履帶車輛牽引計算與行駛性能分析

劉瑞強

摘要：履帶車輛的牽引計算是傳動裝置和發(fā)動機裝置設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)牽引計算的結(jié)果，可以預先評價履帶車輛的燃油經(jīng)濟性和提出自動控制行駛的規(guī)則。履帶車輛牽引計算的共同任務(wù)，是在給定的發(fā)動機功率下，在考慮到傳動裝置形式以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)形式及參數(shù)的同時，確定傳動裝置內(nèi)的速度范圍，排擋數(shù)和排擋劃分，以便保證履帶車輛的最佳動力性能。

Abstract： Traction calculation of tracked vehicles is an important link in the design of transmission and engine devices. According to the results of traction calculation， the fuel economy of the crawler vehicle can be evaluated in advance and automatic control rules can be proposed. The common task of the traction calculation of the tracking vehicle is to determine the speed range， gear number and gear division while considering the drive form and the steering mechanism form and parameters， so as to ensure the optimal dynamic performance of the track vehicle.

關(guān)鍵詞：履帶車輛;牽引計算;傳動裝置

Key words： tracked vehicles;traction calculation;transmission

中圖分類號：U469.6+94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0087-02

0? 引言

已知結(jié)構(gòu)履帶車輛檢驗性牽引計算的共同任務(wù)，是確定和評價車輛的動力性能。上述兩種任務(wù)是在發(fā)動機外特性或在任何給定的工況下（通用牽引特性）工作時，均通過繪制直線行駛牽引和制動特性曲線來解決。轉(zhuǎn)向在考慮到允許的行駛速度的同時，以在各種土壤上的行駛軌跡曲率來表示。

1? 傳動裝置效率的計算

通過傳動裝置傳輸發(fā)動機功率，伴隨著傳動裝置各組成部分的能量損失。在沒有負荷的情況下對傳動裝置功率損失進行計算。速度功率損失ΔNC由未結(jié)合摩擦部件中的功率損失ΔNΦ和傳動裝置機械部分的功率損失ΔNM（行星排和齒輪傳動、軸承和密封件中的功率損失）的相加得到，有：ΔNC=ΔNΦ+ΔNM

2? 液力變矩器

液力變矩器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其通常位于發(fā)動機和變速機構(gòu)之間，主要由三個工作葉輪組成，其中B為泵輪、W為渦輪、T為導輪。

2.1 液力變矩器的原始特性

液力變矩器的原始特性關(guān)系圖如圖2所示：其中K為變矩比、η為效率、λB為轉(zhuǎn)矩系數(shù)、i為轉(zhuǎn)速比。

2.2 液力變矩器的轉(zhuǎn)速比

液力變矩器的轉(zhuǎn)速比關(guān)系式如下：i=

其中nw為渦輪轉(zhuǎn)速，nB為泵輪轉(zhuǎn)速。

2.3 液力變矩器變矩比

液力變矩器變矩比如下式所示：K=

其中K為變矩、TW為渦輪轉(zhuǎn)矩、TB為泵輪轉(zhuǎn)矩。

2.4 液力變矩器的泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)

反映泵輪轉(zhuǎn)矩與其幾何參數(shù)、油液密度及轉(zhuǎn)速等關(guān)系的一個性能參數(shù)。其定義為：

2.5 牽引特性

當對有液力機械式傳動裝置的履帶車輛進行直線行駛牽引計算時，具有下列特點：①在液力變矩器正常工作時，其中傳動裝置的運動學傳動比由機械式部件和液力變矩器的傳動比共同決定。②液力變矩器的運動學傳動比，應(yīng)與繪制履帶車輛牽引特性時確定的發(fā)動機工況相對應(yīng)。③液力機械式傳動裝置是一種在較少情況下具有兩自由度的系統(tǒng)，當分析履帶車輛加速時應(yīng)考慮這點。④液力機械式傳動裝置的動力學傳動比與運動學傳動比差別很大，并且在每種工況下不僅由機械部件決定，而且還取決于液力交矩器的動力學傳動比。⑤當決定變速箱的速度范圍和劃分排擋時，應(yīng)考慮液力變矩器的閉鎖。

2.6 共同工作特性

所謂共同工作的輸入特性，是指與發(fā)動機曲軸直接相聯(lián)的液力元件泵輪軸，在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系 ，而把渦輪軸上相應(yīng)力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系 叫做共同工作的輸出特性。

利用 式 和式 ，計算出它們共同工作的輸出性。作為技術(shù)比較成熟先進的TCL-421系列液力變矩器可以作為安裝在履帶車輛的首選。

3? 行動部分功率損失分析

履帶車輛直線行駛和轉(zhuǎn)向牽引計算時，行動部分的功率損失分成3個重要組成部分，這三部分是履帶纏繞損失、摩擦損失和負重輪沿履帶板的滾動損失。

用于履帶纏繞的功率損失不依賴傳輸?shù)墓β蚀笮?，并可看作是空轉(zhuǎn)損失，且與履帶車輛行駛速度（至50km/h）成正比。履帶與主動輪嚙合中的功率損失，也如同履帶和鏈條傳動一樣，取決于所傳輸?shù)墓β省?/p>

負重輪沿履帶滾動的功率損失（組成部分）正比于懸掛質(zhì)量，以及履帶車輛在所有速度范圍內(nèi)的行駛速度，通常在考慮到把懸掛質(zhì)最換算成車輛全重的同時，用負重輪沿履帶滾動阻力系數(shù)fK的形式表示。系數(shù)fK包括在履帶車輛直線行駛阻力系數(shù)的組成內(nèi)：f=fK+fГP

式中fГP為地面阻力系數(shù)。

履帶車輛多次行駛試驗所得到的系數(shù)f和fГP的試驗值如表1所示。

換算公式表明，沿地面移動和沿履帶（板）滾動負重輪時產(chǎn)生的履帶車輛直線行駛阻力，取決于作用到履帶支承表面上的履帶車輛重量的垂直組成部分。

傳統(tǒng)的車輛地面力學基于經(jīng)典土力學理論，較多的是將與行走機構(gòu)作用的土壤看成是彈塑性體、非線彈性體、粘彈性體等非線性材料，認為土體的本構(gòu)關(guān)系是恒定的，加載的瞬間土壤即開始變形，不考慮加載時間的影響。

4? 自動換擋系統(tǒng)

建立自動換擋系統(tǒng)的任務(wù)是首要的，有利于節(jié)省駕駛員體力和減少燃油消耗，對自動換擋系統(tǒng)要求如下：①換擋時間和判擋或降擋時刻的選擇。②在換擋過程的過渡時間內(nèi)動力裝置組成部分的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)。③在換擋時不要發(fā)生機件損壞。④利用履帶車輛的整個牽引特性。⑤動力裝置工作在經(jīng)濟狀態(tài)，在換擋時工作中斷時間最短。⑥消除循環(huán)換擋。⑦減少不合理的換擋次數(shù)。⑧可從自動過渡到手動換擋（或半自動）和相反。⑨手動操縱優(yōu)先。

自動換擋操縱系統(tǒng)可選擇換擋時間，確定換擋方向（升擋或降擋），完成換擋計算，消除動力裝置部件的損壞，保證駕駛員隨時進入到手動操縱。同時系統(tǒng)的這些特性可降低對駕駛員技術(shù)水平的要求，減少訓練學習時間，提高行車信心，減少對保持規(guī)定的車輛適應(yīng)能力的訓練量。車輛行駛的外部條件，包括各種隨機不確定性的道路阻力及其較大頻次變化范圍的行駛阻力。駕駛員應(yīng)當時刻觀察外部條件，并在這些條件變化時及時改變車輛行駛的狀態(tài)和參數(shù)。為此，車輛應(yīng)具有允許駕駛員強制性地改變它的狀態(tài)和工況的操縱機構(gòu)，這樣，駕駛員才有可能保證車輛按照外部行駛條件進行有效和安全地行駛。

必須注意到，例如：液力機械傳動的履帶車輛牽引特性，其特點是存在兩個高油耗區(qū)。第一個（在高速行駛范圍）解釋為發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的特點，在該區(qū)域隨著其曲軸轉(zhuǎn)速增加和負荷降低發(fā)動機油耗增加。第二個是由于在低轉(zhuǎn)速時液力變矩器效率降低。因此，工作的經(jīng)濟區(qū)在每擋的中間速度范圍內(nèi)。在低擋調(diào)節(jié)特性曲線上，由低擋到高擋換擋規(guī)律點位置，要求有高精度的參數(shù)測量并影響到履帶車輛的加速性。

消除換擋循環(huán)最基本的方法是根據(jù)換擋行駛速度實現(xiàn)換擋規(guī)律的分隔。早期換擋循環(huán)出履帶車輛現(xiàn)在不合理的換擋，采取的辦法是在換擋時延緩執(zhí)行換擋指令，這也是換擋規(guī)律的修正。延緩履帶車輛可按3個原則處理：如正常的換擋規(guī)律移動;駕駛員加以干預;考慮操縱對動力或?qū)β膸к囕v行駛速度修正換擋規(guī)律。履帶車輛偏移正常換擋規(guī)律的延遲是基于自動換擋系統(tǒng)完成換擋的算法總是比駕駛員反應(yīng)快。知道由自動換擋系統(tǒng)和駕駛員保證的“升擋”和“降擋”時的換擋時間，在自動換擋系統(tǒng)可取平均履帶車輛差值，作為換擋時執(zhí)行指令的延遲。延遲不能超過1.5～2秒，也不能導致履帶車輛經(jīng)濟性和動力性出現(xiàn)明顯地下降。有相關(guān)試驗表明，液力機械傳動的自動換擋數(shù)量少，因此建立液力機械傳動的自動換擋系統(tǒng)要比機械傳動容易;排擋之間宜安排得足夠遠，以適應(yīng)自動換擋系統(tǒng)附加手段和對精度提高的要求。液力變矩器的減振性能、其自身的自適應(yīng)性，使得對換擋系統(tǒng)在換擋過渡過程調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求簡化。換擋算法與機械傳動具有一樣的操縱運算量，但除精度要求外，在很多情況下類似遙控操縱系統(tǒng)。

駕駛員操縱機構(gòu)的“自動化”是非常明顯的趨勢。用操縱機構(gòu)的標準元器件和用途描述各種汽車的用途、類型和結(jié)構(gòu);具有相似的布置和結(jié)構(gòu)，相同的操縱算法，促使所有駕駛員很快適應(yīng)車輛，縮短訓練時間和提高駕駛質(zhì)量。

履帶車輛駕駛員工作的模式完全和汽車駕駛員的一樣未必可能，但使其在機構(gòu)、操縱算法相似，則是完全可能的。這樣就簡化了駕駛員訓練任務(wù)，縮短培養(yǎng)周期，以便更快提升駕駛員培養(yǎng)質(zhì)量，為增加作戰(zhàn)人員提供有利條件。

參考文獻：

[1]王紅巖，芮強，高連華，沙學鋒，等譯.履帶車輛傳動裝置[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2]黃祖勇著.賈振中，李升波，胡曉松譯.地面車輛原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[3]閻清東，張連第，等.履帶車輛構(gòu)造與設(shè)計[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[4]陳淑艷.移動機器人履帶行走裝置的構(gòu)型與機動性能研究[J].2008.

[5]孫偉，李維東，等.裝甲車輛構(gòu)造[M].2006，04.

[6]閆青東，李宏才編著.裝甲車輛構(gòu)造與原理[M].2019，06.

[7]梁朝彥主編.汽車構(gòu)造與維修，發(fā)動機部分[M].2008.