工程機械轉向理論第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第一節概述按轉向動力來源：機械轉向動力轉向：液壓式、氣動式、電動式、和復合式按車輛獲得轉向力矩的方式：偏轉車輪和偏轉履帶轉向。鉸接車架轉向。差速（滑移）轉向。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、偏轉車輪轉向及偏轉履帶轉向(1)前輪偏轉：前外輪的變道行駛半徑最大，駕駛員易于用前外輪是否避過障礙來估計整機的行駛路線。(2)后輪偏轉：適用于前方安裝有工作裝置機械，前輪轉角受限，輪壓增大。后輪轉向半徑大于前輪。(3)前后輪同時偏轉：前后輪轉向半徑相同，轉向半徑小，結構復雜，往往用于對機動性有特殊要求或機架特別長的機械。(4)多橋偏轉車輪轉向：用于總重和長度特別大的輪式工程機械，如大型汽車式起重機多采用這種方式。(5)偏轉履帶的轉向方式：用于超大型機械。第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日多履帶行走裝置特點：履帶支承面積大，接地比壓小，一般為100～160kPa；轉向半徑大，且只要求緩慢轉向；行走速度低，一般為4～12m/min;承載能力大；轉向阻力矩大。一套獨立的轉向機構，以便將轉向履帶組拉偏所需的角度；兩套以上的驅動裝置，以保證各條履帶的受力及轉向速度適應于轉向條件。多履帶行走裝置常用的轉向機構有：螺旋、鋼繩和液壓三種。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日利用前后車架相對偏轉來實現轉向，輪式車輛和履帶車輛都可以采用。二、鉸接車架轉向方式特點：

1有利于迅速對準作業面，減少循環時間，提高生產率；

2鉸接車架相對偏轉時，使轉向機構簡化；

3特別全輪驅動時，不必采用昂貴的驅動轉向橋。

4但鉸接車架轉向時抗傾翻的穩定性降低。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日三、差速(滑移)轉向差速轉向方式的車架是整體的(沒有相對偏轉的車架)，依靠改變左右兩側車輪或履帶的轉速和轉矩來操縱行駛方向，主要用于全橋驅動的車輛或雙履帶車輛。特點：其結構比較簡單，轉向半徑較小，但轉向時車輪的滑動較為嚴重，雙履帶車輛一般都采用這種轉向方式。第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日第二節輪式轉向理論一、偏轉車輪轉向理論 （一）、偏轉車輪轉向車輛的轉向運動學輪式車輛轉向應滿足的三個條件：

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。輪式車輛轉向基本要求：車輪純滾動，不發生側滑、縱向滑移或滑轉。第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日對于前后輪同時偏轉時，如果前橋兩主銷之間距離K1等于后橋兩主銷之間距離K2時，即K1=K2=K時有：

要滿足上述要求，則有:式中：L——車輛的軸距，L1+L2=L第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日當前后橋兩主銷之間距離K1與K2不相等而L1與L2相等時，即K1≠K2。要滿足轉向時，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，則：可以看出K1與K2的差值越大，a1與a2相差也越大。其變化規律如圖

a1與a2關系曲線①K2-K1=0；②K2-K1=0.7m；③K2-K1=1.2m2）．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轉。

第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日車輛轉向時的平均速度可以用車輛幾何中心L線速度表示，其轉向角速度為：

車輛內、外側驅動輪的幾何中心點O1和O2的速度兩側驅動的幾何中心點轉向的速度是不相等的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。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）偏轉車輪轉向車輛的轉向動力學1．轉向行駛受力分析假定兩輪車在水平地段上以等角速度作低速穩定轉，略去離心力不計，這時受力情況如圖驅動力F’K

轉向阻力矩Muc

轉向阻力矩MuK

滾動阻力F’fc

驅動輪滾動阻力F’fK

轉向力FZ

側向阻力KZ第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日驅動力1轉向阻力矩滾動阻力滾動阻力轉向力側向阻力驅動力2驅動力3驅動力分解：第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉向力圖7-3a）、b）、c）疊加起來，得圖7-3d）。將各力對轉向軸線O取矩得車輛穩定轉向時的驅動力在等速直線行駛時可看出，當穩定轉向時，驅動力就必須增加第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日對一般的輪式車輛（帶有牽引負荷）在水平地段上作穩定轉向時的受力情況進行分析第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日（1）牽引負荷Fx（2）離心力Fj它作用在牽引點上，轉向時力Fx偏轉了γ角，其縱向分為橫向分為式中：Rm——車輛質心至軸線O的距離；b——車輛質心至后橋中線的縱向水平距離——離心力與后橋軸線的水平夾角；G——車輛重量——后橋中點的速度第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日（3）滾動阻力轉向時各個驅動輪和導向輪的滾動阻力，可以認為分別是和一半

（4）轉向阻力矩Mu驅動輪阻力矩導向輪阻力矩（5）驅動力（6）土壤對兩側導向輪的作用力Xc1和Xc2對后橋中點的矩近似相等。（7）轉向力FZ它是兩側導向輪的側向作用力FZ1、FZ2的向量和。力FZ的作用方向近似地認為作用在OOc平面內。（8）側向反作用ZK1和ZK2作用在兩側驅動輪上。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日土壤對導向輪和驅動的阻力矩MucMuk

及Fj和Fx的水平分量所形成的力矩稱為總轉向阻力矩：轉向力FZ對OT點所形成的力矩，稱為轉向力矩：

轉向力FZ作用線與驅動輪軸線之間的夾角

為了使車輛能夠實現轉向，必須滿足下列條件后橋中點力矩平衡分析第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日當車輛作穩定轉向時土壤對導向輪的總的側向反作用力不能超過導向輪的側向附著力導向輪的側向附著系數

第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2．轉向行駛阻力矩轉向時輪胎內外側線速度不同：輪胎以角速度繞O點轉動其內、外側相對地面的滑動速度第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日滑轉率在有速度損失的情況下，O1點的實際速度為輪胎幾何軸線中點O1繞轉向軸線O轉動角速度為此時，其內、外側相對于地面的滑動速度為：將滑動速度合成，得到車輪內、外側接地點相對地面的滑動速度：第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日輪胎滑動速度分布為ABCD，梯形。假如地面的切向反力與滑移距離成正比，則切向反力的分布與梯形ABCD相似，切向反力的合力FK必通過梯形的形心。這樣該輪胎轉向行駛時的阻力矩為：驅動力梯形面積形心距輪胎縱向對稱面的距離轉向行駛時單驅動輪相對地面的阻力矩為：對于從動輪，轉向行駛時相對地面的阻力矩為：式中：Y——地面作用于該輪上的垂直反力；f——滾動阻力系數第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日（三）單差速器對輪式車輛性能的影響1.單差速器的運動學行星輪公轉角速度自轉角速度一側半軸的角速度減少值與另一側半軸的角速度增加值相等，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。第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.單差速器的動力學差速器整體力矩平衡行星齒力矩平衡內、外半軸力矩平衡

差速器永遠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。第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日當兩側附著力差距過大時，可鎖死差速器以提高整機附著性能。通過單邊制動內側半軸增加轉向力矩，以實現急轉彎。此時，轉向力矩增大第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日二、鉸接式輪式車輛的轉向理論（一）鉸接式輪式車輛轉向的運動學車輛四個輪胎的運動半徑分別為第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日四個輪胎的線速度分別為第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）鉸接輪式車輛轉向力矩及阻力矩分析1．轉向力矩分析

轉向油缸布置簡圖油缸轉向時的轉向力矩第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉向力矩（正轉向）轉向力矩（負轉向）第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.轉向阻力距分析第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日第三節履帶車輛的轉向理論第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、履帶車輛的轉向理論履帶式車輛，都是依靠改變兩側驅動輪上的驅動力，使其達到不同時速來實現轉向的。第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）雙履帶式車輛轉向運動學從轉向軸線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。O第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日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OT的速度v所作的直線運動；（2）相對運動，即該點以角速度Z繞OT的轉動第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日（二）履帶式車輛轉向動力學1．牽引力平衡和力矩平衡在水平地段上轉向半徑R作低速穩定轉向時的受力情況（離心力可略去不計）。圖9－14轉向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日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（2）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，所以回轉行駛的牽引力平衡關系為：第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日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：aT——牽引點到軸線O1O2的水平距離

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：力矩平衡轉向力矩圖9－14轉向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日穩定轉向時的力矩平衡關系為：牽引力矩平衡關系已經表示出內、外側驅動力、轉向阻力矩和結構參數B之間的關系。為了進一步研究回轉行駛特性，對內、外側驅動力分別加以討論。由上式，改寫得土壤對履帶行駛所增加的反力，亦即轉向力，用FZ表示

作用下，第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日還可表示為

V稱為轉向參數

為轉向力與車輛切線牽引力之比

將v代入上式可得下式：第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日下面就v值的變化來討論一下履帶車輛轉向情況：

（1）當v=0時，轉向阻力矩（2）當v=0.5，內側履帶的驅動力，（3）當v<0.5時，內側履帶的驅動力，（4）當v>0.5時，內側履帶的驅動力，車輛作直線行駛內側轉向離合器徹底分離，但制動器沒有制動，牽引負荷完全由外側履帶承擔說明內側離合器處于半分離狀態，內外側履帶都提供驅動力。說明內側離合器不僅完全分離，且對驅動鏈輪施加了制動力矩，履帶產生了制動力。第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2．轉向阻力矩履帶式車輛帶負荷穩定轉向時的阻力矩:不帶負荷時轉向阻力矩:轉向阻力矩

引起轉向阻力矩的因素：（1）履帶板的支承面、側面和履刺表面與土壤的相對摩擦；（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第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉向阻力矩計算：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2）形成轉向阻力矩的反力都是橫向力且是均勻分布的

由于牽引負荷橫向分力的影響，車輛轉向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至O1O2（見圖），移動距離為x0

ωzL0/2L0/2X0XdXo2o1aTFxγ第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日根據橫向力平衡原理，轉向軸轉偏移量x0可按下式計算在履帶支承面上任何一微小單元長度dx，分配在其上的機器重力為。總的轉向阻力矩可按下式進行計算：

將上式代入并積分得：轉向軸線偏移量μ：轉向阻力系數第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日轉向軸線偏移量x0=0表示機械重心無偏移，則轉向阻力矩：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勻的，所以轉向阻力矩的計算法也不盡相同。

轉向力矩：第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日幾種典型壓力下轉向阻矩的計算式。第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日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。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、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。車輛作急轉彎時，即R=（0.5~1）B，轉向阻力系數達到最大值max。地面條件不同，最大轉向阻力系數也就不同，通常松軟土壤地面最大轉向阻力系數約0.6~0.7，干土路面為0.5~0.6，雪路約0.15~0.25

第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖9-17在兩種土壤上轉向阻力系數隨轉彎半徑而變化的關系曲線當車輛以任一轉向半徑R進行轉向時，轉向阻力系數μ值可按以下經驗公式計算第五十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日（三）影響履帶車輛轉向能力的因素穩定轉向條件：Mz=M∑。轉向影響因素：發動機功率、土壤的附著條件。1．轉向能力受限于發動機功率的條件履帶式車輛在水平地段上作穩定轉向時所消耗的功率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：（2）車輛繞本身的相對轉動軸線OT轉動所消耗的功率：（3）轉向機構或制動器的摩擦元件所消耗的功率：轉向離合器或制動器上的摩擦力矩及主從動片間的相對角速度。第五十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖9－14轉向時作用在履帶車輛上的外力K2′FTαO2FXF′f2RO′K1γFTOO1f1′μMBFωZ第五十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日履帶車輛作穩定轉向時，傳到中央傳動從動齒輪上的功率可分為