特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配機(jī)理研究

張軍 趙藝

摘 要：針對(duì)特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配難以計(jì)算的問(wèn)題，建立了特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配計(jì)算模型，推導(dǎo)出在考慮履帶接地比和履帶寬度的情況下，該特征車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配的修正模型，并利用某型軍用特種履帶車輛的相關(guān)參數(shù)對(duì)該模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配隨轉(zhuǎn)向半徑變化而變化，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)履帶較外側(cè)履帶變化更明顯；轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩對(duì)功率匹配特性影響更大；該仿真結(jié)果與某型軍用特種履帶車輛電機(jī)功率選型相一致。這為特種履帶車輛驅(qū)動(dòng)部件選型及整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：特種履帶車輛；小半徑轉(zhuǎn)向；功率匹配；履帶接地比；履帶寬度

中圖分類號(hào)： S219.032.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2017）05-0001-04

Abstract：In view of the problem that the small radius steering power matching of special tracked vehicles was difficult to calculate， a calculation model and the modified formula considering the crawler grounding ratio and the track width of small radius steering power matching for special tracked vehicles was established and deduced in this paper. Also， the model was simulated by using the relevant parameters of a certain type of military special crawler， and the simulation result showed that the small radius steering power matching changes with the steering radius， and the inner track of the steering wheel is more obvious than the outer track， the steering friction torque has a greater effect on the power matching characteristics， and the simulation results are consistent with the selection of motor power for a certain type of military special track vehicle. In short， it provides a theoretical basis for the selection of the special parts of the tracked vehicle and the design of the whole machine.

Key words：special tracked vehicles； small radius steering； power matching； track ground ratio； track width

特種履帶車輛由于其較強(qiáng)的地面適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著不斷的實(shí)驗(yàn)研究和各領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用總結(jié)發(fā)現(xiàn)，特種履帶車輛在水平行走、爬坡、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)模式中，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模式最為復(fù)雜[1]，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模式下的功率匹配問(wèn)題更是決定著車輛整體的驅(qū)動(dòng)特性[2]。特種履帶車輛在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模式下，根據(jù)轉(zhuǎn)向半徑R的大小，往往分為0≤R≤B/2轉(zhuǎn)向和R>B/2轉(zhuǎn)向。相比較于R>B/2轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向半徑為0≤R≤B/2的小半徑轉(zhuǎn)向，使特種履帶車輛在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顯得更加靈活，更有利于車輛在受到空間限制時(shí)進(jìn)行作業(yè)[3]。但特別對(duì)具有履帶寬度較大的特種履帶車輛，實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模式難度較大。很多文獻(xiàn)資料對(duì)特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配計(jì)算都沒(méi)有考慮到履帶接地比和履帶寬度，或是只做了估計(jì)近似求解，實(shí)際中往往履帶寬度與履帶長(zhǎng)度比值較大，履帶接地比和履帶寬度直接影響著車輛轉(zhuǎn)向功率匹配，不考慮履帶接地比和履帶寬度，則誤差很大。

1 功率匹配計(jì)算模型建立

功率匹配是特種履帶車輛內(nèi)外側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的合理分配[4]，對(duì)車輛小半徑轉(zhuǎn)向性能起決定性作用?；谔胤N履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向?qū)嶋H工況，且考慮到計(jì)算的復(fù)雜性，提出本文分析與研究的假設(shè)條件：

1） 特種履帶車輛是差速驅(qū)動(dòng)行走，小半徑（0≤R≤B/2）轉(zhuǎn)向時(shí)不考慮內(nèi)外側(cè)履帶的滑移與滑轉(zhuǎn)[5]；

2） 根據(jù)特種履帶車輛車身結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)車輛重心偏移量相比履帶接地長(zhǎng)度數(shù)值較小，且相比正常直線行駛轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向速度較小，故不考慮車輛重心偏移。

對(duì)履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)受力分析，如圖1所示，點(diǎn)C為特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向中心；點(diǎn)O、O1、O2分別為特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)整機(jī)及內(nèi)、外側(cè)履帶的幾何中心；v1、v2、ω

分別為內(nèi)、外側(cè)履帶的瞬時(shí)速度和特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向整機(jī)角速度；Ff1、Ff2分別為內(nèi)、外側(cè)履帶所受地面變形阻力；Fq1、Fq2分別為內(nèi)、外側(cè)履帶所受驅(qū)動(dòng)力[6]；Mμ為特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩；R為特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向半徑；L為履帶接地長(zhǎng)度；b為履帶寬度；B為兩側(cè)履帶中心距離。

3 仿真分析

3.1 MATLAB仿真

在MATLAB軟件環(huán)境下，根據(jù)某型軍用特種履帶車輛相關(guān)參數(shù)（見表2），建立特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配進(jìn)行仿真[11]。運(yùn)用上述計(jì)算公式，通過(guò)改變地面變形阻力系數(shù)f、最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μmax，分別對(duì)不同性質(zhì)路面下特種履帶車輛內(nèi)、外側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)功率匹配進(jìn)行分析。同時(shí)，通過(guò)數(shù)值分析討論相同性質(zhì)路面情況下，特種履帶車輛內(nèi)、外側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)功率匹配隨相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑的變換關(guān)系。仿真結(jié)果曲線如圖3所示，仿真計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3.2 結(jié)果分析

從圖3中可以看出，相同路面狀況下，隨著相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ的增大，內(nèi)、外側(cè)履帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率匹配特性均呈現(xiàn)不同幅度的減小趨勢(shì)，這符合特種履帶車輛實(shí)現(xiàn)越大半徑轉(zhuǎn)向，需要越小功率的實(shí)際規(guī)律。當(dāng)ρ=0時(shí)，曲線內(nèi)側(cè)履帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為零，說(shuō)明實(shí)際特種履帶車輛以恒功率實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)側(cè)履帶吸收的變速分路功率，全部傳給外側(cè)履帶變?yōu)榱嗽偕β?。此外，?duì)比分析不同路面狀況，得出在油路（f=0.02，μmax=0.49）、土路（f=0.04，μmax=0.6）、雪地（f=0.22，μmax=0.7）三種路面狀況下，特種履帶車輛內(nèi)、外側(cè)履帶轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)功率匹配初始值有明顯變化。由三種路況曲線變化可知，小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)、外側(cè)履帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率與路面變形阻力系數(shù)f和最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μmax呈正相關(guān)。同時(shí)，比較土路和雪地曲線變化，發(fā)現(xiàn)相比路面變形阻力系數(shù)f的變化，最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μmax的變化對(duì)內(nèi)、外側(cè)履帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率匹配影響更大。

4 結(jié)論

本文建立了特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配計(jì)算模型，對(duì)該模型進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合某型軍用特種履帶車輛的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了MATLAB仿真，得到如下結(jié)論：

1）確立了特種履帶車輛小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配計(jì)算方法，根據(jù)考慮履帶寬度和履帶接地比的地面變形阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算，對(duì)功率匹配計(jì)算公式進(jìn)行了修正。

2）基于某型軍用特種履帶車輛的功率匹配計(jì)算結(jié)果均低于車輛實(shí)際額定輸出功率0.4kW，驗(yàn)證了功率匹配計(jì)算修正公式的正確性。

3）仿真分析得出相比地面變形阻力而言轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩更能決定功率匹配特性變化；小半徑轉(zhuǎn)向功率匹配特性隨轉(zhuǎn)向半徑變化而變化，轉(zhuǎn)向過(guò)程中外側(cè)履帶存在再生功率。

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（責(zé)任編輯：李 麗）