履带车辆的转向理论

一、双履带车辆的转向理论对于双履带式车辆各种转向机构就基本原理来说是相同的，都是依靠改变两侧驱动轮上的驱动力，使其达到不同时速来实现转向的。

(一)双履带式车辆转向运动学履带车辆不带负荷，在水平地段上绕转向轴线O作稳定转向的简图，如图7-12所示。

从转向轴线O到车辆纵向对称平面的距离R，称为履带式车辆的转向半径。

以代表轴线O在车辆纵向对称平面上的投影，的运动速度代表车辆转向时的平均速度。

则车辆的转向角速度为：图7－12 履带式车辆转向运动简图(7-37)转向时，机体上任一点都绕转向轴线O作回转，其速度为该点到轴线O的距离和角速度的乘积。

所以慢、快速侧履带的速度和分别为：(7-38)式中：B—履带车辆的轨距。

根据相对运动原理，可以将机体上任一点的运动分解成两种运动的合成：(1)牵连运动，；(2)相对运动。

由上可得：(二)双履带式车辆转向动力学1、牵引平衡和力矩平衡图7-13给出了带有牵引负荷的履带式车辆，在水平地段上以转向半径R作低速稳定转向时的受力情况(离心力可略去不计)。

转向行驶时的牵引平衡可作两点假设：(1)在相同地面条件下，转向行驶阻力等于直线行驶阻力，且两侧履带行驶阻力相等，即：(2)在相同的地面条件和负荷情况下，相当于直线行驶的有效牵引力，即：图7－13 转向时作用在履带车辆上的外力所以回转行驶的牵引平衡关系为：(7-39)设履带车辆回转行驶时，地面对车辆作用的阻力矩为，在负荷作用下总的转向阻力矩为：(7-40)式中：—牵引点到轴线的水平距离。

如前所述履带车辆转向是靠内、外侧履带产生的驱动力不等来实现的，所以回转行驶时的转向力矩为：(7-41)稳定转向时的力矩平衡关系为：(7-42)为了进一步研究回转行驶特性，有必要对内、外侧驱动力分别加以讨论。

由上可得：(7-43)式中：为在作用下，土壤对履带行驶所增加的反力，亦即转向力，作用方向与驱动力方向相同，以表示。

变形得式：(7-44)令所以。

υ称为转向参数，其意义为转向力与车辆切线牵引力之比。

显然υ大表示转向阻力矩大，υ小表示转向阻力矩小。

υ可以综合反映转向特性。

将υ代入得：(7-45)下面就值得变化来讨论一下履带车辆转向情况。

1.当ν=0时，转向阻力矩，。

表明车辆作直线行驶。

2.当ν=时，内侧履带的驱动力，，外侧履带的驱动力。

说明内侧转向离合器彻底分离，但制动器没有制动，牵引负荷完全由外侧履带承担。

3.当ν＜时，内侧履带的驱动力，，外侧履带驱动力。

说明内侧离合器处于半分离状态，内外侧履带都提供驱动力。

4.当ν＞时，内侧履带的驱动力，，外侧履带驱动力。

说明内侧离合器不仅完全分离，而且对驱动链轮施加了制动力矩，履带产生了制动力。

2.转向阻力矩不带负荷时转向阻力矩就是。

也称为转向阻力矩，它与牵引负荷的横向分力所引起的转向阻力矩不同，它是履带绕其本身转动轴线(或)作相对转动时，地面对履带产生的阻力矩。

实验表明，当土壤和转向半径一定时，这些力与车辆重量大体成正比，且对履带相对转动轴线(或)形成阻力矩。

所有作用的履带上单元阻力矩之和，就是履带式车辆的转向阻力矩。

为便于计算的数值，作如下两点假设：1.机重平均分布在两条履带上，且单位履带长度上的负荷为：(7-46)2.形成转向阻力矩的反力都是横向力且是均匀分布的。

于是在牵引负荷横向分力的影响下，车辆转向轴线将由原来通过履带接地几何中心移至(见图7-14)，移动距离为。

根据横向力平衡原理，转向轴线偏移量可按下式计算：(7-47) 图7-14 履带式车辆转向阻力的分布式中：—整机使用重量；μ—转向阻力系数。

根据上述假设，转向时地面对履带支承段的反作用力的分布如图7-14所示，为矩形分布。

在履带支承面上任何一微小单元长度dx，分配在其上的机器重量为。

总的转向阻力矩可按下式进行计算：将(7-46)代入上式并积分得：(7-48)式中：—转向轴线偏移系数。

式(7-48)说明，转向阻力矩随转向轴线偏移量得增加而增大，然而转向轴线的偏移量相对履带接地长度是较小的。

如果设，此时转向阻力矩可表示为：(7-49)转向阻力系数μ表示作用在履带支撑面上单位机械重量所引起的土壤换算横向反力。

它是综合考虑了土壤的横向和纵向的摩擦和挤压等因素的作用。

一般用试验方法测定。

(三)影响履带车辆转向能力的因素车辆转向时可能获得的最大转向力矩受发动机功率和土壤的附着条件两方面的制约。

下面将分别讨论。

1．转向能力受限于发动机功率的条件履带式车辆在水平地段上作稳定转向时所消耗的功率则由下列三部分所组成：(1)车辆作基本直线运动所消耗的功率：(2)车辆绕本身的相对转动轴线O T转动所消耗的功率：(3)转向机构或制动器的摩擦元件所消耗的功率：式中：—转向离合器或制动器上的摩擦力矩；—制动器的角速度或转向离合器主从动片间的相对角速度。

由此可知，履带车辆作稳定转向时，传到中央传动从动齿轮上的功率可分为三部分，即：(7-50)式中：—车辆在稳定转向时，作用在中央传动齿轮上的力矩；—车辆在稳定转向时，中央传动从动齿轮的角速度。

当车辆在相同条件下作等速直线运动时，传到中央传动从动齿轮上的功率等于：(7-51)式中：—车辆作等速直线运动时，作用在中央传动从动齿轮上的扭矩；—车辆作等速直线运动时，中央传动从动齿轮的角速度。

假定，则。

如果将车辆稳定转向时与等速直线运动时发动机转矩之比称为发动机载荷比，并用系数来表示，可以得到：(7-52)式中：、—分别为车辆稳定转向时和等速直线运动时的发动机扭矩；、—分别为车辆稳定转向时和等速直线运动时的曲轴转动角速度。

该式表示了在相同的土壤和载荷条件下，履带式车辆稳定转向时与直线运动时相比，其发动机功率增长情况。

系数ξ值越大，车辆在急转弯时功率增长尤为显著。

因此，发动机荷载比ξ是评价履带式车辆转向机构性能的一项指标。

2．转向能力受限于附着力的条件当车辆在松软潮湿土壤或冰雪地上转弯时，有时会出现快速侧履带严重打滑而不能进行急转弯的现象。

为了确保履带式车辆能稳定地进行转向，快速侧履带的驱动力必须满足下列不等式的要求，即：(7-53)式中：－快速侧履带与土壤的附着系数。

当车辆不带负荷在水平地段上作稳定转向时(即)，上式可改写成：或: (7-54)该式表明，履带式车辆的转向能力不仅与土壤条件和履刺机构(系数、f及μ)有关，同时还与车辆的结构参数()有关。

现代履带拖拉机的结构参数一般都能满足不带负荷急转弯的行驶条件。

同样分析，履带车辆内侧离合器被动鼓不制动转向的条件是：当车辆不带牵引负荷在水平地段上作稳定转向时,上式可写为：或：(7-55)如果取松土地面的转向阻力系数，滚动阻力系数，则转向附着条件式为：≈由于现代履带拖拉机结构参数远大于，所以不带制动难以实现急转弯行驶。

(四)各种转向机构的转向性能及简单评价1、转向离合器和单级行星机构对履带式车辆转向性能的影响履带式车辆转向是利用转向机构来调节传至两侧履带上的驱动力，使左、右驱动轮上的驱动力不等来实现的。

图7-15上给出了装有转向离合器的履带式车辆后桥的结构简图(假定没有最终传动，但这不影响讨论问题的实质)。

图7-15 装有转向离合器的履带图7-16 具有单级行星机构的履带式车辆的后桥简图车辆后桥结构简图 1-行星机构制动器；2-停车制动器 a)齿圈主动；b)太阳轮主动当车辆作直线运动时，两侧离合器是结合的，而制动器则是完全松开的。

此时两侧驱动轮以相同的角速度旋转，其转向参数ν=0。

车辆需要转向时，可以有下列两种情况。

第一种转向情况是：将两侧制动器完全松开，部分地或全部分离慢速侧离合器。

此时两侧履带上的驱动力为正值，因此两侧半轴都传递驱动力，在这种情况下转向参数ν。

第二种转向情况是：除了将慢速侧离合器彻底分离外，还对慢速侧加以制动。

此时慢速侧履带上的驱动力为负值。

因此慢速侧半轴和慢速侧履带是在机体带动下运动的，在这种情况下转向参数ν>。

图7-16是具有单级行星机构的履带式车辆的后桥结构简图(假定没有最终传动)。

图7-16a)表示齿圈主动，行星架行动。

7-16b)表示太阳主动，行星架主动。

当车辆作直线行驶时，两侧行星机构制动器应该包紧，而停车制动2则完全松开。

此时行星机构起减速器作用，两侧驱动轮即以相同角速度旋转，其转向参数ν=0。

车辆需要转向时，也有下列两种情况：第一种转向情况是：将两侧停车制动器2完全松开，并将慢速侧行星机构制动器1部分或全部松开，此时两侧半轴上的驱动力都是正值，在这种情况下，转向参数ν。

第二种转向情况是：除了将慢速侧的行星机构制动器1完全松开外，还需要对该侧(停车制动器2)加以制动。

此时慢速侧履带上的驱动力为负值，在这种情况下，转向参数ν>。

以上分析表明，单级行星机构和转向离合器的工作情况完全类似，由它们所决定的车辆的转向性能也完全一样。

因此，下面仅以具有转向离合器的履带式车辆为例，进行讨论。

假定发动机的转速不变，具有转向离合器的履带式车辆稳定转向时由于快速侧离合器未分离，故该侧履带的速度就等于车辆直线行驶时的速度v。

转向时车辆的平均速度：(7-56)这表明，具有转向离合器的履带式稳定转向时，其平均速度比等速直线行驶时的速度要低。

当车辆在第一种情况下(ν稳定转向时，如图7-17所示，两侧履带上的驱动力均为正值，慢速侧离合器所传递的力矩比快速侧离合器所传递的力矩要小。

设此时传到中央传动从动齿轮上的驱动力矩为，则图7－17 υ＜时作用在具有转向离。

如果将履带驱动段效率略去不计，合器的履带式车辆后桥上的力矩这时两侧履带上的驱动力分别是：式中：—驱动轮的动力半径。

车轮转向力矩为(7-57)上式说明，如的情况下，具有转向离合器的履带式车辆的转向力矩可以靠慢速侧离合器的摩擦力矩来调节，慢速侧离合器分离程度越大，则摩擦力矩越小，车辆转向力矩就越大。

当慢速侧离合器全部分离时=0，转向力矩达到不施加制动器时的最大值，此时，ν=。

图7-18给出了车辆在这种情况下转向时，作用在机器后桥脱离体上的所有力矩。

根据该图及的假定可得下列平衡方程式：由此可得发动机载荷比：(7-58)上式表明，具有转向离合器的履带式车辆在第一种情况下(ν，作稳定转向时的发动机载荷，就等于车辆在相同条件下作等速直线行驶的发动机载荷。

在第二种转向情况下(ν>，履带的驱动力完全发生在快速侧，于是发动机的载荷比ξ可按下式计算：，因而ξ的表达式可演变为：(7-59)上式表明，转向参数>时，发动机载荷比ξ将恒大于1。

也就是说，在这种情况下进行转向，所引起的功率损失要比第一种转向情况来得大一些。

这时虽然车辆作基本直线运动所消耗的功率有所减少，但由于转向阻力矩增大和慢速侧制动器所消耗的功率增加，图7－18 υ〉时作用在具有转向离合器所以总消耗功率还是增加的。