工程机械设计_吴永平_第二篇工程机械底盘设计第九章轮式工程机械转向系

轴距系数： 横拉杆 长度系数：
L kL B
a ka B
梯形臂 长度系数：
c kc B
主销距离为一个单位长度（kb＝1）的轮式机械，其 轴距为kL，求横拉杆长度ka、梯形臂长度kc。
B 1 cot cot L kL
'
理论偏转角β：由偏转角关系式计算得到。 实际偏转角β’：由转向梯形结构的平面几何关系得到。
方便
方便 最大 简单 相关 差 一般
第二节
车轮转向时的受力分析
一、车轮转向时的受力分析
1.单个从动轮沿直线滚动时的受力分析
滚动阻力： P f Z f 滑动阻力： P f Z
车轮沿直线方向滚动的条件为：
P Pf
车轮不产生滑动的条件为：
Pf Z
2.单个从动轮转向时的受力分析
2.塔布莱克推荐公式
M z G1
b2 a2 8
第三节
设计原则：
偏转车轮转向系设计
偏转车轮转向时，要保证所有车轮都作纯滚动，即应使转向 时所有车轮均绕一个共同的瞬时中心作弧形滚动。
转向半径： Rmin 车轮偏转角：
N B cot L
L sin max
cot
N L
B cot cot L
转向节臂
连杆
双出杆 连杆 油 缸
二、利用图解法校核转向机构
AG AE EG cot EAF FG FG BG BE EG cot EBF FG FG
cotEBF - cotEAF 2 EG 2 EA B FG AC L cot cot
EC线为保证内外转向轮理想的转角关系的理论特性线。
机械式转向系统：球面蜗杆滚轮式；循环球齿条齿扇式
动力转向系统：机械反馈式；全液压式 微机控制转向系统
一
转向器
机械式转向系统
第九章
轮胎式工程机械转向系
功能：根据需要使车辆灵活的改变行驶方向；保持车辆直线行驶的稳定性。
组成：转向器，转向传动装置，以及动力转向装置。
设计要求：
1. 工作可靠。转向系对车辆的行驶安全性关系极大，其零部件应有 足够的强度、刚度和寿命，可通过合理的选择材料和结构来保证。 2. 操纵轻便灵活。方向盘操纵力要小，方向盘回转圈数不宜过多。 3. 方向盘上有路感且能够自动回正。车辆转向时，驾驶员应能从方 向盘上感觉到路面的不平度，转向结束后转向轮应能自动回正。 4. 行驶时系统应该稳定。工程机械行驶时，方向盘不能有严重的抖 动和摆动；要减少通过转向操纵系统传到方向盘上的路面冲击力。 5. 转向时车轮侧向滑动小，从而减少轮胎磨损，实现转向轻便。 6. 转向半径小，以提高车辆的机动性。 7. 结构合理。转向系的调整应尽量少而简便。
实际偏转角－理论偏转角＝
优化目标：在梯形臂长度系数kc给定时，调整横拉杆长度系数ka ， 总能找到一个ka值，满足△βmax最小，也就是该kc下的最优ka值。
转向梯形后置时横拉杆长度系数ka的最优值
kL kc 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 1.4 0.9049 0.8879 0.8714 0.8555 0.8402 0.8255 0.8113 1.6 0.9136 0.8980 0.8829 0.8684 0.8543 0.8407 0.8275 1.8 0.9209 0.9066 0.8927 0.8792 0.8662 0.8536 0.8414 2.0 0.9272 0.9139 0.9011 0.8886 0.8764 0.8647 0.8532 2.2 0.9327 0.9203 0.9083 0.8966 0.8853 0.8743 0.8635 2.4 0.9374 0.9258 0.9146 0.9037 0.8930 0.8826 0.8725 2.6 0.9415 0.9307 0.9201 0.9098 0.8998 0.8900 0.8805 2.8 0.9451 0.9350 0.9250 0.9153 0.9158 0.8965 0.8875 3.0 0.9484 0.9388 0.9293 0.9201 0.9112 0.9024 0.8938 3.2 0.9513 0.9421 0.9332 0.9245 0.9159 0.9076 0.8994 3.4 0.9539 0.9452 0.9367 0.9284 0.9203 0.9123 0.9044 3.6 0.9562 0.9479 0.9399 0.9319 0.9242 0.9165 0.9090
0.24
0.26
0.7976
0.7843
0.8148
0.8025
0.8295
0.8180
0.8421
0.8314
0.8531
0.8430
0.8627
0.8531
0.8711
0.8621
0.8786
0.8700
0.8853
0.8771
0.8914
0.8835
0.8968
0.8893
0.9017
0.8945
偏转 前后轮
小
铰接 转向
较小
滑移 转向
最小
2
3 4 5 6 7 8
对准工作面
驾驶路线判断 转向时轮胎磨损 结构复杂程度 转向系与传动系的关系 整机纵向稳定性 整机横向稳定性
一般
方便 一般 复杂 不相关 良好 一般
方便
较差 一般 复杂 不相关 良好 一般
一般
方便 较小 最复杂 不相关 良好 一般
方便
方便 小 简单 不相关 较差 略差
实际设计中，四连杆机构的最小传动角不能太小。
传动角γ越大，有效分力越大，径向压力越小，对机构的传
动越有利。 在机构运动过程中，传动角的大小是变化的；为了保证机
构的传动性能良好，设计时应使γmin ≥30°。
γ
二、对顶曲柄机构
对顶曲柄机构是另一种常用的机械式转向机构。它与全
液压转向系统结合后，结构紧凑，容易实现较大的偏转角。
二、铰接式机械转向Fra Baidu bibliotek的转向阻力矩计算
铰接式机械的转向阻力矩与单双桥驱动、车轮负荷、轮胎宽度、路 面状况、转向速度、转向角等诸多因素有关，因此准确计算十分困难。
方法1——试验测定
根据转向阻力矩和油缸转向 力矩平衡的关系，通过测定转向 角和转向油缸各腔的油压来计算 原地转向阻力矩。
方法2——经验公式
M z G1 B2 a2 4
Pr：侧向阻力
P’kp：作业阻力
1．几点假设
1）将轮胎与地面的接触看作点接触，接触点就是轮胎的接地面中心。
2）转向时机器速度较低，离心力忽略不计,切向加速度略去不计。 3）机器的重心位于四个轮胎所形成四边形的中心OT，四个轮胎的附着 重量相同。四个轮胎所产生的最大驱动力（即附着力）数值相同。 4）转向时，轮胎所受的滚动阻力数值相等，并且与直线行驶时的相同。
不论在直线或弯道上行驶，只要驱动轮与地面之间有足够的附着 力，驱动力总可以使车轮滚动。
二、转向阻力矩计算
转向阻力矩Mz与转向桥负荷、轮胎结构和气压、前轮定位、地面状 况等许多因素有关，因此精确计算转向阻力矩有困难。 转向系统的设计是按照原地转向阻力矩进行的。
1.雷索夫推荐公式
M z G1 ( fa x)
GS f ) 2
B. 两边轮胎驱动方向相反，设轮胎1、3前进，2、4后退，机器绕OT点转动。
转向动力矩MK为： M K B ( PK1 PK 2 PK 3 PK 4 ) B ( P f 1 P f 2 P f 3 P f 4 ) 在轮胎打滑时， M K BGS ( f ) / 2
三、对顶曲柄机构
对顶曲柄机构是另一种常用的机械式转向机构。它与全
液压转向系统结合后，结构紧凑，容易实现较大的偏转角。
转向节臂
连杆
双出杆 连杆 油 缸
四、多转向桥的转向机构 多转向桥的偏转车轮转向原理与单转向桥相同，即尽量 使各轮轴线在地面的投影交于一点。
每个转向桥都布置转向梯形机构
cot 1 cot 1
一、转向四连杆机构（转向梯形机构）
转向梯形前置式 转向驱动桥
转向梯形后置式(优先) 转向桥
梯形臂 转向横拉杆
转向四连杆机构
转向机构实际为空间机构，设计时简化为平面机构计算。 转向梯形的结构设计采用相似理论和优化理论。 对于B与L比值相同的一类机械，α与β的关系是相同的； 根据几何相似原理，这一类机械只要知道一组横拉杆长度a、 梯形臂长度c的最优值，其它情况可以按比例得出。
第一节
转向方式的选择
1.偏转车轮转向：整体式车架，其转向是通过车轮相
类 型
对车架偏转来实现。
2.铰 接 3.滑 移 转 向：铰接式车架，其转向是通过前、后 车架相对偏转来实现。 转 向：整体式车架，其转向是通过改变左 右两侧车轮的转速来实现。
1.偏转车轮转向
偏转前轮式
偏转后轮式
全轮转向式
蟹行转向
RF RB
RF RB
RF＝RB
偏转后轮式：工作装置前置的机器。有利于简化结构，提高作业性能。
全轮转向一般用于机身较长，常在狭窄场地工作的机器。
斜行转向机械的横坡行驶示意图
可提高作业时的整体稳定性
2. 铰接转向
优点：
可用非转向桥实现全桥驱动；
结构简单，转向灵活
缺点：
行驶稳定性差； 转向后不能自动回正； 转向过程可能产生循环功率； 前后车架间的传动布置困难。
车轮滚动条件为
PX P cos Pf
车轮在推力P方向不产生侧滑的条件为：
P Z
所以， P Z 时的β角应该为车轮 偏转角的极限值，即
PX Z cos max Pf
max
f arccos
3.单个驱动轮转向时的受力分析
2 2
要使机器在行驶中能够转向，必须满足：
Mk M f
B L f
—— 滑移转向机器行驶时 正常转向应满足的几何条件。
三、设计要点
1.一般采用全液压驱动，左右两侧驱动轮各用一套泵-马达闭式系统。 2.两侧驱动轮要分别采用机械（链条、齿轮等）联动，以保证转速相等。
第六节
转向操纵系统
铰接转向一般用于驱动力较大、速度较低的工程机械上。
3. 滑移转向
特点：
整体刚性车架； 转向时两侧车轮角速度有 速差。
O
T
优、缺点：
转向灵活，可原地转向；
转向时轮胎有侧滑现象。
O
滑移转向一般用于要求结构紧凑的小型工程机械上。
不同转向方式的比较
序号
1
项 目
转向半径
偏转 前轮
大
偏转 后轮
大
cot 2 cot 2
B L1
B L2
转向桥间布置桥间连杆机构
tan 1 L1 tan 2 L2
第四节
R1
R2
铰接式车架转向系设计
一、铰接式机械转向时的转弯半径
B AC B L (1 K K cos ) 2 sin 2 sin
B L [ K (1 K ) cos ] 2 sin
5）转向时，四个轮胎所受的侧向阻力数值相等，与其附着重量成正比。
6）机器所受的作业阻力在机器的纵向中心平面内。
2．力学分析
（1）转向阻力矩计算
四个轮胎所受的侧向阻力对中心OT的力矩形成了转向阻力矩
L L M f ( Pr1 Pr 2 Pr 3 Pr 4 ) GS 2 2
（2）转向过程分析
设轮胎2、4制动，机器绕O’转动，PK2= Pf2= PK4= Pf4=0。 A. 单边轮胎制动， 转向动力矩MK为： M K B[( PK 1 Pf 1 ) ( PK 3 Pf 3 )] B( PK 1 PK 3 在外侧打滑时，PK1=PK3=GSφ/4， M K BGS ( f ) / 2
第五节
滑移转向的设计计算
一、滑移转向机器中心的运动半径
机器中心OT的速度为
1 v (v1 v2 ) 2
机器转动的角速度为
O
T

v1 v2 v R R B/2 R B/2
中心的运动半径R为
R
B(v2 v1 ) 2(v2 v1 )
O
二、滑移转向过程的力学分析
Pk：驱动力 Pf：滚动阻力
L R1 R2 (1 2K )(1 cos ) sin
(1) K＜0.5时，R 1－R 2＞0， 前外轮的转向半径为机器的转向半径。 (2) K＞0.5时，R 1－R 2＜0， 后外轮的转向半径为机器的转向半径。 (3) K = 0.5时，R1 = R2 ，
前后轮的转向半径相等。