轮胎式滑移装载机转向阻力矩分析_郭亚朝

Abstract：Based on the theory of statics and theory of ground vehicle dynamics, an accurate method of calculating steering resistance torque was put forward. The steering modes and the steering conditions of the wheeled skid loader were analyzed. A comparative analysis on various steering modes of a 440HD skid loader was carried out. The study offered theoretical basis for designing the steering system of the skid loader. Keywords：loader; skid steering; steering resistance
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第 40 卷 2012 年第 8 期
两侧车轮运动方向相反，大小相等时， R ＝0； 一侧车轮制动，另一侧车轮驱动时，R＝B/ 2。
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3 轮胎式滑移装载机转向阻力矩分析
3.1 四轮驱动、两侧车轮同向运动时转向阻 力矩分析
以旋转中心 O 为原点，平行于轮胎轴线为 x 轴， 建立坐标系。转向过程中各车轮的速度如图 4(a) 所 示，此时各车轮受到的阻力如图 4(b) 所示[5]。 设各车轮的承载为 Gi，运动速度为 vi，驱动力为 F i，各车轮接地面中心坐标为 (x i，y i)，滚动摩擦系数
作者简介：郭亚朝，女，1986 年生，硕士研究生，主要研究方 向为工程机械。
与实际相差很大。笔者采用更接近实际的轮胎接地面 形状，得到了更为准确的车轮转向阻力矩。此外，深 入探讨了轮胎式滑移装载机的整机转向形式，推导出 转向阻力矩的计算公式，得出了不同转向形式下的转 向条件。
1 单个车轮转向阻力矩分析
pr 2 dr d +
(2)
(b) 受力图 图 2 轮胎绕任意一点 O 旋转 Fig. 2 Rotation of wheels around any point O
∫0
─ 2
a 2+ r 2+ arcsin dr d pr d n ─ G。 ∫0 2 M＝0.629 5 Gb。
1.2 绕接地面之外任意一点 O 旋转时阻力 矩
如图 2(a) 所示，旋转中心 O 不在轮胎轴线上， 车轮运动方向与轮胎平面有一定夹角 ，速度为 v。 以旋转中心 O 为原点，平行于轮胎轴线方向为 x 轴， 垂直于轴线方向为 y 轴，建立坐标系。轮胎接地中心 坐标为 (x1，y1)，如图 2(b) 所示。 将此运动过程拆分为 3 个运动：车轮绕轮胎接地 中心 O1 的旋转运动 、沿 x 方向的滑动 vx 和沿 y 方 向的纯滚动 vy。 由式 (3) 可知，旋转运动产生的转向阻力矩 M1＝ 0.629 5 Gb。轮胎滚动产生的阻力 Ff＝f G，轮胎滑动 产生的阻力 Fr＝μG。因此，总的转向阻力矩
故轮胎受到的总的驱动力矩 MQ＝ ∑ Fi xi，
i＝1 4
(7)
阻力矩 MZ＝ ∑ Ffi xi + ∑ Fri yi + ∑ Mi。
(d) 左侧制动，右侧驱动
i＝1 i＝1 i＝1 4 4 4
(8)
图 3 轮胎式滑移装载机不同转向形式 Fig. 3 Various steering modes of wheeled skid loader
i＝1 4
2
瑾
B L (fR + ─ +0.629 5 b) ∑ Gi+ f ─ (G2+ G4- G1- G3)。 (10) 2 2 i＝1
4
3.2 两侧车轮反向运动时转向阻力矩分析
左右两侧车轮运动方向相反时，转向半径进一步 减小。若两侧车轮运动方向相反，大小相等时，装载 机可实现原地转向，转向半径达到最小。各车轮的受 力情况如图 5 所示。
第 40 卷 2012 年第 8 期
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轮胎式滑移装载机转向阻力矩分析
郭亚朝，黄海东
吉林大学机械科学与工程学院 吉林长春 130025
摘要：根据静力学理论和地面车辆力学理论，提出一种计算车轮转向阻力矩的方法。分析了轮胎式滑 移装载机的整机转向形式和转向条件。以凯斯 440HD 型滑移装载机为例，对不同转向形式进行了对 比分析，为滑移装载机的转向系统设计提供了理论依据。 关键词：装载机；滑移转向；转向阻力 中图分类号：TU623.9 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2012)08-0036-04
第 40 卷 2012 年第 8 期
接触。为简化计算，假设轮胎与地面接触面为 a×b ( b 为轮胎宽度) 的矩形和以 b 为直径的两个半圆之 和，如图 1(b) 所示。轮胎以角速度 绕接地中心 O 旋转。由于轮胎对地面挤压或剪切，必然受到来自地 面的转向阻力矩 M[2-3]。
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铲 ・ 装 ・ 运
(a) 速度图
(a) (b) 图 1 轮胎绕接地面积中心转动 Fig. 1 Rotation of wheels around center of ground contact area
设接地面上某一微小单元的面积为 d A，它到 O 点的距离为 L。则该微小单元受到的摩擦阻力矩
G dM＝pL dA＝ ─ ─ ─ ─ ─ L dA， ab + ─ b2 4
4 4
5 结语
(11) 根据实际轮胎接地面形状，笔者提出了一种计算 车轮转向阻力矩的新方法，并全面剖析了轮胎式滑移 装载机整机的转向形式。在此基础上，得出了滑移装 载机 3 种转向形式的转向条件，以凯斯 440HD 型滑 移装载机为例对 3 种转向过程进行了对比分析。研究 结果对滑移装载机转向系统的设计提供了依据。
1.1 轮胎绕接地面积中心转动时的阻力矩
轮胎在载荷作用下产生变形，与地面的接触是面

5 结语
笔者将虚拟样机技术应用在动臂铰接点的受力计 算中，模拟了挖掘过程并根据挖掘过程中的阻力变化 情况施加载荷，仿真分析出动臂铰接点的载荷变化曲 线，确定了铰接点的最大载荷。相对于传统的计算方 法，该方法更为真实地模拟了工作装置的实际工作情 况，提高了计算精度和效率，从而为动臂有限元分析 提供了更加准确的依据。 通过动臂的有限元仿真，得到详细的应力分布情 况及应力集中区域。针对不同的应力集中位置，提出 调整结构参数，提高焊接质量等建议，对提高挖掘机 工作装置可靠性和改善其工作性能有着积极的意义。
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参 考 文 献
[1] 杨 军，元海兵. 角接接头焊缝的设计及强度影响因素 [J]. 焊 接技术，2009(4)：38. 张元元. WT2 挖掘装置挖掘阻力的分析计算 [J]. 建筑机械， 1997(9)：12-15. [3] 朱志辉，周志革，王金刚，等. 液压挖掘机工作装置的建模及 动力学仿真 [J]. 机械设计与制造，2006(8)：158-159. [4] 李 新，周志鸿. 基于 ADAMS 的挖掘机虚拟样机最大挖掘力 仿真测试 [J]. 建筑机械 (上半月)，2011(4)：82. [5] 潘玉安，程洪涛，姜迪友，等. 基于 ADAMS 的挖掘机工作装 置的仿真与优化设计 [J]. 煤矿机械，2009(3)：30. [6] 于 硕，张建宗，孔 喆. 液压挖掘机动臂的有限元分析 [J]. (收稿日期：2012-01-09) (修订日期：2012-04-17) 工程机械，2002(11)：33. □
M＝M1+ Ff x1+ Fr y1＝0.629 5 Gb + fGx1+ Gy1。 (4)
设 a＝b，得出单个车轮绕接地中心转动时的阻力矩 (3)
2 轮胎式滑移装载机转向形式分析
设轮胎式滑移装载机转向时左侧车轮运动速度为 v1，右侧车轮运动速度为 v2。当只有前轮驱动时，整 机的转向过程如图 3(a) 所示。在实际工况中，轮胎式 滑移装载机主要是四轮驱动，转向半径的大小由左右 两侧车轮的运动情况决定。当左右两侧车轮同向运动 时，转向过程如图 3(b) 所示；当左右两侧车轮运动方 向相反，大小相等时，转向过程如图 3(c) 所示；当一 侧车轮制动，另一侧车轮驱动时，转向过程如图 3(d) 所示。设轮距为 B，轴距为 L，上述 4 种情况下整机 的转向角速度 v1 v2 ＝─ (5) ─ ─ ─＝ ─ ─ ─ ─， R -0.5B R +0.5B 转向半径可以统一表示为[4] B(v1+v2) R＝ ──── 。 2(v2-v1)
滑 履带式滑移装载机两种。滑移式装载机通常采
移装载机按行走方式分为轮胎式滑移装载机和 用轮式通用底盘，全轮驱动，通过控制两侧车轮的线 速度差来实现滑移转向。由于其转向半径小，非常适 合狭小的作业场地[1]。对于轮胎式滑移装载机而言， 转向阻力矩分析是转向系统设计的理论基础。在以往 转向阻力矩的研究中，轮胎接地面大多简化为圆形，
(1)
式中：p 为接地比压，MPa； 为轮胎与地面之间的 滑动摩擦系数；G 为作用在轮胎上的垂直载荷，N。 车轮受到的阻力矩 M＝∫dM＝∫ pL dA， 即 M＝4=∫
a arctan ─ b
0
b ─ 2
∫0
b ─── 2cos
pr 2 dr d +∫
b arctan ─ a
0
∫0
a ─── 2cos
铲 ・ 装 ・ 运
图 6 一侧车轮制动、另一侧车轮驱动时的受力情况 Fig. 6 Force status of two sides of wheels at one side braking and another side driving