 在车辆等速稳定行驶的工况下，驱动力矩MK可按下式计算：
MK ＝ M2 im η
m
(6-13)
M2 — 涡轮输出扭矩；
im — 机械传动部分的总传动比(自变矩器输出轴至驱动轮)； η
m
— 机械传动部分的总效率。
机器作等速运行时，有效牵引力FKP的一般表达式为： (6-19) (6-20)
FKP = FK－f·G
机器在不稳定工况下运动时，对于机械直接传动的车辆， 需要考虑运动质量惯性力的影响，此时牵引平衡方程为：
FK = Ff + Fi +Fj＋Fx
式中：Fj为惯性阻力，可按下式计算：
2 G d im J e 2 m r v g d rK t
对履带推土机,这种辅助装置主要是操纵主离合器、转向离 合器和工作装置用的工作油泵和润滑油泵。在推土机作业时，操 纵系统只有短暂性的工作，因此辅助装置的消耗可按液压系统的 空载回路(阻力)消耗来计算。此时，转矩的损失可近似地认为与 发动机转速成正比。当发动机在额定转速工作时，这种损失约占
发动机额定转矩的3％～5％，亦即：
FK F
现在来考察在稳定行驶的牵引工况下，作用在车辆上的外 部阻力，这些外部阻力包括以下各项： 1.滚动阻力Ff
Ff = f G cosa
(6-15)
式中：a— 运动表面对水平面的倾角； G —机器重量。
2.坡道阻力Fi
Fi =±Gsina
(6-16)
式中正号表示上坡，负号表示下坡。
3.工作阻力Fx
Pr = PK(1－η r) = Pecη m(1－η r)
履带上的理论切线牵引功率P’PK可按下式计算： P’PK ＝PK－Pr ＝PK η r= Pecη Mη
r
当切线牵引力FK 和车辆的理论速度vT为已知时，则P`PK亦 可直接按FK与vT计算：
P’PK ＝FKvT
5) 履带滑转引起的功率损失 6) 消耗在克服滚动阻力上的功率 7) 消耗在克服坡道阻力上的功率 8) 消耗在克服工作阻力上的功率，即有效牵引功率
(二) 牵引功率平衡方程—牵引功率和牵引效率的计算 1.机械传动 当机械传动的车辆在等速牵引工况下工作时，发动机的有 效功率Pe将按以下各部分分配。（共八部分，不展开介绍）
1)驱动辅助装置消耗的功率PBa 这部分功率主要消耗在克服操纵和润滑系统油泵的空载回 路阻力中，它可按下列公式计算：
PBa = MBanc=(0.03～0.05)PeH
MBa ＝(0.03～0.05)MeH (ne ÷neH) +MBaT
式中：MBaT — 变矩器油泵所消耗的扭矩。
(6-11)
MBaT可按下式计算
MBaT = 2 N m bm
pqT
(6-12)
式中：p — 油泵工作压力(MPa)； qT — 油泵理论排量(ml/r)； η bm — 油泵机械效率， η bm = 0.85～0.88。
MBa = (0.03～0.05) MeH (ne ÷neH)
式中：MeH— 发动机的额定转矩； neH— 发动机的额定转速； ne— 发动机转速。
对于轮式装载机，驱动工作机构消耗的转矩MPTO可按发动机额
定转矩的20％～40%来考虑。 在等速稳定运转的工况下，驱动轮上的力矩MK可按下式计算：
MK = Mec imηm
用通常能保证机器具有足够大的牵引力以克服临时增大的切削
阻力。因此，利用机器在减速时的惯性来增大牵引力的问题， 在这种场合，没有太大实用意义，故本文不再多作讨论。
二、牵引力平衡和牵引功率平衡
工业车辆的牵引力平衡和功率平衡表明了当机器工作时它的 切线牵引力和发动机的有效功率是怎样分配、消耗和被利用的。 机器的牵引力平衡方程和牵引功率平衡方程是计算牵引力和牵引 功率的基本方程。 (一) 牵引力平衡方程 我们知道，在等速行驶工况下车辆牵引力平衡方程为：
设MBa和MPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出轴上的 发动机转矩，PBa和PPTO分别为消耗在驱动辅助装置和功率输出
轴上的发动机功率，则输入变速器的发动机自由转矩Mec和自
由功率Pec可按下式计算：
M ec M e M Ba M PTO Pec Pe PBa PPTO
由附着条件决定的最大有效牵引力FΦ (附着力)可按下式确定： FΦ ＝φ G (6-9)
由附着条件决定的最大切线牵引力(最大附着力)FKΦ 可按下式 计算： FKΦ ＝(φ + f )G (6-10)
式中：G —机器重力； φ —履带与地面的附着系数； f —由履带行走机构的滚动阻力系数。
(二)液力机械传动车辆驱动力的确定 如前所述，在液力机械传动中可将发动机和液力变矩器看成 是某种复合的动力装置。因此，对于这种传动形式的机械传 动部分，只要给出了变矩器与发动机共同工作的输出特性， 则驱动力计算与机械直接传动的情况并无原则的区别，但计
2.液力机械传动 对于液力机械传动的车辆，发动机有效功率的分配和消耗略 有不同。此时除机械传动的各项损失外，还需增加液力传动中的 功率损失。在这种场合下，车辆的功率平衡方程可列如下：
Pe＝PBa＋PPTO＋PTe+Pm＋Pr＋Pδ +Pf＋Pi＋Px
(6-51)
式中：PTe — 液力传动部分(变矩器)的功率损失； Pm — 机械传动部分的功率损失。 在公式(6-51)中，需要注意的是，辅助装置消耗的功率PBa不 仅包括各油泵回路的空载阻力耗损，而且还应包括带工作负荷的 变矩器冷却油泵所消耗的功率，此时 PBa可按下式计算：
M 2 im m r FK = rK
Baidu Nhomakorabea
(6-14)
由附着条件决定的最大牵引力FΦ 与最大切线牵引力FKΦ 的计 算公式与机械传动时相同，见式(6-9)和(6-10)。
当液力机械传动的履带车辆在不稳定工况下工作时，由于
变矩器对发动机负荷的隔离作用(不透穿性)，利用发动机飞轮
惯性来增大切线牵引力的可能性大大降低。但变矩器的变矩作
的。本章着重讨论工业车辆的牵引特性及其计算与绘制方法。
第一节 牵引力平衡和牵引功率平衡
如前所述，推动履带车辆前进的驱动力是地面作用在履带上的 切线牵引力。产生这一切线牵引力的原动力是由发动机传至驱 动轮上的驱动力矩，而驱动力矩本身又需依靠履带与土壤之间
的附着作用才能得以充分发挥。因此，车辆的切线牵引力可按
FK
r M K
rK

M eciM m r rK
(6-7)
式中：rK— 驱动轮动力半径； η r— 履带驱动段效率(η
r
= 0.96～0.97)。
当工作阻力突然减小或增大时，机器处于减速或加速的不 稳定过程。此时由于发动机飞轮、传动系以及整车质量惯性力 的作用，驱动力矩和切线牵引力都会发生变化。尤其是在减速 过程中，此种惯性力可用来增大车辆的驱动力，以克服铲掘阻 力的短时增大(即所谓冲击铲掘)。此点对机械传动的工业拖拉 机是有实用意义的。 在不稳定工况下，履带车辆的切线牵引力F”K可按下式计算：
速性能、运行稳定性和机动性。但是，对于运行速度较低的铲
土运输机械来说，最主要的工况乃是牵引工况。
机器的牵引性能和牵引工况下的燃料经济性是指机器在牵引工
况下的工作能力和燃料消耗的多少。为了有效地完成牵引工况，
必须使机器在低档工作时保证发动机的功率高效率地转换成作 业用的牵引功率，并发挥出必要的牵引力，同时所消耗的燃料 则应尽可能的低。 车辆的牵引性能和燃料经济性通常是用机器的牵引特性来评价
工程机械底盘理论
第六章
车辆的牵引性能和动 力性能
牵引力平衡和牵引功率平衡 牵引特性 试验牵引特性 动力特性
第一节 第二节 第三节 第四节
一般来说，施工机械的工作过程有两种典型工况：牵引工 况和运输工况。机器在牵引工况下工作时，需要克服由铲土而 产生的巨大工作阻力，因而要求机器能发挥强大的牵引力。当 机器在运输工况下工作时，需要克服的仅是数值不大的行驶阻 力，此时主要要求机器在越野条件下能具有高的速度性能：加
式中：PeH — 发动机的额定功率。
ne n eH

2
如用η
Ba表示驱动辅助装置的效率，则
Ba
Pe PBa = Pe
式中：Pe — 发动机有效功率。
2)驱动功率输出轴所需的功率PPTO 这部分功率计算需视车辆所带工作装置的类型决定。对于推 土机可认为在推土时，工作装置等操纵系统基本上是不工作的， 此时PPTO = 0。 对于装载机可取：
PPTO =(0.20～0.40) PeH
输入变速器的功率，亦即发动机的自由功率Pec为：
Pec = Pe－(PBa+ PPTO)
3)传动系中的功率损失Pm
Pm = Pec（ 1－η m）
式中：η m— 传动系总效率。 驱动轮上的驱动功率PK则可按下式计算：
PK = Pec－Pm= Pecη
m
4)履带驱动段上的功率损失Pr
传动系的总效率则可按下式计算： η m=(η
1
m1)(η
2
m2)
(6-6)
式中： η 1— 圆柱齿轮的传动效率(η 1 =0.985)； η 2— 圆锥齿轮的传动效率(η 2 =0.97)； m1— 传动系中圆柱齿轮的对数； m2— 传动系中圆锥齿轮的对数。 根据式(2-3)和式(6-4)，切线牵引力FK可按下式计算：