輪式滑移轉(zhuǎn)向車輛平地轉(zhuǎn)向阻力矩分析

張高峰，張福生，張 濤，鄭彥波

（1.太原科技大學(xué) 機 械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.西安昆侖工業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

0 引言

依靠改變兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)向來操縱行駛方向的轉(zhuǎn)向方式為滑移轉(zhuǎn)向，也稱為差速轉(zhuǎn)向?；妻D(zhuǎn)向車輛按其行走裝置分為履帶式和輪式，輪式一般為全輪驅(qū)動，各輪均為剛性懸掛。輪式轉(zhuǎn)向靈活、操作方便，廣泛應(yīng)用于建筑工地、廠房、倉庫等狹窄場地［1］。本文對水平地面上輪式滑移轉(zhuǎn)向的運動過程進行分析，希望能為車輛的設(shè)計與分析提供一定程度上的參考與借鑒。

1 輪式滑移轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向形式與運動學(xué)分析

為簡化分析，假設(shè)整車重心位于縱向?qū)ΨQ面上，整車不帶外部負荷。設(shè)整車質(zhì)心速度為v，輪距為B，軸距為L，輪式滑移轉(zhuǎn)向車輛外側(cè)驅(qū)動輪線速度為v1，內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪線速度為v2，其運動簡圖如圖1所示，其中c，d分別為重心至前、后軸距離。此時可分為4種轉(zhuǎn)向工況：①v1＞v2＞0，即速度方向相同大小不同；②v1＞v2＝0，即內(nèi)側(cè)制動外側(cè)車輪轉(zhuǎn)動；③v1＞0，v2＜0，｜v1｜≠｜v2｜，即速度方向大小都不同；④v1＞0，v2＜0，｜v1｜＝｜v2｜即原地轉(zhuǎn)向。4種工況下整車轉(zhuǎn)向角速度ω 為［2］：

2 輪式滑移轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)分析

2.1 相關(guān)假設(shè)

相關(guān)假設(shè)如下：①在均勻地面上轉(zhuǎn)向行駛；②在水平地面上轉(zhuǎn)向行駛；③整車以等速轉(zhuǎn)向行駛；④因轉(zhuǎn)向行駛速度較小，忽略離心力的影響；⑤輪胎接地壓力在接地印記上均勻分布；⑥整車空載，不帶外部載荷。

2.2 單個車輪轉(zhuǎn)向過程分析

2.2.1 車輪繞接地印跡中心轉(zhuǎn)動時的阻力矩

滑移轉(zhuǎn)向車輛所用輪胎一般為工程機械低壓輪胎，輪胎高寬比較小，其接地印跡近似為矩形［3］?，F(xiàn)假定輪胎與地面的接觸形狀為b×b矩形，如圖2所示。

圖1 輪式滑移轉(zhuǎn)向車輛運動簡圖

圖2 輪胎繞接地印跡中心轉(zhuǎn)動

設(shè)接地面上某一微小單元的面積為d A，它到O1點距離為ρ，則該微小單元受到的摩擦阻力矩為：

其中：FZ為作用在輪胎上的垂直載荷；p為接地比壓；μ為滑動摩擦系數(shù)。

對式（3）兩邊進行積分，則接觸面積內(nèi)總的阻力矩為：

2.2.2 輪胎繞接地印跡之外一點旋轉(zhuǎn)過程分析

如圖3所示，建立坐標系，輪胎運動方向在輪胎滾動平面內(nèi)有一側(cè)向角α。由運動的合成與分解可知，此運動可拆分為3個分運動：車輪繞印跡中心O1的旋轉(zhuǎn)運動；以速度vy沿y向的滾動；以側(cè)向速度vx沿x軸的滑動，如圖3（a）所示。

設(shè)作用于接地印跡中心O1的驅(qū)動力為F，車輪直線運動滾動阻力為Ff，側(cè)向力為Fr。則Ff＝f FZ（f為車輪直線運動滾動阻力系數(shù)），F(xiàn)r＝μFZ。

單個車輪繞O點旋轉(zhuǎn)時總阻力矩MZ為：

圖3 輪胎繞任意一點O旋轉(zhuǎn)

2.3 整車轉(zhuǎn)向時受力分析

2.3.1 整車各驅(qū)動輪垂向負荷

如圖1所示，用j（j＝1，2，3，4）表示各驅(qū)動輪編號，整車重力為G，F(xiàn)Zj為各驅(qū)動輪垂向負荷。由于整車重心位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，則輪1與輪3所受垂向負荷相等，同理輪2與輪4所受垂向負荷也相等。對整車重心取力矩，有：

則FZ1＝FZ3＝Gd／（2L），F(xiàn)Z2＝FZ4＝Gc／（2L），其中，L＝c＋d。

2.3.2 各轉(zhuǎn)向工況條件下整車受力分析［4］

設(shè)各驅(qū)動輪繞印跡中心轉(zhuǎn)動的阻力矩為Mj，各輪驅(qū)動力為Fj，側(cè)向力為Frj，直線滾動阻力為Ffj，各輪轉(zhuǎn)向阻力矩為MZj，各輪驅(qū)動力矩為Mqj。工況1（如圖4所示）時，總的驅(qū)動力矩MQ1為：

工況2（如圖5所示）時，總的驅(qū)動力矩MQ2為：

工況3（如圖6所示）時，總的驅(qū)動力矩MQ3為：

圖4 兩側(cè)車輪同向運動（工況1）時受力簡圖

圖5 一側(cè)輪胎制動（工況2）時受力簡圖

圖6 兩側(cè)車輪異向轉(zhuǎn)動（工況3）時受力簡圖

工況4時，即理論轉(zhuǎn)向半徑R為0，總的驅(qū)動力矩MQ4為：

3 結(jié)語

由上述分析可知：①轉(zhuǎn)向總阻力矩由總車輪繞接地印跡中心轉(zhuǎn)動阻力矩、總車輪滾動阻力矩和總車輪側(cè)向滑動阻力矩3大部分組成；②工況1時總車輪滾動阻力矩與轉(zhuǎn)向半徑R有關(guān)，工況2，工況3，工況4時，總車輪滾動阻力矩大小和輪距B有關(guān)；③對于側(cè)向滑動阻力矩，其大小和重心距前后軸的距離及整車軸距有關(guān)，當c＝d＝L／2時，側(cè)向滑動阻力矩最大；④整車轉(zhuǎn)向的條件為MQ≥MR；⑤當轉(zhuǎn)向半徑R＞B／2時，整車轉(zhuǎn)向阻力和轉(zhuǎn)向半徑的大小有關(guān)，當轉(zhuǎn)向半徑0≤R≤B／2時，整車轉(zhuǎn)向阻力和車輛本身的輪距、軸距有關(guān)。

［1］ 劉慶東.淺談滑移裝載機［J］.工程機械，1999（10）：32－34.

［2］ 郁錄平，張志友.滑移轉(zhuǎn)向裝載機的轉(zhuǎn)向原理分析［J］.工程機械，2001（6）：24－26.

［3］ 莊繼德.計算汽車地面力學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［4］ 林慕義，張福生.車輛底盤構(gòu)造與設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.